DE2422322C3

DE2422322C3 - Elektrode für einen Plasmabrenner

Info

Publication number: DE2422322C3
Application number: DE2422322A
Authority: DE
Inventors: Michail Sch. Brodskij; David G. Bychovskij; Aleksandr I. Danilov
Original assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ I TECHNOLOGITSCHESKIJ INSTITUT ELEKTROSVAROTSCHNOGO OBORUDOVANIJA LENINGRAD (SOWJETUNION)
Current assignee: VSESOJUZNYJ NAUTSCHNO-ISSLEDOVATELSKIJ PROEKTNO-KONSTRUKTORSKIJ I TECHNOLOGITSCHESKIJ INSTITUT ELEKTROSVAROTSCHNOGO OBORUDOVANIJA LENINGRAD (SOWJETUNION)
Priority date: 1974-05-09
Filing date: 1974-05-08
Publication date: 1980-03-13
Also published as: FR2274196B1; DE2422322B2; FR2274196A1; GB1453366A; DE2422322A1

Description

Die Erfindung betrifft eine Elektrode für einen Plasmabrenner, die eine Kühlung enthält und an der Stirnseite, von der im Betrieb ein Lichtbogen ausgeht, einen mit ihrer Oberfläche bündig abschließenden hochschmelzbaren Einsatz aufweist.

Aus der US-PS 3198932 ist eine Elektrode eines Plasmabrenners bekannt, die einen gekühlten Stab mit einem hochschmelzbaren Einsatz enthält, dessen freie Fläche mit dem der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnitt in Berührung kommt.

In der FR-PS 1421353 ist eine Elektrodenbaugruppe eines Plasmabrenners beschrieben, die einen ungekühlten Brennerstab aus Kupfer mit einem metallischen hochschmelzenden Überzug aus Wolfram aufweist. Zwischen dem Überzug und dem Brennerstab ist in Achsennähe des Brenners ein zur Brennerachse symmetrisch angeordneter vollständig mit Wolfram gefüllter Zwischenraum angeordnet.

Ein Nachteil der bekannten Elektroden besteht darin, daß sie nur begrenzt belastbar sind, was durch eine gesteigerte Beweglichkeit des der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnittes bewirkt wird, wodurch die Betriebszuverlässigkeit der Elektroden eines Plasmabrenners stark herabgesetzt und die Bearbeitungsgüte von Werkstoffen verschlechtert wird.

Die gesteigerte Beweglichkeit des der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnittes wird dadurch bewirkt, daß die wirksame Fläche des Einsatzes aus einem hochschmelzbaren Metall gleichmäßig erwärmt wird, wodurch der der Elektrode anliegende Lichtbogenabschnitt über die gesamte Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes wandern kann.

Aus dem »Welding Journal«, Juni 1965, S. 276 ff., ist es bekannt, daß Elektroden mit umgekehrter Polung (Pluspolung) schon bei geringen Stromstärken zerstört werden.

Aufgabe der Erfindung ist es, eine Elektrode für einen Plasmabrenner anzugeben, von der im Betrieb von einer bestimmten Stelle ein Lichtbogen ausgeht, dessen Fußpunkt nicht wandert und die zum Betrieb eines Plasmabrenners unter gleichbleibenden Betriebsverhältnissen vorzugsweise mit umgekehrter Poiung bei erhöhten Belastungen geeignet ist.

Diese Aufgabe wird erfindungsgemäß bei einer Elektrode der eingangs genannten Art dadurch gelöst, daß an der dem Lichtbogen abgewandten Seite des Einsatzes ein Hohlraum angeordnet ist, und daß der Hohlraum mit einem Werkstoff gefüllt ist, dessen Wärmeleitzahl niedriger ist als die Wärmeleitzahl des Materials des Einsatzes, wobei sich der Werkstoff, der den Hohlraum füllt, in ständigem Kontakt mit dem Einsatz befindet.

Die Elektroden für einen Plasmabrenner der vorgeschlagenen Konstruktion können in Plasmabrennern zum Schweißen, Auftragschweißen, Oberflächenbearbeiten und Schneiden von Werkstoffen eingesetzt werden.

Vorteilhafte Ausführungen der Erfindung bestehend darin, daß der Hohlraum luftdicht ausgeführt und mit einem gasförmigen Stoff gefüllt ist und daß der hochschmelzbare Einsatz aus einem hochschmelzbaren Metall der IV., V. und VI. Gruppe des periodischen Systems der Elemente oder aus einer Legierung auf der Basis dieser Metalle hergestellt ist.

Inder erfindungsgemäßen Elektrode eines Plasmabrenners ist dadurch, daß der Hohlraum mit einem Stoff z. B. Titan, austeriitischer Stahl, Luft, Argon usw.) gefüllt ist, dessen Wärmeleitzahl niedriger als die Wärmeleitzahl des Werkstoffes der gekühlten Elektroden ist, die Wärmeableitung vom Zentralteil der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes geringer als die Wärmeableitung von den peripheren Abschnitten der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes, was eine Überhitzung des Zentralteils der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes im Vergleich zu den peripheren Abschnitten und als Folge davon eine begrenzte Beweglichkeit des Lichtbogens herbeiführt.

Zur Begrenzung der Beweglichkeit des der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnittes beim Betrieb mit einer nicht abschmelzenden Elektrode ohne Überhitzung des Zentralteils der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes müssen zusätzliche Maßnahmen zur Eingrenzung des der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnittes ergriffen werden, z. B. muß man den Verbrauch des den Lichtbogen stabilisierenden Gases beim Plasmaschweißen stark vergrößern. Das führt in der Regel zu einer Verschlechterung des Schweißvorgangs und macht ihn in manchen Fällen überhaupt unmöglich.

Dagegen erfolgt beim Betrieb mit einer nicht abschmelzenden Elektrode bei überhitztem Zentralteil der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes eine Eingrenzung des der Elektrode anliegenden Lichtbogenabschnittes ohne zusätzliche Maßnahmen, wodurch man Plasmaschweißungen mit geringem Gasverbrauch durchführen kann.

Nachstehend wird die Erfindung anhand von Ausführungsbeispielen unter Bezug auf die Zeichnungen näher erläutert. Es zeigt

Fig. 1 eine Elektrode eines Plasmabrenners mit gasgefülltem Hohlraum,

Fig. 2 eine Elektrode eines Plasmabrenners mit einem Hohlraum, der mit einem festen Stoff gefüllt ist,

Fig. 3 eine Konstruktion eines Plasmabrenners mit einer erfindungsgemäßen Elektrode,

Fig. 4 eine Einrichtung zur Oberflächenbearbei-

tung von Werkstoffen, bestehend aus zwei Plasmabrennern mit erfindungsgemäßen Elektroden.

Bei der Herstellung von Elektroden iu es zur Lichtbogenstabilisierung erforderlich, daß der Zentralteil der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes überhitzt werden kann. Nur in diesem Falle kann der der Elektrode anliegende Lichtbogenabschnitt auf den überhitzten Abschnitt der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes begrenzt werden.

Zur Sicherung einer Überhitzung des Zentralteils der wirksamen Fläche des hochschmelzbaren Einsatzes wird eine Elektrode 1 vorgeschlagen (Fig. 1), die in der Art einer gekühlten Elektrode 1 mit einem lichtbogenbildenden hochschmelzbaren Einsatz 2 ausgeführt ist, der aus einem hochschmelzbaren Metall, z. B. Tantal, Wolfram, Hafnium bzw. anderen hochschmelzbaren Metallen, die aus der Reihe hochschmelzbarer Metalle der IV., V. und Vi. Gruppe des periodischen Systems der Elemente auszuwählen sind sowie aus Legierungen auf deren Basis. Beispielsweise können die Einsätze 2 folgende im prozentualen Verhältnis angegebenen Zusammensetzungen aufweisen: Beispiel 1 Beispiel 2 Beispiel 3

Ta - 73 % Hf - 99 % W- 97 %

Hf - 25 % Mo - 1 % La - 3 %

Mo- 2%

Der hochschmelzbare Einsatz 2 befindet sich in einem Wärme- und Elektrokontakt mit der gekühlten Elektrode 1. Als Werkstoff für die Elektrode 1 kann man einen beliebigen elektrisch leitenden Stoff mit einer hohen Wärmeleitzahl, z. B. Kupfer verwenden. Zwischen dem hochschmelzbaren Einsatz 2 und der gekühlten Elektrode 1 ist symmetrisch zur Achse des Einsatzes 2 ein luftdichter Hohlraum 3 angeordnet, der mit einem Gas (Luft, Argon) gefüllt ist. Ein Kühlmittel 4, das über ein Rohr 5 zugeführt wird, umspült den Hohlraum 6 in der gekühlten Elektrode 1, wodurch eine Kühlung des hochschmelzbaren Einsatzes 2 erreicht wird.

Da die Wärmeleitzahl des Stoffes, der den luftdichten Hohlraum 3 füllt, geringer als die Wärmeleitzahl des Werkstoffes der gekühlten Elektrode 1 ist, weisen die peripheren Abschnitte des hochschmelzbaren Einsatzes 2 eine größere Wärmeableitung als dessen Zentralteil auf, wodurch die Überhitzung des Zentralteils des hochschmelzbaren Einsatzes 2 und eine Eingrenzung des der Elektrode 1 anliegenden Lichtbogenabschnittes gesichert werden.

In der Elektrode 1 kann als Stoff, der den Hohlraum 7 (Fig. 2) ausfüllt, der zwischen der gekühlten Elektrode 1 und dem hochschmelzbaren Einsatz 2 angeordnet ist, ein fester Stoff, z. B. Titan, Stahl und Roheisen mit einer beliebigen Zusammensetzung verwendet werden. Wenn der Hohlraum 7 in der Elektrode 1 mit einem festen Stoff gefüllt wird, erfolgt deren Betrieb ähnlich, wie es bei der Hohlraumfüllung mit Gas der FaH ist.

Des weiteren wird ein Beispiel einer Einrichtung zum Schweißen bzw. Auftragschweißen elektrisch leitender Stoffe unter Verw·: uJuüg der erfindungsgemäßen Elektroden mit einem luftdichten gasgefüllten Hohlraum (Fig. 3) angeführt. Diese Einrichtung enthält eine Gleichstromquelle 8, deren Pluspol an die gekühlte Elektrode X des Plasmabrenners A und deren Minuspol an den zu bearbeitenden Werkstoff 9 angeschlossen sind.

Die Elektrode 1 des Plasmabrenners A, die als gekühlte Elektrode 1 mit einem hochschmelzbaren Einsatz 2 ausgeführt ist, wobei sich dazwischen der mit einem Stoff mit einer niedrigen Wärmeleitzahl gefüllte Hohlraum 3 befindet, ist von einer wassergekühlten Düse 10 des Plasmabrenners A umgeben und von dieser durch einen Nichtleiter 11 isoliert, so daß zwischen der Elektrode 1 und der Düse 10 ein Hohlraum

12 gebildet wird, welchem ein plasmabildendes Gas

13 über einen Kanal 14 im Nichtleiter 11 zugeführt ι« wird.

Die Düse 10 ist hohl zur Zufuhr eines Kühlmittels 15 in ihrem Hohlraum 16 ausgeführt.

Diese Einrichtung arbeitet wie folgt:
An den Pluspol der Gleichstromquelle 8 wird die

ι ~> Elektrode 1 und an den Minuspol das zu bearbeitende Werkstück 9 angeschlossen. Dem Hohlraum 6 der gekühlten Elektrode 1 wird über das Rohr 5 das Kühlmittel 4 und dem Hohlraum 16 der Düse 10 das Kühlmittel 15 zugeführt. Gleichzeitig wird dem Hohl-

Jd raum 12 über den Kanal 14 das plasmabildende Gas 13 zur Bildung eines Lichtbogens 17 zugeführt, welcher zwischen dem hochschmelzbaren Einsatz 2 der Elektrode 1 und dem zu bearbeitenden Werkstück 9 gezündet wird.

r> Dadurch, daß in der Elektrode 1 der luftdichte, z. B. mit Luft gefüllte mit dem hochschmelzbaren Einsatz 2 in Kontakt stehende und symmetrisch zu dessen Achse angeordnete Hohlraum 3 vorhanden ist, entsteht im Zentralteil des hochschmelzbaren Einsat-

j(i zes 2 ein überhitzter Abschnitt. Im Ergebnis davon befindet sich der der Elektrode 1 anliegende Lichtbogenabschnitt im Zentralteil der Arbeitsstirnfläche des hochschmelzbaren Einsatzes 2.

Der enstandene Lichtbogen 17, welcher zwischen

jj dem hochschmelzbaren Einsatz 2 der Elektrode 1 und dem zu bearbeitenden Werkstück 9 brennt, wird durch den Arbeitskanal der Düse 10 gelenkt und schmilzt das zu bearbeitende Werkstück herunter.

Außerdem führt man in einer Reihe von Fällen zur Durchführung von Schweißvorgängen und obligatorisch beim Auftragschweißen in den Bereich des Lichtbogens 17, der dem zu bearbeitenden Werkstück 9 anliegt, einen Schweißdraht 18 ein.

Eine weitere Variante der Erfindung unter Anwendung der Elektrode 1 ist zur Oberflächenbearbeitung von Werkstoffen vorgesehen. In diesem Falle enthält die Einrichtung eine Gleichstromquelle 8 (Fig. 4), deren Pluspol an die Elektrode 1 des Plasmabrenners B angeschlossen ist, die in der Art einer gekühl-

-,(I ten Elektrode 1 mit einem hochschmelzbaren Einsatz 2 ausgeführt ist, wobei dazwischen ein Hohlraum 7 vorhanden ist, der mit einem festen Stoff gefüllt ist, dessen Wärmeleitzahl geringer als die Wärmeleitzahl der gekühlten Elektrode 1 ist. Die Κοπή struktion und der Betrieb der angegebenen Plasmabrenner sind dem oben beschriebenen Plasmabrenner A (Fig. 3) entsprechend.

In diesem Falle brennt jedoch der Lichtbogen 19 zwischen den hochschmelzbaren Einsätzen 2 der

t,o Elektroden 1 der Plasmabrenner A und B und erhitzt dadurch die Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstoffes 20 bis auf eine bestimmte Temperatur in Abhängigkeit von der erforderlichen Bearbeitung des Werkstoffes 20. Die Temperatur der zu bearbeitenden

_h-, Oberfläche des Werkstoffes 20 wird durch den Abstand des Lichtbogens von der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstoffes bestimmt.

Hierzu 2 Blatt Zeichnungen

Claims

Patentansprüche:

1. Elektrode für einen Plasmabrenner, die eine Kühlung enthält und an der Stirnseite, von der im Betrieb ein Lichtbogen ausgeht, einen mit ihrer Oberfläche bündig abschließenden hochschmelzbaren Einsatzaufweist, dadurch gekennzeichnet, daß an der dem Lichtbogen (17,19) abgewandten Seite des Einsatzes (2) ein Hohlraum (3, 7) angeordnet ist und daß der Hohlraum (3,7) mit einem Werkstoff gefüllt ist, dessen Wärmeleitzahl niedriger ist als die Wärmeleitzahl des Materials des Einsatzes (2), wobei sich der Werkstoff, der den Hohlraum (3, 7) füllt, in ständigem Kontakt mit dem Einsatz (2) befindet.

2. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der Hohlraum (3) luftdicht ausgeführt und mit einem gasförmigen Stoff gefüllt ist.

3. Elektrode nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß der hochschmelzbare Einsatz (2) aus einem hochschmelzbaren Metall der IV. V. und VI. Gruppe des periodischen Systems der Elemente oder aus einer Legierung auf der Basis dieser Metalle hergestellt ist.

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