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Die vorliegende Erfindung betrifft eine Kathodenstruktur eines
Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen gemäß dem Oberbegriff des Anspruchs 1.
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Eine Kathodenstruktur dieser Art wird durch die JP-U-60-130799 offenbart.
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Als Kathodenstruktur eines Plasmabrenners sind im Stand der Technik eine
stabförmige Kathodenstruktur und eine eingebettete Kathodenstruktur
bekannt, wie zum Beispiel in "PRAZUMA SETSUDAN NO KISO TO JISSAI
(Grundlagen und Anwendung des Plasmabogen-Schneidens)" (in japanisch),
herausgegeben von NIHON YOSETSU KAI (Gesellschaft für Schweißen in
Japan) (veröffentlicht am 1. Dezember 1983 von KOSAIDO SANPOH SHUPPAN,
Seite 48) gezeigt.
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Die stabförmige Kathode ist eine Kathode, bei der hauptsächlich Schutzgas
wie Argon, Stickstoff, Wasserstoff usw. als Arbeitsgas benutzt und in einem
Brenner mit relativ kleiner Leistungsfähigkeit eingesetzt wird. Die
eingebettete Kathode ist eine Kathode, in der Hafnium,Zirkon oder dergleichen in
einem vorderen Endbereich eines wassergekühlten Kupferrohres eingebettet
ist, und bei der hauptsächlich Oxidations-Arbeitsgas wie Sauerstoff, Luft usw.
benutzt und in Brennern mit relativ großer Leistungsfähigkeit eingesetzt
wird.
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Außerdem sind Kathoden bezüglich der Kathodenstruktur eines
Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen konzipiert worden, die bei Brennern mit
großer Leistungsfähigkeit verschiedene Formen und Strukturen aufweisen.
Zum Beispiel werden, neben den oben genannten stabförmigen oder
eingebetteten Kathoden, Kathoden eingesetzt, die eine ringförmige oder hohle
(Hohlkathode) Struktur aufweisen.
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Ein großes, gemeinsames Problem bei den Plasmabrennern mit
übertragenem Lichtbogen und nicht übertragenem Lichtbogen ist die Abnutzung der
Kathode und einer die Erzeugung des Plasmabogens begleitenden Düse.
Besonders wenn Oxidationsgase wie Luft, Sauerstoff usw. als Arbeitsgas
verwendet
werden, sind die Standzeiten extrem kurz. Bei einer Kathode ist die
Standzeit derart kurz, daß es in einem Intervall von 0,5 bis 3 Stunden
notwendig ist, sie auszutauschen.
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Bisher verzögert sich zum Beispiel erheblich der Übergang zu einer
numerischen Steuerung (NC) für eine Plasma-Schneidemaschine und einer Plasma-
Schweißmaschine ebenso wie die Verbreitung dieser Maschinen, weil die
notwendigen Kathoden-Austauscharbeiten nach einer so kurzen Lebensdauer
der Kathode fällig sind.
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Es ist bekannt, daß es bei den bisher in den Plasmabrennern mit
übertragenem Lichtbogen verwendeten Kathodenstrukturen und
Arbeitsgas-Zuführungssystemen einen Axialströmungstyp und einen Drallströmungstyp gibt. In
diesen beiden bekannten Plasmabrennern, dem Axialströmungstyp oder
Drallströmungstyp, verbleibt ein Austrittspunkt immer im Zentrum der
Kathode, und wenn die Zeit, in der ein Plasmabogen erzeugt wird, abläuft,
schreitet der Verbrauch der kathode rasch vom zentralen Bereich her fort.
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Als eine Methode, das Problem der abrupten Kathodenabnutzung zu lösen, hat
sich der Erfinder dieser Anmeldung überlegt, den Austrittspunkt auf der
Kathodenoberfläche während der Erzeugung des Plasmabogens gleichmäßig in
eine neue Position zu bewegen. Die Vorrichtung wird in der oben genannten
japanischen Gebrauchsmusteranmeldung Nr. 60-130799, eingereicht am 29.
August 1985, offenbart. Die Kathodenstruktur des Plasmabrenners mit
übertragenem Lichtbogen, die auf dieser Vorrichtung basiert, ist die, die in Fig. 1
der beigefügten Zeichnung dargestellt ist.
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In Fig. 1 bezeichnet die Bezugsziffer 10 einen Kathodenhalter. Am
Bodenendbereich des Kathodenhalters ist eine Kathode 11 befestigt. Die Kathode 11
weist auf ihrer Bodenoberfläche eine halbkugelförmige, konkave Oberfläche
12 auf. Außerdem ist der Kathodenhalter 10 mit einer Einrichtung zur
Erzeugung von magnetischen Kraftlinien 13, wie einer Spule, einem
Permanentmagneten oder dergleichen ausgestattet. Die Einrichtung zur Erzeugung der
magnetischen Kraftlinien 13 ist koaxial über der Kathode 11 angeordnet.
Wenn zur Erzeugung der magnetischen Kraftlinien 13 eine Spule verwendet
wird, handelt es sich um eine Gleichstromspule. Bezugsziffer 14 bezeichnet
eine Düse zum Verwirbeln eines Arbeitsgases, Ziffer 15 bezeichnet
magnetische
Kraftlinien, Ziffer 16 bezeichnet elektrische Kraftlinien, Ziffer 17
bezeichnet einen Austrittspunkt, Ziffer 18 bezeichnet einen Plasmabogen und
Ziffer 19 bezeichnet eine Düse.
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Im folgenden wird der in Fig. 1 gezeigte Plasmabrenner im Betrieb
beschrieben.
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Wenn die Einrichtung zur Erzeugung magnetischer Kraftlinien in Betrieb ist,
bilden sich, wie durch die gestrichelten Linien angedeutet, magnetische
Kraftlinien 15 aus. Da sich außerdem elektrische Kraftlinien 16 senkrecht in
bezug auf die Bodenoberfläche der Kathode 11 ausbilden, erhält ein Vektor-
Produkt (E x B) der beiden einen Effektivwert ungleich Null (E x B ≠ 0), über
den fast gesamten Bereich der Kathoden-Bodenoberfläche, abgesehen von
den Zentrumsachsen (Symmetrieachsen), auf denen die verschiedenen
Richtungen des elektrischen Kraftlinienvektors E und des magnetischen
Kraftlinienvektors B zur Deckung kommen. Es wird erwartet, daß in der Nähe des
Austrittspunktes 17 in der Figur der Produktwert den maximalen Wert
erhält.
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Folglich würde die Lorentz-Kraft als Kraft zum Bewegen des Austrittspunktes
17,
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F = j x B = δ E x B
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in ähnlicher Weise den Maximalwert annehmen. Es ist anzumerken, daß δ die
Leitfähigkeit und j die Stromdichte eines durch das Plasma fließenden
Stromes bezeichnet. Da die Anordnung der magnetischen Kraftlinien (die
Magnetfeld-Anordnung) symmetrisch in bezug auf eine Achse ist, wird eine
kreisende Bewegung des Austrittspunktes 17 induziert, wie in Fig. 17 gezeigt
ist.
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In der oben beschriebenen Kathodenstruktur eines in Fig. 1 gezeigten
Plasmabrenners ist eine Kühlwirkung mit einem Kühlmittel unzureichend, da das
Volumen des Kathodenmaterials zu groß ist. Besonders in dem Fall, wenn
Oxidationsgas wie Sauerstoff, Luft oder dergleichen als Arbeitsgas benutzt
wird, wird als Kathodenmaterial häufig Hafnium, Zirkon oder ähnliches
verwendet. Hafnium und Zirkon sind Metalle, die eine sehr kleine thermische
Leitfähigkeit aufweisen. Die bekannten Kathodenstrukturen haben den
Nachteil, daß, wenn diese Metalle als Material für großvolumige Kathoden
verwendet werden, die Temperatur in der Nähe des Austrittspunktes ansteigt und
damit die örtliche Abnutzung der Kathode beträchtlich ist.
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Ein Beispiel der oben genannten Hohlkathoden-Struktur wird in der US-A 3
610 796 offenbart. Diese Kathodenstruktur umfaßt einen ringförmigen
Permanentmagneten, der koaxial an der unteren Endfläche einer inneren
Trägerröhre befestigt ist, und eine Kathode, die durch einen ringförmigen
Mantel gebildet wird, der sich aus Material mit hoher thermischer und
elektrischer Leitfähigkeit zusammensetzt. Der Mantel umfaßt eine zylindrische
äußere Wand größeren Durchmessers und eine zylindrische innere Wand
kleineren Durchmessers, die koaxial zueinander angeordnet sind. Des weiteren
umfaßt der Mantel einen scheibenförmigen Deckel mit dem kleineren
Durchmesser, der koaxial an dem unteren Rand der inneren Wand befestigt ist, und
eine ringförmige Bodenwand, die sich zwischen den unteren Rändern der
inneren und äußeren Wand erstreckt. Der ringförmige Permanentmagnet ist
derart in den ringförmigen Raum zwischen der inneren und äußeren Wand
eingepaßt, daß stets ein Zwischenraum zwischen den einander zugewandten
Flächen des Magnets und des Mantels besteht. Dieser Zwischenraum dient
als Durchlaß für eine Kühlflüssigkeit. Dieser Durchlaß ist an einem Ende mit
dem Hohlraum der inneren Trägerröhre und an dem unteren Ende mit
einem zylindrischen Durchlaß verbunden, der sich zwischen der äußeren
Oberfläche der inneren Trägerröhre und der inneren Oberfläche einer koaxial
befestigten äußeren Trägerröhre bildet. Die äußere Trägerröhre ist mit ihrem
unteren Rand an dem oberen Rand der äußeren Wand des Mantels befestigt.
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Die nach unten gerichtete Oberfläche der ringförmigen Bodenwand des
Mantels dient als Bogenoberfläche, die daher auch ringförmig ausgebildet ist. Die
ringförmigen äußeren und inneren Oberflächen des Permanentmagneten
bilden die entgegengesetzten magnetischen Pole, so daß die magnetischen
Feldlinien radial zu der Bogenoberfläche der Kathode gekrümmt sind.
Folglich bewegt die oben genannte Lorentz-Kraft den Austrittspunkt des
Lichtbogens entlang der Bogenoberfläche der senkrechten Symmetrieachsen der
Kathodenstruktur.
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Da der Mantel, der die Kathode bildet, um drei Seiten des
Permanentmagneten herum ausgebildet ist, ist das Volumen des Kathodenmaterials dieser
Kathodenstruktur größer als die zuvor genannte Kathodenstruktur des JP-U-60-
130799.
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Daher wird das Kühlproblem noch verstärkt, besonders, wenn das
Kathodenmaterial, das eine hohe thermische und elektrische Leitfähigkeit aufweist,
durch Hafnium oder Zirkon ersetzt wird, das eine sehr geringe thermische
Leitfähigkeit aufweist.
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Die GB-A 1317050 offenbart ein Plasma-Abgabesystem, das einen
Kathodenhalter und eine in das Bodenende des Kathodenhalters eingefügte Kathode
aufweist. Die untere Oberfläche der Kathode ist flach. Es ist keine
Einrichtung zur Magnetfeld-Erzeugung vorgesehen, durch die sich der
Austrittspunkt auf der Austrittsoberfläche der Kathode bewegen kann und somit die
Lebensdauer der Kathode erhöht.
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Es ist daher die Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine Kathodenstruktur
eines Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen des zu Beginn genannten
Typs zu schaffen, der eine gesteigerte Kühlwirkung ermöglicht, so daß die
Menge des verbrauchten Kathodenmaterials erheblich reduziert wird.
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Im folgenden werden bevorzugte Ausführungsformen anhand der beigefügten
Zeichnung näher erläutert.
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Fig. 1 ist ein schematischer Längsschnitt durch eine
wesentliche Baueinheit und zeigt eine Kathodenstruktur eines
Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen gemäß
dem Stand der Technik;
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Fig. 2 und 3 sind schematische Querschnitte durch eine wesentliche
Baueinheit und zeigt verschiedene Ausführungsformen
bezüglich einer Kathodenstruktur mit übertragenem
Lichtbogen gemäß der vorliegenden Erfindung; und
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Fig. 4 ist ein Diagramm, das den Mengenverbrauch einer
Kathode bezüglich einer Betriebszeit veranschaulicht, wobei
der Versuch mit
der Kathodenstruktur eines
Plasmabrenners mit übertragenem Lichtbogen gemäß der
vorliegenden Erfindung in Fig. 2 durchgeführt wurde.
Beschreibung der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung
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Im folgenden wird die Kathodenstruktur eines Plasmabrenners mit
übertragenem Lichtbogen gemäß der vorliegenden Erfindung in Verbindung mit den
in Fig. 2 und 3 gezeigten verschiedenen Ausführungsformen genauer
erläutert.
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In jeder der Fig. 2 und 3 bezeichnet die Bezugsziffer 20 einen Halter, der
sich aus einer wassergekühlten Kupferstange zusammensetzt und derart
ausgebildet ist, daß er leicht und effektiv durch ein kühlendes Medium wie
Kühlwasser gekühlt werden kann. Bezugsziffer 21 bezeichnet eine Kathode,
die in den zentralen Bodenendbereich des Halters 20 eingelassen ist. Die
Kathode 21 weist die Form einer kreisförmigen Säule mit kleinem
Durchmesser auf. Sie weist, wie in Fig. 2 gezeigt, an ihrem vorderen Ende eine kleine
axialsymmetrische, kugelförmige Oberfläche oder, wie in Fig. 3 gezeigt, eine
kleine konisch-konkave Oberfläche 22b auf. Der Halter 20 zum Halten der
Kathode 21 ist mit einer Einrichtung zur Erzeugung von magnetischen
Kraftlinien 23 wie einer Spule, einem Permanentmagneten oder dergleichen
ausgestattet. Die Einrichtung zur Erzeugung der magnetische Kraftlinien 23 ist
über und koaxial zu der Kathode 21 angeordnet. In dem Fall, daß eine Spule
als Einrichtung zur Erzeugung von magnetischen Kraftlinien 23 verwendet
wird, handelt es sich um eine Gleichstrom-Spule. Es ist zu bemerken, daß
die oben genannte Spule 23 durch einen Permanentmagneten ersetzt werden
kann.
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Eine Lorentz-Kraft (F= δ E x B) wird, wie bereits in Verbindung mit Fig. 1
erläutert wurde, auf der Bodenendoberfläche der Kathode 21 ebenso im Falle
jeder der oben beschriebenen Ausführungsformen der Fig. 2 oder 3 in der
Struktur erzeugt. Es ist zu erwähnen, daß in der obigen Gleichung F die
Lorentz-Kraft, E einen elektrischen Kraftlinien-Vektor, B einen magnetischen
Kraftlinien-Vektor, und δ die Leitfähigkeit von Plasma bezeichnet.
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Da, ähnlich wie die Kathodenstruktur gemäß dem Stand der Technik in Fig.
1 und in den verschiedenen in Fig. 2 und 3 gezeigten Ausführungsformen
gemäß der vorliegenden Erfindung, die Anordnung des Magnetfeldes und die
Form der Kathode axialsymmetrisch ausgebildet sind, wird eine kreisende
Bewegung des Austrittspunktes 24 des Plasmabogens 25 während der
Erzeugung eines Plasmabogens 25 auf der Kathoden-Bodenendoberfläche 22a oder
22b induziert. Der Austrittspunkt 24 wird gleichmäßig auf der
Kathoden-Bodenendoberfläche bewegt.
Beispiel eines Versuches
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Fig. 4 zeigt ein Beispiel eines Versuches, der durchgeführt wurde, um die
Wirkung und den Vorteil einer Kathodenstruktur gemäß der vorliegenden
Erfindung zu bestätigen. Die Ordinate zeigt den Mengenverbrauch der
Kathode in mg. Die Abszisse zeigt die Betriebszeit t (min). Die in dieser
Ausführungsform verwendete Kathode hat die Form der in Fig. 2 gezeigten
Ausführungsform, und das Material ist Hafnium. Für die Einheit zur Erzeugung der
magnetischen Kraftlinien wird eine Gleichstromsspule eingesetzt. Ihre
Ausgangsgröße ist derart, daß die magnetische Flußdichte auf der
Bodenendoberfläche der Kathode um die 70 Gauß beträgt. Als Arbeitsgas wird Sauerstoff
mit einer Durchflußmenge von 40 l/min benutzt. Ein Öffnungsdurchmesser
der Plasmabogen-Düse 19 beträgt 2,3 mm. Der Betriebsstrom lag bei 100 A.
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In der Figur stellt C&sub1; den Fall dar, daß ein magnetisches Feld angelegt wurde.
C&sub2; stellt den Fall dar, daß kein magnetisches Feld angelegt wurde.
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Es ist zu erwähnen, daß, selbst wenn das Kühlsystem der Kathode in ein
luftgekühltes System geändert wurde, eine hinreichende Wirkung gemäß der
vorliegenden Erfindung bestätigt wurde.