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Die
vorliegende Erfindung bezieht sich auf eine Kathodeneinheit für ein Lichtbogen-Sprühgerät.
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Elektrische
Lichtbogen-Sprühgeräte werden in
verschiedenen Anwendungsbereichen eingesetzt, um Schutzüberzüge auf solche
Oberflächen
wie Metall, Keramik oder Verbundwerkstoffe aufzubringen. Eine Art
eines Lichtbogen-Sprühgerätes beinhaltet eine
Kathode und eine einschnürende
Düse, welche um
die Kathode herum angeordnet ist und Gas ausstößt. Im typischen Falle ist
die Kathode über
einen hochfrequenten und/oder niederfrequenten Spannungsgenerator
am negativen Pol einer Stromquelle angeschlossen und wird dazu eingesetzt,
einen elektrischen Lichtbogen zwischen der Kathode und der Düse auszulösen. Ein
mit hoher Geschwindigkeit fließender
Gasstrom wird in einen Spalt geleitet, der zwischen der Kathode
und der Düse
ausgebildet ist. Das Gas wird ionisiert und erhitzt, während es
durch diesen Spalt strömt,
und wird durch eine kleine Drosselöffnung in der Düse abgelassen.
Die Drosselöffnung richtet
das erhitzte Plasmagas auf die Spitze eines zugeführten Schweißdrahtes.
Der Plasmalichtbogen legt sich an den Metalldraht an oder wird darauf "transferiert", so daß der Draht
abgeschmolzen wird. Der mit hoher Geschwindigkeit fließende Plasmastrahl
zerstäubt
das geschmolzene Metall in feine Partikel, die einen Sprühstrahl
bilden, der auf eine Oberfläche
geleitet wird, welche beschichtet werden soll. Lichtbogen-Sprühgeräte werden
z. B. in der
Patentanmeldung
der Vereinigten Staaten von Amerika, Nr. 5,808,270 von
Marantz u. a. besprochen und beschrieben, auf die hiermit für weitere
Hintergrundinformation verwiesen wird.
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Die
in einem Lichtbogen-Sprühgerät verwendete
Kathode besteht in der Regel aus Wolfram oder einem anderen, dauerhaften,
thermoionisch emittierenden Werkstoff. Die Kathode ist in einen
Halter eingebaut, welcher aus einem anderen Werkstoff hergestellt
ist, z. B. aus Kupfer oder Messing. Insbesondere wird bei Geräten nach
dem bisherigen Stand der Technik die Kathode im typischen Fall durch
Verstemmen, Verpressen oder einen Hartlötvorgang im Halter fixiert.
Im Betrieb wird die Kathode auf extrem hohe Temperaturen erwärmt, und
der Halter trägt
zur Abführung
der Wärme
von der Kathode bei. Nach längerem
Einsatz kann die Kathode wegen der hohen Temperaturen und wegen
der begrenzten Wärmeableitung
durch den Kathodenhalter rissig werden. Außerdem kann die eingebaute
Kathode auch wegen den wiederholten Wärmezyklen (d. h. wiederholter
Wärmedehnung
und Zusammenziehen) verschoben werden oder aus dem Kathodenhalter
herausfallen und so den völligen
Ausfall an der Plasmaschweißpistole
verursachen. Diese extremen Bedingungen können auch die Erosion der Kathode
oder anderen Schaden verursachen. Daraus ergibt sich, daß die Lebensdauer
dieser bisherigen Kathoden im allgemeinen begrenzt ist, und daß diese
relativ oft ersetzt werden müssen,
womit die Herstellungskosten steigen und der Wirkungsgrad abnimmt.
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Die
vorliegende Erfindung sucht, eine Kathodeneinheit zu stellen, die
ausgelegt ist, eine sicherere Kathodenhalterung, eine verbesserte
Verwaltung des Wärmeübergangs
und geringere Kathodenerosion zu bieten, so daß die Lebensdauer der Kathode
gegenüber
bisherigen Kathodenkonstruktionen erhöht wird.
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Einem
ersten Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird eine Kathodeneinheit
für den
Einsatz in einem Lichtbogengerät
gestellt, welche Kathodeneinheit einen Kathodenhalter mit einem
Kathodenhalterungshohlraum umfaßt;
eine Kathode mit einem ersten Abschnitt mit einem ersten Durchmesser,
welcher innerhalb des besagten Kathodenhalterungshohlraumes angeordnet
ist, einem zweiten Abschnitt mit einem zweiten Durchmesser, der
sich von dem ersten Abschnitt aus erstreckt, und mit einem Schulterabschnitt,
wobei dieses Merkmal von der
GB 884970A vorweggenommen
wird; und ein Rückhalteglied,
welches lösbar
an besagtem Kathodenhalter befestigt ist, und welches eine erste Öffnung aufweist,
durch welche sich besagter zweiter Abschnitt der besagten Kathode
erstreckt, und eine erste Innenfläche, welche an besagtem Schulterabschnitt angreift
und derart wirkt, daß sie
besagte Kathode in besagtem Hohlraum festhält.
EP 0634777 A1 offenbart
ein dielektrisches Eingrenzungsglied für plasma-unterstütztes chemisches Ätzen, welches
als ein Kathodenhalteglied aufgefaßt werden kann.
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Die
bevorzugte Ausführungsform
der Erfindung bietet mehrere Vorteile. Erstens kann die Kathode
einen größeren Durchmesser
und eine größere Länge aufweisen,
so daß verbesserte
Wärmeübertragungseigenschaften,
elektrischer Kontakt und Ausdauer erzielt werden. Zweitens kommen
ein Verfahren zur formschlüssigen
Halterung und eine Kathodenkonstruktion zum Einsatz, die eine verbesserte
Verwaltung der Wärmeübertragung
und geringere Kathodenerosion als bisherige Kathodeneinheiten ergeben.
Drittens verhindert der Einsatz einer Kathodenrückhaltevorrichtung, daß die Kathode
aus dem Kathodenhalter herausfallen kann, und viertens kann die
Kathode relativ schnell und einfach ersetzt werden.
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Einem
zweiten Aspekt der vorliegenden Erfindung zufolge wird ein Verfahren
zur Halterung einer Kathode in einem Lichtbogen-Sprühgerät gestellt,
wobei besagtes Verfahren folgende Schritte umfaßt: Stellen eines Kathodenhalters
mit einem Hohlraum zur Halterung der besagten Kathode; Befestigung
des besagten Kathodenhalters an besagtem Lichtbogen-Sprühgerät; Ausbilden
eines Schulterabschnittes an besagter Kathode; Einbauen der besagten
Kathode in besagten Hohlraum derart, daß ein Spitzenabschnitt der
besagten Kathode aus besagtem Hohlraum herausragt; Stellen eines
im allgemeinen hohlen Rückhaltegliedes
mit einer ersten Öffnung;
und lösbares
Befestigen des besagten Rückhaltegliedes
an besagtem Kathodenhalter, derart wirkend, daß sich besagter Spitzenabschnitt
der besagten Kathode durch besagte Öffnung hindurch erstreckt,
und daß eine
erste Fläche
des besagten Rückhaltegliedes
an besagter Schulter angreift, so daß besagte Kathode innerhalb
des besagten Kathodenhalters zurückgehalten
wird.
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Die
Erfindung soll nun mit Bezug auf die beiliegenden Zeichnungen beispielartig
näher erläutert werden;
dabei zeigt:
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1:
eine perspektivische Ansicht einer die vorliegende Erfindung verkörpernden
Kathodeneinheit,
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2:
eine geschnittene Explosionsdarstellung der in 1 gezeigten
Kathodeneinheit, und
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3:
eine Schnittansicht der zusammengesetzten Kathodeneinheit aus 1.
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Es
sei nun Bezug genommen auf die 1–3,
wo eine Kathodeneinheit 10 dargestellt ist, welche für einen
Einsatz in einer (nicht dargestellten) Lichtbogen-Sprühpistole
ausgelegt ist. Es sei angemerkt, daß die Einheit 10 auch
in anderen Arten von thermischen Spritzpistolen oder Plasma-Anwendungen
eingesetzt werden kann, wie z. B. Plasma-Schneidbrenner, -Aushöhlbrenner
und -Schweißbrenner.
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Die
Kathodeneinheit 10 beinhaltet ein Kathodenglied 12,
welches innerhalb eines Kathodenhalters 14 angeordnet bzw.
festgehalten wird, und eine Kathodenhaltemutter, -Kappe oder -Glied 16,
welche(s) selektiv und über
ein Gewinde an dem Kathodenhalter 14 befestigt wird. Die
Kathodeneinheit 10 ist ausgelegt, in herkömmlicher
Art und Weise innerhalb einer Lichtbogen-Sprühpistole angeschlossen zu werden.
Insbesondere kann die Kathodeneinheit 10 in bekannter und
herkömmlicher
Weise in einen Teil einer Lichtbogen-Sprühpistole eingepreßt werden.
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Die
Kathode 12 ist aus einem dauerhaften, thermoionisch emittierenden
Werkstoff hergestellt, z. B. Wolfram. Die Kathode 12 ist
allgemein zylindrisch und umfaßt
einen ersten erweiterten oder Basisabschnitt 26 mit einem
Durchmesser 30, und einen engeren Spitzenabschnitt 28,
der sich von dem Abschnitt 26 aus erstreckt und einen Durchmesser 32 aufweist,
der kleiner als der Durchmesser 30 ist. In der bevorzugten
Ausführungsform
sind die Durchmesser 30 und 32 erheblich größer als
bisherige Kathodendurchmesser. In einer nicht einschränkenden Ausführungsform
liegen die Durchmesser 30 und 32 im Bereich zwischen
ca. 3/16'' (4,7 mm) und ca.
1/4'' (6,3 mm). Die Kathode 12 weist
einen Kathodenrückhalteabsatz
oder -Schulter 33 auf, der (die) in der bevorzugten Ausführungsform
der Erfindung an dem Übergang
zwischen den Abschnitten 26 und 28 einteilig mit
der Kathode 12 ausgebildet ist. In anderen alternativen
Ausführungsformen
kann der Ringabsatz 33 eine andere Form aufweisen und/oder
an anderen Abschnitten oder Außenflächen der
Kathode 12 angeformt sein. Der "untere" Teil des Abschnittes 26 beinhaltet
einen konischen bzw. verjüngten
Rand 34, der ein leichtes Einsetzen der Kathode in den Hohlraum 36 ermöglicht.
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Der
Kathodenhalter 14 weist einen ersten allgemein zylindrischen
Hohlraum oder Kanal 36 auf, der im "oberen" Abschnitt 38 des Halters 14 ausgebildet
ist und die Kathode 12 aufnimmt. Der Hohlraum 36 hat
einen Durchmesser 40, welcher im wesentlichen gleich dem
Durchmesser 30 ist, so daß dadurch der Abschnitt 26 straff
passend im Hohlraum 36 eingesetzt werden kann. Der Kathodenhalter 14 ist
vorzugsweise aus einem wärmeableitenden
Material wie z. B. Messing oder Kupfer hergestellt, das die Ableitung
der von der Kathode 12 erzeugten Wärme an andere, von der Kathode 12 entfernte
Teile der Pistole erlaubt. Der obere Abschnitt 38 des Halters 14 weist
eine mit einem Gewinde versehene Außenfläche 60 auf, welche
ausgelegt ist, mit dem an der Innenfläche des Rückhaltegliedes oder Überwurfmutter 16 ausgebildeten
Gewinde 62 in Eingriff zu treten.
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Der
Kathodenhalter 14 weist außerdem einen zweiten allgemein
zylindrischen Hohlraum oder Kanal 42 auf, der in dem "unteren" Abschnitt 44 des Kathodenhalters 14 ausgebildet
ist und von der Sprühpistole
selektiv einen Plasmagasstrahl unter Druck erhält. Mehrere im wesentlichen
identische ovale Öffnungen 22 sind
durch den unteren Abschnitt 44 hindurch geformt und stehen
in Strömungsverbindung
mit dem Ende des Hohlraumes 42. Die Öffnungen 22 erlauben
den Ausstoß von
Plasmagas in einem engen Wirbelstrom, der von einer (nicht dargestellten)
einschnürenden
Düse abgestrahlt
wird. Die Außenfläche des
unteren Teils 44 weist eine ringförmige Aussparung 46 und
ein kegeliges Ende 18 auf. Wenn die Kathodeneinheit 10 in
einer Lichtbogen-Sprühpistole
eingebaut wird, kann der untere Abschnitt 44 mit Preßsitz in
einen Teil der Pistole eingesetzt werden, und ein (nicht dargestellter)
O-Ring kann in der Aussparung 46 angeordnet werden, um so
eine Abdichtung zwischen dem Kathodenhalter 14 und der
Pistole zu bilden.
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Die
Kathoden-Überwurfmutter
bzw. das Kathoden-Rückhalteglied 16 ist
allgemein zylindrisch und hohl. Das Glied 16 ist aus einem
wärmeleitenden Material
mit relativ niedrigem Wärmedehnungskoeffizienten
hergestellt, und in der bevorzugten Ausführungsform der Erfindung besteht
das Glied 16 aus Stahl. Glied 16 weist ein Gewinde 62 auf,
das an seiner Innenfläche 64 ausgebildet
ist und in das Gewinde 60 paßt, so daß das Glied 16 fest
am oberen Abschnitt 38 des Kathodenhalters 14 befestigt
werden kann. Ebenso ist die Außenfläche 66 des
Gliedes 16 in der bevorzugten Ausführungsform sechseckig, so daß der Kathodenhalter 14 unter
Einsatz eines herkömmlichen
Schraubenschlüssels
abgenommen werden kann. Alternativ dazu ist es auch möglich, daß die Außenfläche 66 andere
Formen oder Merkmale aufweist, welche unter Einsatz eines geeigneten
Werkzeuges oder einer geeigneten Vorrichtung ein leichtes Abbauen
und Anbringen der Mutter von bzw. an dem Halter 14 ermöglichen.
Des weiteren können
die Gewinde 60 et 62 auch durch andere Befestigungsmerkmale
oder -Vorrichtungen ersetzt werden, welche ein sicheres und lösbares Fixieren
des Gliedes 16 am Kathodenhalter 14 ermöglichen.
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Das
Rückhalteglied 16 beinhaltet
des weiteren einen allgemein kreisförmigen oberen Kanal bzw. obere Öffnung 68.
Die Öffnung 68 hat
einen Durchmesser, der im wesentlichen gleich dem Durchmesser 32 des
Spitzenteils 28 der Kathode 12 ist. Auf diese
Weise reicht die Spitze 28, wenn das Glied 16 am Kathodenhalter 14 befestigt
ist, durch die Öffnung 68 hindurch,
und die ringförmige
Außenfläche der
Spitze 28 kommt an der die Öffnung 68 bildenden
Fläche 72 zur
Anlage. Weiterhin liegt, wenn das Glied 16 am Kathodenhalter 14 befestigt
ist, die "obere" Innenfläche 65 des
Gliedes 16 an der Schulter 33 an, wie es am besten
in 3 dargestellt ist, so daß verhindert wird, daß die Kathode 12 aus
dem Kathodenhalter 14 herausgedrückt wird. Es sei angemerkt,
daß in
alternativen Ausführungsformen
die Kathode 12 und/oder der Rückhaltebund bzw. die Schulter 33 auch
anders gestaltet oder konstruiert sein können.
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Im
Betrieb wird die Kathode 12 in den Hohlraum 36 eingesetzt,
und das Rückhalteglied 16 wird fest
auf den Kathodenhalter 14 geschraubt. Beim Betrieb der
Sprühpistole
werden die extrem großen Mengen
Wärme,
die an der Kathode 12 erzeugt werden, effizient von der
Kathode 12 über
den Halter 14 und über
das Rückhalteglied 16 abgeführt. Wärme wird über mehrere
verschiedene Oberflächen
von der Kathode 12 abgeleitet. Insbesondere wird Wärme am Übergang 76 von
der Schulter 33 der Kathode 12 aus an die Fläche 65 des
Gliedes 16 abgeführt, am Übergang 74 von
der Außenfläche der
Kathodenspitze 28 an die Innenfläche 72 des Gliedes 16,
am Übergang 78 von
der Außenfläche des
Kathodenabschnittes 26 an den Kathodenhalter 14,
und am Übergang 80 von
der Bodenfläche
des Kathodenabschnittes 26 an den Kathodenhalter 14.
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Da
das Glied 16 und der Kathodenhalter 14 aus verschiedenen
Werkstoffen hergestellt sind, und der Werkstoff des Gliedes 16 einen
niedrigeren Wärmedehnungskoeffizienten
als der Halter 14 hat, kommt es auch nach wiederholten thermischen
Zyklen nicht zum Lockern des Gliedes 16. Des weiteren stellt
der Eingriff zwischen der Schulter 33 und der Fläche 65 des
Gliedes 16 einen formschlüssigen Rückhaltemechanismus; der ein
Herausfallen der Kathode 12 aus dem Halter 14 im
wesentlichen verhindert. Der Gewindeeingriff des Rückhaltegliedes und
des Halters 14 ermöglicht
einen relativ einfachen und schnellen Austausch der Kathode 12.
Die Kathodeneinheit 10 bietet außerdem im Vergleich zu bisherigen
Konstruktionen eine größere Kontaktfläche, über welche
Wärme aus
der Kathode 12 abgeleitet werden kann. D. h. das Kathodenrückhalteglied 16 bietet
zwei zusätzliche
wärmeableitende Übergangsstellen 74, 76,
von welchen aus Wärme
von der Kathode 12 abgeführt werden kann. Diese Merkmale
ermöglichen
auch eine wünschenswerte
Reduzierung des Gesamtdurchmessers, der Gesamtlänge und -Größe der Kathode 12,
womit die Wärmeverarbeitungscharakteristik
der Kathodeneinheit 10 verbessert und die Lebensdauer der
Kathode 12 erhöht wird.
Das Rückhalteglied 14 zum
Beispiel erlaubt der Kathodenspitze 28, über eine
erhebliche Länge
nach außen über den
Kathodenhalter 14 hinaus zu ragen, und schafft zwei zusätzliche
Flächen, über welche Wärme von
der Kathode 12 abgeführt
werden kann. Die Kathodeneinheit 10 senkt auch die Produktionsausfallzeit
und erhöht
die Produktionsleistung dank der erhöhten Lebensdauer der Kathode
und der Möglichkeit
eines schnellen Austausches der Kathode 12.
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Im
einzelnen ist die Erfindung in den anhängenden Patentansprüchen definiert.