DE2638094C3 - Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine im Oberbegriff des Anspruches I beschriebene Einrichtung.

Eine solche Einrichtung ist z. B. in der US-PS 32 10 454 beschrieben. Diese Einrichtung enthält eine Vakuumkammer, die mit einem Vakuum-Pumpsystem verbunden ist, welches in der Vakuumkammer einen Unterdruck von 0,013 bis 0,0066 mbar sicherstellt. In der Vakuumkammer ist ein stromleitenrier Halter des zu bearbeitenden Werkstückes in Gestalt eines wassergekühlten Kristallisators angeordnet, in dem sich das zu bearbeitende Werkstück befindet, nämlich t'm in Gußblöcke umzuschmelzendes, stromleitendes Material in pulverartiger oder gekörnter Form. Innerhalb der Vakuumkammer ist gleichachsig mit dem stromleitenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes und in einem vorgegebenen Abstand von diesem eine hohle, heiße Kathode aus einer Glühemissionslegierung (Wolfram oder Tantal) untergebracht, die als ein Rohr ausgebildet ist. Mit einem Ende ist die hohle, heiße Kathode am wassergekühlten aus einem stromleitenden Werkstoff bestehenden Kathodenhalter befestigt, wäh-

-'» rend das andere Ende der hohlen, heißen Kathode, das einen offenen Kathodenhohlraum darstellt, dem zu bearbeitenden werkstück zugekehrt ist. Zur Erzeugung und Aufrechterhaltung des Lichtbogens ist zwischen der hohlen, heißen Kathode und dem zu bearbeitenden

-'■"' Werkstück eine Gleichstromquelle geschaltet, deren Pluspol an den stromleitenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes und deren Minuspol an Jen Kathodenhaiter angeschlossen ist.

Die Einrichtung weist eine Spule auf, die ein konstantes mit der Lichtbogensäule gleichachsiges Magnetfeld erzeugt, welches das Auftreten von elektrischen Störentladungen zwischen dem Kathodenhaiter und den das Potential der Anode führenden Elementen der Einrichtung verhindert und außerdem

'"> die Lichtbogensäule bündelt.

Die Vorrichtung für die Zufuhr des Gases in den Kathodenhohlraum umfaßt einen Kanal, der im Kathodenhalter ausgeführt ist. Das durch diesen Kanal zugeführte Edelgas erzeugt ein Druckgefälle zwischen

i" dem Kathodenhohlraum unJ der Vakuumkammer. Dieses dem Kathodenhohlraum zugeführte Edelgas wird vorher durch eine llocnfrequenz-Entladung ionisiert. Danach wird die Gleichstromquelle eingeschaltet, die den Lichtbogen zwischen der hohlen,

■f> heißen Kathode und dem zu bearbeitenden Werkstück aufrechterhält, weiches einen Gußblock darstellt, der beim Umschmelzen des Materials entsteht, das dem siromleitenden, als Kristallisator dienenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes zugeführt wird.

in Einer der Hauptkennwerte, welche die Leistungsfähigkeit des licarbcitungsprozesses mittels der Einrichtung mit hohler, heißer Kathode charakterisieren, ist die zulässige Stromstärke des elektrischen Lichtbogens und somit die Leistung der Vakuum-Lichtbogen-Erwär-

Vi mungseinrichtung. Die zulässige Stromstärke ist durch die Abmessungen der hohlen, heißen Kathode aus Glühemissionslcgicrungen begrenzt. So werden z. B, in der Einrichtung nach der US-PS 32 10 454 hohle, heiße Kathoden mit einem Durchmesser von 1,6 bis 15,0 mm

mi und einer Länge von 75 mm angewendet, was die Erhaltung eines Lichtbogens bei einer Spannung von ca, 50 V und einem Strom von einigen hundert Ampere ermöglicht.

Zur Erhöhung ties Lichtbogenstroms muß man die

. Abmessungen der hohlen, heißen Kathode, nämlich den Durchmesser, die Länge und die Wandstärke des Rohres, vergrößern. Aber die Kosten der Rohre aus Glühemissionslcgieriingcn sind sehr hoch, wodurch die

Anwendung von Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtungen mit hohler, heiller Kathode, insbesondere bei der Arbeit mit leistungsstarken Lichtbogen, z. Z. unrentabel isL

Beim Betrieb der Einrichtungen mit hohlen, heißen Kaihoden wird die Anwendung eines mit dem Lichtbogen gleichachsigen Magnetfeldes notwendig. Beim Ausbleiben des Magnetfeldes wird die Ionisation des verdünnten Gases innerhalb der Vakuumkammer und das Auftreten von parasitären Lichtbogenentladungen vom aus einem strotnleitenden Material gefertigten Kathodenhalter an die stromleitende Wandung der Vakuumkammer beobachtet, die gewöhnlich mit dem zu bearbeitenden Werkstück elektrisch verbunden isL Das Magnetfeld wird mittels einer Spule erzeugt, die auf die Vakuumkammer aufgewickelt oder in dieser untergebracht ist. Die Verwendung der Spule begrenzt die Abmessungen der Vakuumkammer, kompliziert die Ausführung der Operationen und verhindert die Beobachtung der Vorgänge der Bearbeitung des Materials.

Die Form der hohlen, heißen, aus einem Kohrsti'ck gefertigten Kathode bedingt die runde Form der Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes. Ist eine Erwärmungszone mit einer länglichen, ovalen Form notwendig, so werden oft mehrere hohle, heiße Kathoden angewendet, was außer der sperrigen Konstruktion auch wegen des Umstandcs unerwünscht ist, daß die Lichtbogen der benachbarten hohlen, heißen Kathoden voneinander angezogen werden.

Ausgehend von dem vorstehend beschriebenen Stand der Technik liegt der Erfindung die Aufgabe zugrunde, eine Vakuum- Lichtbogen- Er wärmungs vorrichtung nach dem Oberbegriff des Patentanspruches ι so auszubilden, daß diese bei hohen Lichtbogenleistiingen wirtschaftlich herstellbar ist. auf eine die heiße Hohlkathode umgebende Spule verzichten kann und dabei für Erwärmungszonen geeignet ist, die von der Kreis- oder Ellipsenform abweichen.

Die Aufgabe wird durch die im Kennzeichen des Patentanspruches 1 aufgefülirtcn Maßnahmen gelöst.

Die Erfindung ermöglicht es, die Wirtschaftlichkeit des Betriebes bei Einrichtungen der im Oberbegriff des Anspruches I beschriebenen Gattung zu steigern, wegen der Erhöhung der Leistung des elektrischen Lichtbogens, der /.wischen der hohlen, heißen, aus Stäben bestehenden Kathode und dem stromleitenden zu bearbeitenden Werkstück entsieht.

Die Kosten der Einrichtung werden wegen der Anwendung von Baugruppen und Teilen aus billigen Werkstoffen gesenkt. So ist die vorgeschlagene, mit der hohlen, heißen Kathode versehene Einrichtung gegenüber bekannten Einrichtungen gleicher Leistung wesentlich billiger. Iki Vergrößerung der gleichartigen Kathodenelcmcnte, Stäbe, ist eine wesentliche Erhöhung der Leistung der Einrichtung mit einfachen Mitteln möglich. Beispielsweise ist eine erfindungsgemäße Einrichtung bei Strömen von ca. IbOOOA und Leistungen über 1000 kW betrieben worden, was die Leistungen von /. Z. bekannten Vakuum=Lichtbogen= Wärmequellen beträchtlich übertrifft.

Die erfmdungsgcmäße Einrichtung ermöglicht ferner die Regulierung der Leistungskonzentration in der Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes durch Änderung der Lichtbogenlänge und des Druckes in dfr Vakuumkammer sowie durch Änderung der Forin der Erwärmungszone mit einfacheren Mitteln als die gegenwärtig angewendete magnetische Bündelung und Ablenkung des Lichtbogens.

Wegen diesen Besonderheiten wird der explosionssl· chere Schmelzvorgang von Metallen, besonders Titan, gewährleistet, bei dem die Leistungskonzentration in der Erwärmungszone so gewählt wird, daß sie zum Schmelzen des Metalls, nicht aber für die Zerstörung der gekühlten Metallwand des als ein Tiegel oder ein Kristallisator ausgebildeten Halters des zu bearbeitenden Materials ausreicht. Die durch diese Einrichtung sichergestellte verlängerte Form der Erwärmungszone ermöglicht die Erhaltung von flachen Gußblöcken in Kristallisatoren und die Wärmebehandlung von großen Oberflächen.

Diese Einrichtung ist bei einem Unterdruck von 0,6b bis 6,65 mbar in der Vakuumkammer funktionsfähig, was für viele andere, bei hohen Temperaturen arbeitende Vakuum-Erwärmungseinnchtungen. z. B. für Elektronenstrahlkanonen, Einrichtungen mit sich nicht verbrauchenden, heißen Kathoden, Plasma-Kanonen, praktisch nicht möglich ist. Zur S; ,isung der vorgeschlagenen Einrichtung eignen sich Gleichstromquellen, die in herkömmlichen Vakuum-Lichtbogenöfen zur Metallschmelzung verwendet werden, was sowohl die Herstellung von neuen Vakuum-Gieß- und Schmclziggregaie· als auch die Ausstattung von in Betrieb befindlichen Aggregaten mit Vukuum-üchtbogen-Erwärmungseinrichtungen nach dieser Erfindung erleichtert.

Ein Schutz der nicht zu verbrauchenden Elektrode vor der Einwirkung von Partikeln des zu bearbeitenden Werkstoffes ist bei Plasmakanonen üblich, bei denen die stabförmige heiße Elektrode innerhalb eines gekühlten Brenners angeordnet ist, der etwas näher zum zu erwärmenden Werkstück angeordnet ist als das Ende der Elektrode (vergl. z. B. Plasmakanone nach der DE-PS 20 27 b2b oder US-PS 38 49 584). Das Gas. das in den Spalt zwischen Brenner und Elektrode geleitet wird, komprimiert den Abschnitt des Lichtbogens innerhalb des Brenners, was zur Erhöhung der Temperatur des Plasmas im Lichtbogen führt.

jedoch schränkt die Anordnung eines gekühlten Brenners den Arbeitsbereich der heißen, nicht zu verbrauchenden Elektrode ein. Plasmakanonen können nur nahe dem atmosphärischen Druck betrieben werden.

Wird versucht. Plasmakanonen im Vakuum /u betreiben, verschwindet die Kompression des Lichtbogens innerhalb des Brenners; als Folge zerstört der Lichtbogen den gekühlten Brenner.

Die Erfindung wird durch die in den Patentansprüchen 2 bis 7 beschriebenen Maßnahmen vorteilhaft weiterentwickclt.

N; .h.Uchend wird der Erfindungsgegensiand an einem Ausführungsbeispiel anhand der Zeichnungen näher erläutert. Es «:eigt

Fig. I Gesamtansicht einer crfindungsgcmäßen Va kiium-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus stromlcitenden Werkstoffen (Längsschnitt);

F i g. 2 eine Erwärmungszonc an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes (Draufsicht im Schnitt der Ebene H-II aus Fig. I);

Fig. 3 eine Variante der Erwärmungszone an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes (Drauf sieht);

F i g. 4 einen Kathodenhalter mit in diesem befestigten Stäben (Querschnitt längs der Linie IV-IV mis

!•'ig. I):

l'ig. ¹J eine Variante der Anordnung der Stube im Kalhodcnhaller (Querschnitt):

Cig. b eine weitere Variante der Anordnung der Stabe im Kathodcnhaltcr (Querschnitt);

Γ ig. 7 einen Teil des Kathodenhalters mit in diesem befestigten Stuben (Längsschnitt);

Γ i g. 8 einen Teil des Kathodenhallers in dem die Stabe mittels Stützen befestigt sind (Längsschnitt).

Ii g. 9 einen Schnitt längs der Linie IXIX in I·" ig 8;

I' i g. IO Gesamtansicht einer weiteren Variante einer Vakuum· I. ichtbogen-Erwärmungsei nrichtung nach der Erfindung im Längsschnitt;

L ig. Il einen Teil des Kathodcnhalters mit Stäben und einem an ihm befestigten aus einem wärmebeständigen Material gefertigten Gehäuse (Längsschnitt);

l'ig. 12 Gesamtansicht einer anderen Variante einer Vakuum- Lichtbogen- Erw är mim gsei η richtung nach der I-rfiniiiintT M .iinysschnitt):

l'ig. 15 einen Kathodenhalter mit innerhalb des Gehäuses untergebrachten Stäben, die als ein Ganzes mit dem stromleitenden Rohr ausgebildet sind (Längsschnitt);

L ig. 14 Schnitt längs der Lime XIV-XIV aus L'ig. I 3.

l'ig. 15 eine Variante der Anordnung der Stabe innerhalb des Gehäuses im Que "schnitt;

l'ig. lh eine weitere Variante der konstruktiven Ausführung einer Vakuum- Lichtbogen- Erwärmimgv einrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus stromleitcnden Werkstoffen nach der Lrfindung (Längsschnitt).

Die Vakuum-Lichtbogen-Lruärmiingseinrichtiing für die Bearbeitung von Werkstücken aus stromleitenden Werkstoffen enthält eine Vakuumkammer I (I ι g. I) mit aus einem stromleitenden Werkstoff gefertigten Wänden 2. in der ein stromleitender Halter 3 mit <_·ίιιοηι zu bearbeitenden aus einem sironileiienden Werkstoff gefertigten Werkstück 4 und cue hohle, heiße, aus einer Glühemissionslegicrung gefertigte Kathode 5. die in der zu beschreibenden Variante au«. Wolfram mit Zusätzen von Thorium-, Lanthan- oder Yttnumo\id hergestellt ist. untergebracht sind. Die hohle heiße Kathode 5 besieht aus Stäben b. die in einem aus einem sironileiienden Werkstoff gefertigten Kathodenhalter 7 befestigt sind. Die Stäbe b sind mit dem Kathodenhalter 7 unmittelbar mittels eines ihrer Enden befestigt, während das andere Ende jedes Stabes 6 dem /u bearbeitenden Werkstück 4 zugekehrt ist. Die Stäbe 6 bilden einen Kathodenhohlraum 8. der dem zu bearbeitenden Werkstück 4 zugekehrt ist. Die Tiefe des durch die Stäbe 6 begrenzten Kathodenhohlraums ist mindestens um das I.Sfaehe größer als seine minimale Qucrsehnittsabmcssung. Der Kathodcnhaltcr 7 weist einen Kanal 9 für die Gaszuführung in den Kathodenhohlraum in der Pfeilrichtung 10 auf.

In der Vakuumkammer 1 ist eine Öffnung H vorgesehen, durch welche das Evakuieren des Gases in der Pfeilrichtung 12 erfolgt, wodurch innerhalb der Vakuumkammer 1 ein vorgegebener Unterdruck aufrechterhalten wird. Der Kanal 9 gewährleistet das erforderliche Druckgefälle zwischen dem Kathodenhohlraum 8 und dem Innenraum der Vakuumkammer I.

Der Kaihodenhalter 7 ist mit dem Minuspol der Gleichspannungsquelle 13 und der stromleitende Halter 3 des zu bearbeitenden Werkstückes 4 mit dem Pluspol der Gleichspannungsqucüc !3 verbunden. Durch die Energie der Gleichspannungsquelle 13 wird die Erzeugung des Lichtbogens 14 zwischen dem zu be.ii heilenden Werkstück 4 und der hohlen neiden Kathode 5 sichergestellt. Das zu bearbeitende Werk stück 4 wird einer Erwärmung durch den Lichtbogen 14 in der Erwärmungszone Ii unterzogen.

Der sironileilende ll.ilter 3 des zu bearbeitenden Werkstückes 4 ist von den Wänden 2 der Vakuumkammer I mil Hilfe des Isolators 16 elektrisch isoliert Der andere, als eine Isolierbiichse 17 ausgeführte Isolator isoliert den Kathodcnhaltcr 7 von den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 und gewährleistet die hermetische Verbindung des Kathodenhallers 7 mit der Vakuumkammer I.

In I i g. I ist eine runde Lrwärmungszone Ii dargestellt, die an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 unter der Wirkung der entwickelten Energie des Lichtbogens 14(1' i g. I) gebildet wird.

E ig. i zeigt eine ovale Erwärmungszone 15. die an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 bei /iiiulcn des Lichtbogens 14 (L i g. I) gebildet wird.

Γ ig 4 zeigt einen Schnitt längs der Linie IV-IV in I ig. I. in dem eine der möglichen Varianten der Hefesiigiing der Stäbe b der hohlen, heißen Kathode 5 im Kalhodenhalter 7 dargestellt ist. der den Kanal 9 für die Gas/tiführung in den Kalhodenhohlraum 8(1 ig. Ij aufweist. Die Stäbe fi sind im Kathodenhaltcr 7 an einem Ende befestigt, und diese befestigten Enden der .Stäbe fi sind am Umfang lies Kreises ,j angeordnet und liegen dicht aneinander. Hei dieser Anordnung der Stab? β hat die Erwärmungszone 15 (I i g. 2) an der Oberfläche de¹· zu bearbeitenden Werkstückes 4 die l'orm eine¹ Kreises.

Die Erwärmungszone 15 (l'ig. 2) ist ebenfall· kreisförmig, wenn die Stäbe b (E i g. >) im Kalhodenhal ter 7 so befestigt sind, daß ein Spalt 18 zwischen mindestens einem Paar der benachbarten Stäbe (■ vorhanden ist. Der Kathodenhalk-r 7 weist ebenfalls ilen Kanal 9 für die Gaszufühmng in ilen Kathodenhohlrauir 8(1 ig. I)auf.

Sind die im kathodenhalter 7 (I g. b) befestigter Enden der Stäbe h längs der Abschnitte b und b' vor zwei parallelen, in einem Abstand voneinander liegen den Geraden angeordnet, so hat die Krwärimingszonc 13 (I ig. j) an der i/neniache tics zu ucaibeiiiriiuei Werkstückes 4 eine vcrlängcrle Eorm. die einem Ova ähnlich ist. Der Kathodcnnalter 7 (E ig. b) weist dre Kanäle 9 zur gleichmäßigeren Gasverteilung in Kathodenhohlraum 8(E i g. I) auf. Zwischen den Paarer von benachbarten Stäben 6 der hohlen heißen Kathode 5 sind die Spalte 18 vorhanden.

I i g. 7 zeigt noch eine mögliche Variante dei Befestigung der Stäbe 6 im Kalhodenhalter 7 -lcr mii Kühlräumen 19 und dem Kanal 9 für die Gaszuführung in den Kathodenhohlraum in der Pfeilrichtung IC ausgestattet ist.

Die unbefestigten Enden der Stäbe 6 werden nähei aneinander geführt, wodurch der Spalt 18' zwischen der unbefestigten dem zu bearbeitenden Werkstück < (Fig. I) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als dei Spalt 18 zwischen den im Kathodenhalter befestigter abgekehrten Enden der Stäbe 6 ist.

In Fig. 8 ist eine der möglichen Varianten dei Verbindung der Stäbe 6 mit dem Kathodenhalter i gezeigt, die mittels zwei als Stützen 20 ausgebildeter Vorrichtungen ausgeführt ist.

Jede der Stützen 20 verbindet mit dem Kathodenhai ter 7 είπε Gruppe aus vier Stäben 6. die in einer dei Längsebenen ρ oder h liegen. Die Stäbe 6 liegen in zwe Ebenen ρ und h. die in einem Abstand voneinandei

angeordnet sind. Durch clic Kanäle 9 im Kalhodenhaltcr 7 wird ein Gas in den K,ithodenhohlraum 8 in der l'fcilrichtung 19 eingeführt. Aus F i g. 9, die einen Schnitt längs der Linie IX-IX in F i g. 8 darstellt, ist ersichtlich, daß der Kathodcnhalter 7 drei Kanäle 9 für die Gaszuführung in den Kalhodenhohlraum 8 aufweist. Eine solche Befestigung der Stäbe 6 im Kathodenhalter 7 ermöglicht die Erhaltung einer verlängerten Erwärmungszone 15 (Fig. 3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4, ohne dabei die Querab- i" messungen des Kathodenhalters 7 zu vergrößern, wie es in der auf F i g. b gezeigten Konstruktion der Fall ist.

In Fig. 10 ist ein Längsschnitt der Gesamtansicht einer Variante der VakuiiniLichtbogen-Erwärmungscinrichtung gc/cigt. wie sie zur Erwärmung von ¹^ flüssigen stromleitcndcn Werkstoffen /.. B. von Metallschmelzen angewendet wird.

In der Vakuumkammer 1 mit den Wänden 2 sind ein stromleitender Halter in Form eines stromleitenden Bechers 21 mit dem zu bearbeitenden Werkstück in der zo Art eines flüssigen stromleitenden Materials 22 sowie die hohle. hciUc Kathode 5 untergebracht, deren Stäbe 6 im Kathodcnhalter 7 befestigt sind und den Kathodenhohlraum 8 bilden. Der Kathodenhalter 7 ist achsensymmetrisch innerhalb eines Abschnittes des stromleiter den Rohres 23 angeordnet, das mit Kühlräumen 24 versehen ist.

Die Isolierbuchsc 17 gewährleistet die starre und hermetische Verbindung des Kalhodenhalters 7 mit dem stromleitenden Rohr 23 und isoliert sie elektrisch ^o voneinander. Die andere Isolierbuchse 25 isoliert das stromieilendc Rohr 23 von den Wanden 2 der Vakuumkammer I und vom die Wände 2 berührenden stromlcitendcn Becher 21 mit dem zu erwärmenden flüssigen stromleitenden Material 22. Das slromleitendc J5 Rohr 23 hat die Funktion einer elektrischen Abschirmung, was das Auftreten von elektrischen Störentladungen zwischen dem negativ geladenen Kathodenhalter 7 und dem positiv geladenen flüssigen Material 22. dem stromleitenden Becher 21 und den Wänden 2 der Vakuumkammer I verhindert.

Außer der elektrischen Isolation zwischen dem

i'.remlci'.crider: Rohr 23 up'^{4 An}~

Vakuumkammer 1 erfüllt die Isolierbuchse 25 auch die Funktion einer Vakuumdichtung zwischen ihnen. Das *5 ermöglicht eine fortschreitende Bewegung des stromleitenden Rohres 23 mit dem Kathodenhalter 7 zu bzw. von dem zu erwärmenden Material 22 (in der Pfeilrichtung 26). Die fortschreitende Bewegung des stromleitenden Rohres 23 und des Kathodenhalters 7 erfolgt mit Hilfe einer Einstellanordnung (in Fig. IC nicht dargestellt), welches nötigenfalls auch die feste Einstellung des stromleitenden Rohres 23 mit dem Kathodenhalter 7 in der Vakuumkammer 1 ermöglicht.

Der Kathodenhalter 7 ist mit Kühlräumen 19 und dem Kanal 9 für die Gaszuführung in den Kathodenhohlraum 8 in der Pfeilrichtung 10 ausgestattet. Durch die Öffnung 11 in der Wand 2 der Vakuumkammer 1 erfolgt das Evakuieren des Gases aus der Vakuumkammer 1 in der Pfeilrichtung 12 mittels eines Pumpsystems (in Fig. 10 nicht abgebildet).

F i g. 11 zeigt einen Teil des Kathodenhalters 7 im Längsschnitt mit dem Kühlraum 19. Mit dem Kathodenhalter 7 sind die Stäbe 6 der hohlen heißen Kathode 5 verbunden, die den Kathodenhohlraum 8 begrenzen. Die hohle heiße Kathode 5 ist von einer Haube 27 aus einem wärmebeständigen Werkstoff umgeben, wobei die Haube 27 am Kathodenhalter 7 befestigt ist

In der Wand 28 der Haube 27 ist die erste Öffnung 29 vorgesehen, die dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. I) zugekehrt ist. Durch diese Öffnung 29 geht der Lichtbogen 14 zwischen der hohlen heißen Kathode 5 und dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (fig. I) hindurch.

Die Wand 28 (Fig. II) der Haube 27 weist eine zweite Öffnung 30 auf. Durch diese zweite Öffnung 30 wird das Gas in der Pfeilrichtung 31 eingeführt, das in den Kathodenhohlraum 8 durch die Spalte 18' und 8 zwischen den benachbarten Stäben 6 eindringt. Die Haube 27 schützt die hohle heiße Kathode 5 vor Spritzern des schmelzflüssigen zu bearbeitenden Materials (Fig. 10) und leitet die Gasströmung aus der öffnung 30 durch den Spalt 18' zwischen den Stäben 6 in den Kathodenhohlraum 8.

In Fi g. 12 ist die Gesamtansicht einer Vakuum-Lichtbogen-Erwärmungseinrichtung im Längsschnitt dargestellt, in deren Vakuumkammer 1 mit den Wänden 2 ein Stromiciienuer, als Schiiieiziiegt;! 32
Halter mit dem umzuschmelzenden harten stromleitenden Material 33 untergebracht ist. Um die hohle heiße Kathode 5 herum ist eine Haube 27 aus Graphit angeordnet, die am stromleitcnden Rohr 23 befestigt und elektrisch damit verbunden ist. Das Gas wird in den Kathodenhohlraum 8 durch den Kanal 34 in der Pfeilrichtung 35 und durch die Spalte 18 und 18' zwischen den Stäben 6 eingeführt.

In Fig. 13 sind die Stäbe 6 in der Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) näher zusammengeführt, wodurch der Spalt 18' (Fig. 13) zwischen den dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. 1) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen den abgekehrten im Kathodenhalter 7 (Fig. 13) befestigten Enden derselben Stäbe 6 ist.

Die Haube 27 ist aus einem stromleitenden wärmebeständigen Material gefertigt und stellt ein einheitliches Bauteil mit dem stromleitenden Rohr 23 dar.

Die Haube 27 schützt zugleich die hohle heiße Kathode 5 vor Spritzern des schmelzflüssigen Materials 33 (Fig. 12) und verhindert das Auftreten von elektrischen Störentladungen zwischen dem Kathodenhilter 7 und de" WänHpn2(Fi ν 1) der Vakuumkammer 1 und leitet die Gasströmung aus der Öffnung 30 (Fig. 13) durch die Spalte 18 und 18' zwischen den Stäben 6 in den Kathodenhohlraum 8.

In Fig. 14, die einen Querschnitt längs der Linie XIV-XIV aus Fig. 13 in der Ansicht von unten darstellt, sind die an einem Ende im Kathodenhalter 7 befestigten Stäbe 6 so eingestellt, daß der Spalt 18' (Fig. 13) zwischen den dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (F i g. I) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen den im Kathodenhalter 7 (Fig. 14) befestigten Enden der Stäbe 6 ist.

Die durch diese hohle heiße Kathode sichergestellte Zone 15 (F i g. 2) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 hat eine runde Form, weil die im Kathodenhalter 7 (F i g. 14) befestigten Enden der Stäbe 6 an einem Kreisumfang a angeordnet sind.

Die Wände 28 der Haube 27 weisen eine erste Öffnung 29 für den Durchgang des Lichtbogens 14 (Fig. 1) und die zweite öffnung 30 (Fig. 14) für die Gaszuführung in die Haube 27 und dann durch die Spalte 18 und 18' (F i g. 13) zwischen den Stäben 6 in den Kathodenhohlraum 8 auf.

Fig. 15 stellt einen Querschnitt der Haube 27 mit in dieser untergebrachten Stäben 6 dar. Die Stäbe 6 sind an einem Ende im Kathodenhalter 7 so befestigt, daß der

Spall 18' (F ig. IJ) /wischen den dem zu bearbeitenden Werkstück 4 (Fig. I) zugekehrten Enden der Stäbe 6 geringer als der Spalt 18 zwischen den im Kathodenhalter 7 (F i g. 15) befestigten Enden der Stäbe 6 ist, und die Stäbe 6 in der Richtung zum zu bearbeitenden Werkstück 4 (F i g. I) näher zusammengeführt sind. Die durch die Kathode dieser Form sichergestellte Erwärmungszone ;J (Fig.3) an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 hat eine verlängerte Form, weil die im Kathodenhalter 7 (F i g. 6) befestigten Enden der Stäbe 6 an Abschnitten b und b' von zwei parallelen Geraden liegen. Die erste öffnung 29 (Fig. 15) in den Wänden 28 der Haube 27 dient dem Durchgang des Lichtbogens 14 (Fig. 1) und hat eine rechtwinklige Form. Die zweite Öffnung 30 (Fi g. I 5) ist für die Gaszuführung in den Kathodenhohlraum 8 durch den Spalt 18 zwischen den Stäben 6 vorgesehen.

In Fig. 16 ist der Längsschnitt der Gesamtansicht pinrr Vnkiiiim-I .trhthrippn-Fru/armiinusrinrirhtiini'

dargestellt, die für den Kristallisationsprozeß angewendet wird. In der mit einer öffnung 11 zum Evakuieren des Gases in der Pfeilrichtung 12 versehenen Vakuumkammer I ist ein als ein wassergekühlter Kristallisator 36 ausgebildeter Halter mit dem zu schmelzenden Gußblock 37 untergebracht, der nach der Beendigung des Kristallisationsvorganges aus der Vakuumkammer 1 durch die öffnung 38 in der Pfeilrichtung 39 entfernt wird. Die Isolierbuchsi: 17 weist den Kanal 34 für die Gaszufühning in den Kathodenhohlraum 8 in der Pfeilrichtung 35 auf.

Die hohle heiße Kathode 5 ist innerhalb der Haube 27 untergebracht, die am stronileitenden Rohr 23 befestigt ist. Die Haube 27 schützt die hohle heiße Kathode 5 vor Spritzern des im Kristallisator 36 zu erschmelzenden Metalls des Gußblocks 37 und leitet den Gasfluß aus dem Kanal 34 in den Kathodenhohlraum 8.

Der mit dem stromleitenden Rohr 23 mittels der Isolierbuchse 17 starr verbundene Kathodenhalter 7 kann längs der Isolierbuchse 25, welche als eine Vakuumdichtung dient, in der Pfeilrichtung 26 bewegt werden. Die Bewegung des Kathodenhalters 7 mit dem stromleitenden Rohr 23 erfolgt mit Hilfe einer Einstellvorrichtung, das in der Zeichnung nicht dargestellt ist.

In Fig. 1 ist eine Anordnung für die Gaszuführung dargestellt, das das System 40, z. B. einen Behälter mit Druckgas, darstellt, welches für die Einführung des Gases in den Kathodenhohlraum 8 durch die Öffnung 9 in der Pfeilrichtung 10 dient. Gleichartige Anordnungen für die Gaszuführung enthalten auch die übrigen Varianten der Einrichtung, in Fig. 2—16 sind sie aber nicht gezeigt.

Die Funktionsweise wird an folgenden Beispielen erläutert.

Beispiel 1

In der Vakuumkammer 1 (F i g. 1) mit Wasserkühlung (die Wasserkühlung ist in Fig. 1 nicht dargestellt) wird das zu bearbeitende Werkstück 4 in der Art eines Molybdängußblockes mit einem Durchmesser von 250 mm und einer Höhe von 270 mm auf einer von den Wänden 2 der Vakuumkammer 1 isolierten Kupferplatte aufgestellt Die hohle heiße Kathode 5 wird aus acht Stäben 6 mit einer Länge von 120 mm und tinem Durchmesser von 10 mm ausgeführt, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz (W +1 % La₂O₃) bestehen. Die Enden der Stäbe 6 (F i g. 6) sind im Kathodenhalter 7 an zwei Abschnitten b und b' von parallelen Gerader, mit einer Länge vun 45 mm befestigt, die voneinander mit einem Abstand von 25 mm angebracht sind. Der Spalt zwischen den benachbarten Stäben 6 beträgt in jeder Reihe 6 mm.

Der kupferne wassergekühlte Kathodenhalter 7 (Fig. 1) ist in die Vakuumkammer 1 durch die Isolierbuchse 17 eingeführt.

Dem Kathodenraum 8 wird Argon zwischen zwei Reihen der Stäbe 6 durch zwei Kanäle 9 im Kathodenhalter 7 zugeführt.

Der Lichtbogen 14 wird mittels eines Kurzschlusses zwischen der hohlen heißen Kathode 5 und der flachen Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 gezündet und während 15 min bei folgenden Parametern aufrechterhalten: Unterdruck in der Vakuunikimmer 1,J3 bis 1,06 mbar, Argonverbrauch 0,3 m Vh, Lichtbogenlänge 14—180 mm, Lichtbogenstrom 14 — finnn A_p I irhthngenspanniing 14 — 42 V.

Dadurch bildet sich an der Oberfläche des zu bearbeitenden Werkstückes 4 eine Wanne mit geschmolzenem Metall, das durch eine zuvor im zu bearbeitenden Werkstück 4 ausgeführte Bohrung herausfließt. Die Wanne hat eine Tiefe von 40 mm und ihr horizontaler Querschnitt ha' die Form der in F i g. 1 gezeigten Erwärmungszone 15 mit einer Länge von 180 mm und einer Breite von 100 mm.

Beispiel 2

In der Vakuumkammer 1 (Fig. 12) mit nicht eingezeichneter Wasserkühlung wird ein Graphiltiegel 32 mit eingeschütteter Charge in der Art von zerstückelten Abgängen einer Titanlegierung aufgestellt. Die hohle heiße Kathode 5 besteht aus zwölf Stäben 6 mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 120 mm, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz hergestellt und im kupfernen Kathodenhallcr 7 mit

«o Wasserkühlung befestigt sind, welche mittels des Kühlraums 19 ausgeführt wird. Die im Kathodenhalter 7 (F ie. 5) befestigten Enden der Stäbe 5 sind in einem Kreis a mit einem Durchmesser von 60 mm angebracht. Das stromleitende gekühlte Rohr 23 (F i g. 12) mit einem

*⁵ Durchmesser von 150 mm dient als elektrische Abschirmung und ist starr mit dem Kathodenhalter 7 mittels der Isolierbuchse 17 verbunden. Die aus Graphit gefertigte Haube 27 ist am Rohr 23 derartig befestigt, daß die Stäbe 6 auf 20 mm aus der ersten öffnung 29 der Haube 27 herausragen, die dem umzuschmelzenden harten aus zerstückelten Abgängen einer Titanlegierung bestehenden Material 33 zugekehrt ist. Der Durchmesser der Öffnung 29 beträgt 85 mm. In den Kanal 34 zwischen dem Kathodenhalter 7 und dem stromleitenden Rohr 23 wird ein Edelgas, z. B. Argon, eingeführt

Der Lichtbogen 14 wird zwischen der hohlen, heißen Kathode 5 und der umzuschmelzenden Charge im Tiegel 33 gezündet und während elf Minuten bei folgenden Parametern aufrechterhalten: Unterdruck in der Vakuumkammer 1 gleich 0,66 mbar, Argonverbrauch 0,5 mVh, Lichtbogenlänge 600 mm, Lichtbogenstrom 16 000 A, Lichtbogenspannung 66 V.

Als Ergebnis der Schmelzung bildet sich im harten Material 33 eine runde Wanne des geschmolzenen

*- Metalls mit einem Durchmesser von 650 mm, die der runden Erwärmungszone 15 (F i g. 2) entspricht Aus der erzeugten Schmelze wurde ein Gußblock mit einer Masse von ca. 100 kg gegossen.

Beispiel ?.

In der Vakuumkammer 1 (Fig. 16) mit der nicht eingezeichneten Wasserkühlung ist ein kupferner wassergekühlter Kristallisator .36 zur Erhaltung eines Gußblockes 37 mit einem Durchmesser von 280 mm aus Titanspänen durch stetiges Aufschmelzen und Herausziehen des Gußblocks 37 aus dem Kristallisator 36 aufgestellt. Die hohle heiße Kathode 5 besieht aus sechs Stäben 6 mit einem Durchmesser von 10 mm und einer Länge von 80 mm, die aus Wolfram mit Lanthanzusatz gefertigt sind. Die finden der Stäbe 6 sind im Kathodenhalter 7 (Fig. 5) in einem Kreis ,·/ mit einem Durchmesser von 25 mm befestigt. Der Kathodenhalter 7 (Fig. Ib) isi innerhalb des wassergekühlten stromleitcnden Rohren 23 mit einem Durchmesser von 125 mm

untergebracht, an dessen unterem Ende die kupferne Haube 27 mit Wasserkühlung (die Kühlung ist nicht eingezeichnet) befestigt ist. Die erste Öffnung 29 der Haube 27 mit einem Durchmesser von 42 mm liegt in einer Ebene mit den unteren unbefestigten Enden der Stäbe 6.

Über den Kanal 9 im Kathodenhalter 7 wird Argon und über den Kanal 34 Helium zugeführt.

Der Lichtbogen 14 wird während 1.4 bis 2 h folgende.. Parametern aufrechterhalten: Unterdruck in der Vakuumkammer 1 gleich 0,4 bis 0,8 mbar, Argonverbratich 0,15 nWh, Heliumverbrauch 0,1 m'/h, Lichtbogenlänge 200 bis 350 mm, Lichtbogenstrom 3500 bis 4500 A, Lichtbogenspannung 32 bis 38 V.

Als Ergebnis wurde ein Ciußblock 37 einer Titanlegierung mit einer Länge von 1,5 m hergestellt.

Hierzu 4 Blatt Zeichnungen

Claims (7)

Patentansprüche:

1. Vakuum-üchtbogen-Erwärmungseinrichtung zur Bearbeitung von Werkstücken aus stromleitenden Werkstoffen, mittels eines ionisierten inerten Gases in einer Vakuumkammer bei einem Arbeitsdruck kleiner als 26,6 mbar, in welcher stromleitende Halter für das zu bearbeitende Werkstück und für eine aus einer Glühemissionslegierung gefertigte heiße Kathode angeordnet sind, die einen dem zu bearbeitenden Werkstück zugekehrten Kathodenhohlraum aufweist, in den das inerte Gas über eine Gaszuführung leitbar ist und mit einer Gleichstromquelle, die an den Kathodenhalter und den stromleitenden Halter des zu bearbeitenden Werkstückes, dessen Erwärmungszone kreis- oder ellipsenförmig ist, angeschlossen ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (5) aus mehreren zueinander im Abstand befindlichen Stäben (6) besteht, die entlang einer der zu erzeugenden Erwärmungszone entsprechenden Begrenzungslinie auf dem Kathodenhaiter (7) angeordnet sind und die Tiefe des durch die Stäbe begrenzten Kathodenhohlraumes (8) mindestens das I,5fache seiner kleinsten Querabmessung beträgt und der Arbeitsdruck in der Vakuumkammer größer als 0,013 mbar ist.

2. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die im Kathodenhalter (7) befestigten Enden der Kathode (5) auf einem Kreisumfang angeordnet sind.

3. Einrichte.ig nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die im K^thodcp^alter (7) befestigten Enden der Stäbe (6) der Kathode (5) auf geradlinigen Begrenzungslinien der Erwärn'wngszonc entsprechend angeordnet sind.

4. Einrichtung nach Anspruch I, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (6) mit dem Kathodenhaiter (7) mittels stromleitenden Befestigungen (20) derart starr verbunden sind, daß die Stäbe mindestens in zwei einander und zur Lichtbogenachsc parallelen Ebenen (p. /^angeordnet sind.

5. Einrichtung nach Anspruch 1, 2 oder 3, dadurch, gekennzeichnet, daß der Spalt (18') zwischen den dem zu bearbeitenden Werkstück (4) zugekehrten Enden einander benachbarter Stäbe (6) kleiner ist als der Spalt (18) zwischen den abgekehrten im Kathodenhalter (7) befestigten Enden dieser Stäbe (6).

b. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 5, dadurch gekennzeichnet, daß der Kathodenhaiter (7) innerhalb eines stromleitenden Rohres (23) angeordnet ist, das sowohl gegen den Kathodenhalter (7) wie gegen den Werkstückhalter (3) elektrisch isoliert ist.

7. Einrichtung nach einem der Ansprüche I bis 6, dadurch gekennzeichnet, daß die Stäbe (6) von einem aus einem wärmebeständigen Material gefertigten Gehäuse (27) umgeben sind, dessen Wände (28) eine dem Werkstück (4) zugekehrte Öffnung (29) sowie eine der Zuleitung von Gas in den Kalhoilenhohlraum (8) dienende Öffnung (% 29) aufweist.