DE2633510A1

DE2633510A1 - Plasmatron

Info

Publication number: DE2633510A1
Application number: DE19762633510
Authority: DE
Inventors: Jurij Jakovlevitsch Kiselev; Aleksandr Michajlovits Mercher; Stanislav Antonovi Sokolovskij
Original assignee: KISCHINEVSKIJ POLITEKHN I IM S; PROISVODSTVENNOE OB MOLDAVGIDR
Current assignee: KISCHINEVSKIJ POLITEKHN I IM S; PROISVODSTVENNOE OB MOLDAVGIDR
Priority date: 1976-08-16
Filing date: 1976-07-26
Publication date: 1978-02-02
Also published as: FR2361798B1; DE2633510B2; FR2361798A1; DE2633510C3; US4034250A

Description

F- AT E N "T A M W A LT E

SCHIFF ν. FÜNER STREHL SCHÜBSL-HOPF EBBINGHAUS

-S-

MARIAHILFPLATZ 2 4 3, MÖNCHEN 9O POSTADRESSE: POSTFACH 95 O1 6O. D-8O0O MÖNCHEN 95

Kischinewskij Politechnitscheskij Institut imeni S. Laso

Proiswodstwennoje Objedinjenije "Moldawgidromasch⁷¹

OIPL. CHEM. DR. OTMAR DITTMANN (fia70)

KARL LUOWIQ SCHIFF

DIPL. CHEM. DR. ALEXANDER V. FÜNER OIPL. INQ. PETER STREHL DIPL. CHEM. OR. URSULA SCHÜBEL-HOPF DIPL. INQ. DIETER EBBINQHAUS

telefon (o89) 48 20 5* telex 5-23 bse auro o

auromarcpat München

DA-17133
26. 7. 1976

Plasmatron

Die Erfindung betrifft Einrichtungen zur Erhaltung eines Plasmalichtbogens, insbesondere Piasmatrone. Die Erfindung kann zum Brennschneiden von Metallen, zum Auftragschweißen und Auftragen von Überzügen, zur Oberflächenbehandlung von Metallen sowie bei metallurgischen und anderen Vorgängen verwendet v/erden.

Weite Anwendung haben für verschiedene technologische Zwecke Piasmatrone mit inneren Stabelektroden, aus hochschmelzendem Metall, beispielsweise aus Wolfram, gefunden. Diese Piasmatrone können bei Verwendung von inerten oder keinen Sauerstoff enthaltenden Gasen als plasmabildende Gase arbeiten. Selbst ein geringer Gehalt an Sauerstoff im Bestand eines plasmabildenden Gases bewirkt eine intensive Zerstörung derartiger Elektroden.

Zur Ermöglichung der Anwendung von sauerstoffhaltigen Gasen und speziell von Luft als billigstes und zugänglichstes Gas

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sind Piasmatrone mit Zirkonium- und Hafniumkathoden geschaffen worden. Jedoch arbeiten derartige Piasmatrone zuverlässig bei relativ niedrigem (meist bis zu 300 A) Arbeitsstrom und halten im Betrieb eine begrenzte Schalthäufigkeit des Plasma trons aus. Dies ist dadurch bedingt, daß bei der Arbeit der aus Zirkonium oder Hafnium bestehenden Kathode ein dünner Film aus deren Oxyden und Nitriden gebildet wird, der eine Oxydation und Zerstörung tieferer Schichten verhindert. Bei der Ein- und Abschaltung des Plasmatrons wird dieser Film aber intensiv, besonders bei Strömen über 300 A, zerstört.

Zuverlässiger ist für die speziell im Betrieb häufiger Ein- und Abschaltungen und erhöhter Leistungen arbeitenden Piasmatrone die Ausnutzung von Elektroden aus Metallen mit hoher Wärmeleitung, beispielsweise aus Kupfer, die in Form von hohlen Zylinderbuchsen ausgeführt sind. Bei derartigen Piasmatronen bewegt sich der Lichtbogenfußpunkt unter der Wirkung dieser oder jener Kräfte intensiv über die Innenfläche der Elektrode, ohne sie örtlich zu erhitzen und zu zerstören.

Es sind Piasmatrone bekannt, in deren Gehäuse eine wassergekühlte zylindrische Hohlelektrode mit einem der Stromzuführung zugewandten Boden und mit einer einen ringförmigen Wirbelerzeuger aus Isolierstoff berührenden Stirnfläche untergebracht ist, wobei der Wirbelerzeuger seinerseits mit einer gleichfalls wassergekühlten Düse (US-PS 3 194 941) in Berührung gebracht wird.

Bei den bekannten Piasmatronen wird die zylindrische Hohlelektrode mittels einer Stromzuführung in Form eines Rohres mit Strom versorgt. Das beim Fließen des Stromes im letzteren entstehende Magnetfeld bleibt ohne Einfluß auf den Lichtbogen und bewegt dessen Radialabschnitt und den Fußpunkt über die Innenfläche der Elektrode keinesfalls. Die Lichtbogenbewegung nur durch einen Wirbelstrom aus Gas gewährleistet nicht immer

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die erforderliche Betriebsdauer des Plasmatrons, besonders beim Betrieb mit hohen Arbeitsströmen und Leistungen. Wie Untersuchungen ergeben haben, beträgt die spezifische elektrische Erosion der Elektrode bei einer sehr guten Ausbildung des Gaswirbels 2 bis 5.1O~ g/Cb. Die Überlagerung eines äußeren Magnetfeldes, das eine mit dem ¥irbel übereinstimmende Bewegung des Lichtbogenfußpunktes über die Elektrodenfläche ermöglicht, gestattet es, die elektrische Erosion um das 2- las 5-fache herabzusetzen. Die Anwendung von Induktivitätsspulen zur Erzeugung äußerer Magnetfelder erfordert aber für die ersteren zusätzliche Stromquellen, bewirkt eine Vergrößerung der Abmessungen des Plasmatrons, gewährleistet keine Erhöhung der magnetomotorischen Kraft proportional mit der Zunahme des Arbeitsstroms, erschwert die Bedingungen für die Sicherung einer elektrischen Isolierung von Kreisen des Arbeitsstroms gegen die Speisestromkreise der Spulen und verringert im Endergebnis die Betriebssicherheit des Plasmatrons.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, ein Plasmatron zu schaffen, dessen Konstruktion eine kombinierte Bewegung des Lichtbogenfußpunktes über die Innenfläche der zylindrischen Hohlelektrode durch einen Gaswirbel und ein durch den Arbeitsstrom des Lichtbogens selbst induziertes Magnetfeld sowie eine Vergrößerung der magnetomotorischen Kraft proportional mit dem Wert des Arbeitsstroms ermöglicht, was es gestattet, die Betriebsdauer der Elektrode um das 2- bis 5-fache zu erhöhen und deren Betriebssicherheit bei gleichzeitiger Verbesserung der Abkühlung der Außenfläche der zylindrischen Hohlelektrode zu gewährleisten.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß das Plasmatron, in dessen Gehäuse eine wassergekühlte zylindrische Hohlelektrode mit einem der Stromzuführung zugewandten Boden und mit einer einen ringförmigen Wirbelerzeuger aus Isolierstoff·berührenden Stirnfläche untergebracht ist, wobei der Wirbelerzeuger seinerseits eine gleichfalls wassergekühlte ^tise berührt, gemäß der Erfindung mit einer die zylindrische Healslsktrode umfassenden

und in Bezug auf diese mit einem Abstand angeordneten strom= führenden Spirale versehen istj deren eines Ende mit der Stromzuführung und deren anderes Ende mit der Stirnfläche der zylindrischen Hohlelektrode verbunden ist„

Vorzugsweise sind die Windungen der stromführenden Spirale mit gleicher Steigung ausgeführt»

Vorzugsweise wird das Ende der stromführenden Spirale mit der Stirnfläche der zylindrischen Hohlelektrode mittels eines Auflageninges verbunden, der von der Stirnseite der Elektrode mit dieser in Berührung stehende Ansätze aufweist=

Dank solch einer konstruktiven Ausführung hat das erfindungsgemäße Plasmatron eine längere Betriebsdauer bei gleichzeitiger Erhöhung seiner Leistung_β

Die Erfindung soll nachstehend anhand des in der Zeichnung dargestellten Ausführungsbeispiels näher erläutert werden» Es zeigen?

Figur 1 ein erfindungsgemäßes Plasmatron (in Gesamtansicht mit teilweisem Schnitt)_s

Figur 2 einen erfindungsgemäßen Auflagerring mit Ansätzen (in Gesamtansicht mit teilweisem Schnitt) ₉

Figur 3 den Schnitt IH=III der Figur 1, und Figur 4 den Schnitt IV=IV der Figur 1_o

Das erfindungsgemäße Plasmatron soll am Ausführungsbeispiel eines Plasmatrons zum Brennschneiden von Metallen beschrieben werdenο

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Das erfindungsgemäße Plasmatron enthält ein Gehäuse 1 (Figur 1) aus einem Isolierstoff. Innerhalb des Gehäuses 1 sind eine wassergekühlte zylindrische Hohlelektrode 2, eine stromführende Spirale 3 und eine Stromzuführung in Form eines stromführenden Stutzens 4 untergebracht.

Die stromführende Spirale 3 umschließt die zylindrische Hohlelektrode 2 und ist an einem Ende mit dem stromführenden Stutzen 4 und am anderen mit der Stirnfläche 5 der zylindrischen Hohlelektrode 2 über einen von der Stirnseite 5 (Figur 1) diese berührende Ansätze 7 (Figur 2) aufweisenden Auflagerring 6 verbunden. Zwischen der Außenfläche der Elektrode 2 und der stromführenden Spirale 3 ist ein Abstand 8 (Figur 3) vorgesehen.

Die Windungen der stromführenden Spirale 3 (Figur 1) sind mit gleicher Steigung ausgeführt, was eine bessere Kühlung der Elektrode 2 und eine maximale magnetomotorische Kraft gewähr-!· leistet. Die Windungen der stromführenden Spirale können aber auch mit einer ungleichmäßigen Steigung ausgeführt werden, um das erforderliche Profil des magnetischen Feldes auszubilden.

Die zylindrische Hohlelektrode 2 ist mit ihrem Boden 9 dem stromführenden Stutzen 4 zugewandt und in Bezug auf diesen in einem Abstand angeordnet. Die Stirnfläche 5 der Elektrode 2 berührt einen ringförmigen Wirbelerzeuger 10 aus einem Isolationsmaterial, der sechs zur ringförmigen Innenfläche tangentiale Kanäle 11 aufweist. Der ringförmige Wirbelerzeuger 10 berührt seinerseits eine wassergekühlte Düse 12.

Das Gehäuse 1 liegt innerhalb eines Metallmantels 13, der ihn gegen mechanische Beschädigungen schützt. An den Mantel 13 (Figur 3) sind ein Stutzen 14 zur Luftzufuhr und ein Stutzen 15 zur Ableitung von Kühlwasser angeschweißt.

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Der Mantel 13 (Figur 1) hat im oberen Teil ein Gewinde 16 zum Aufschrauben einer Spannschloßmutter 17. Der stromführende Stutzen 4 und die Stutzen 14 und 15 (Figur 3) weisen Gewinde 18 (Figur 1), 19 (Figur 3) und 20 zum Anschluß von (in der Zeichnung nicht angedeuteten) Schläuchen zur Zuführung von Kühlwasser und Luft bzw. zur Ableitung von Kühlwasser auf.

Der stromführende Stutzen 4 (Figur 1) ist im Gehäuse 1 mit Hilfe einer Mutter 21 mit einer Scheibe 22 befestigt. Zur hermetischen Abdichtung von Luftzuführungsrohren und Wasserleitungen sind im Plasmatron Dichtungen 23 und 24 vorgesehen.

Im Mantel 13 ist ein Hohlraum 25 für das Kühlwasser, der über eine Bohrung 26 mit dem das Kühlwasser ableitenden Stutzen 15 verbunden ist_? sowie ein auch über (nicht angedeutete) Bohrungen mit dem die Preßluft zuführenden Stutzen 14 (Figur 3) ver·= bundener Luftraum 27 ausgeführt.

Inj, Gehäuse 1 (Figur 4) sind zwei Bohrungen 28 für die Luft= zufuhrj die den Hohlraum 27 (Figur 1) mit einem Hohlraum 29 verbinden^ sowie Bohrungen 30 und 31 (Figur 4) zum Durchlassen von Kühlwasser ausgeführt, wobei die Bohrungen 30 (Figur 1) im oberen Teil einen Ausgang ins Innere des Gehäuses 1 und die Bohrungen 31 (Figur 4) einen Ausgang aus dem Gehäuse 1 in den Hohlraum 25 im Mantel 13 aufweisen» Die Bohrungen 30 (Figur 1) und 31 (Figur 4) im unteren Teil des Gehäuses 1 (Figur 1) sind mit einem Kühlraum 32 für die Düse 12 verbunden,,

Die eine Polklemme einer (nicht gezeigten) Speisequelle ist an den stromführenden Stutzen 4 und die zweite an das zu schneidende Metall 33 und zugleich über einen vorgeschalteten Widerstand 34 und einen Kontaktgeber 35 an den Mantel 13 und eine mit diesem elektrisch verbundene Düse 12 angeschlossen.

Das erfindungsgemäße Plasmatron arbeitet folgendermaßen?

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Zur Abkühlung der zylindrischen Hohlelektrode 2 (Figur 1) und der Düse 12 wird das fließende Kühlwasser über einen (nicht gezeigten) Schlauch dem stromführenden Stutzen 4 zugeleitet. Das Kühlwasser fließt durch den Spalt 8 (Figur 3) zwischen der zylindrischen Hohlelektrode 2 und der stromführenden Spirale 3 sowie unter den Windungen der stromführenden Spirale 3 (Figur 1), wodurch die Elektrode 2 intensiv abgekühlt wird. Nach der Abkühlung der Elektrode 2 fließt das Wasser zwischen den Ansätzen 7 (Figur 2) des Auflagerringes 6 durch die Bohrungen 30 (Figur 1) im Gehäuse 1 in den Kühlraum 32 der Düse 12 und dann durch die Bohrungen 31 (Figur 4) im Gehäuse 1 in den Hohlraum 25 des Mantels 13 und wird über den Stutzen 15 (Figur 1) mittels eines (nicht angedeuteten) Schlauches vom Plasmatron abgeführt.

Dann wird über einen (nicht gezeigten) Schlauch die Preßluft (meist von p=2 bis 4 atü) 'dem Stutzen 14 (Figur 3) zugeführt. Vom Stutzen 14 strömt die Luft durch den Hohlraum 27 (Figur 1) des Mantels 13 und die Bohrungen 28 (Figur 4) des Gehäuses 1 in den Hohlraum 29 (Figur 1). Durch die tangentialen Kanäle 11 des ringförmigen Wirbelerzeugers 10 gelangt die Preßluft in einen Spalt 36 zwischen der Elektrode 2 und der Düse 12. In diesem Spalt 36 wird ein Luft-Wirbelstrom gebildet, der dann über die Innenfläche der zylindrischen Hohlelektrode 2 über deren Höhe zerfließt und durch eine Düsenöffnung 37 (mit einem Durchmesser von meist 3 bis 5 mm) aus dem Plasmatron austritt.

Danach wird von einer (nicht gezeigten) Stromquelle dem stromführenden Stutzen 4 und dem zu schneidenden Metall 33 und folglich über den vorgeschalteten Widerstand 34 und den geschlossenen Kontaktgeber 35 eine Leerlaufspannung zugeführt. Durch eine (nicht angedeutete) Zündeinrichtung wird dem Spalt 36 zwischen der Elektrode 2 und der Düse 12 ein Hochspannungsimpuls (meist hoher Frequenz) zugeführt, der einen elektrischen Durchschlag des genannten Spaltes 36 und die Bildung eines

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Ionisationskanals bewirkt. In diesem Kanal entsteht ein schwacher (meist von 30 bis 100A) Zündlichtbogen.

Der elektrische Strom fließt in folgendem Stromkreis: Stromquelle, stromführender Stutzen 4, stromführende Spirale 3, zylindrische Hohlelektrode 2, Düse 12, Mantel 13, Kontaktgeber 35, vorgeschalteter Widerstand 34, Stromquelle. Der schwache Zündlichtbogen wird unter der Wirkung des Luft-Wirbelstromes aus dem Spalt 36 zwischen der Stirnfläche 5 der zylindrischen Hohlelektrode 2 und der Düse 12 hinausgetragen, über die Länge der Elektrode 2 und der Düse 12 ausgedehnt und in deren Achsrichtung stabilisiert. Gleichzeitig wird die Stabilisierung des schwachen Zündlichtbogens in Richtung der Achse der zylindrischen Hohlelektrode 2 durch den Magnetfluß der stromführenden Spirale 3 übernommen«

Sobald ein aus der Düse 12 heraustretender Plasmastrahl des schwachen Zündlichtbogens das zu schneidende Metall 33 berührt hat, entsteht ein schneidender Lichtbogen 38, der zwischen der zylindrischen Hohlelektrode 2 und dem Metall 33 brennt und dieses bei der Bewegung des Plasmatrons schneidet.

Der. elektrische Strom fließt in diesem Fall in folgendem Stromkreis: Stromquelle, stromführender Stutzen 4, stromführende Spirale 3, zylindrische Hohlelektrode 2, zu schneidendes Metall 33, Stromquelle. Bei der Entstehung des schneidenden Lichtbogens 38 wird der elektrische Stromkreis zwischen dem zu schneidenden Metall 33 und der Düse 12 durch den Kontaktgeber 35 unterbrochen.

Unter der Wirkung des Luft-Wirbelstromes bewegt sich der Fußpunkt 39 des Lichtbogens 38 ins Innere der zylindrischen Hohlelektrode 2 und dreht sich intensiv auf deren Innenfläche. Da die stromführende Spirale 3 an die Stirnfläche 5 der Elektrode 2 angeschlossen ist und diese umfaßt, trägt die entstehende elektrodynamische Kraft auch zur Bewegung des Fußpunktes 39

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des Lichtbogens 38 über die Innenfläche der Elektrode 2 bei. Hierbei nimmt diese Kraft proportional mit dem Anstieg des Arbeitsstromes zu, weil dieser nacheinander durch den stromführenden Stutzen 4, die stromführende Spirale 3 und die zylindrische Hohlelektrode 2 fließt. Die kombinierte Drehung des Fußpunktes 39 in einem Kreise mit dessen Bewegung nach der Höhe durch zwei Kräfte ist besonders wichtig bei der Arbeit eines Plasmatrons erhöhter Leistung bis zu 120...150 kW.

Die spiralenförmige Bewegung des Kühlwassers um die Außenfläche der zylindrischen Hohlelektrode 2 und die Bewegung längs der stromführenden Spirale gewährleisten deren wirksame Kühlung bei Piasmatronen mit einem weiten Leistungsbereich.

Das erfindungsgemäße Plasmatron gewährleistet die Erhaltung eines Plasmalichtbogens bei Ausnutzung von beliebigen, darunter sauerstoffhaltigen Gasen. Für seine Herstellung sind keine speziellen oder teuren Materialien erforderlich. Die zylindrische Hohlelektrode und die Düse können aus gewöhnlichem Kupfer gefertigt werden. Das Plasmatron ist auseinandernehmbar ausgeführt, was es gestattet, seine beliebigen Teile leicht auszuwechseln. Dank der Anwendung der stromführenden, die Elektrode umfassenden Spirale ist eine intensivere Bewegung des Lichtbogenfußpunktes über die Innenfläche der zylindrischen Hohlelektrode und eine Wasserkühlung ihrer Außenfläche gewährleistet, was die Betriebsdauer des Plasmatrons um das 2- bis 5-fache verlängert. Bei dessen Ausnutzung beispielsweise zum Preßluftplasmalichtbogenschneiden von Metallen ist die Arbeitsproduktivität um das 1,5- bis 2-fache und die Betriebsdauer der Elektrode bis auf 20...40 Stunden erhöht. Die Anwendung des vorliegenden Plasmatrons ist dort besonders effektiv, wo nach den technologischen Bedingungen dessen hohe Schalthäufigkeit und Arbeit bei Betrieben mit erhöhter Leistung gefordert v/erden.

Patentansprüche 709885/0083

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Claims

• ·■ -IjD- Patentansprüche

1. / Plasmatron, in dessen Gehäuse eine wassergekühlte zylindrische Hohlelektrode mit einem der Stromzuführung zugewandten Boden und mit einer einen ringförmigen YJirbelerzeuger aus Isolierstoff berührenden Stirnfläche untergebracht ist, wobei der Wirbelerzeuger seinerseits eine gleichfalls wassergekühlte Düse berührt, gekennzeichnet durch eine die zylindrische Hohlelektrode (2) umfassende und gegenüber dieser in einem Abstand (8) angeordnete stromführende Spirale (3), deren eines Ende mit der Stromzuführung (4) und deren anderes Ende mit der Stirnfläche (5) der zylindrischen Ebhlelektro.de

(2) verbunden ist.

2. Plasmatron nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Windungen der stromführenden Spirale (3) mit gleicher Steigung ausgeführt sind.

3. Plasmatron nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet , daß das Ende der stromführenden Spirale

(3) und die Stirnfläche (5) der zylindrIschen Hohlelektrode (2) mittels eines von der Stirnseite (5) der Elektrode (2) diese berührende Ansätze (7) aufweisenden Auflagerringes (6) verbunden ist.

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ORIGINAL INSPECTED