DE2706559A1

DE2706559A1 - Plasmaflammspritzpistole

Info

Publication number: DE2706559A1
Application number: DE19772706559
Authority: DE
Inventors: Niklaus Mueller
Original assignee: Individual
Current assignee: Individual
Priority date: 1976-02-16
Filing date: 1977-02-16
Publication date: 1977-08-18
Also published as: DE2760198C2; FR2341247B1; US4140892A; DE2706559C2; JPS5442942B2; BE851481A; SU676147A3; JPS52122232A; FR2341247A1; GB1515824A; CH607540A5

Description

Plasmaflammspritzpistole

Die vorliegende Erfindung hat eine Plasmaflammspritzpistole zum Verarbeiten pulverförmiger Werkstoffe zum Gegenstand, die dadurch gekennzeichnet ist, dass sie eine Kathodeneinheit und eine trennbar damit verbundene Anodeneinheit umfasst, wobei jede dieser Einheiten einen getrennten Kühlwasserkreis mit je einer Wasserzu- und Abfuhrleitung besitzt, die Kathodeneinheit einen äusseren Grundkörper aus Isoliermaterial, einen in diesen Grundkörper eingebetteten, den Kathoden-Kühlwasserkreis enthaltenden Kathodenträger und einen auf dem Kathodenträger auswechselbar befestigten Kathodenteil aufweist, und die Anodeneinheit einen die Anode bildenden länglichen Düsenteil sowie einen aus mindestens zwei koaxialen Teilen bestehenden, den Düsenteil seitlich umgebenden und einen zwangsläufig in Längsrichtung des Düsenteils durchströmten

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Anoden-Kühlwasserkreis enthaltenden Düsenaufnahmekörper aufweist, und dass die Anoden- und die Kathodeneinheit jeweils mit Mitteln zur selbsttätigen Zentrierung der beiden Einheiten im miteinander verbundenen Zustand versehen sind.

Das bekannte Plasmaf lammspritzverf ahren gev/innt zunehmend an Bedeutung auf breiter industrieller Ebene, insbesondere auf dem Gebiet des Auftragschweissens zur Erzielung gewünschter Oberflächeneigenschaften, z.B. hohe Verschleissfestigkeit. Das Spritzverfahren wird beispielsweise ferner zur Herstellung von festen Teilen aus pulverförmigen Werkstoffen verwendet.

Neue Anwendungsmöglichkeiten und neue Auftragsmaterialien erfordern Plasmabrenner mit sehr hoher elektrischer Belastbarkeit zur Erzielung noch höherer Arbeitstemperaturen und höherer Spritzgeschwindigkeiten als bisher. Derzeit gebräuchliche Plasmabrennerpistolen sind in ihrer Leistungsaufnahme durch ihr relativ schlechtes Kühlvermögen begrenzt. Es wurde versucht, die Kühlleistung durch Erhöhung des Wasserdruckes und Herabsetzung der Wassertemperatur am Eingang zu steigern, doch erfordern solche Lösungen kostspielige Speisegeräte und führen auch zu Nachteilen wie Dichtungsproblemen und Problemen im Arbeitsablauf. Zudem sind die üblichen Spritzpistolen von sehr kompliziertem Aufbau, durch den das Ersetzen der Verschleissteile ein sehr zeitraubender und umständlicher Vorgang wird.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmaflammspritzpistole von besonders einfachem und funktionstüchtigem Aufbau zu schaffen, bei der der Zeitaufwand zum Ersetzen der einem Verschleiss unterworfenen Kathoden- und Anodenteile wesentlich verringert wird. Insbesondere zielt die Erfindung darauf ab, die Verschleissteile leicht zugänglich zu machen und ein Unterbrechen der Kühlwasserkreise sowie ein Zentrieren der Ersatzteile unnötig zu machen.

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Ferner besteht eine Aufgabe der Erfindung darin, die Kühlung der verschiedenen Brennerteile zu verbessern, insbesondere die Kühlung der Anodendüse und des Halteteiles der Pulverzuführröhrchen.

Durch Verbesserung der Kühlung wird die Lebensdauer der Verschleissteile bei gegebener Leistung verlängert bzw. wird bei gegebener Lebensdauer der Verschleissteile die zulässige Leistungsaufnahme erhöht. Weitere Aufgaben und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus der nachfolgenden Beschreibung einer Ausführungsform der erfindungsgemässen Pistole, die als Beispiel angeführt und in der beiliegenden Zeichnung veranschaulicht ist.

Die einzige Figur der Zeichnung zeigt einen Längsschnitt durch eine Plasmaflanunspritzpistole gemäss der Erfindung.

Die in der Zeichnung dargestellte Plasmaflammspritzpistole besteht aus zwei Hauptteilen und zwar aus einer Kathodeneinheit 1 und einer Anodeneinheit 2, die miteinander durch vier Schrauben 3 oder andere geeignete Mittel verbunden sind. Die Aussenform dieser Einheiten ist beispielsweise die eines rechteckigen Parallelepipeds, sie kann jedoch auch zylindrisch oder in anderer geeigneter Weise gestaltet sein.

Die Kathodeneinheit 1 weist einen Grundkörper 4 aus Isoliermaterial auf, in das ein Kathodenträgerteil 5 aus Kupfer eingebettet ist. Der Kathodenträgerteil 5 ist beispielsweise zylindrisch und besitzt zwei Anschlussrohre 5¹, 5", die seitlich durch den Grundkörper 4 hindurchtreten. Im Innern des Kathodenträgerteils 5 befindet sich eine Kühlkammer 6, die durch eine in Längsrichtung angeordnete Trennwand 5¹" geteilt ist, wobei die Trennwand nahe einer relativ dünnen Stirnwand 5""des Teils 5 endet. Die gezeigte Anordnung bewirkt einen zwangsläufigen Kühlwasserstrom vom Eingangsrohr 5¹ entlang der Stirnwand 5""und schliesslich zum Ausgangsrohr 5". Eines der Rohre 5¹, 5" oder beide Rohre dienen auch zum elektrischen Anschluss des Kathodenträgerteils 5 an den negativen Pol eines Stromgenerators 7, wie in der Zeichnung schematisch dargestellt. Der Kathodenträgerteil 5 ist fast zur

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Gänze in den Grundkörper 4 eingebettet, wobei lediglich ein die Stirnfläche 5""umgebendes Stück in Längsrichtung heraustritt und mit einem Aussengewinde versehen ist. Auf dieses Aussengewinde ist eine überwurfmutter 8 aufgeschraubt, die zur Befestigung eines Kathodenteils 9 auf dem Kathodenträger dient. Die Kontaktfläche zwischen der Stirnwand 5'"¹ und dem Kathodenteil 9 ist vorzugsweise eine ebene Fläche, wie sie in der Zeichnung dargestellt ist.

Der Kathodenteil 9 besitzt eine konische Form und ist als Verbundteil ausgebildet, welches aus einem äusseren Elektrodenteil 9¹ aus Wolfram und aus einem inneren Kernteil 9" aus Kupfer besteht. Die überwurfmutter 8 weist eine konische Innenfläche 8¹ auf, die mit einer entsprechenden konischen Fläche an der Basis des Kathodenteils 9 zusammen^wirkt, um den Kathodenteil in einer genau zentrischen Lage gegenüber dem Kathodenträger und daher auch gegenüber der ganzen Kathodeneinheit 1 zu halten.

Ein Gaszufuhranschluss 51 ist im Grundkörper 4 der Kathodeneinheit angeordnet und steht mit einer ringförmigen im Inneren des Grundkörpers gebildeten Kammer 52 in Verbindung. Mehrere Kanäle 53 treten durch den Stirnteil des Grundkörpers 4 in der Nähe des Kathodenteils hindurch und verbinden die ringförmige Kammer 52 mit dem die Kathode umgebenden Raum zur Einführung eines Plasma bildenden Gases in diesen Raum.

Die Kathodeneinheit 2 weist einen Mantelteil 10 aus Isoliermaterial auf, dessen äussere Form praktisch derjenigen der Kathodeneinheit entspricht. Ein Metallteil 11, beispielsweise aus Kupfer, von zylindrischer Aussenform ist in dem Mantelteil eingebettet, wobei zwei Verbindungsrohre II¹, 11" durch diesen Mantelteil hindurchtreten. Das Rohr 11' stellt einen Kühlwasserzufuhr-Anschluss dar und steht mit einer Kühlkammer 12 in Verbindung, die im Stirnteil von 11 angeordnet ist. Dieser Stirnteil weist einen in Längsrichtung vorstehenden ringförmigen Teil 11"'auf, der mehrere radial gerichtete Einschnitte als Halterung für Pulverzuführröhrchen 13 besitzt.

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Mehrere Röhrchen 13 können in gewünschten Winkelstellungen im Teil 11" befestigt werden und werden darin durch einen Haltering 14 festgehalten, der auf dem Teil 11 beispielsweise durch in der Zeichnung nicht dargestellte Schrauben angebracht ist.

Die ringförmige Kühlkammer 12 reicht bis nahe an den Boden der Befestigungsschlitze heran und besitzt eine Austrittsöffnung 12' an der Innenfläche des Teils 11. Diese Innenfläche ist konisch ausgebildet und ihr Durchmesser nimmt gegen das Innere des Brenners zu. Ein Düsenaufnahmeteil 15 mit einer der Innenfläche von 11 entsprechenden konischen Aussenfläche ist in den Teil 11 eingeschoben. Eine spiralförmige Ringnut 16 ist entlang der konischen Aussenfläche des Teils 15 gebildet, wobei das eine Ende dieser Nut gegenüber der Austrittsöffnung 12' der Kühlkammer 12 und das andere Ende dieser Nut gegenüber einer öffnung im Teil 11 liegt, welche mit dem Anschlussrohr 11" in Verbindung steht. Die spiralförmige Nut 16 bildet zusammen mit der Innenfläche des Teils 11 einen Kühlwasserkanal, in dem das Kühlwasser von der Mündungsseite des Düsenaufnahmeteils in Richtung des inneren Teils desselben fliesst, wobei das Anschlussrohr 11" den Ausgang dieses Kühlkreises bildet. Eines der Rohre 11', 11" oder beide Rohre dienen ferner zum elektrischen Anschluss der Anode an den positiven Pol des Generators 7.

Die Anode hat die Form eines Düsenteils 17, welcher als Verbundkörper ausgebildet ist und einen Mantelteil 18 aus Kupfer und einen inneren Düsenteil 19 aus Wolfram aufweist. Der ganze Düsenteil 17 ist im Inneren des Dusenaufnahmekorpers angeordnet, wobei seine konische Aussenfläche an einer entsprechenden konischen Innenfläche des Teils 15 anliegt. Der Durchmesser dieser Flächen nimmt gegen den Mündungsteil der Pistole hin ab. Die Innenfläche der Düse kann jede beliebige Form annehmen und insbesondere, wie in der Zeichnung dargestellt, einen zylindrischen Teil und einen daran anschliessenden konischen Teil aufweisen. Eine konische

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Hülse 20 ist an den Düsenteil anschliessend in einer entsprechenden konischen Erweiterung des Dusenaufnahmekorpers angeordnet, um die Düse in ihrer axialen Lage festzuhalten. Ein Ende der Hülse 1 ist vorzugsweise als Flansch ausgebildet, der am Rand des Düsenaufnahmeteils 15 aufliegt, wobei ein Dichtungsring 21 zwischen beiden Teilen angeordnet ist.

Die Kathodeneinheit 1 und die Anodeneinheit 2 besitzen einander entsprechende konische Passflächen, die mit I¹ bzw. 2' bezeichnet sind und genau koaxial zu dem Kathodenteil 9 bzw. dem Düsenteil 17 liegen. Die Passflächen sind so angeordnet, dass sie beim Verbinden der Kathodeneinheit mit der Anodeneinheit eine genaue Ausrichtung derselben bewirken. Ferner ist ein Stirnteil der Kathodeneinheit 1 so ausgebildet, dass er an der Aussenflache des erwähnten Flansches der Hülse 20 im zusammengefügten Zustand der Pistole anliegt, wobei ein Dichtungsring 22 zwischen diesen beiden Teilen liegt.

Die vorliegende Plasmaflammspritzpistole besteht demnach aus nur zwei Hauptteilen, nämlich der Kathoden- und der Anodeneinheit, welche lediglich gasdicht gegenüber dem Aussenraum abgedichtet sein müssen, was durch die Dichtungsringe 21 und 22 bewirkt wird. Da jede der beiden Einheiten einen getrennten Kühlwasserkreis besitzt, kann die Spritzpistole zum Austausch der Anoden- und Kathodenverschleissteile (17, 9) geöffnet werden, ohne den Kühlwasserkreislauf zu unterbrechen, was dazu beiträgt, den Austauschvorgang stark zu vereinfachen. Eine andere wichtige Eigenschaft bezüglich dieses Vorgangs, ist die einfache selbstzentrierende Befestigung des Kathodenteils auf dem Kathodenträger mit Hilfe der Oberwurfmutter 8 und deren konischer Passfläche 8¹, sowie die Verbindung der Kathoden- und Anodeneinheit über die Passflächen I¹, 2¹. Es ist ferner zu bemerken, dass die Verbindungsfläche der Anodeneinheit mit der Kathodeneinheit in einem Querschnittsbereich der Spritzpistole liegt, in dem der Kathodenteil auf dem Kathodenträger befestigt ist, so dass diese Befestigungsstelle äusserst leicht zugänglich ist. Dies bewirkt zusammen mit der einfachen

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Austauschbarkeit der indirekt gekühlten Anodendüse 17 und den oben angeführten Massnahmen eine sehr wesentliche Verringerung des Zeitaufwandes für das Austauschen der Kathoden- und Anodenteile 9, 17. Die benötigte Zeit kann in der Praxis von mehr als einer Stunde bei üblichen Brennerpistolen auf etwa eine Minute bei der vorliegenden Pistole herabgesetzt werden.

Wie bereits erwähnt, wird durch den Aufbau der erfxndungsgemassen Plasmaflanunspritzpistole die Notwendigkeit eines öffnens der Kühlwasserkreise beim Austausch der Verschleissteile beseitigt. Dadurch fallen die bisher üblichen O-Ring Dichtungen weg und zugleich mit der Vereinfachung des Kühlkreises, kann dessen Wirksamkeit stark erhöht werden. Wie aus der Beschreibung hervorgeht, wird der Kathodenteil äusserst wirksam über seine ebene Kontaktfläche zwischen dem Kernteil 9" und der dünnen Stirnfläche 5""des Kathodenträgers gekühlt, wobei der Kathodenträger selbst durch einen zwangsläufigen Kühlwasserfluss gekühlt wird. Was den Anodenkühlkreis betrifft, so besitzt dieser eine Reihe von wichtigen Vorteilen. Zunächst wird das eintretende Kühlwasser dem Stirnteil des Brenners zugeführt, welcher am meisten wärmebeansprucht ist wobei eine sehr wirksame Kühlung durch die Ringkammer 12 in unmittelbarer Nähe der Pulverzufuhrröhrchen bewirkt wird. Dies verlängert die Lebensdauer dieser Röhrchen, schützt deren Zufuhrschläuche und verhindert ein Anbacken des Pulvers. Der Düsenteil selbst wird durch einen zwangsläufigen Kühlwasserfluss durch den spiralförmigen Kanal 16 gekühlt, wobei eine grosse Oberfläche für den Wärmeaustausch zur Verfügung steht. Es kommen selbstverständlich auch andere Formen eines Wasserführungs-Gebildes von grosser Oberfläche in Betracht, beispielsweise eine längsgerichtete Kammer mit Kühlrippen. Die gezeigte Anordnung ist jedoch von grosser Einfachheit und Wirksamkeit. Die konischen Kontaktflächen bewirken eine ausreichende Dichtung zwischen den Teilen 11 und 15, so dass lediglich die Enden dieser Teile durch Lötung nach aussen abgedichtet werden müssen.

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Es ist festzustellen, dass die langgestreckte Form des Kühlraumes ein optimales Verhältnis zwischen der Grosse der Kühlfläche und dem äusseren Durchmesser des Dusenaufnahmekorpers herzustellen erlaubt. Ferner geht aus der Zeichnung hervor, dass in der vorliegenden Pistole die Kühlung bis in die Umgebung der Basis des Kathodenteils erstreckt werden kann, um den ganzen, die Kathode umgebenden Anodenteil zu schützen. Dies ergibt sich aus der Anordnung der Gaszufuhr und der Gasverteilerkammer im Grundkörper 4, das heisst hinter der Kathode.

Die Verschleissteile von Kathode und Anode besitzen dank der erwähnten wirksamen Kühlung eine stark erhöhte Lebensdauer und sind elektrisch wesentlich höher belastbar. Ihre Ausbildung mit äusseren Wolfraiiiteilen trägt ferner zu Erhöhung ihrer Lebensdauer bei, während die Kontaktteile aus Kupfer einen sehr guten thermischen und elektrischen Kontakt ergeben.

Aus dem Vorstehenden geht hervor, dass die erfindungsgemässe Plasmaflanunspritzpistole die wesentlichsten Eigenschaften besitzt, die ihr eine breite industrielle Anwendbarkeit bei einerseits extrem hohen Leistungen und Spritzgeschwindigkeiten und andererseits zeitsparender und unproblematischer Wartung sichern.

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Claims

Patentansprüche

1. JPlasmaflammspritzpistole zum Verarbeiten pulverförmiger Werk-

" stoffe, dadurch gekennzeichnet, dass sie eine Kathodeneinheit (1) und eine trennbar damit verbundene Anodeneinheit (2)umfasst, wobei jede dieser Einheiten einen getrennten Kühlwasserkreis mit je einer Wasserzu- und Abfuhrleitung besitzt, die Kathodeneinheit (1) einen äusseren Grundkörper (4) aus Isoliermaterial, einen in diesen Grundkörper eingebetteten, den Kathoden-Kühlwasserkreis enthaltenden Kathodenträger (5) und einen auf dem Kathodenträger auswechselbar befestigten Kathodenteil (9) aufweist, und die Anodeneinheit (2) einen die Anode bildenden länglichen Düsenteil (17) sowie einen aus mindestens zwei koaxialen Teilen bestehenden, den Düsenteil seitlich umgebenden und einen zwangsläufig in Längsrichtung des Düsenteils durchströmten Anoden-Kühlwasserkreis enthaltenden Düsenaufnahmekörper (11, 15) aufweist, und dass die Anoden- und die Kathodeneinheit jeweils mit Mitteln (2¹, I¹) zur selbsttätigen Zentrierung der beiden Einheiten im miteinander verbundenen Zustand versehen sind.

2. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Verbindungsfläche der Anodeneinheit und der Kathodeneinheit in einem Querschnittsbereich der Pistole liegt, in dem der Kathodenteil auf dem Kathodenträger befestigt ist.

3. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass die Zentrierungsmittel als beidseitige Passungsflächen ausgebildet sind.

4. Spritzpistole nach Anspruch 3, dadurch gekennzeichnet, dass die Passungsflächen konisch sind.

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5. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil durch eine Schraubverbindung mit dem Kathodenträger verbunden ist.

6. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil und der Kathodenträger zumindest eine ebene Kontaktfläche besitzen.

7. Spritzpistole nach Anspruch 6, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil auf dem Kathodenträger mit Hilfe einer Überwurfmutter befestigt ist.

8. Spritzpistole nach Anspruch 7, dadurch gekennzeichnet, dass die überwurfmutter und der Kathodenteil konische Passungsflächen zur automatischen Zentrierung des Kathodenteils auf dem Kathodenträger besitzen.

9. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Kathodenteil einen äusseren Elektrodenteil aus Wolfram und einen Kernteil aus Kupfer aufweist.

10. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass Mittel zur Einführung des das Plasma bildenden Gases im Grundkörper der Kathodeneinheit angeordnet sind.

11. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenteil eine konische Aussenfläche und der Dusenaufnahmekorper eine entsprechende konische Innenfläche besitzen, wobei eine koaxiale Haltehülse im Dusenaufnahmekorper anschliessend an das breitere Ende der Düse angeordnet ist.

12. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Düsenteil einen inneren Teil aus Wolfram und einen seitlichen Mantelteil aus Kupfer aufweist.

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13. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dusenaufnahmekorper einen seitlichen Mantelteil aus Isoliermaterial besitzt.

14. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dusenaufnahmekorper einen um den Düsenteil herumgeführten Wasserkanal aufweist, dessen Eingang am mündungsseitigen Ende des Düsenteils liegt.

15. Spritzpistole nach Anspruch 14, dadurch gekennzeichnet, dass der Kühlwasserkanal spiralförmig um den Düsenteil herumgeführt ist.

16. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dusenaufnahmekorper zwei koaxiale Teile aufweist, die ineinander angeordnet sind und zwischen sich einen Kühlwasserkanal bilden.

17. Spritzpistole nach Anspruch 16, dadurch gekennzeichnet, dass die Kontaktfläche zwischen den beiden Teilen des Dusenaufnahmekorpers eine konische Fläche ist.

18. Spritzpistole nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Dusenaufnahmekorper einen vorspringenden Stirnteil zum Festhalten von Pulverzuführungsröhrchen aufweist, wobei dieser Halteteil das mündungsseitige Ende des Düsenteils ringförmig umgibt und einen Kühlwasserkanal enthält.

19. Spritzpistole nach Anspruch 18, dadurch gekennzeichnet, dass der Eingang des Wasserkanals des vorspringenden Halteteils mit dem Zufuhranschluss des Anoden-Kühlkreises verbunden ist, während der Ausgang des genannten Wasserkanals des Halteteils mit einem um den Düsenteil herumgeführten Kühlwasserkanal in Verbindung steht.

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