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BEREICH DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung betrifft Plasma-Lichtbogenbrenner und spezieller
ein Verfahren zum Herstellen einer Elektrode zum Erhalten eines elektrischen
Lichtbogens in einem Plasma-Lichtbogenbrenner.
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HINTERGRUND DER ERFINDUNG
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Plasma-Lichtbogenbrenner
werden weithin zum Bearbeiten von Metallen einschließlich Schneiden,
Schweißen,
Oberflächenbehandlung,
Schmelzen und Glühen
eingesetzt. Solche Brenner weisen eine Elektrode auf die einen Lichtbogen
erhält,
der im Plasmaschweißbetriebsmodus
von der Elektrode zum Werkstück
verläuft.
Es ist auch üblich,
dass der Lichtbogen von einem rotierenden Gaswirbelstrom umgeben
wird und in einigen Brennerdesigns ist es üblich, dass auch das Gas und
der Lichtbogen von einem wirbelnden Wasserstrahl umgeben werden.
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Die
in herkömmlichen
Brennern des beschriebenen Typs verwendete Elektrode umfasst typischerweise
ein längliches
röhrenförmiges Element aus
einem Material mit hoher Wärmeleitfähigkeit
wie Kupfer oder einer Kupferlegierung. Eine konventionelle Kupferlegierung
enthält
0,5% Tellur (Tellur hat eine Schmelztemperatur von 449,5°C (841°F)), die sich
besser bearbeiten lässt
als reines Kupfer. Das vordere oder Austrittsende der röhrenförmigen Elektrode, „Halter" genannt, hat eine
untere Endwand mit einem darin eingebetteten emittierenden Element, das
den Lichtbogen erhält.
Das emittierende Element besteht aus einem Material mit einer relativ
geringen Austrittsarbeit, was in der Technik als Potentialschritt definiert
wird, gemessen in Elektronenvolt (eV), der eine thermoionische Emission
von der Oberfläche
eines Metalls bei einer bestimmten Temperatur zulässt. Angesichts
dieser geringen Austrittsarbeit kann das Element somit leicht Elektronen
emittieren, wenn ein elektrisches Potential daran angelegt wird,
und üblicherweise
eingesetzte Emissionsmaterialien sind z. B. Hafnium, Zirconium,
Wolfram und deren Legierungen.
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Einige
Elektroden haben ein relativ nicht emittierendes Element oder einen „Separator", der um das emittierende
Element herum angeordnet ist und die Aufgabe hat zu verhindern,
dass der Lichtbogen von dem emittierenden Element zum Kupferhalter
wandert. Diese nicht emittierenden Elemente sind im
US-Patent
Nr. 5023425 von Severance erörtert. Die Wärmeleitfähigkeit
von Elektroden ist zum Abführen
von vom Lichtbogen erzeugter Wärme
zum Erhöhen
der Nutzungsdauer der Elektrode wichtig. Somit wird auch bevorzugt,
dass das nicht emittierende Element aus einem sehr wärmeleitfähigen Material
wie Silber oder Silberlegierungen gebildet ist.
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Viele
konventionelle Elektroden werden durch Einpressen des emittierenden
Einsatzes in den metallischen Halter oder durch Einpressen des emittierenden
Einsatzes in das nicht emittierende Element zusammengefügt, das
dann in den metallischen Halter gepresst wird. Die Grenzflächen zwischen
dem eingepressten emittierenden Element, dem nicht emittierenden
Element und dem Halter können
die Wärmeleitfähigkeit
der zusammengefügten
Elektrode negativ beeinflussen, da eine Wärmeleitfähigkeits-„Stufe" an der Grenzfläche von
aneinander angrenzenden Teilen entsteht. Dies gilt besonders dann,
wenn die aneinander angrenzenden Flächen nicht sehr eng zusammenpassen.
Ein Beispiel für
eine presseingepasste Elektrodenbaugruppe ist in der
US 6114650 offenbart. Zuweilen wird
mit Hartlöten
eine ausreichende thermische und elektrische Leitung gewährleistet.
Ein Beispiel für
eine gelötete Elektrodenbaugruppe
ist in der
US 5097111 offenbart,
die als der nächstliegende
Stand der Technik der Erfindung angesehen wird. Die Verwendung von Lötmaterialien
fügt jedoch
zusätzliche
Schritte zur Herstellung einer Elektrode hinzu und Lötmaterialien haben
gewöhnlich
einen niedrigen Schmelzpunkt, was nachteilig ist, wenn versucht
wird, sie auf das emittierende Element zu bonden, wie nachfolgend erörtert wird.
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Um
die Wärmeleitung über die
Grenzflächen des
emittierenden Elementes, des nicht emittierenden Elementes und des
Halters zu unterstützen,
hat die Zessionarin der vorliegenden Erfindung eine Diffusionsbondtechnik
entwickelt, die in der mitanhängigen
Anmeldung mit der Seriennummer 09/773847 („die Anmeldung '847) mit dem Titel „Elektrode
Diffusion Bonding” (veröffentlicht
als
US 2002139788 )
beschrieben wird. In der mitanhängigen
Anmeldung '847 wird
ein Erhitzungsschritt nach der Montage beschrieben, in dem eine
Diffusionsbindung zwischen dem nicht emittierenden Element und dem
metallischen Halter erzeugt wird. Die Diffusionsbindung erweicht
oder glättet
die thermische Grenzfläche
zwischen den beiden Materialien und erhöht dadurch die Haftfestigkeit
dazwischen. Infolgedessen hat die Elektrode eine längere Nutzungsdauer.
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In
der mitanhängigen
Patentanmeldung Nr. 09/871071 („die Anmeldung '071), die als
US 6433300 veröffentlicht
wurde, hat die Zessionarin der vorliegenden Erfindung entdeckt,
dass es zuweilen auch wünschenswert
ist, die Bindung zwischen dem emittierenden Element und dem nicht
emittierenden Element durch Erhitzen zu verbessern. Der Erhitzungsschritt
nach der Montage in der mitanhängigen Anmeldung '847 ist besonders
zum Verbessern der Bindung zwischen Materialien wie Silber (im Falle des
nicht emittierenden Elementes) und Kupfer (im Falle des Halters)
vorteilhaft, aber die relativ hohe Temperaturbeständigkeit
des emittierenden Elementes (gewöhnlich
Hafnium) kann eine Zerstörung
der Bindung zwischen dem nicht emittierenden Element und dem Halter
verursachen, wenn eine Wärmebehandlung
des emittierenden Elementes versucht wurde. Wie in der Anmeldung '071 dargelegt ist,
wird ein zweistufiger Montage- und Erhitzungsprozess vorgesehen,
bei dem starke Bindungen zwischen dem emittierenden Element und
dem nicht emittierenden Element sowie zwischen dem nicht emittierenden
Element und dem metallischen Halter gebildet werden.
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Insbesondere
wird ein emittierendes Element, z. B. aus Hafnium, in einem nicht
emittierenden Element, z. B. aus Silber, positioniert und auf eine Temperatur
zwischen etwa 926°C
(1700°F)
und 982°C
(1800°F)
erhitzt, so dass eine intermetallische Verbindung zwischen dem Hafnium
und dem Silber entsteht, was eine starke und leitende Bindung ergibt.
Danach werden das emittierende Element und das nicht emittierende
Element an einen Halter, z. B. aus Kupfer, mittels eines Erhitzungsschrittes
gebunden, der eine eutektische Legierung zwischen dem Kupferhalter
und dem Silberelement bildet. Dieser Erhitzungsschritt erfolgt gewöhnlich zwischen
etwa 760°C
(1800°F)
und 788°C
(1450°F).
Insbesondere wird, wenn Kupfer und Silber zusammen erhitzt werden,
ein eutektischer Schmelzpunkt (der niedriger ist als der Schmelzpunkt
von reinem Silber und reinem Kupfer) bei etwa 778°C (1432°F) erzielt.
Dieser zweite Erhitzungsprozess ergibt eine starke und leitende thermische
Bindung zwischen dem Halter und dem nicht emittierenden Element,
so dass die resultierende Elektrode Wärmebindungen zwischen dem emittierenden
Hafniumelement und dem nicht emittierenden Silberelement sowie zwischen
dem nicht emittierenden Silberelement und dem Kupferhalter aufweist.
Eine solche Anordnung erhöht
die Wärmeleitfähigkeit
der Elektrode durch Bonden der Basismaterialien der Komponenten
stark, so dass Wärme
leicht von dem lichtbogenemittierenden Element abgeführt werden
kann, was die Nutzungsdauer der Elektrode erhöht.
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Bei
dem Verfahren der Anmeldung '071
werden jedoch die Erhitzungsschritte zum Bilden von Wärmebindungen
zwischen dem emittierenden Element und dem nicht emittierenden Element
sowie zwischen dem nicht emittierenden Element und dem Halter separat
durchgeführt.
Mit anderen Worten, der relativ niedrige eutektische Schmelzpunkt
zwischen einem Silberelement und einem Kupferelement verhindert
eine Erhitzung auf eine viel höhere
Temperatur, als zum Bilden von Wärmebindungen
zwischen dem emittierenden Element und dem nicht emittierenden Element
nötig ist.
Die zwischen dem Silberelement und dem Kupferhalter gebildete eutektische Legierung
schmilzt weg oder verdunstet, wenn sie auf eine geeignete Hafnium/Silber-Bondtemperatur erhöht wird,
so dass Hohlstellen zwischen den beiden Elementen verbleiben und
eine adäquate
Wärmeleitung
verhindert wird.
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Zusätzlich tritt
die eutektische Reaktion, die zwischen Silber und Kupfer stattfindet,
bei der eutektischen Temperatur sehr rasch auf. Wenn also der Erhitzungsprozess
die eutektische Temperatur selbst für eine kurze Zeitperiode übersteigt,
dann können sich
das Silber und das Kupfer schnell vermischen und die anderen vorteilhaften
Eigenschaften dieser Materialien zerstören, wie z. B. die Nicht-Emissivität von Silber.
Auf einer kommerziellen Produktionsbasis lassen sich die engen Temperaturtoleranzen
nur schwer erzielen und eine einheitliche Herstellung ist eine herausfordernde
Aufgabe.
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So
verursachen separate Erhitzungsschritte, wie in einer Ausgestaltung
der Erfindung der Anmeldung '071,
Kosten und Verzögerungen
in der Herstellung, die man am besten vermeidet. Zusätzlich lässt sich
die eutektische Kupfer/Silber-Reaktion auf einem kommerziellen Maßstab nur
schwer regulieren. Daher besteht in der Industrie Bedarf an einer
Elektrode des oben erörterten
allgemeinen Typs, bei dem nur ein Erhitzungsschritt zum Erzeugen
einer Wärmebindung
zwischen dem nicht emittierenden Element und dem Halter und, bei
Bedarf, zwischen dem emittierenden Element und dem nicht emittierenden Element
benötigt
wird. Zusätzlich
besteht Bedarf an einem Verfahren zur kommerziellen Herstellung,
das eine Wärmebindung
zwischen dem nicht emittierenden Separator und dem Halter aufnimmt.
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ZUSAMMENFASSUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung löst
diese und andere Aufgaben durch den Einsatz eines dritten Metalls
wie z. B. Nickel an der Grenzfläche
zwischen dem Kupferhalter und dem nicht emittierenden Silberelement.
In einer besonderen Ausgestaltung wird der Kupfer des Halters mit
Nickel legiert, so dass die eutektische Reaktion zwischen dem Silber
und dem Kupfer gedämpft
wird. Das Nickel bewirkt eine Abbremsung der eutektischen Reaktion,
so dass eine Wärmebindung
zwischen dem Halter und dem nicht emittierenden Element bei einer
höheren
als der eutektischen Temperatur von reinem Silber und reinem Kupfer
entstehen kann. Diese Bindung kann über einen größeren Temperaturbereich
und in einem Erhitzungsschritt bei einer höheren Temperatur gebildet werden,
der auch zum Bilden einer Wärmebindung zwischen
dem emittierenden Hafniumelement und dem nicht emittierenden Silberelement
verwendet werden kann. Infolgedessen können Elektroden gemäß der vorliegenden
Erfindung vorteilhafterweise mit einer Bindung sowohl zwischen dem
nicht emittierenden Element und dem Halter als auch zwischen dem
emittierenden Element und dem nicht emittierenden Element in nur
einem einzigen Erhitzungszyklus gebildet werden.
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Das
dritte Metall kann in dem metallischen Halter und/oder auch in dem
Metall des nicht emittierenden Elementes legiert werden. Eine bevorzugte Zusammensetzung
ist etwa 10 Gew.-% Nickel des metallischen Halters, der Rest umfasst
Kupfer. Es ist jedoch nicht notwendig, das dritte Metall zu legieren, und
eine der angrenzenden Komponenten kann stattdessen plattiert werden.
Zusätzlich
kann das dritte Modell in Pulverform zwischen dem nicht emittierenden
Element und dem Halter oder als eine dünne Hülse vorliegen, die das nicht
emittierende Element umgibt und das nicht emittierende Element von
dem Halter trennt. Ferner ist es nicht nötig, dass das dritte Metall
Nickel umfasst und es kann wenigstens ein Element aus der Gruppe
bestehend aus Zink, Eisen, Kobalt und Chrom umfassen. Das erste
Mittel kann auch Sterlingsilber umfassen.
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So
stellt die vorliegende Erfindung Elektroden und Verfahren zur Herstellung
von Elektroden mit stärkeren
Bindungen zwischen deren Elementen bereit, so dass Festigkeit und
Nutzungsdauer der Elektroden verbessert werden. Insbesondere können diese
Elektroden kostenarm und relativ schnell mit nur einem einzigen
Erhitzungsschritt produziert werden. Ferner können mit den erfindungsgemäßen Elektrodenherstellungsverfahren
Elektroden erhalten werden, die keine Lötmaterialien zwischen dem emittierenden
Element, dem nicht emittierenden Element oder dem metallischen Halter
brauchen.
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KURZBESCHREIBUNG DER ZEICHNUNGEN
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Nachdem
die Erfindung allgemein umrissen wurde, wird nunmehr auf die Begleitzeichnungen
Bezug genommen, die nicht unbedingt maßstabsgetreu sind. Dabei zeigt:
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1 eine
Seitenansicht eines Plasma-Lichtbogenbrenners im Schnitt, der die
Merkmale der vorliegenden Erfindung ausgestaltet;
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2 eine
vergrößerte Perspektivansicht
einer Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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3 eine
vergrößerte Schnittansicht
einer Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung;
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4 einen
Erhitzungsschritt eines bevorzugten Verfahrens zum Herstellen der
Elektrode gemäß der Erfindung;
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5 ein
stark vergrößertes Foto
der Elektrode der vorliegenden Erfindung im Schnitt entlang der
Linie 5-5 von 3 gesehen;
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6 ein
stark vergrößertes Foto
der Elektrode der vorliegenden Erfindung im Schnitt entlang der
Linie 6-6 von 3 gesehen;
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7 eine
alternative Ausgestaltung der Erfindung;
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8 eine
andere alternative Ausgestaltung der Erfindung; und
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9 noch
eine weitere alternative Ausgestaltung der Erfindung.
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AUSFÜHRLICHE BESCHREIBUNG DER ERFINDUNG
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Die
vorliegende Erfindung wird nun nachfolgend mit Bezug auf die Begleitzeichnungen
ausführlicher
beschrieben, in denen bevorzugte Ausgestaltungen der Erfindung dargestellt
sind. Die vorliegende Erfindung kann jedoch auch in vielen anderen
Formen ausgestaltet werden und ist nicht als auf die hierin dargelegten
Ausgestaltungen begrenzt anzusehen; stattdessen werden diese Ausgestaltungen gegeben,
um die Offenbarung tief greifend und vollständig zu machen und den Umfang
der Erfindung gemäß Definition
in den Ansprüchen
der Fachperson umfassend zu vermitteln. Gleiche Bezugsziffern beziehen
sich überall
auf gleiche Elemente.
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AUFBAU DER ELEKTRODE
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Die 1–3 zeigen
einen Plasma-Lichtbogenbrenner 10, der die Merkmale der
vorliegenden Erfindung ausgestaltet. Der Brenner 10 beinhaltet eine
Düsenbaugruppe 12 und
eine röhrenförmige Elektrode 14.
Die Elektrode 14 besteht vorzugsweise aus Kupfer oder einer
Kupferlegierung wie oben erörtert
und setzt sich aus einem oberen röhrenförmigen Element 15 und
einem unteren becherförmigen
Element oder Halter 16 zusammen. Das obere röhrenförmige Element 15 hat
einen länglichen,
offenen, röhrenförmigen Aufbau
und definiert die Längsachse des
Brenners 10. Das obere röhrenförmige Element 15 hat
einen unteren Endabschnitt 17 mit Innengewinde. Der Halter 16 ist
am hinteren Ende 19 offen, so dass der Halter eine becherförmige Konfiguration hat
und einen internen Hohlraum 22 definiert. Ein allgemein
zylindrischer Hohlraum ist im vorderen Ende des Halters 16 ausgebildet.
In dem zylindrischen Hohlraum ist ein relativ nicht emittierendes
Element 32 koaxial entlang der Längsache angeordnet.
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Ein
emittierendes/r Element oder Einsatz 28 ist in dem nicht
emittierenden Element 32 koaxial entlang der Längsachse
angeordnet. Spezieller, das emittierende Element 28 und
das nicht emittierende Element 32 bilden eine Baugruppe,
in der das emittierende Element an dem nicht emittierenden Element
befestigt ist. Eine intermetallische Verbindung, die durch Erhitzen
des emittierenden Elementes und des Separators erzielt wird, kann
dazwischen wie nachfolgend ausführlicher
erörtert
positioniert werden. Das emittierende Element 28 besteht
aus einem metallischen Material mit einer relativ geringen Austrittsarbeit,
z. B. in einem Bereich von etwa 2,7 bis 4,2 eV, so dass es nach
dem Anlegen eines elektrischen Potentials Elektronen darin leicht
emittieren kann. Geeignete Beispiele für solche Materialien sind Hafnium,
Zirconium, Wolfram und Gemische davon.
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Das
relativ nicht emittierende Element 32 besteht aus einem
metallischen Material mit einer Austrittsarbeit, die gemäß Werten
im Smithells Metal Reference Book, 6. Ausgabe, höher ist als die des Materials
des Halters 16. Spezieller, es wird bevorzugt, dass das
nicht emittierende Element 32 aus einem metallischen Material
mit einer Austrittsarbeit von wenigstens etwa 4,3 eV besteht. Das
nicht emittierende Element 32 umfasst Silber. Das gewählte Material
für den
Separator 32 sollte eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Oxidationsbeständigkeit,
einen hohen Schmelzpunkt, eine hohe Austrittsarbeit und geringe Kosten
haben. Es ist zwar schwierig, alle diese Eigenschaften in einem
Material zu maximieren, aber Silber wird aufgrund seiner hohen Wärmeleitfähigkeit bevorzugt.
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So
besteht beispielsweise in einer besonderen Ausgestaltung der vorliegenden
Erfindung das nicht emittierende Element 32 aus einem Silberlegierungsmaterial,
das Silber umfasst, das mit etwa 0,25 bis 10 Prozent eines zusätzlichen
Materials legiert ist, das ausgewählt ist aus der Gruppe bestehend
aus Kupfer, Aluminium, Eisen, Blei, Zink und Legierungen davon.
Das zusätzliche
Material kann in einer Elementar- oder
in Oxidform vorliegen, und daher bezieht sich der hierin verwendete
Begriff „Kupfer" auf die Elementarform
wie auch auf die Oxidform, das gleiche gilt für die Begriffe „Aluminium" und dergleichen.
Sterlingsilber ist ein besonders bevorzugtes Material (mit einem
Schmelzpunkt von etwa 1640°F), weil
es eine „plastische
Stufe" während der
Erhitzung hat, die eine Bindung mit einem emittierenden Hafniumelement 28 fördern kann.
Außerdem
wird das nicht emittierende Element 32 entweder aus einem massiven
Rohling gearbeitet oder aus komprimiertem Pulver wie z. B. einem
Silber/Nickel-Gemisch geformt.
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Wie
in 4 gezeigt, wird ein allgemein zylindrischer Rohling 94 aus
Kupfer oder, in einer bevorzugten Ausgestaltung, einer Kupferlegierung
mit einer darin ausgebildeten allgemein zylindrischen Bohrung bereitgestellt,
z. B. durch Bohren in die Frontfläche entlang der Längsachse,
um den oben beschriebenen Hohlraum zu bilden. Das emittierende Element 28 und
das nicht emittierende Element 32 können dann zu dem Halterrohling 94 zusammengefügt werden.
Es ist nötig,
dass diese Komponenten in der in 4 gezeigten
Konfiguration in einer bestimmten Reihenfolge zusammengefügt werden,
und das nicht emittierende Element 32 und das emittierende
Element 28 können
beispielsweise zuerst zusammengefügt und dann zusammen in den
Rohling 94 gesteckt werden. Alternativ kann das nicht emittierende
Element 32 zuerst im Rohling 94 platziert und dann
das emittierende Element 28 in das nicht emittierende Element
gesteckt werden. Es ist auch nicht notwendig, dass der Innen- und
der Außendurchmesser
so gebildet werden, dass eine Presspassung erzielt wird, obwohl
eine solche Presspassung bei der nachfolgenden Wärmebehandlung (wie nachfolgend
erörtert)
vorteilhaft sein kann, um ein versehentliches Auseinanderfallen
der verschiedenen Komponenten zu vermeiden.
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Das
Kupfer, das herkömmlicherweise
in Haltern 16 dieses Typs verwendet wird, ist in einer
Ausgestaltung der vorliegenden Erfindung vorzugsweise mit Nickel
legiert. Die in der Kupferlegierung eingesetzte Nickelmenge kann
zwar variiert werden, aber es wurde festgestellt, dass Nickel, das
in dem Halter auf wenigstens etwa 5 Gew.-% legiert wird, eine bevorzugte
Zusammensetzung ist. Etwa 10 Gew.-% ist eine besonders bevorzugte
Zusammensetzung (CDA706) und hat einen Schmelzpunkt von etwa 1149°C (2100°F). Es können jedoch
auch andere Zusammensetzungen einschließlich 20%, 30% und sogar 60%
(MoneTM) verwendet werden. Es könnten auch
Legierungen, die als „Nickel-Silber" bekannt sind, zum
Einsatz kommen (diese Materialien sind am häufigsten Kupfer/Nickel/Zink-Legierungen,
die kein Silber enthalten). Es könnten
auch andere Elemente wie Eisen und Aluminium zu Kupfer/Nickel-Legierungen
gegeben werden. Außerdem
können
Elemente wie Eisen, Kobalt oder Chrom anstelle des Nickels verwendet
werden, um denselben Effekt wie nachfolgend erörtert zu erzielen.
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Nach
dem Zusammenfügen
werden die Komponenten einem Erhitzungszyklus unterzogen, in dem
der zylindrische Rohling 94, das nicht emittierende Element 32 und
das emittierende Element 28 erhitzt werden und der bessere
Eigenschaften und eine längere
Nutzungsdauer der Elektrode erbringt. Der Erhitzungsvorgang könnte auch
nach weiteren maschinellen Bearbeitungsschritten an dem zylindrischen
Rohling 94 wie nachfolgend erörtert erfolgen. Der genaue
Erhitzungsprozess ist von dem im emittierenden Material 28 verwendeten
Material, dem in dem nicht emittierenden Element 32 benutzten
Material und dem für
den Halter 16 benutzten Material abhängig. Eine Induktionswärmeeinheit
oder ein herkömmlicher
Ofen können
zum Ausführen
des Erhitzungsvorgangs verwendet werden, und eine inerte Atmosphäre, z. B.
Stickstoff, kann beim Erhitzen verwendet werden.
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Reines
Silber hat zwar einen Schmelzpunkt von 960°C (1761°F) und reines Kupfer einen Schmelzpunkt
von 1084°C
(1984°F),
aber wenn die beiden Materialien zusammen erhitzt werden, dann findet
eine eutektische Reaktion statt, die bewirkt, dass eine flüssige Legierung
bei etwa 778°C (1432°F) entsteht.
Diese Reaktion kann sehr schnell erfolgen und wenn diese Temperatur überschritten wird,
dann laufen Kupfer und Silber leicht ineinander, was die eutektische
Reaktion noch verstärkt
und eine vermischte Flüssigphase
erzeugt. Dieses Vermischen kann zu einer verringerten Elektrodenleistung führen, weil
die nicht emittierenden Eigenschaften des Silbers verloren gehen.
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Die
Erfinder haben entdeckt, dass, wenn Nickel mit dem Kupfer legiert
wird, die eutektische Reaktion gedämpft wird und weitaus höhere Erhitzungstemperaturen
erzielt werden können.
Ein Querschnittsfoto der resultierenden Struktur ist in 5 zu sehen.
In dieser Ausgestaltung ist der Halter 16 aus einer Kupferlegierung
mit 10 Gew.-% Nickel darin gebildet. Reines Nickel hat einen Schmelzpunkt
von etwa 1455°C
(2651°F).
Das nicht emittierende Element 32 wird aus Sterlingsilber
gebildet (d. h. 92,5 Gew.-%
Silber und 7,5% Kupfer). Zwischen diesen beiden Elementen sind zwei
getrennte Phasen zu sehen. Erstens, eine Region mit hohem Nickelgehalt 23 befindet
sich neben der Kupfer/Nickel-Legierung des Halters 16.
Eine Region aus eutektischer Legierung 24 ist zwischen
der Region mit hohem Nickelgehalt 23 und dem nicht emittierenden
Sterlingsilber-Element 32 zu sehen. Diese Region aus eutektischer
Legierung 24 enthält
hauptsächlich
Silber und Kupfer, kann aber auch etwas Nickel enthalten.
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Die
Erfinder wollen sich zwar nicht durch die Theorie binden, aber sie
sind doch der Ansicht, dass mit fortschreitender Erhitzung Kupfer
vom Halter 16 zur Region aus eutektischer Legierung 24 wandert und
das Nickel in der Region mit hohem Nickelgehalt 23 zurücklässt. Diese
Region mit hohem Nickelgehalt 23 ist angeblich beim Regulieren
der Geschwindigkeit wichtig, mit der sich die eutektische Kupfer/Silberlegierung
bildet. Man ist insbesondere der Ansicht, dass die Region mit hohem
Nickelgehalt 23 eine Barriere für einen stärkeren Kupfertransfer in die Region
aus eutektischer Legierung 24 bildet und die Reaktion effektiv
abbremst. Dies verlangsamt den Austausch von Kupfer und Silber in
die Region der eutektischen Legierung 24. Zusätzlich ist
man der Ansicht, dass bei einem weiteren Anstieg der Temperatur
das zusätzliche
Nickel neben der Region der eutektischen Legierung 24 progressiv
schmilzt und sich mit der eutektischen Lösung vereinigt, wodurch wiederum
die Schmelztemperatur der Lösung
ansteigt. Eine andere Möglichkeit,
dieses Phänomen
zu betrachten, ist es zu sagen, dass die Lösung am Rand zur Verfestigung
gehalten wird. Als zusätzlicher Vorteil
expandiert die Kupfer/Nickel-Legierung beim Erhitzen auch weniger
als Silber und Kupfer. Silber expandiert starker als Hafnium und
daher hilft Kupfer/Nickel dabei, das Silber zurückzuhalten, und tragt stärker dazu
bei zu verhüten,
dass sich das Loch im Silber um das Hafnium ausbreitet, als dies
ein reiner Kupferhalter tut, wodurch ein besserer Kontakt zwischen
dem Silber und dem Hafnium beibehalten bleibt.
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Die
Anfangsbindung wird zwar sehr rasch erzeugt, aber die Reaktionsgeschwindigkeit
geht im Laufe der Zeit merklich zurück, wenn die Region mit hohem
Nickelgehalt 23 dicker wird. Aufgrund dieser Charakteristik
kann ein hohes Maß an
Flexibilität
erzielt werden, wenn Elektroden dieses Typs hergestellt werden.
Es wurde festgestellt, dass eine Temperatur von wenigstens etwa
799°C (1470°F) für den Beginn
der Reaktion nötig
ist, aber jenseits dieser Temperatur besteht weiterhin großer Regulierungsbedarf
im Vergleich zu reinen Kupfer/Silber-Elektroden. Insbesondere kann
die Elektrode für
etwa eine Stunde auf eine Temperatur von wenigstens etwa 818°C (1505°F) erhöht werden.
Bei dieser Kombination aus Temperaturbereich und Zeit entsteht eine dünne intermetallische
Verbindung zwischen dem emittierenden Element 28 und dem
nicht emittierenden Element 32. Die Dicke jeder resultierenden
intermetallischen Verbindung kann jedoch das Ergebnis vieler Faktoren über die
Ofentemperatur hinaus sein, einschließlich der Elektrodengeometrie
und der Dauer des Erhitzungszyklus.
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Eine
intermetallische Verbindung 88 zwischen einem emittierenden
Element 28 aus Hafnium und einem nicht emittierenden Element 32 aus
Silber ist in 6 dargestellt. Die intermetallische
Verbindung 88 bildet eine starke Bindung zwischen dem emittierenden
Element 28 und dem nicht emittierenden Element 32,
und die Dicke der gezeigten intermetallischen Verbindung beträgt etwa
3,8 μm (0,00015
Zoll). Die intermetallische Verbindung 88 ist ein neues
Material mit einzigartigen Eigenschaften, die sich von den das emittierende
Element 28 und das nicht emittierende Element 32 bildenden
Materialien unterscheiden. Obwohl man sich nicht durch die Theorie
binden lassen möchte,
so ist man doch der Ansicht, dass die intermetallische Verbindung
sowohl AgHf als auch AgHf2 enthält.
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Es
ist nicht in allen Fällen
notwendig, dass die Elektrode eine solche intermetallische Verbindung
hat, und auch die Dicke der intermetallischen Verbindung ist nicht
unbedingt auf die in 6 gezeigte begrenzt. Teilweise
in Abhängigkeit
von der theoretischen Stromleistung des Brenners, in dem die Elektrode
eingesetzt wird, wird es möglicherweise
stärker
bevorzugt, keine intermetallische Schicht zu haben. In anderen Brennern
kann es vorteilhaft sein, eine intermetallische Verbindungsschicht
mit einer Dicke von etwa 5,1 μm
(0,0002 Zoll) zu haben, die bei einer Temperatur von etwa 796°C (1466°F) eine Stunde
lang gebildet werden kann. Bei Dicken aber etwa 0,15–0,2 mm
(0,006–0,008
Zoll) kann die Lebensdauer der Elektroden tatsächlich verkürzt werden, weil die Wärmeleitfähigkeit
der intermetallischen Verbindung relativ hoch ist. Infolgedessen senkt
die höhere
Dicke den Betrag der Wärmeleitung und
verringert somit die Lebensdauer der Elektrode.
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Zurück zu 3,
diese zeigt eine Querschnittsansicht einer fertigen Elektrode gemäß der vorliegenden
Erfindung. Zum Vollenden der Fertigung des Halters 16 wird
die Rückseite
des zylindrischen Rohlings 94 maschinell bearbeitet, um
eine offene becherförmige
Konfiguration zu bilden, die den Hohlraum 22 darin definiert.
Vorteilhafterweise ist der Hohlraum 22 so gestaltet, dass
ein zylindrischer Pfosten 25 definiert wird. Mit anderen
Worten, der interne Hohlraum 22 wird beispielsweise durch
Kernbohren oder andere Bearbeitungsvorgänge ausgebildet, um den zylindrischen
Pfosten 25 zu definieren. Die Außenperipherie des zylindrischen
Rohlings 94 wird ebenfalls nach Bedarf gestaltet, einschließlich der
Bildung eines Außengewindes
am hinteren Ende des Halters für
die Verbindung mit dem Brenner wie nachfolgend erörtert. Schließlich werden
die Frontfläche
des Rohlings 94 und die Endflächen des emittierenden Elementes 28 und
des nicht emittierenden Elementes 32 jeweils so bearbeitet,
dass sie im Wesentlichen flach und bündig miteinander sind, wie
in 3 gezeigt ist.
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Vorteilhafterweise
wird wenigstens ein Abschnitt des nicht emittierenden Elementes 32 gegenüber dem
internen Hohlraum 22 exponiert. Wie nachfolgend erörtert, wird
die Elektrode durch die Zirkulation eines flüssigen Kühlmittels wie Wasser durch den
internen Hohlraum 22 gekühlt. Das nicht emittierende
Element 32 wird während
des Kernbohrens oder des sonstigen Bearbeitungsvorgangs exponiert, so
dass es mit dem flüssigen
Kühlmittel
in Kontakt ist, wodurch die Kühlung
der Elektrode stark verbessert wird. Der Kontakt des nicht emittierenden
Elementes 32 mit dem flüssigen
Kühlmittel
ist besonders dann vorteilhaft, wenn eine Kupfer/Nickel-Legierung
für den
Halter 16 verwendet wird, weil die Zugabe von Nickel zu
dem Kupferhalter die Wärmeleitfähigkeit des
resultierenden Materials drastisch herabsetzt. Insbesondere wird,
wenn 10% Nickel in den Kupferhalter legiert wird, die Wärmeleitfähigkeit
der resultierenden Legierung um etwa 90% relativ zu reinem Silber
gesenkt. Da jedoch das äußerst wärmeleitfähige nicht
emittierende Silberelement 32 direkt dem Kühlwasser
ausgesetzt ist, kann Wärme
von dem emittierenden Element 28 direkt abgeführt werden,
ohne dass die gesamte Wärme
durch den Halter 16 geht.
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Die
günstige
Funktion eines dritten Metalls kann in anderen Konfigurationen wie
z. B. dann erzielt werden, wenn Nickel in dem nicht emittierenden Silberelement 32 und
nicht im Halter 16 enthalten ist. Weitere Ausgestaltungen
der Erfindung sind in den 7, 8 und 9 illustriert. 7 illustriert eine
Ausgestaltung, in der ein drittes Metall zum Dämpfen der eutektischen Reaktion
zwischen Kupfer und Silber in Form einer Plattierung 26 auf
der Außenfläche des
nicht emittierenden Elementes 32 vorhanden ist. Mit anderen
Worten, es ist nicht notwendig, dass das Nickel der vorangegangenen
Ausgestaltungen im Halterrohling 94 oder in dem nicht emittierenden
Element 32 enthalten ist, und dieselbe Funktion kann durch
eine Plattierung 26 des Nickels auf der Außenfläche des
nicht emittierenden Elementes 32 oder, obwohl dies nicht
dargestellt ist, auf der Innenfläche
des zylindrischen Hohlraums des Rohlings 94 erzielt werden.
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In 8 liegt
das dritte Metall als Pulver 27 vor, das über die
Außenfläche des
nicht emittierenden Elementes 32 und die Innenfläche des
Rohlings 94 dispergiert wird. Auch hier kann in dieser
Ausgestaltung das dritte Metall wieder Nickel sein und das nicht
emittierende Element 32 und der Halter 94 sind nicht
unbedingt mit dem dritten Metall legiert.
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Schließlich liegt
das dritte Metall in 9 als eine Hülse 29 vor, die nach
dem Einsetzen in den Rohling 94 das nicht emittierende
Element 32 umgibt und kontaktiert und das nicht emittierende
Element kontaktiert, um es von dem Halterrohling 94 zu
trennen.
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BRENNERAUFBAU
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Wieder
mit Bezug auf 1, die Elektrode 14 ist
in einem Plasmabrennerkörper 38 montiert,
der jeweils einen Gas- und einen Flüssigkeitskanal 40 und 42 aufweist.
Der Brennerkörper 38 ist
von einem äußeren isolierten
Gehäuseelement 44 umgeben. Eine
Röhre 46 ist
in der zentralen Bohrung 48 der Elektrode 14 aufgehängt, durch
die ein flüssiges Kühlmittel
wie z. B. Wasser durch die Elektrode 14 umläuft. Die
Röhre 46 hat
einen Außendurchmesser, der
kleiner ist als der Durchmesser der Bohrung 48, so dass
ein Raum 49 zwischen der Röhre 46 und der Bohrung 48 entsteht,
damit Wasser nach dem Austritt aus dem offenen unteren Ende der
Röhre 46 darin fließen kann.
Das Wasser fließt
von einer Quelle (nicht dargestellt) durch die Röhre 46 innerhalb des internen
Hohlraums 22 und des Halters 16 und zurück durch
den Raum 49 zu einer Öffnung 52 im Brennerkörper 38 und
zu einem Abflussschlauch (nicht dargestellt). Der Kanal 42 leitet
Injektionswasser in die Düsenbaugruppe 12,
wo es in einen rotierenden Wirbel verwandelt wird, der den Plasmalichtbogen
umgibt, wie nachfolgend erörtert
wird. Der Gaskanal 40 leitet Gas von einer geeigneten Quelle (nicht
dargestellt) durch ein Gasumlenkblech 54 aus einem Material
für eine
geeignet hohe Temperatur in eine Gasplenumkammer 56 über Einlasslöcher 58. Die
Einlasslöcher 58 sind
so angeordnet, dass sie bewirken, dass Gas wirbelnd in die Plenumkammer 56 eintritt.
Das Gas strömt
durch Koaxialbohrungen 60 und 62 der Düsenbaugruppe 12 aus
der Plenumkammer 56 aus. Die Elektrode 14 hält das Gasumlenkblech 54 fest.
Ein Hochtemperaturplastikisolatorkörper 55 isoliert die
Düsenbaugruppe 12 elektrisch von
der Elektrode 14.
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Die
Düsenbaugruppe 12 umfasst
ein oberes Düsenelement 63,
das die erste Bohrung 60 definiert, und ein unteres Düsenelement 64,
das die zweite Bohrung 62 definiert. Das obere Düsenelement 63 ist vorzugsweise
ein metallisches Material, das untere Düsenelement 64 ist
vorzugsweise ein metallisches oder keramisches Material. Die Bohrung 60 des
oberen Düsenelementes 63 ist
in axialer Ausrichtung mit der Längsachse
der Brennerelektrode 14. Das untere Düsenelement 64 ist
von dem oberen Düsenelement 63 durch
ein Plastikabstandshalterelement 65 und einen Wasserwirbelring 66 getrennt.
Der Raum zwischen dem oberen Düsenelement 63 und
dem unteren Düsenelement 64 bildet
eine Wasserkammer 67.
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Das
untere Düsenelement 64 umfasst
einen zylindrischen Körperabschnitt 70,
der einen vorderen oder unteren Endabschnitt und einen hinteren
oder oberen Endabschnitt definiert, wobei die Bohrung 62 koaxial
durch den Körperabschnitt 70 verläuft. Ein ringförmiger Montageflansch 71 ist
am hinteren Endabschnitt positioniert und eine kegelstumpfförmige Fläche 72 ist
auf der Außenseite
des vorderen Endabschnitts koaxial mit der zweiten Bohrung 62 ausgebildet.
Der ringförmige
Flansch 71 wird von unten von einem nach innen gerichteten
Flansch 73 am unteren Ende des Bechers 74 getragen,
wobei der Becher 74 abnehmbar vom Verbindungsgewinde am äußeren Gehäuseelement 44 montiert
ist. Eine Dichtung 75 befindet sich zwischen den beiden
Flanschen 71 und 73.
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Die
Bohrung 62 im unteren Düsenelement 64 ist
zylindrisch und wird von einer Zentrierhülse 78 aus einem beliebigen
geeigneten Plastikmaterial in axialer Ausrichtung mit der Bohrung 60 im
oberen Düsenelement 63 gehalten.
Wasser strömt
vom Kanal 42 durch Öffnungen 85 in
der Hülse 78 zu
Injektionsdüsen 87 des
Wirbelrings 66, der das Wasser in die Wasserkammer 67 spritzt.
Die Injektionsdüsen 87 sind
tangential um den Wirbelring 66 angeordnet, um dem Wasserfluss
in der Wasserkammer 67 eine Wirbelgeschwindigkeitskomponente
zu verleihen. Das Wasser tritt durch die Bohrung 62 aus
der Wasserkammer 67 aus.
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Eine
Stromversorgung (nicht dargestellt) ist mit der Brennerelektrode 14 in
einer Serienschaltungsbeziehung mit einem Metallwerkstück verbunden,
das gewöhnlich
geerdet ist. Beim Betrieb wird ein Plasmalichtbogen zwischen dem
emittierenden Element 28 der Elektrode, das als Kathodenanschluss
für den
Lichtbogen dient, und dem Werkstück hergestellt,
das mit der Anode der Stromversorgung verbunden und unterhalb des
unteren Düsenelementes 64 positioniert
ist. Der Plasmalichtbogen wird auf konventionelle Weise dadurch
gestartet, dass momentan ein Pilotlichtbogen zwischen der Elektrode 14 und
der Düsenbaugruppe 12 erzeugt
wird, und der Lichtbogen wird dann durch die Bohrungen 60 und 62 auf
das Werkstück übertragen.
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Es
werden für
die Fachperson zahlreiche Modifikationen und andere Ausgestaltungen
der Erfindung in den Sinn kommen, auf die sich die vorliegende Erfindung
bezieht, mit den Vorteilen der in der vorangegangenen Beschreibung
dargelegten Lehren und den zugehörigen
Zeichnungen. Es ist daher zu verstehen, dass die Erfindung nicht
auf die speziellen offenbarten Ausgestaltungen begrenzt ist und
dass Modifikationen und andere Ausgestaltungen in den Umfang der
beiliegenden Ansprüche
fallen sollen, die einzig und allein die beanspruchte Erfindung
definieren und begrenzen. Es wurden zwar hier bestimmte Begriffe
verwendet, aber diese wurden lediglich im generischen und beschreibenden
Sinne und nicht zur Begrenzung benutzt.