DE2755560A1

DE2755560A1 - Elektrodeneinheit fuer plasmatrone

Info

Publication number: DE2755560A1
Application number: DE19772755560
Authority: DE
Inventors: Georgy Michailovits Grigorenko; Viktor Iosifovitsch Lakomsky; Gary Aleksandrovitsch Melnik; Vitaly Sidorovitsch Nesmich; Gennady Fedorovitsch Torchov
Original assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Current assignee: Institut Elektrosvarki Imeni E O Patona Akademii Nauk Ukrainskoi Ssr
Priority date: 1977-12-07
Filing date: 1977-12-13
Publication date: 1979-06-21
Also published as: DE2755560C3; FR2415936B1; FR2415936A1; BE863539A; DE2755560B2; US4133987A

Description

HOFFMANN · EITLE & PARTNER

PATENTANWÄLTE 2 7 5 J D 6 Q

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) . D I PL.-I N G. W. E ITLE ■ D R. RE R. NAT. K. H O F FMAN N ■ D I PL.-I N G. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERNHAUS) ■ D-8000 MD N C H E N 81 · TE LE FO N (089) 911087 · TE LEX 05-29619 (PATH E)

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Institut Elektrosvarki imeni E.O. Patona Akademii Nauk Ukrainskoi SSR, Kiew, UdSSR

Elektrodeneinheit für Piasmatrone

Die Erfindung befaßt sich mit Ausrüstungen zur Plasma-Lichtbogenbearbeitung von Metallen und bezieht sich auf eine Elektrodeneinheit für Piasmatrone, die einen Elektrodenhalter aus Kupfer bzw. dessen Legierungen enthält, mit dessen Stirnabschnitt eine Wolframelektrode starr verbunden ist.

Die Erfindung kann zum Schmelzen von Metallen und Legierungen zwecks Steigerung ihrer Güte erfolgreich angewandt werden.

Lichtbogenpiasmatrone, die in der modernen Technik verwendet werden, enthalten ein Gehäuse, eine Düse, einen Elektrodenhalter, der eine Zentralelektrode trägt, sowie Einrichtungen zur Zuführung von elektrischem Strom, Wasser und das Gas.

Wolfram ist der geeigneteste Stoff zur Herstellung der Elektroden von Lichtbogenplasmatronen, die in der Minus- und Pluspolung mit einer Elektrode arbeiten, welche sich in einem Me-

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dium von inerten oder neutralen Gasen befindet.

In derartigen Piasmatronen werden die höchstzulässigen Ströme durch den Kühlungsgrad der Elektrode bestimmt. Beim Betrieb in der Minuspolung - mit Wolframelektrode, die als Katode verwendet wird - wird die Katode verhältnismäßig schwach erwärmt. Daher sind bei Strömen von einigen hunderten Ampere die üblichen Zangenklemmen, die im wassergekühlten Elektrodenhalter befestigt sind, vollkommen ausreichend.

Die Zangenklemmen werden jedoch im wesentlichen in leistungsschwachen Piasmatronen bei Benutzung von einwertigen Gasen im Plasmatron als Arbeitsmedium verwendet. Der Grund liegt darin, daß zwischen der Zangenklemme und der Elektrode sowie zwischen der Zangenklemme und dem wassergekühlten Elektrodenhalter ein linearer Kontakt besteht, der einen verhältnismäßig großen elektrischen und thermischen Widerstand bedingt, wodurch sich das Vermögen der Zangenklemmen verringert, hohe Strom- und Wärmebelastungen zu tragen.

Ein großer thermischer Widerstand verursacht eine intensive Erhitzung der Zangenklemme und der Elektrode bereits bei Strömen über 1(X)O A, was zum erhöhten Verschleiß der Elektrode führt.

Die Erhitzung der Zangenklemme führt auch zur Verminderung ihrer mechanischen Festigkeit und zur Störung der Kontakte zwischen der Elektrode, der Zangenklemme und dem wassergekühlten Elektrodenhalter. Dies verursacht eine zusätzliche Erhöhung des elektrischen und des thermischen Widerstandes der Zangenklemme, eine weitere Erhitzung aller ihrer Teile und hat letzten Endes den Ausfall der Zangenklemme zur Folge.

Die unzureichende Kühlung der Zangenklemme gestattet außerdem nicht, das Verhältnis der freien Ausladung der Elektrode zu

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ihrem Durchmesser zu vermindern, d.h. die Arbeitsfläche der Elektrode an den wassergekühlten Elektrodenhalter anzunähern. Das Verhältnis -τ ist ein wichtiger Konstruktionsparameter des Plasmatrons, der die Intensität der Kühlung der Arbeitsfläche der Elektrode kennzeichnet, worin 1 die Länge der Elektrode und d ihren Durchmesser bedeuten. Je kleiner das angegebene Verhältnis ist, desto intensiver wird die emittierende Oberfläche der Elektrode gekühlt und desto geringer ist ihr Verschleiß. In den zur Zeit bekannten Konstruktionen von Piasmatronen mit Zangenklemmen ist die minimale Größe -? gleich „-. Bei Verminderung dieses Verhältnisses findet ein Abschmelzen der Zangenklemme statt.

Bei Benutzung eines Gemisches aus Stickstoff und Wasserstoff als Arbeitsmedium und Zuführung großer Ströme ist eine intensivere Kühlung der Elektrode erforderlich, was durch Anwendung von Wolframelektroden erreicht wird, die in einen wassergekühlten Elektrodenhalter aus Kupfer eingelötet sind. Die Elektrodeneinheiten mit eingelöteten Elektroden gestatten es, dank einem verhältnismäßig sicheren Kontakt zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter, die Intensität der Kühlung der Elektrode stark zu steigern und folglich ihren Verschleiß zu verringern. Eine solche konstruktive Ausführung ermöglicht es weiterhin, die Arbeitsfläche der Elektrode bedeutend an die Kühlzone anzunähern, d.h. das Verhältnis -τ infolge der intensiven Kühlung des Elektrodenhalters zu vermindern.

Die Konstruktion mit eingelöteter Elektrode weist jedoch neben den angegebenen Vorteilen einige Nachteile auf. Einer dieser Nachteile ist ein verhältnismäßig niedriger Schmelzpunkt der Lötmetalle (3OO ... 1200°C) und das Vorhandensein von Elementen in den Lötmetallen, die einen hohen Dampfdruck aufweisen. Dies gestattet es nicht, das Verhältnis -j auf erforderliche Werte zu verringern, da andernfalls eine selektive Verdampfung

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von Komponenten des Lötmetalls mit hohem Dampfdruck und eine Störung der Zuverlässigkeit und Dichtheit der Verbindung zwischen der Katode und dem Elektrodenhalter erfolgen. Außerdem bildet sich im Lötbereich zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter beim Löten mit allen bekannten Lötmetallen eine spröde Zone von intermetallischen Verbindungen. Diese Erscheinung führt zu einer bedeutenden Sprödigkeit der Verbindung, ihrer geringen mechanischen Festigkeit und oft zur Bildung von Rissen im Lötbereich infolge von Wärmestößen.

Es sind Elektrodeneinheiten für Piasmatrone bekannt, die eingepreßte sowie eingeschraubte Elektroden aufweisen. Derartige Lösungen haben iedoch nur teilweise gestattet, die den obenbeschriebenen Konstruktionen der Elektrodeneinheiten eigenen Nachteile zu vermeiden.

In Konstruktionen mit eingepreßten Elektroden wird infolge der Differenz zwischen den Längenausdehnungszahlen des Werkstoffes der Elektrode und des Elektrodenhalters bei deren Erhitzung die Festigkeit der Einpressung und folglich der Kontakt zwischen der Katode und dem Elektrodenhalter ständig gestört. Aus demselben Grund kommt es zur Störung der Dichtheit der Wasserkanäle der Elektrodeneinheiten. Ferner wird die Oberfläche der Einpressung im Laufe der Zeit oxidiert, was die elektrische und thermische Leitfähigkeit an der Vermindungsstelle zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter ebenfalls verringert. Derartige Nachteile weisen auch die Konstruktionen von Elektrodeneinheiten mit eingeschraubten Elektroden auf.

Die bekannten Konstruktionen der Elektrodeneinheiten für Piasmatrone gestatten somit nicht, die zulässigen Strombelastungen bedeutend zu vergrößern. Wenn in denjenigen Piasmatronen, die in Minuspolung arbeiten, dies nur zur Verminderung der Effektivität ihrer Anwendung führt, so verhindern in den in Plus-

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polung arbeitenden Piasmatronen die ungenügenden Bedingungen der Wärmeübertragung überhaupt Wolframelektroden zu benutzen, da ihre Erhitzung 8 bis 10 mal intensiver ist als in den Piasmatronen, die in Minuspolung arbeiten.

Es ist auch eine Elektrodeneinheit für Piasmatrone bekannt, die in der GB-PS 1 402 199 beschrieben ist. Diese Elektrodeneinheit enthält einen Elektrodenhalter aus Kupfer bzw. dessen Legierungen, an dessen Stirnabschnitt eine Wolframelektrode starr befestigt ist; diese Befestigung wird durch Tauchen der Elektrode in ein geschmolzenes Metall, beispielsweise Kupfer bzw. dessen Legierungen, das zur Herstellung des Elektrodenhalters dient, erzielt. Vor dem Tauchen der Elektrode sind die Elektrode und das Metallbad in einen Gleichstromkreis zum Zünden eines Lichtbogens zwischen der Elektrode und dem Metallbad geschaltet.

Die bekannte Elektrodeneinheit weist einen vergrößerten Kontakt zwischen Wolfram und Kupfer auf, was es gestattet, Elektroden einer solchen Form zu benutzen, bei der eine gute Wärmeableitung gewährleistet wird.

Die Festigkeit der Verbindung zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter erweist sich bei großen Strom- und Wärmebelastungen jedoch als unzureichend. Da Wolfram in flüssigem Kupfer unlöslich ist (s. Constitution of Binary Alloys by Max Hansen, Second Edition prepared with the co-operation of Kurt Anderko, McGraw - Hill Book Company, Inc., New York - Torronto - London 1958, S. 649) gibt es an der Stelle der Verbindung zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter keine Haftung. Während der Arbeit wird die Elektrodeneinheit bedeutenden Wärmestößen ausgesetzt, so daß eine Ausdehnung der Metalle der Elektrode und des Elektrodenhalters erfolgt. Bei einer Differenz zwischen den Längenausdehnungszahlen von Kupfer und Wolfram wird die Verbindung

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zerstört - es entstehen Zwischenräume, es tritt Oxidation auf, es verschlechtert sich die elektrische Leitfähigkeit und die Wärmeleitfähigkeit und folglich findet eine weitere Zerstörung der Verbindung statt. Infolgedessen vermindert sich die Lebensdauer der Elektrodeneinheit. Beim Einsatz des Plasmastroms zum Schneiden von Metallen, wenn die Zahl von Einschaltungen begrenzt ist und beispielsweise 20 beträgt, wirken sich die angegebenen Nachteile nicht in großem Maße auf die Lebensdauer der Elektrodeneinheit aus; allerdings bleibt das Plasmatron beim Schmelzen von Metallen 1000 h und mehr in Funktion, so daß eine ausreichend feste Verbindung zwischen Metallen der Elektrode und des Elektrodenhalters erforderlich ist.

Der Zweck der vorliegenden Erfindung besteht darin, die angegebenen Nachteile zu beseitigen.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Elektrodeneinheit für Piasmatrone mit einer solchen konstruktiven Ausführung zu schaffen, die eine feste Verbindung zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter gewährleistet und eine höhere Wärme- und elektrische Leitfähigkeit gegenüber den ähnlichen bekannten Konstruktionen aufweist.

Diese Aufgabe wird dadurch gelöst, daß in einer Elektrodeneinheit für Piasmatrone, die einen Elektrodenhalter aus Kupfer bzw. dessen Legierungen enthält, mit dessen Stirnabschnitt eine Elektrode aus Wolfram starr verbunden ist, erfindungsgemäß die Verbindung der Elektrode mit dem Elektrodenhalter mittels einer nichtverbrauchbaren stromleitenden Zwischenschicht hergestellt ist, die Titan, Kupfer und Wolfram enthält.

Dadurch, daß zwischen der Wolframelektrode und dem Kupferelektrodenhalter eine nichtverbrauchbare stromleitende Zwischenschicht vorgesehen ist, die Metalle beider Teile der Elektro-

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deneinheit und erfindungsgemäß auch Titan enthält, werden eine feste Verbindung und ein stetiger Übergang solcher Kennwerte wie die Wärme- und die elektrische Leitfähigkeit in der Kupfer-Wolfram-Verbindung sichergestellt. Im Ergebnis wird eine hohe Wärmestoßbeständigkeit dieser Verbindung erreicht.

Die feste Kupfer-Wolfram-Verbindung gestattet es, in der Elektrodeneinheit eine Elektrode anzuwenden, deren Länge geringer als ihr Durchmesser ist.

Die stromleitende Zwischenschicht zwischen den Metallen der Elektrode und des Elektrodenhalters ist bevorzugt durch Diffusionsschweißung unter vorherigem Einbringen einer Titanfolie zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter gebildet.

Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieles unter Bezugnahme auf die Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigen.

Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Plasmatrons, mit erfindungsgemäßer Elektrodeneinheit und

Fig. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit im vergrößerten Maßstab.

Wie in Fig. 1 dargestellt, enthält die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit einen wassergekühlten Elektrodenhalter 1 aus Kupfer bzw. seinen Legierungen, an dessen Stirnabschnitt eine Elektrode 2 aus Wolfram mit Thermoemissionszusätzen starr befestigt ist. Die Elektrodeneinheit ist als Beispiel in einem Plasmatron gezeigt, das ein wassergekühltes Gehäuse 3 enthält, bei welchem im unteren Teil eine Düse 4 und im oberen Teil eine Gaszuführungseinrichtung 5 vorgesehen ist. Der Elektrodenhalter 1 ist im Gehäuse 3 angeordnet und durch Isolatoren 6 gegen dieses isoliert.

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Ein Ausschnitt aus der Elektrodeneinheit ist in Fig. 2 in vergrößertem Maßstab dargestellt. Sie enthält eine nichtverbrauchbare stromleitende Zwischenschicht 7, die durch Diffusionsschweißen aus den Werkstoffen von Elektrodenhalter 1 und Elektrode 2 unter vorherigem Einbringen einer Titanfolie zwischen diese gebildet ist und entsprechend Kupfer, Titan und Wolfram enthält.

Wie in den Zeichnungen gezeigt ist, hat die Elektrode 2 eine Länge, die geringer als ihr Durchmesser ist, während der Durchmesser des Elektrodenhalters 1 den Durchmesser der Elektrode 2 überschreitet.

Während der Arbeit umspült ins Gehäuse 3 des Plasmatrons eingeführtes plasmabildendes Gas die Elektrode 2 bei der Düse 4. Zwischen der Elektrode 2 und dem Metall, das geschmolzen wird, wird ein Plasmalichtbogen gezündet. Die Stirn der Elektrode 2 wird dabei erhitzt, während ihre Seitenfläche kalt verbleibt, da die Zwischenschicht 7 und die geringe Länge der Elektrode eine intensive Wärmeableitung von der Elektrode gewährleisten.

Die Zusammenwirkung zwischen der Seitenfläche der Elektrode 2 und dem plasmabildenden Gas erfolgt bei einer niedrigen Temperatur, was ihre chemische Zerstörung verhindert.

Die durch Diffusionsschweißen aus Wolfram, Kupfer und Titan gebildete Zwischenschicht 7 gewährleistet eine hohe mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Elektrode 2 und dem Elektrodenhalter 1 sowie eine hohe Wärmestoßbeständigkeit trotz der geringen Länge der Elektrode 2.

Das Plasmatron mit der beschriebenen Elektrodeneinheit von 50 kW Leistung wurde in einem Plasma-Lichtbogen-Ofen mit einer Kokille geprüft. Die Schmelzvorgänge wurden in reinem Stickstoff

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bei einem Strom von 400 A und einer Spannung von 110 V durchgeführt. Die Untersuchungen haben den Erfindungsgedanken bestätigt: Keine Zerstörung der Seitenfläche der Elektrode wurde festgestellt, ein Masseverlust der Elektrode bliebt aus,
die mechanische Festigkeit der Verbindung zwischen der Wolframelektrode und dem Kupferelektrodenhalter nahm bei mehrfacher Zündung des Plasmalichtbogens nicht ab.

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Claims

HOFFMANN · EITITTC & PARTNER

DR. ING. E. HOFFMANN (1930-1976) · Dl PL-I N G. W. EITLE · DR. RER. NAT. K. HOFFMAN N ■ D I PL.-I NG. W. LEH N

DIPL.-ING. K. FOCHSLE · DR. RER. NAT. B. HANSEN ARABELLASTRASSE 4 (STERN HAUS) · D-8000 MO NCH EN 81 · TELEFON (089) 911087 · TELEX 05-29619 (PATH E)

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Institut Elektrosvarki imeni E.O. Patona Akademii Nauk Ukrainskoi SSR, Kiew, UdSSR

Elektrodeneinheit für Piasmatrone
Patentansprüche :

e\ Elektrodeneinheit für Piasmatrone, die einen Elektrodenlter aus Kupfer bzw. dessen Legierungen enthält, mit dessen Stirnabschnitt eine Wolframelektrode starr verbunden ist, dadurch gekennzeichnet , daß die Verbindung der Elektrode (2) mit dem Elektrodenhalter (1) mittels einer nichtverbrauchbaren stromleitenden Zwischenschicht (7) hergestellt ist, die Titan, Kupfer und Wolfram enthält.
2. Elektrodeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die Elektrode (2) eine Länge aufweist, die geringer als ihr Durchmesser ist.
3. Elektrodeneinheit nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet , daß die stromleitende Zwischenschicht (7) durch Diffusionsschweißung unter vorherigem Einbringen einer Titanfolie zwischen der Elektrode (2) und dem Elektrodenhalter (1) gebildet ist.

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