DE2755560B2 - Elektrodeneinheit für Piasmatrone - Google Patents
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Description
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 verbu? Jen ist.
Die Erfindung kann zum Schmelzen von Metallen und Legierungen zwecks Steigerung ^n 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 elektrischen
Strom, Wasser und das Gas.
Wolfram ist der geeigneteste Stoff zur Herstellung der Elektroden von Lichtbogenpiasmatronen, die ir, der
Minus- und Pluspolung mit einer Elektrode arbeiten, welche sich in einem Medium von inerter 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 hundert 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
zungenklemme und dem wassergekühlten Plekfrodenhalter
ein linearer Kontakt besteht,dereinen verhältnis
mäßig großen elektrischen und thermischen Widerstand bedingt, wodurch sich das Vermögen der Zangenklemmet
verringert, hohe St om· und Wärmebelastungen zu tragen.
Rin großer thermischer Widerstand verursacht eine
intensive Erhitzung der /.,-iiecnklemmc und der
Elektrode bereits bei Strömet, über 1000 Λ. was zum
erhöhten Verschleiß der F.leklrode 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 aäler ihrer Teile
und hat letzten Endes den Ausfall der Zanganklemme zur Folge.
ίο Die unzureichende Kühlung der Zangenklemme
gestattet außerdem nicht das Verhältnis der freien Ausladung der Elektrode zu ihrem Durchmesser zu
vermindern, & h. die Arbeitsfläche der Elektrode an den wassergekühlten Elektrodenhalter anzunähern. Das
Verhältnis 4- ist ein wichtiger Konstruktionsparameter a
des Plasmatrons, der die Intensität der Kühlung der Arbeitsfläche der Elektrode kennzeichnet, worin / die
Länge der Elektrode und d ihren Durchmesser pn 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
2^ Größe -ιgleich J . Bei Verminderung dieses Verhältnisses
findet ein Abschmelzen der Zangenklemme statt.
Bei Benutzung eines Gemisches aus Stickstoff und Wasserstoff als Arbeitsmedium und Zuführung großer
jn 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 ge-
j5 stauen es, dank einem verhältnismäßig sicheren
Kontakt zwischen der Elektrode und dem Elektrodenhalter, die Intensität der Kühlung der Elektrode stark zu
steigern und folglich ihr°n Verschleiß zu verringern.
Eine solche konstruktive Ausführung ermöglicht es
4n weiterhin, die Arbeitsfläche der Elektrode bedeutend an
die Kühlzone anzunähern, d. h. das Verhältnis-- infolge
der intensiven Kühlung des Elektrodenhalters zu vermindern.
4> Die Konstruktion mit eingelöteter Elektrode weist
jedoch neben den angegebenen Vorteilen einige Nachteile auf. Einer dieser Nachteile ist ein verhältnismäßig
niedriger Schmelzpunkt der Lötmetalle (300 ... 1200° C) und das Vorhandensein von Elementen in den
v) Lötmetallen, die einen hohen Dampfdruck aufweisen.
Dies gestattet es nicht, das Verhältnis j auf erforderliche
Werte zu verringern, da andernfalls eine selektive Verdampfung von Komponenten des Lötmetalls mit
v. 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
mi Lötmetallen eine spröde Zone von intermetallischen
Verbindungen. Diese Erscheinung führt zu einer bedeutenden Sprödigkeit der Verbindung, ihrer geringen
mechanischen Festigkeit und oft /ur Bildung von Rissen im I.ötbereich infolge von Wärmestößen.
hi Es sind Elektrodeneinheiten für Piasmatrone bekannt,
die eingepreßte sowie eingeschraubte Elektroden aufweisen. Derartige Lösungen haben jedoch nur
teilweise gestattet, die den oben beschriebenen
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 dren 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 Elektrodeneinheitea Ferner wird
die Oberfläche der Einpressung im Laufe der Zeit oxidiert, was die elektrische und thermische Leitfähigkeit
an der Verminderungsstelle 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 Stromhelastungen bedeutend zu vergrößern. Wenn in
denjenigen Piasmatronen, die in Minuspclung arbeiten,
dies nur zur Verminderung der Effektivität ihrer Anwendung führt, so verhindern in den in Pluspolung
arbeitenden Piasmatronen die ungenügenden Bedingungen der Wärmeübertragung überhaupt Wolframelektroden
zu benutzen, da ihre Erhitzung 8- bis lOmal
intensiver ist als in den Piasmatronen, die in Minuspolung arbeiten.
Es ist auch eine Elektrodereinheit für Piasmatrone bekannt, die in der GB-PS 14 02 199 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
Gleichst romkreis 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-Toronto-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 zerstört — CS
entstehen Zwischenräume, es tritt Oxidation auf, es verschlechtert sich die elektrische Leitfähigkeit und die
Wärmeleitfähigkeit und folglich findet eine weitere Zerstörung d^r Verbindung statt. Infolgedessen vermindert
sich die Lebensdauer der Elektrodeneinheit. Beim Einsatz des Plasma troms 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
Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine
Ki 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 erfmdungsg. maß die Verbindung
der Elektrode mit dem Elektrodenh ilter mittels einer nichtverbrauchbaren stromleiienden Zwischenschicht
hergestellt ist, die Titan, Kupfer und Wolfram enthält
Dadurch, daß zwischen der Wolframelektrode und
y> der:: Kupferelektrodenhalter eine nichtverbrauchbare
stromleitende Zwischenschicht vorgesehen ist die Metalle beider Teile der Elektrodeneinheit 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-Woltram-Verbindung gestattet es, in der Elektrodeneiriheit eine Elektrode anzuwenden,
deren Länge geringer als ihr Durchmesser ist
Die stromleitende Zwischenschicht zwischen den Metallen der Elektrode und des Elekirodeühalters ist
bevorzugt durch Diffusionsschweißung unter vorherigern Einbringen einer Titanfolie zwischen der Elektrode
und dem Elektrodenhalter gebildet
Die Erfindung ist im folgenden anhand eines Ausführungsbeispieies unter Bezugnahme auf die
Zeichnungen näher erläutert. In der Zeichnung zeigt
Fig. 1 eine schematische Darstellung eines Plasmatrons,
mit erfindungsgemäßer Elektrodeneinheit und
F i g. 2 eine schematische Darstellung der erfindungsgemäßen Elektrodeneinheit im vergrößerten Maßstab.
Wie in F i g. 1 dargestellt enthält die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit einen wassergekühlten Elektrodenhalter 1 aus Kupfer bzw. seinen Legierungen, an dessen Stirnabschniit eine Elektrode 2 aus Wolfram mit "ι harmoemissionszusätzen starr befestigt ist. Die Elektrodeneinheit ist als Beispiel in einem Plasmatron gezeigt, das ein wassergekühltes Gehäute 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.
Wie in F i g. 1 dargestellt enthält die erfindungsgemäße Elektrodeneinheit einen wassergekühlten Elektrodenhalter 1 aus Kupfer bzw. seinen Legierungen, an dessen Stirnabschniit eine Elektrode 2 aus Wolfram mit "ι harmoemissionszusätzen starr befestigt ist. Die Elektrodeneinheit ist als Beispiel in einem Plasmatron gezeigt, das ein wassergekühltes Gehäute 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.
ft" Ein Ausschnitt aus der Elektrodeneinheit ist in F i g, 2
in vergrößertem Maßstab dargestellt. Sie enthält eine nichtverbrauchbare stromleitende Zwischenschicht 7.
die durch Diffusionsschweißen aus den Werkstoffen vo::
Elektrodenhalter 1 und Ek-ktrode 2 unter vorherigem
iiι 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 plasmabildcndes 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 bei einem Strom von 400 A und einer Spannung von 110 V
durchgeführt. Die Untersuchungen haben den Erfindungsgedanken bestätigt: Keine Zerstörung der Seilenfläche
der Elektrode wurde festgestellt, ein Masseverlust der Elektrode blieb aus, die mechanische Festigkeit
der Verbindung zwischen der Wolframelektrode und dem Kupferelektrodenhalter nahm bei mehrfacher
Zündung des Plasmalichtbogens nicht ab.
7ηίπΚηιιηηιΐΗ
Claims (3)
1. Elektrodeneinheit für Plasmatrone, die einen Elektrodenhalter 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 Eisbringen einer Titanfolie zwischen der
Elektrode (2) und dem Elektrodenhalter (1) gebildet ist
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