DE3884993T2

DE3884993T2 - Lichtbogenvorrichtung mit justierbarer Kathode.

Info

Publication number: DE3884993T2
Application number: DE88106944T
Authority: DE
Inventors: Thomas F Bernecki; Henry A Budke; Henry C Thompson; Janusz Wlodarczyk
Original assignee: Perkin Elmer Corp
Current assignee: Oerlikon Metco US Inc
Priority date: 1987-05-08
Filing date: 1988-04-29
Publication date: 1994-02-17
Anticipated expiration: 2008-04-30
Also published as: CN1011767B; DE3884993D1; US4788408A; BR8802237A; JPH0812798B2; CN88102744A; JPS647944A; CA1302517C; EP0289961B1; EP0289961A2; EP0289961A3

Description

Die Erfindung betrifft ein, einen Lichtbogen erzeugendes System mit einer Lichtbogenvorrichtung, wie sie in dem Oberbegriff des Anspruchs 1 beschrieben ist.
Lichtbogenvorrichtungen, wie z.B. Plasmapistolen, werden für solche Zwecke wie thermisches Spritzen verwendet, was das Hitzeerweichen eines bei Hitze schmelzbaren Materials, wie z.B. eines Metalls oder einer Keramik, und das Ausstoßen des erweichten Materials in Teilchenform auf eine zu überziehende Oberfläche beinhaltet. In typischen Plasmasystemen wird ein elektrischer Lichtbogen zwischen einer wassergekühlten Düse (Anode) und einer in der Mitte angeordneten Kathode erzeugt. Ein inertes Gas tritt durch den elektrischen Lichtbogen hindurch und wird dadurch auf eine Temperatur von bis zu 15.000ºC angeregt. Das Plasma aus wenigstens teilweise ionisiertem Gas, das aus der Düse austritt, gleicht einer offenen Acetylen-Sauerstoffflamme.
Ein nach dem US-Patent Nr. US-A-4780591 bekanntes Plasma erzeugendes System umfaßt eine Plasmapistole mit einem hohlen zylindrischen Anodenteil, einem hohlen zylindrischen Zwischenteil, das elektrisch von und koaxial gegenüberliegend zu dem Anodenteil ist, um einen Plasma bildenden Gasdurchgang durch das Zwischenteil und das Anodenteil zu bilden, und ein axial bewegliches Kathodenteil. Ein elektrischer Motor oder ein pneumatischer Kolben, die in Abhängigkeit von einer Messung einer Lichtbogenspannung betätigbar sind, passen kontinuierlich die axiale Lage der Kathodenspitze relativ zu der Anodendüse an, so daß eine vorbestimmte Lichtbogenspannung aufrechterhalten wird.
Dieses System mit einer Anpassung der Kathode entsprechend der Spannung hat sich als eine wesentliche Verbesserung für die Betriebsqualität einer Lichtbogenpistole herausgestellt. Der elektrische Motor und die pneumatische Kolbenanordnung, die in der parallelen Patentanmeldung offenbart sind, sind in ihrem Betrieb sehr wirksam. Jedoch sind sie etwas unhandlich, schwer und komplex oder benötigen zusätzliche Versorgungseinrichtungen (z.B. unter Druck stehende Luft).
Der Oberbegriff des Anspruchs 1 stützt sich auf die US-A- 3242305, die eine Plasmavorrichtung mit einer Starterrückzugvorrichtung offenbart, bei der ein Zünden des Lichtbogens dadurch erzielt wird, daß eine Feder eine Elektrode gegen die Düse vorspannt. Ein Zurückziehen auf eine festgelegte Betriebsposition wird durch den Flüssigkeitsdruck des Kühlwassers, das gegen die Feder wirkt, ausgeführt, wenn der Lichtbogen gezündet ist.
Im Hinblick auf das Vorhergesagte ist es eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, eine verbesserte Lichtbogenvorrichtung mit einer einstellbaren Kathodenlage relativ zu der Anode zu schaffen.
Es ist eine weitere Aufgabe, einen neuen Kathodeneinstellmechanismus zu schaffen, der die Kühlflüssigkeit für die Lichtbogenvorrichtung verwendet.
Die vorhergehende und weitere Aufgaben werden in einem, einen Lichtbogen erzeugenden System entsprechend dem kennzeichnenden Teil des Anspruchs 1, wie z.B. einer Plasmapistole, gelöst, welches eine Lichtbogenvorrichtung mit einem rohrförmigen Anoden- und einem stabförmigen Kathodenteil, das in einem Abstand in koaxialer Beziehung mit dem Anodenteil gelegen ist, einschließt, welche in der Lage sind, einen Lichtbogen dazwischen aufrechtzuerhalten. Flüssigkeitsdurchgangsvorrichtungen nehmen eine unter Druck stehende, eintretende Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Lichtbogenvorrichtung auf. Die Flüssigkeitsdurchgangsvorrichtungen haben eine Auslaßvorrichtung zum Auslassen der Kühlflüssigkeit bei einem Zwischendruck, der niedriger als der Eingangsdruck ist. Entsprechend der vorliegenden Erfindung umfaßt eine Kathodenpositioniervorrichtung zum Einstellen des relativen axialen Abstands zwischen dem Kathodenteil und der Anode ein geschlossenes, von der Lichtbogenvorrichtung sich nach hinten erstreckendes Zylinderteil. Ein Kolben ist an dem Kathodenteil befestigt und verschiebbar in dem Zylinderteil gelegen, um darin eine erste Kammer von einer zweiten Kammer zu trennen.
Die erste Kammer nimmt die Kühlflüssigkeit von dem Anodendurchflußausgang auf und hat eine Ausgangsvorrichtung mit ausreichendem Widerstand, um den Zwischendruck der Kühlflüssigkeit in der ersten Kammer aufrechtzuerhalten. Eine erste Ventilvorrichtung kann so betrieben werden, daß selektiv unter Druck stehende, flüssige Steuerflüssigkeit in die zweite Kammer eingespeist wird, so daß sich der Kolben gegen den Zwischendruck der Kühlflüssigkeit in der ersten Kammer bewegt und dadurch das Kathodenteil sich axial in einer ersten Richtung in bezug auf die Anode bewegt. Eine zweite Ventilvorrichtung kann zum selektiven Auslassen der Steuerflüssigkeit aus der zweiten Kammer betrieben werden, so daß der Zwischendruck der Kühlflüssigkeit den Kolben gegen die austretende Steuerflüssigkeit in der zweiten Kammer bewegt, und dadurch das Kathodenteil axial in einer zweiten Richtung entgegen der ersten Richtung bewegt.
In einer bevorzugten Ausführungsform umfaßt die Flüssigkeitsdurchgangsvorrichtung eine Kathodenkühlvorrichtung mit einem Flüssigkeitseinlaß, der in dem Zylinderteil gelegen ist, und mit einem Durchflußauslaß zum Auslassen der Kühlflüssigkeit bei einem Zwischendruck in die erste Kammer. Das Zylinderteil ist an einem, der Lichtbogenvorrichtung gegenüberliegenden Ende durch eine Endwand begrenzt, die darin einen Flüssigkeitsdurchgang aufweist, der die unter Druck stehende Kühlflüssigkeit aufnimmt. Verlängerbare Leitungsvorrichtungen, insbesondere zwischen dem Kolben und der Endwand befestigte Teleskopronrleitungen, sind in dem Zylinderteil gelegen und nehmen jeweils die unter Druck stehende Kühlflüssigkeit zum Übertragen der unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit zu dem Flüssigkeitseingang auf.
Wünschenwerterweise ist ein flexibles elektrisches Kabel zwischen dem Kathodenteil und einer Quelle für den Lichtbogenstrom angeschlossen und in dem Zylinderteil gelegen, so daß es durch die Flüssigkeit darin gekühlt wird.
Für eine bevorzugte Betriebsweise, z.B. wenn die Lichtbogenvorrichtung eine Plasmapistole ist, umfaßt die Kathodenpositioniervorrichtung weiter eine Spannungsbestimmungsvorrichtung zum Messen einer Lichtbogenspannung zwischen dem Kathodenteil und dem Anodenteil. Steuervorrichtungen sind mit der Spannungsbestimmungsvorrichtung zum selektiven Steuern des ersten Ventils und des zweiten Ventils verbunden, um so den relativen Abstand zwischen dem Kathodenteil und dem Anodenteil einzustellen, so daß eine vorbestimmte Lichtbogenspannung aufrechterhalten wird.
In der Zeichnung wird eine Längsquerschnittsansicht einer erfindungsgemäßen Plasmapistole gezeigt.
Ein Beispiel zum Einfügen der vorliegenden Erfindung ist eine Plasmapistole eines Typs, die in der vorher erwähnten, verwandten Patentanmeldung offenbart und in der Zeichnung dargestellt ist. Für eine solche Plasmapistole gibt es im groben drei Bauteilkomponenten, nämlich eine Pistolenkörperanordnung 12, eine Düsenanordnung 14 und eine Kathodenanordnung 16. Geeignete O-Ringe (nicht numeriert) sind strategisch in und zwischen die Anordnungen eingefügt, um das Gas und andere Flüssigkeitsdurchgänge abzudichten. Die Düsenanordnung umfaßt ein rohrförmiges Düsenteil 18, das eine Anode darstellt. Die Kathodenanordnung umfaßt ein Kathodenteil 20, das koaxial in Abstand von der Düse gelegen ist, um so einen Plasma erzeugenden Lichtbogen zwischen der Kathodenspitze 22 und der Anode in Gegenwart eines Stroms von Plasma bildendem Gas und einer Gleichspannung aufrechtzuerhalten. Eine Lichtbogenleistungsquelle ist bei 24 schematisch gezeigt. Die Anode und die Kathode sind jeweils aus herkömmlichen Materialien, wie z.B. Kupfer oder Wolfram.
Die Pistolenkörperanordnung 12 bildet den zentralen Teil der Pistole, unter Ausschluß des Kathodenteils 20. Die Anordnung 12 umfaßt in dem vorliegenden Beispiel ein Zwischenteil 26.
Das Teil 26 ist aus vier rohrförmigen Segmenten 26A, 26B, 26C und 26D aus Kupfer gebildet, die zwischen isolierenden Abstandsringen 28 gestapelt und genau in ein Isolatorrohr 30 eingepaßt sind, welches in einem metallischen Pistolenkörper 32 gehalten wird. Ein ähnlicher, jedoch weiterer Abstandsring 28A steht in Eingriff auf der Hinterseite des hinteren Segments 26A, und ein weiterer Ring 28E ist zwischen dem Düsenteil 18 und dem angrenzenden Segment 26D vorhanden. (Die Buchstaben A, B, C, D und E, die mit Bauteile-Nummern hier verwendet wurden, zeigen jeweils das hintere, das hintere-mittlere, das vordere-mittlere, das vordere und das allervorderste Bauteil an. Wie hier und in den Ansprüchen nehmen der Begriff "vorne" und davon abgeleitete Begriffe oder Synonyme oder dazu analoge Begriffe Bezug auf das Ende, aus dem die Plasmaflamme aus der Plasmapistole austritt; auf ähnliche Weise bezeichnen die Begriffe "hinten" etc. die entgegengesetzte Seite.)
Das Isolatorrohr 30 ist z.B. aus mit Delrin gefülltem Glas gebildet. Die Ränder der Segmente 26 haben O-Ring-Dichtungen (nicht numeriert) um ihren Umfang, um ringförmige Kanäle 34 in den Segmenten 26 gegen das Isolatorrohr 30 abzudichten. Ein Kühlmittel für die ringförmigen Kanäle 32 in jedem Segment wird durch laterale Leitungen 36 in dem Isolatorrohr 30 und eine Längsleitung 38, die durch einen Längsschlitz an der Außenseite des Isolatorrohrs 30 gebildet wird, bereitgestellt. Das Kühlmittel wird aus den Kanälen 32 durch einen zweiten Satz von lateralen Leitungen 40, die diametral den ersten Leitungen 38 gegenüberliegen, somit also durch eine zweite Längsleitung (Schlitz) 42 zwischen dem Rohr 30 und dem Körper 32 entnommen.
Die Abstandsringe 28 sind aus einem Material wie Polyimidplastik gebildet, und jeder ist nebeneinanderliegend in einem Schlitz zwischen angrenzenden Segmenten 26 zum Beabstanden der Segmente gelegen. Thermoschutzringe 44, die aus einem keramischen Material wie Bornitrid gebildet sind, liegen nebeneinander jeweils zwischen einem Paar von angrenzenden Segmenten radial innenliegend bezüglich des entsprechenden Abstandsrings 28.
Die Anodendüse 18 wird an dem vorderen Ende des Pistolenkörpers 32 durch einen mit einem Gewinde versehenen Rückhaltering 46 gehalten. Eine Düsenöffnung 48 und ein Gasdurchgangsweg 50 durch die gestapelten Segmente 26 bilden den Plasma bildenden Gasdurchgang. Ein Lichtbogenstrom wird von der Anode 18 durch den Pistolenkörper 32 zu einem herkömmlichen Stromkabelstecker 52 geleitet.
Die Düse 18 hat einen ringförmigen Kühlflüssigkeitskanal 54, der durch eine Abschirmvorrichtung 56 gebildet wird, und der ähnlich zu den ringförmigen Kanälen 34 in den Segmenten 26 ist. Ein Kühlmittel wird dem Kanal 54 von der Längsleitung 38 aus eingespeist, welche mit dem herkömmlichen Stecker 52 für ein Kühlmittel beförderndes Leistungskabel 58 in Verbindung steht, welches die zugeführte flüssige Kühlflüssigkeit (typischerweise Wasser) unter hohem Druck von einer Quelle 59 und auch den Anodenstrom befördert.
Hinter den geschichteten Segmenten 26 ist ein Gasverteilerring 60 axial beabstandet von dem hintersten Element 26A durch einen Schutzring 44A, der ähnlich zu den anderen, zwischen den Segmenten gelegenen Ringen 44 ist. Der vordere Teil des Verteilerrings 60 hat zumindest eine Gaseinlaßmündung 62, die von einer Gasversorgung über eine ringförmige Verbindungsvorrichtung 64 gespeist wird, und eine lateral gerichtete Gasleitung zu einer Verbindung für das Plasma bildende Gas (nicht gezeigt, die Gasversorgung ist von herkömmlicher Art). In ähnlicher Weise kann eine zweite Gasversorgung eines Plasma bildenden Gases durch einen Durchgang 66 und eine Vielzahl von äußeren Mündungen 68 in der Düse 18 durch Einführen des zweiten Gases in den vorderen Teil des Gasdurchgangs 50 eingeführt werden.
Die Kathodenanordnung 16 umfaßt ein stabförmiges Kathodenteil 20, das eine vordere Spitze 22 hat, und die an ihrem hinteren Ende an einem Kathodenhaltestab 70 angebracht ist. Der Haltestab ist verschiebbar mittels zweier O-Ringe 72 in dem Verteilerring 60 gehalten, welcher als ein Halteteil zum Führen des Haltestabs in seinem axialen Weg dient.
Ein Zwischenkörper 74 ist an dem Pistolenkörper 32 mit einem, mit einem Gewinde versehenen Zwischenring 76 über eine Schulter 77 an einem ersten, mit dem Pistolenkörper 32 verschraubten Ring angebracht. Der Körper 74 umschließt einen hinteren Bereich 78 des Isolatorrohrs 30. Ein längliches geschlossenes Zylinderteil 80 erstreckt sich nach hinten von dem Isolatorrohr 30 und wird in einem hinteren Körper 82 gehalten, wobei der Körper 82 durch einen äußeren Körper 84 mit einer mit einem Gewinde versehenen hinteren Rückhalteplatte 86 zurückgehalten wird, welche an einen gegen eine Schulter 88 auf einem zweiten haltenden Ring, der an den Zwischenring 74 geschraubt ist, gehaltenen, umgebenden Ring angeschraubt ist. Das hintere Ende des Zylinderteils 80 wird mittels einer Endwand 90 abgeschlossen, die nach außen hin von dem hinteren Körper 82 und nach innen durch eine, mit der hinteren Platte 86 zurückgehaltenen Endeinpaßvorrichtung 92 gebildet wird. Das vordere Ende des Zylinders 80 wird durch den Gasverteilerring 60 begrenzt.
Das hintere Ende des Kathodenhaltestabs 70 ist konzentrisch an einem Kolben 96 angebracht, der axial in einem O-Ring 98 innerhalb eines Zylinders 80 verschiebbar ist. Die zur Verfügung stehende Länge des Zylinders ist für den Kolben ausreichend, den Haltestab und die Kathode über einen gewünschten Streckenbereich zu verschieben. Die Endposition (nach vorne; für das Kathodenteil bei 100 gezeigt) wird eingenommen, wenn der Kolben 96 auf der Schulter 102 des Verteilerrings ruht. Die maximal zurückgezogene Position (nach hinten) wird erhalten, wenn ein hinterer Vorsprung 104 des Kolbens mit einem nach vorne sich erstreckenden, ringförmigen Abschnitt 106 der Endeinpaßvorrichtung 92 in Berührung steht. Eine erste, hintere Kammer 108 wird zwischen dem Kolben 96 und der Wand 90 gebildet. Eine zweite, vordere Kammer 110 wird zwischen den Kolben und dem Verteilerring 60 gebildet. Ein ringförmiger Raum 112 außerhalb des rohrförmigen Abschnitts 106 schafft ein verbleibendes Volumen für die hintere Kammer für die maximal zurückgezogene Position; aus ähnlichen Gründen wird eine ringförmige Rille 114 auf der Hinterseite des Verteilerrings 60 für die vordere Kammer ausgebildet.
Aus dem Düsenteil 18 und dem Zwischenteil 26 austretende Kühlflüssigkeit wird durch eine zweite Längsleitung 42 in dem Isolatorrohr 30 geleitet, und folglich durch die Leitungsverlängerung 116 in dem Isolatorrohr und eine erste hintere Leitung 118 in dem Zylinderteil 80, welche mit dem ringförmigen Raum 106 an der Endwand 90 und folglich mit der hinteren Kammer 108 in Verbindung steht. Aufgrund der normalen Einschnürungen in den Kühlleitungen hat das in die Kammer 108 eintretende Kühlmittel einen verringerten Druck, der geringer ist als der Eingangsdruck.
Eine zweite hintere Leitung 120 in dem Zylinderteil 80 führt Flüssigkeit aus der hinteren Kammer 108 heraus zu einer herkömmlichen Kabelverbindung 122 für Kühlflüssigkeit und elektrische Leistung für die Kathode. Ein Kabelrohr bei 124 führt das Kühlmittel zu einem Punkt zur Beseitigung, wie z.B. einem Abfluß, oder zu einem wiederzirkulierenden Pumpeneinlaß, und zwar in beiden Fällen bei einem relativ niedrigen Flüssigkeitsdruck (z.B. Null). Einige Einschnürungen sind in dem Kabelsystem wahlweise mit einer besonderen Einschnürvorrichtung (nicht gezeigt) vorhanden, so daß der Flüssigkeitsdruck in der hinteren Kammer 108 unter einem Zwischenniveau zwischen dem Eingangsdruck an die Pistole und dem Entsorgungsdruck aufrechterhalten wird.
Das Kühlen des Kathodenteils 20 wird durch die koaxialen Kanäle besorgt. Eine axiale Leitung 126 erstreckt sich von der Hinterseite des Haltestabs 70 in das Kathodenteil 20. Ein langes Rohr 128 ist axial in der Leitung, die eine äußere ringförmige Leitung 130 bildet, gelegen. Das hintere Ende der Leitung 126 bildet einen Flüssigkeitseinlaß 131 in der Nähe des Kolbens 96 in dem Zylinder 80.
Kühlflüssigkeit für die Kathode 20 wird von der gleichen Quelle wie für die Anode 18 bereitgestellt. Ein nach hinten gerichteter Zweig 132 von der Leitung 38 steht über eine zwischenliegende Leitung 134 in dem Teil 80 mit einem ringförmigen Durchgang 136 zwischen dem Zylinderteil 80 und dem hinteren Körper 82 in Verbindung. Eine Vielzahl von kleinen Leitungen 138 (nicht gezeigt) in dem hinteren Körper leitet einen Fluß zu einem zweiten ringförmigen Durchgang 140 zwischen der Endeinpaßvorrichtung 92 und dem hinteren Körper 82. Mindestens ein Flüssigkeitsdurchgangsweg 142 (drei sind gezeigt) führen die Flüssigkeit zur zentralen Achse der Endeinpaßvorrichtung. Eine Verbindung von den Flüssigkeitsdurchgangswegen 142 zum Flüssigkeitseinlaß 131 für die Kathodenkühlung wird durch verlängerbare Leitungsvorrichtungen, z.B. eine biegsame Leitung in dem Zylinder 90 hergestellt.
Vorzugsweise jedoch ist die verlängerbare Leitung gemäß einer bevorzugten, in der Zeichnung gezeigten Ausführungsform aus einer Teleskopleitung gebildet. Eine Reihe von aufeinanderfolgend kleiner werdenden Rohrteilen 144 mit jeweils einem vorderen inneren Rand 146 und einem hinteren äußeren Rand 148 sind konzentrisch gegeneinander verschiebbar eingepaßt. Der Rohrteilabschnitt 106 der Endeinpaßvorrichtung 92, der ebenfalls einen vorderen inneren Rand hat, bildet das äußere und hintere Teil dieser Serie. Das vordere und innere Teil 150 bildet das hintere Ende des Kathodenhaltestabs 70 und des Flüssigkeitseinlasses 131. Wenn die Kathode voll ausgefahren ist, greifen die jeweiligen inneren und äußeren Ränder 146, 148 ineinander und begrenzen dadurch die ausgefahrene (vordere) Position der Kathode. Wenn die Kathode vollständig zurückgezogen ist, stehen die rohrförmigen Teile im konzentrischen, vollständigen Eingriff. In jeder Position dieser Extremlagen oder dazwischen führt die Teleskopleitung Kühlflüssigkeit von den Flüssigkeitsdurchgangswegen 142 in der Endanpaßvorrichtung 92 zu dem Flüssigkeitseinlaß 131 für die Kathode. Obwohl die Teile 144 verschiebbar, so eng anliegend wie praktisch möglich ineinander eingreifen sollten, ist es nicht notwendig, vollständig flüssigkeitsdichte Dichtungen dazwischen für den im nachfolgenden beschriebenen Betrieb vorzusehen, da eine geringe Leckage in die Zwischendruckkammer 108 keine bedeutende Konsequenz hat.
Wenigstens eine querliegende Mündung 152 (zwei sind gezeigt) an der hinteren Seite des Kolbens 96 lenkt das austretende Kathodenkühlmittel von der äußeren ringförmigen Leitung 130 in die hintere Kammer in dem Zylinder. Die normalen Verengungen in den Leitungen 126, 128 bewirken, daß das Kathodenkühlmittel bei einem verringerten Druck, der geringer als der Eingangsdruck ist, austritt. Daher trifft das austretende Kathodenkühlmittel auf das Kathodenkühlmittel mit dem Zwischenflüssigkeitsdruck in der hinteren Kammer 108.
Ein zweiter Einlaß für unter hohem Druck stehende Flüssigkeit ist durch einen herkömmlichen Schlauchanschluß 154 und einen Schlauch 155 vorgesehen, der bequemerweise, jedoch nicht notwendigerweise, mit der gleichen Quelle 59 wie für die Kühl flüssigkeit für die Anode und für die Kathode verbunden ist. Ein seitlicher Kanal 156 lenkt Flüssigkeit zu einer Leitungsanschlußvorrichtung 158 außerhalb des Teils 80, und eine Vielzahl von radialen Kanälen 160 (zwei sind gezeigt) liefert dann die unter hohem Druck stehende Flüssigkeit an die Kammer 110 vor dem Kolben 96. Zwei Ventile sind in der Versorgungsleitung 155, die wünschenswerterweise durch Spulen betrieben werden. Das erste Ventil 162 in der Schlauchleitung ermöglicht, daß Flüssigkeit von der Quelle 59 zu der vorderen Kammer an- und abgeschaltet wird. Das zweite Ventil 164, das zwischen dem ersten Ventil und dem Anschluß 154 angeschlossen ist, kann geöffnet werden, um Flüssigkeit aus der vorderen Kammer auszulassen (oder sie in den Kreislauf wieder einzuspeisen).
Das Positionieren der Kathode 20 wird durch das erste und zweite Ventil 162, 164 ausgeführt, und die damit verbundene Flüssigkeit wirkt als eine Steuerflüssigkeit. Ein Öffnen des ersten Ventils 162, während das zweite Ventil 164 geschlossen ist, speist unter hohem Druck stehende Flüssigkeit in die vordere Kammer 110 ein und treibt den Kolben 96 gegen die Flüssigkeit, die bei einem Zwischendruck in der hinteren Kammer 108 vorhanden ist, wobei die Kathode nach hinten bewegt wird. Wenn beide Ventile geschlossen sind, gibt es keine Druckungleichheit an dem Kolben, da die Flüssigkeit nicht kompressibel ist, so daß der Kolben und daher das Kathodenteil 20 in einer festen Lage verbleiben. Dann ermöglicht ein Öffnen des zweiten Ventils 164, wenn das erste Ventil 162 geschlossen bleibt, daß die Steuerflüssigkeit aus der vorderen Kammer 110 unter der Kraft des Kolbens mit dem Zwischendruck der Flüssigkeit in der hinteren Kammer austritt, wodurch die Kathode nach vorne bewegt wird.
Allgemein sollte der hohe Eingangsdruck an der Leitung 38 und in die Kammer 110 zwischen 3 . 10&sup5; Pa (45 psi = 3 bar) und 10&sup6; Pa (150 psi = 10 bar) sein und die Einengungen in der Pistole in dem Flüssigkeitsauslaß sollten einen Zwischendruck in der hinteren Kammer schaffen, der zwischen 20 % und 80 % des Eingangsdrucks ist, z.B. kann der Eingangsdruck 5 . 10&sup5; Pa (75 psi = 5 bar) sein, und der Zwischendruck kann 58 % des Einlasses betragen.
Man hat festgestellt, daß die Lichtbogenstromverbindung mit der Kathode ziemlich wünschenswert mit einem flexiblen Kabel 166 ausgeführt wird, das in dem Zylinderteil in der hinteren Kammer außerhalb der Teleskoprohre gelegen ist. Ein Ende des Kabels ist durch eine Schraube 168 an der hinteren Wand des Zylinders 80 angebracht, wobei der Hauptanschluß des Kathodenstromkabels 122 in den Zylinder zur leistungsmäßigen Verbindung geschraubt ist. Das andere Ende des flexiblen Kabels 166 ist durch eine zweite Schraube 170 an der hinteren Fläche des Kolbens angebracht, die elektrisch mit der Kathode verbunden ist. Da das Kabel aufgrund des vollständigen Eintauchens in die Flüssigkeit gut gekühlt ist, kann ein Kabel mit einem relativ niedrigen Querschnitt verwendet werden. Allgemein sollte das Kabel geflochten sein und zwischen 6 und 18 gauge (amerikanische Drahtnorm) haben; zum Beispiel sollte es 9 gauge zum Führen von 1000 Ampere haben. Ein solches Kabel ist ausreichend flexibel, um keine Bewegungsprobleme zu verursachen, die ein Kabel mit Normgröße verursachen wurde. Die Verwendung eines solchen Kabels eliminiert die Probleme, die sonst mit dem Leiten des Lichtbogenstroms an die Kathode über die beweglichen Teile einhergehen.
Für die Ausführungsform, die die hier beschriebene bevorzugte Plasmapistole verwendet, wird die Lage der Kathodenspitze 22 entsprechend einer vorbestimmten Spannung für den Lichtbogen ausgewählt. Die tatsächliche Spannung wird über die Anode und Kathode gemessen oder über die Lichtbogenleistungsversorgung 24 wie schematisch bei 172 gezeigt ist.
Es ist wünschenswert, zu Zwecken der Prozeßsteuerung eine konstante Spannung aufrechtzuerhalten. Diese Ergebnisse werden durch Bestimmung der Lichtbogenspannung und erneutes Positionieren des Kathodenteils, wie es notwendig ist, um eine gewünschte Spannung aufrechtzuerhalten, erzielt. Dies wird durch Bewegen des Kathodenteils nach hinten in bezug auf die Düse erreicht, wenn die tatsächliche Spannung niedrig ist, und nach vorne, wenn die Spannung hoch ist.
Vorzugsweise sind die Spulenventile 162, 164 elektrisch mit dem Spannung messenden System 172 über eine Steuereinheit 174 verbunden, welche in Abhängigkeit von der Spannungsmessung steht, so daß eine Änderung in der Lichtbogenspannung zu einem Betrieb der Ventile mit einer entsprechenden Anderung in der axialen Lage der Kathodenspitze 22 führt. Dies wird unmittelbar durch die Steuereinheit 174 mit einem herkömmlichen oder gewünschten Vergleichsschaltkreis erzielt, der eine Differenz zwischen der Lichtbogenspannung und einer vorbestimmten Spannung eines gewünschten Niveaus schafft. Wenn der Unterschied einen bestimmten Unterschiedswert überschreitet, wird ein elektronischer Relais-Schaltkreis geschlossen, um einen Einstellstrom zum Bewegen des Haltestabs nach vorne oder nach hinten auszusenden, je nach dem, ob die Spannungsdifferenz positiv oder negativ ist. Der einstellende Strom wird an die entsprechende Spule gesendet. Das Ergebnis wird eine kleine (nötigenfalls auch große) Kathodeneinstellung sein, sobald eine Spannungsänderung stattfindet, beispielsweise aufgrund von Erosion der Anodenund/oder Kathodenoberflächen.
Allgemein ist der längere, für Dauerzustandsbetrieb erzeugte Lichtbogen sehr schwierig, wenn nicht gar nahezu unmöglich durch Anwendung der herkömmlichen Hochfreguenzstarterspannung zu zünden. Daher kann mit der hier beschriebenen Ausführungsform das Kathodenteil anfänglich in seiner vorgeschobenen Position (gepunktete Linien bei 100) nahe der Anodendüse positioniert werden. Dies wird automatisch erzielt, wenn das Kühlwasser zunächst angedreht wird, und das Ventil 164 geöffnet wird (bei geschlossenem Ventil 162). Der gewünschte Betriebsgasfluß und die Lichtbogenspannungsguelle 24 werden angeschaltet, obwohl noch kein Strom fließen wird. Wenn dann eine Hochfrequenzstarterspannung 176 plötzlich in der normalen Weise (z.B. durch Schließen eines Schalters 178) angewendet wird, wird der Lichtbogen gestartet und Lichtbogenstrom wird fließen.
Wenn der Lichtbogen gestartet worden ist (und der Hochfrequenzschalter 178 geöffnet worden ist), dann wird die Kathode zu ihrer Betriebsposition zurückgezogen, die ungefähr in ihrer Lage in der Figur angedeutet ist, durch Schließen des Ventils 164 und Öffnen des Ventils 162. Diese Ventiländerungen können automatisch durch einen über die Steuereinheit in Verbindung stehenden Lichtbogenstromsensor ausgelöst werden. Wenn daher der Lichtbogen beginnt, wird das System feststellen, daß die Spannung zu niedrig ist (aufgrund des kurzen Lichtbogens) und wird automatisch den Ventilvorrichtungen signalisieren, die Kathode zu einer Betriebsposition entsprechend der voreingestellten Spannungsbedingung zurückzuziehen. Eine Computersteuerung des Betriebs ist jedoch wünschenswert.
Der Lichtbogenstrom kann entweder voreingestellt werden, so daß der Strom einen gewünschten Wert beim Starten einnimmt, oder kann anfänglich auf einen niedrigen Wert gesetzt werden und nach dem Starten auf herkömmliche Weise oder durch elektronische Abstimmung mit dem Spannungssignal nach oben gefahren werden.
Eine Pulverzuführung in das Plasma zum Spritzen kann, falls es gewünscht ist, auf herkömmliche Weise erzielt werden.
Die Vorrichtung nach der vorliegenden Erfindung wird allgemein unter Parametern betrieben, wie sie für herkömmliche Plasmapistolen gelten. Vorzugsweise wird die Spannung auf einem eingestellten Niveau zwischen 80 und 120 Volt aufrechterhalten, wobei die obere Grenze von den Eigenschaften der Leistungsversorgung abhängt. Der Strom kann bis zu 1.000 Ampere gehen, obwohl man achtgeben sollte, nicht einen Leistungspegel zu überschreiten, der von Faktoren wie dem Kühlmittelfluß abhängt, und der z.B. 80 kW ist. Die inneren Dimensionen sind ebenfalls herkömmlich, mit der Ausnahme, daß man sorgfältig sein muß, daß die Einschnürungen in den Flüssigkeitsdurchgängen geeignet sind, um einen Flüssigkeitszwischendruck wie oben beschrieben aufrechtzuerhalten, und zugleich eine gute Kühlung zu erzielen.
Andere Abwandlungen der vorliegenden Erfindung sind vorausempfunden. Zum Beispiel mag es wünschenswert sein, den Gasverteilerring bezüglich dem Kathodenteil zu fixieren, um die Gaseinführung an einem optimalen Punkt in bezug auf die Kathodenspitze zu halten, sogar wenn die Spitze bewegt wird. Daher übermittelt in einer weiteren Ausführungsform (nicht in den Zeichnungen gezeigt) die axiale Bewegung der Kathodenanordnung in der Pistole auch eine parallele Bewegung des Gasverteilerrings. Im Rahmen der hier beschriebenen Erfindung über eine einstellbar positionierte Kathode können andere Bauformen für eine Lichtbogenvorrichtung verwendet werden, z.B. eine übertragene Lichtbogenvorrichtung, wo ein Werkstück als Anode dient. Auch die Funktion der Kammern 108, 110 kann umgekehrt sein, d.h., daß die hintere Kammer die Steuerflüssigkeit aufnehmen kann.
Die Vorrichtung der vorliegenden Erfindung schafft eine vereinfachte Einstellung, da nur zwei Ventile benötigt werden. Die Bauteile sind relativ einfach und von geringem Gewicht, und das System ist insbesondere geeignet für eine Handspritzpistole geringen Gewichts oder eine Plasmaspritzpistole eines Ausziehtyps zum Eindringen in Öffnungen eines geringen Durchmessers. Aufgrund der Einfachheit und innewohnenden Kühlung des Mechanismus ist die Vorrichtung auch besondere geeignet für die Verwendung beim Niederdruckkammerspritzen.
Obwohl die Erfindung oben ausführlich in bezug auf die bevorzugte Ausführungsform beschrieben worden ist, fallen verschiedene Änderungen und Abwandlungen in den Bereich der zugehörigen Ansprüche, was dem Fachmann offenkundig sein mag. Die Erfindung wird daher nur durch die zugehörigen Ansprüche bestimmt.

Claims

1. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System mit einer Lichtbogenvorrichtung mit einem rohrförmigen Anodenteil (18) und einem stabförmigen Kathodenteil (20) in beabstandeter, koaxialer Beziehung zu dem Anodenteil (18), die zur Aufrechterhaltung eines Lichtbogens dazwischen betrieben werden können, mit einer Flüssigkeitsdurchgangsvorrichtung, die eine unter Druck stehende flüssige Kühlflüssigkeit zum Kühlen der Lichtbogenvorrichtung aufnehmen kann, mit einer Auslaßvorrichtung (118, 116) zum Auslassen der Kühlflüssigkeit bei einem Zwischendruck, und mit einer Kathodenpositioniervorrichtung zum Einstellen des relativen axialen Abstands zwischen dem Kathodenteil (20) und der Anode (18), wobei die Kathodenpositioniervorrichtung umfaßt:

ein geschlossenes Zylinderteil (80), das sich nach hinten von der Lichtbogenvorrichtung erstreckt, und

einen mit dem Kathodenteil (20) in fester Verbindung stehenden und verschiebbar in dem Zylinderteil (80) angeordneten Kolben (96), der darin eine erste Kammer (108) und eine zweite Kammer (110) abtrennt, wobei die erste Kammer (108) die Kühlflüssigkeit aus der Auslaßvorrichtung (118) aufnehmen kann und eine Ausgangsvorrichtung (120, 124) eines ausreichenden Widerstands hat, um den Zwischendruck der Kühlflüssigkeit in der ersten Kammer aufrechtzuerhalten,

gekennzeichnet durch

eine erste Ventilvorrichtung zum selektiven Einlassen von unter Druck stehender flüssiger Steuerflüssigkeit in die zweite Kammer (110), so daß der Kolben (96) gegen den Zwischendruck der Kühlflüssigkeit in der ersten Kammer (108) bewegt wird, und dadurch das Kathodenteil (20) in einer ersten Richtung in bezug auf die Anode (18) bewegt wird; und

eine zweite Ventilvorrichtung (164) zum selektiven Auslassen der Steuerflüssigkeit aus der zweiten Kammer (110), so daß der Zwischendruck der Kühlflüssigkeit in der ersten Kammer (108) den Kolben (96) gegen die austretende Steuerflüssigkeit in der zweiten Kammer (110) bewegt, und dadurch das Kathodenteil (20) axial in einer zweiten Richtung entgegen der ersten Richtung bewegt wird.

2. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System nach Anspruch 1, wobei die Flüssigkeitsdurchgangsvorrichtungen eine Kathodenkühlvorrichtung (126, 128, 130) mit einem in dem Zylinderteil (80) gelegenen Flüssigkeitseinlaß (131) und mit einem Auslaßdurchgang (152) zum Auslassen der Kühlflüssigkeit bei dem Zwischendruck in die erste Kammer (108) einschließen, und wobei die Kathodenpositioniervorrichtung weiter verlängerbare Leitungsvorrichtungen (144) umfaßt, die in dem Zylinderteil (80) angeordnet sind, und die die unter Druck stehende Kühlflüssigkeit zum Weiterleiten der unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit an dem Flüssigkeitseinlaß aufnehmen können.

3. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System nach Anspruch 2, wobei der Flüssigkeitseinlaß (131) in der Nähe des Kolbens (96) angeordnet ist, das Zylinderteil (80) an einem, der Lichtbogenvorrichtung gegenüberliegenden Ende durch eine Endwand (90) begrenzt ist, die einen Flüssigkeitsdurchgang (140) zur Aufnahme der unter Druck stehenden Kühlflüssigkeit hat, und wobei die verlängerbaren Leitungsvorrichtungen (144) eine zwischen dem Kolben (96) und der Endwand (90) angebrachte Teleskopleitung umfassen.

4. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System nach Anspruch 1, wobei die Kathodenpositioniervorrichtung weiter eine Spannungsbestimmungsvorrichtung (172) zum Messen einer Lichtbogenspannung zwischen dem Kathodenteil (20) und dem Anodenteil (18), und eine mit der Spannungsbestimmungsvorrichtung (172) in Verbindung stehende Steuervorrichtung (174) umfaßt, um selektiv die erste Ventilvorrichtung (162) und die zweite Ventilvorrichtung (164) zu steuern, um so den relativen Abstand zwischen dem Kathodenteil (20) und dem Anodenteil (18) einzustellen, und so eine vorbestimmte Lichtbogenspannung aufrechtzuerhalten.

5. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System nach Anspruch 1, wobei die Kathodenpositioniervorrichtung weiter ein flexibles elektrisches Kabel (166) umfaßt, das zwischen dem Kathodenteil (20) und einer Quelle für einen Lichtbogenstrom angeschlossen ist, und das in dem Zylinderteil (80) gelegen ist, um so durch die darin vorhandene Flüssigkeit gekühlt zu werden.

6. Ein einen Lichtbogen erzeugendes System nach Anspruch 1, wobei die zweite Kammer (110) auf der Seite des Kolbens (96) in der Nähe der Lichtbogenvorrichtung gelegen ist, so daß das Kathodenteil (20) zu dem Anodenteil (18) bewegt wird, wenn die zweite Ventilvorrichtung (164) die Steuerflüssigkeit aus der zweiten Kammer (110) ausläßt, und das Kathodenteil (20) von dem Anodenteil (18) wegbewegt wird, wenn die erste Ventilvorrichtung (162) unter Druck stehende Kontrollflüssigkeit in die zweite Kammer (110) einläßt.