DE69014289T3

DE69014289T3 - Elektrode für Plasmalichtbogenbrenner.

Info

Publication number: DE69014289T3
Application number: DE69014289T
Authority: DE
Inventors: Stanley Severance Wayne
Original assignee: ESAB Welding Products Inc
Current assignee: ESAB Welding Products Inc
Priority date: 1990-01-17
Filing date: 1990-08-09
Publication date: 2000-07-13
Anticipated expiration: 2010-08-10
Also published as: BR9004384A; PL287337A1; HU904975D0; IL95273A; EP0437915B1; JPH03225727A; CA2022782A1; IL95273A0; DE69014289D1; DE69014289T2; AU6080890A; HUT56988A; NO903473L; EP0437915B2; EP0437915A3; RU2028899C1; FI903867A0; NO903473D0; ATE114397T1; JPH0570250B2

Description

Die vorliegende Erfindung bezieht sich auf einen Lichtbogenplasmabrenner und betrifft insbesondere eine neuartige Elektrode zur Verwendung in einem Lichtbogenplasmabrenner, die eine verbesserte Lebensdauer hat.
Lichtbogenplasmabrenner werden üblicherweise für das Bearbeiten von Metallen, einschließlich Schneiden, Schweißen, Oberflächenbehandeln, Schmelzen und Glühen verwendet. Derartige Brenner haben eine Elektrode, die bei der Arbeitsweise mit Lichtbogenübertragung einen Lichtbogen stützt, der sich von der Elektrode zum Werkstück spannt. Es ist auch bekannt, den Lichtbogen mit einem strudelnden Gaswirbel zu umgeben, und bei manchen Brennerkonstruktionen ist es bekannt, auch das Gas und den Lichtbogen mit einem wirbelnden Wasserstrahl zu umhüllen.
Die in herkömmlichen Brennern der beschriebenen Art benutzte Elektrode weist typischerweise ein langgestrecktes, rohrförmiges Glied auf, welches aus einem Werkstoff von hoher Wärmeleitfähigkeit, wie Kupfer oder einer Kupferlegierung besteht. Das vorwärtsgerichtete oder Abgabeende der rohrförmigen Elektrode hat eine untere Stirnwand, in die ein Emissionseinsatz eingebettet ist, der den Lichtbogen stützt. Der Einsatz besteht aus einem Werkstoff von verhältnismäßig geringer Austrittsarbeit, als die man in der Technik den in Elektronenvolt gemessenen Potentialschritt bezeichnet, der bei einer gegebenen Temperatur eine Glühelektronenabgabe von der Oberfläche eines Metalls ermöglicht. Angesichts seiner niedrigen Austrittsarbeit kann der Einsatz folglich ohne weiteres Elektronen abgeben, wenn ein elektrisches Potential an ihn angelegt wird, und zu den üblicherweise benutzten Einsatzwerkstoffen gehört Hafnium, Zirkon und Wolfram.
Eine bei Brennern der beschriebenen Art bestehende, nennenswerte Schwierigkeit ist die kurze Lebensdauer der Elektrode, insbesondere wenn der Brenner mit einem oxidierenden Lichtbogengas, wie Sauerstoff oder Luft verwendet wird. Speziell hat das Gas die Tendenz, das Kupfer rasch zu oxidieren, und mit dem Oxidieren des Kupfers nimmt seine Austrittsarbeit ab. Infolgedessen beginnt das den Einsatz umgebende, oxidierte Kupfer, statt des Einsatzes den Lichtbogen zu stützen. Wenn das geschieht, schmilzt das Kupferoxid und das stützende Kupfer, was zu einer baldigen Zerstörung und dem Ausfall der Elektrode führt.
Aus US-A-3 930 139 ist es an sich bekannt, eine nichtaufzehrbare Elektrode für Sauerstoff-Lichtbogenarbeiten mit einem Aluminiumabstandsstück zwischen dem aktiven Einsatz und dem Kupferhalter zu benutzen, dessen Dicke 0,01-0,2 mm beträgt. Das Abstandsstück oxidiert und wirkt als ein Wärmeschild, der den Kupferhalter gegen Überhitzung und gegen Oxidation schützt. Ferner sind Silberelektrodenhalter aus US-A-3 198 932 (Beispiel V) bekannt.
Eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung ist es folglich, eine Elektrode zu schaffen, die zur Verwendung in einem Lichtbogenplasmabrenner der beschriebenen Art geeignet ist und eine signifikant verbesserte Lebensdauer bieten kann, wenn der Brenner in einer oxidierenden Atmosphäre eingesetzt wird.
Es ist auch eine Aufgabe der vorliegenden Erfindung, ein leistungsfähiges Verfahren zum Herstellen einer Elektrode mit den obigen Eigenschaften zu schaffen.
Die vorstehenden und weitere Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung werden bei den hier dargestellten Ausführungsbeispielen durch die Bereitstellung einer Elektrode erzielt, die einen metallischen, rohrförmigen Halter mit einem vorderen Ende aufweist. In dem vorderen Ende ist ein Hohlraum ausgebildet. In dem Hohlraum ist eine Einsatzanordnung angebracht, die einen Emissionseinsatz aufweist, der aus einem metallenen Einsatz von verhältnismäßig niedriger Austrittsar beit besteht, damit er beim Anlegen eines Potentials ohne weiteres Elektronen abgeben kann. Eine Hülse umgibt den Emissionseinsatz, um den Einsatz von einer Berührung mit dem Halter abzuhalten. Die Hülse hat eine radiale Dicke von mindestens 0,25 mm (0,01 Zoll) am vorderen Ende des Halters, und die Hülse besteht aus einem metallenen Werkstoff, dessen Austrittsarbeit größer ist als die des Materials, aus dem der Emissionseinsatz besteht. Außerdem besteht die Hülse aus einem metallenen Werkstoff, der einen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids aufweist, der wenigstens so hoch ist wie derjenige, den jedes der Materialien in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat der metallene, rohrförmige Halter eine querverlaufende Stirnwand, die das vordere Ende verschließt, wobei diese querverlaufende Stirnwand eine äußere Stirnfläche bestimmt. Der Emissionseinsatz hat eine äußere Stirnfläche, die in der Ebene der äußeren vorderen Fläche des Halters liegt, und die Hülse hat eine äußere ringförmige Oberfläche, die in der Ebene der Stirnfläche des Halters liegt und die Stirnfläche des Einsatzes umgibt. Auch ist der Durchmesser der äußeren ringförmigen Oberfläche der Hülse vorzugsweise mindestens etwa zweimal so groß wie die längste Abmessung der äußeren Stirnfläche des Emissionseinsatzes.
Bei einem bevorzugten Ausführungsbeispiel hat die Hülse eine Umfangsfläche und eine geschlossene Bodenwand, die mit den Innenwänden des in der äußeren, vorderen Fläche des Halters gebildeten Hohlraums metallurgisch verbunden sind. Hierdurch ist der Einsatz durch die Hülse vollständig von einer Berührung mit dem Metall des Halters getrennt.
Die den Emissionseinsatz umgebende, ringförmige Hülse ist vorzugsweise aus einem metallenen Material, wie Silber gebildet, welches eine hohe Beständigkeit gegen die Bildung eines Oxids hat. Das dient dazu, die Lebensdauer der Elektrode zu verlängern, da das Silber und sich möglicherweise bildendes Oxid sehr schlechte Strahler sind. Folglich setzt der Licht bogen die Abstrahlung vom Emissionseinsatz statt vom Kupferhalter oder der Hülse fort, und als Ergebnis hat er eine längere Lebensdauer.
Ein Verfahren zum Herstellen der oben beschriebenen Elektrode weist die Schritte auf, daß ein erster metallener Rohling geschaffen wird, der eine Stirnfläche hat, und in der Stirnfläche des Rohlings ein Hohlraum gebildet wird. Ein zweiter Rohling wird geschaffen, der zum Beispiel im wesentlichen aus Silber besteht und so gestaltet und bemessen ist, daß er in dem Hohlraum mit engem Sitz aufgenommen werden kann. Der zweite Rohling wird dann in dem Hohlraum fest angebracht, und im zweiten Rohling beispielsweise durch Bohren eine Öffnung hergestellt, die sich senkrecht zur Stirnfläche erstreckt. Dann wird in der Öffnung des zweiten Rohlings ein Emissionseinsatz fest angebracht.
Vorzugsweise wird die Stirnfläche des metallenen Rohlings dann so fertigbearbeitet, daß sie eine im wesentlichen ebene Oberfläche bildet, die den metallenen ersten Rohling, den Emissionseinsatz sowie einen Kreisring des zweiten Rohlings einschließt, welcher den Einsatz von dem metallenen Rohling trennt.
Nachdem einige der Ziele und Vorteile der vorliegenden Erfindung genannt wurden, ergeben sich weitere im Verlauf der Beschreibung bei Betrachtung zusammen mit den Zeichnungen. Es zeigt:
Fig. 1 eine Seitenansicht eines die Merkmale der vorliegenden Erfindung verkörpernden Lichtbogenplasmabrenners im Schnitt;
Fig. 2 einen etwas vergrößerten Teilschnitt des unteren Abschnitts eines Lichtbogenplasmabrenners bei einem zweiten Ausführungsbeispiel der Düsenanordnung des Brenners;
Fig. 3-7 schematische Ansichten zur Erläuterung des Herstellungsverfahrens der Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung;
Fig. 8 eine Stirnansicht der in Fig. 7 gezeigten Elektrode; und
Fig. 9-12 im Schnitt gezeigte Seitenansichten weiterer Ausführungsbeispiele der Elektrode gemäß der vorliegenden Erfindung.
Zunächst sei auf das Ausführungsbeispiel gemäß Fig. 1 hingewiesen, wo ein Lichtbogenplasmabrenner 10 dargestellt ist, der eine Düsenanordnung 12 und eine rohrförmige Elektrode 14 aufweist. Die Elektrode 14 ist vorzugsweise aus Kupfer oder einer Kupferlegierung hergestellt und besteht aus einem oberen, rohrförmigen Glied 15 und einem unteren, becherförmigen Glied oder Halter 16. Im einzelnen hat das obere, rohrförmige Glied 15 eine längliche, offene, rohrförmige Gestalt und bestimmt die Längsachse des Brenners. Das Glied 15 hat außerdem einen mit Innengewinde versehenen, unteren Endbereich 17. Auch der Halter 16 ist von rohrförmigem Aufbau und hat ein unteres, vorderes Ende sowie ein oberes, hinteres Ende, wie in Fig. 1 und 2 zu sehen ist. Das vordere Ende des Halters 16 ist von einer querverlaufenden Stirnwand 18 verschlossen (Fig. 2), und die querverlaufende Stirnwand 18 bestimmt eine äußere Stirnfläche 20. Das hintere Ende des Halters ist mit einem Außengewinde versehen und steht mit dem unteren Endbereich 17 des oberen, rohrförmigen Gliedes in Schraubgewindeeingriff.
Der Halter 16 ist an seinem hinteren Ende offen und becherförmig so gestaltet, daß er einen Innenhohlraum 22 begrenzt (Fig. 6). Die vordere Stirnwand 18 des Halters enthält außerdem einen zylindrischen Pflock 23, der sich nach hinten in den Innenhohlraum 22 und entlang der Längsachse erstreckt. Zusätzlich ist in der Stirnfläche 20 der Stirnwand 18 ein Hohlraum 24 gebildet, der sich nach hinten entlang der Längsachse und in einen Teil der Länge des Pflocks 23 erstreckt. Der Hohlraum 24 ist insgesamt zylindrisch und hat zu den unten erläuterten Zwecken einen erweiterten oder angesenkten, ringförmigen, äußeren Stirnbereich 25.
In dem Hohlraum ist eine Einsatzanordnung 26 angebracht, die einen insgesamt zylindrischen Emissionseinsatz 28 aufweist, der koaxial entlang der Längsachse abgesetzt ist und eine kreisförmige, äußere Stirnfläche 29 hat, die in der Ebene der Stirnfläche 20 des Halters liegt. Der Einsatz 28 hat außerdem eine kreisförmige, innere Stirnfläche 30, die sich in dem Hohlraum 24 und entgegengesetzt zur äußeren Stirnfläche 29 befindet. Ferner besteht der Emissionseinsatz 28 aus einem metallenen Werkstoff von verhältnismäßig geringer Austrittsarbeit - in einem Bereich zwischen etwa 2,7 bis 4,2 eV - so daß er geeignet ist, beim Anlegen eines elektrischen Potentials an ihn ohne weiteres Elektronen abzugeben. Geeignete Beispiele für solche Werkstoffe sind Hafnium, Zirkon, Wolfram sowie Legierungen derselben.
Eine verhältnismäßig emissionsfreie Hülse 32 ist in dem Hohlraum 24 koaxial um den Emissionseinsatz 28 angeordnet, wobei die Hülse 32 eine Umfangswand und eine geschlossene Bodenwand 34 hat, die mit den Wänden des Hohlraums metallurgisch verbunden sind. Ferner hat die Hülse 32 einen Ringflansch 35, der in dem angesenkten, äußeren Endbereich 25 des Hohlraums so angeordnet ist, daß eine äußere, ringförmige Oberfläche bestimmt wird, welche in der Ebene der Stirnfläche 20 des Halters liegt. Die Hülse hat außerdem eine radiale Dicke von mindestens 0,25 mm (0,01 Zoll) an der Stirnfläche 20 und über ihre gesamte Länge hinweg, und der Außendurchmesser der ringförmigen Oberfläche an der Stirnfläche 20 ist mindestens etwa zweimal so groß wie der Durchmesser des Emissionseinsatzes 28. Als spezielles Beispiel hat der Einsatz 28 typischerweise einen Durchmesser von etwa 2 mm (0,080 Zoll) sowie eine axiale Länge von etwa 4 mm (0,160 Zoll), und der Ringflansch 35 der Hülse 32 hat typischerweise einen Außendurchmesser von etwa 6,25 mm (0,254 Zoll). Der Außendurchmesser der restlichen Hülse 32 beträgt typischerweise etwa 3,95 mm (0,157 Zoll).
Die Hülse besteht aus einem metallenen Werkstoff, dessen Austrittsarbeit größer ist als die des Halterwerkstoffs und auch größer als die des Materials, aus dem der Emissionseinsatz besteht. In dieser Hinsicht wird es bevorzugt, wenn die Hülse aus einem metallenen Werkstoff besteht, dessen Austrittsarbeit mindestens etwa 4,3 eV beträgt. Ferner besteht die Hülse aus einem metallenen Werkstoff, dessen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids wenigstens so hoch ist wie derjenige, den jedes der Materialien in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht. Verschiedene Metalle und Legierungen sind für die emissionsfreie Hülse der vorliegenden Erfindung benutzbar. Nachfolgend sind einige relevante Eigenschaften mehrerer geeigneter Metalle zusammengefaßt:
Die idealen Hülsenwerkstoffe sollten eine hohe Wärmeleitfähigkeit, eine hohe Beständigkeit gegen Oxidation, einen höhen Schmelzpunkt, hohe Austrittsarbeit und geringe Kosten haben. Kein einziger Stoff weist alle diese Eigenschaften auf; aber die sehr hohe Wärmeleitfähigkeit von Silber macht dies zu einem bevorzugten Material. Solange die Elektrode gut gekühlt ist, hat das Silber wegen seiner hohen Wärmeleitfähigkeit eine viel niedrigere Temperatur als die anderen Werkstoffe. Da die Oxidation und Elektronenabgabe bei hoher Temperatur zunehmen, wird der niedrigere Schmelzpunkt und die niedrigere Austrittsarbeit von Silber weniger bedeutend.
Zusätzlich zu den oben in der Liste genannten Metallen sind auch Legierungen, bei denen mindestens 50% der Komponenten aus einem oder mehreren der genannten Metalle bestehen, für die Herstellung der emissionsfreien Hülse geeignet. Außerdem kann die Hülse aus einer Legierung bestehen, die Kupfer und ein zweites Metall aufweist, welches unter den genannten Metallen und Legierungen derselben ausgewählt ist und bei der das zweite Metall mindestens etwa 10% des Materials der Hülse aufweist. Ferner besteht die Hülse aus einem metallenen Werkstoff, dessen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids wenigstens so hoch ist wie derjenige, den jedes der Materialien in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht.
Bei dem dargestellten Ausführungsbeispiel ist die Elektrode 14 in einem Lichtbogenplasmabrennerkörper 38 angebracht, der Gas- und Flüssigkeitskanäle 40 bzw. 42 hat. Der Brennerkörper 38 ist von einem äußeren, isolierten Gehäuseteil 44 umgeben.
Im Inneren der zentralen Bohrung 48 der Elektrode 14 ist ein Rohr 46 hängend angebracht, um ein flüssiges Medium, beispielsweise Wasser durch den Elektrodenaufbau 14 zirkulieren zu lassen. Das Rohr 46 hat einen kleineren Durchmesser als der Durchmesser der Bohrung 48, so daß ein Raum 49 geschaffen wird, durch den das Wasser bei Abgabe aus dem Rohr 46 fließen kann. Das Wasser fließt von einer nicht gezeigten Quelle durch das Rohr 46, entlang des Pflocks 23 und zurück durch den Raum 49 zur Öffnung 52 im Brennerkörper 38 und zu einem nicht gezeigten Ablaßschlauch. Der Kanal 42 leitet das Einspritzwasser in die Düsenanordnung 12, wo es in einen strudelnden Wirbel umgewandelt wird, um den Plasmalichtbogen zu umgeben, wie im einzelnen weiter unten erläutert wird. Der Gaskanal 40 leitet Gas von einer geeigneten, nicht gezeigten Quelle durch einen herkömmlichen Gasleitkörper 54 aus einem beliebigen, geeigneten, warmfesten, keramischen Werkstoff in eine Gasdruckkammer 56, und zwar durch Eingangslöcher 58. Die Eingangslöcher 58 sind so angeordnet, daß sie das Gas veranlassen, in aufgewirbeitem Zustand in die Druckkammer 56 einzutreten, wie allgemein bekannt. Das Gas fließt aus der Druckkammer 56 durch die den Lichtbogen einengenden, koaxialen Bohrungen 60 und 62 der Düsenanordnung 12. Wenn die Elektrode 14 mit dem Brennerkörper 38 verbunden ist, hält sie den Keramikgasleitkörper 54 sowie ein warmfestes Kunststoffisolierteil 55 in ihrer Lage. Durch das Teil 55 wird die Düsenanordnung 12 gegenüber der Elektrode 14 elektrisch isoliert.
Die Düsenanordnung 12 weist ein oberes Düsenelement 63 und ein unteres Düsenelement 64 auf, wobei die Elemente 63 und 64 die erste bzw. zweite Bohrung 60, 62 enthalten. Auch wenn sowohl das obere als auch das untere Düsenelement aus Metall bestehen kann, wird ein keramischer Werkstoff, wie Aluminiumhydroxid für das untere Düsenelement bevorzugt.
Das untere Düsenelement 64 ist vom oberen Düsenelement 63 durch ein Abstandsstück 65 aus Kunststoff und einen Wasserwirbelring 66 getrennt. Der zwischen dem oberen Düsenelement 63 und dem unteren Düsenelement 64 geschaffene Raum bildet eine Wasserkammer 67. Die Bohrung 60 im oberen Düsenelement 63 fluchtet axial mit der Längsachse der Brennerelektrode 14. Außerdem ist die Bohrung 60 zylindrisch und hat der Druckkammer 56 benachbart ein oberes, abgefastes Ende mit einem Schrägungswinkel von etwa 45º.
Das untere Düsenelement 64 hat einen zylindrischen Körperteil 70, der einen vorderen (oder unteren) Endbereich und einen hinteren (oder oberen) Endbereich bestimmt, wobei sich die Bohrung 62 koaxial durch den Körperteil erstreckt. Am hinteren Endbereich ist ein ringförmiger Befestigungsflansch 71 angeordnet, und eine kegelstumpfförmige Oberfläche 72 ist an der Außenseite des vorderen Endbereichs so gebildet, daß sie mit der zweiten Bohrung 62 koaxial ist. Der ringförmige Flansch 71 ist von unten durch einen nach innen weisenden Flansch 73 am unteren Ende des Bechers 74 abgestützt, wobei der Becher 74 durch zusammenwirkende Gewinde am äußeren Gehäuseteil 44 lösbar angebracht ist. Außerdem ist zwischen den beiden Flanschen 71 und 73 eine Dichtung 75 angeordnet.
Die den Lichtbogen eingrenzende Bohrung 62 im unteren Düsenelement 64 ist zylindrisch und wird von einer Zentrierhülse 78 aus einem beliebigen, geeigneten Kunststoff in axialer Ausrichtung mit der den Lichtbogen eingrenzenden Bohrung 60 im oberen Element 63 gehalten. Die Zentrierhülse 78 hat an ihrem oberen Ende eine Lippe, die in eine ringförmige Kerbe im oberen Düsenelement 63 lösbar eingespannt ist. Die Zentrierhülse 78 erstreckt sich von der oberen Düse in vorge spanntem Eingriff gegen das untere Element 64. Der Wirbelring 66 ist mit dem Abstandsstück 65 vor dem Einsetzen des unteren Elements 64 in die Hülse 78 zusammengesetzt worden. Das Wasser fließt aus dem Kanal 42 durch Öffnungen 85 in der Hülse 78 zu den Einspritzöffnungen 87 des Wirbelrings 66, die das Wasser in die Wasserkammer 67 einspritzen. Die Einspritzöffnungen 87 sind tangential um den Wirbelring 66 angeordnet, um zu veranlassen, daß das Wasser ein Wirbelmuster in der Wasserkammer 67 bildet. Das Wasser tritt aus der Wasserkammer 67 durch die den Lichtbogen einengende Bohrung 62 im unteren Düsenelement 64 aus.
Mit der Brennerelektrode 14 ist eine nicht gezeigte Stromquelle in einem Reihenschaltungsverhältnis mit einem Metallwerkstück verbunden, welches typischerweise geerdet ist. Im Betrieb bildet sich ein Plasmalichtbogen zwischen dem Emissionseinsatz des Brenners 10, der als Kathodenanschluß für den Lichtbogen dient, und dem Werkstück, welches mit der Anode der Stromquelle verbunden und unterhalb des unteren Düsenelements 64 angeordnet ist. Der Plasmalichtbogen wird auf herkömmliche Weise dadurch erzeugt, daß momentan ein Zündlichtbogen zwischen der Elektrode 14 und der Düsenanordnung 12 errichtet wird, der dann durch die den Lichtbogen einengenden Bohrungen 60 bzw. 62 an das Werkstück übertragen wird. Jede den Lichtbogen einengende Bohrung 60 und 62 trägt zur Verstärkung und Kollimation des Lichtbogens bei, und der strudelnde Wirbel aus Wasser umhüllt das Plasma auf seinem Weg durch den unteren Durchlaß 62.
Fig. 2 ist eine Teilansicht eines zweiten Ausführungsbeispiels eines Brenners gemäß der vorliegenden Erfindung. Bei diesem Ausführungsbeispiel ist eine Düsenanordnung von anderer Konstruktion vorgesehen, aber ansonsten ähnelt der Brenner dem in Fig. 1 gezeigten. Im einzelnen gehört zu der Düsenanordnung ein oberes Düsenelement 90 mit einer im wesentlichen kegelstumpfförmigen Bohrung 91 sowie ein verhältnismäßig flaches, unteres Düsenelement 92 mit einer zylindrischen Bohrung 93.
In den Fig. 3-7 ist ein bevorzugtes Verfahren zum Herstellen des Elektrodenhalters gemäß der vorliegenden Erfindung dargestellt. Wie in Fig. 3 gezeigt, wird ein zylindrischer Rohling 94 aus Kupfer oder Kupferlegierung vorgesehen, der eine Stirnfläche 95 und eine entgegengesetzte hintere Fläche 96 hat. Dann wird in der Stirnfläche ein angesenkter Hohlraum gebildet, beispielsweise durch Bohren, der dann den vorstehend beschriebenen Hohlraum 22 und den ringförmigen äußeren Endbereich 25 darstellt.
Es wird ein zweiter Rohling 98 hergestellt, der zum Beispiel im wesentlichen aus Silber bestehen kann und so gestaltet und bemessen ist, daß er im wesentlichen in den Hohlraum 22 paßt. Der Silberrohling 98 kann durch spanabhebende Bearbeitung gestaltet werden, bevorzugt wird aber, den Rohling 98 durch ein Kaltstauchverfahren ähnlich wie dem normalerweise bei der Herstellung von Nägeln angewandten zu erzeugen.
Als nächstes wird der Silberrohling 98 in den Hohlraum 22 metallurgisch eingebunden. Bei diesem Verfahren wird vorzugsweise so vorgegangen, daß zunächst eine Scheibe 99 aus Silberhartlot in den Hohlraum eingelegt wird. Bei einem Beispiel weist das Hartlot eine Legierung auf, die aus 71% Silber, 1/2% Nickel und Kupfer als dem Rest besteht. Es kann außerdem eine geringe Menge Flußmittel eingeschlossen werden, um Oxide von der Oberfläche des Kupfers zu entfernen. Nach dem Einlegen der Scheibe 99 in den Hohlraum wird der Silberrohling 98 wie in Fig. 4 gezeigt eingeführt, und dann wird die Anordnung auf eine Temperatur erhitzt, die nur ausreicht, um das Hartlot zum Schmelzen zu bringen, welches im Vergleich zu den übrigen Komponenten einen verhältnismäßig niedrigen Schmelzpunkt hat. Während des Erhitzens wird der Silberrohling 98 nach unten in den Hohlraum 22 gepreßt und das veranlaßt, daß das geschmolzene Hartlot nach oben fließt und die gesamte Grenzfläche zwischen dem Silberrohling 98 und dem Hohlraum bedeckt. Nach dem Abkühlen bildet das Hartlot einen verhältnismäßig dünnen Überzug, der dazu dient, den Rohling 98 im Hohlraum festzukleben, wobei die Dicke des Überzugs in der Größenordnung von zwischen etwa 0,025 bis 0,125 mm (0,001 bis 0,005 Zoll) liegt.
Zur Fertigstellung des Halters 16 wird der Silberrohling 98 bei 100 axial gebohrt, wie in Fig. 6 dargestellt, und dann wird ein zylindrischer Emissionseinsatz 28 unter Kraft in die entstehende Öffnung eingepaßt. Danach wird die Stirnfläche der Anordnung vorzugsweise durch Nachbearbeitung, wie mit gestrichelten Linien in Fig. 7 angedeutet, so fertigbearbeitet, daß sie eine glatte Außenfläche bietet, die eine kreisförmige äußere Stirnfläche 29 des Einsatzes, einen diese umgebenden Kreisring der erhaltenen Silberhülse 32 sowie einen Außenring aus dem Metall des Halters einschließt.
Als letzten Schritt wird die hintere Oberfläche 96 des metallenen Rohlings 94 gebohrt, um dem Rohling 94 eine offenbecherförmige Gestalt zu geben, wie in Fig. 6 dargestellt. Bei diesem Bohrvorgang wird ein innerer, offener Kreisring 102 geschaffen, der einen Teil des metallenen Rohlings koaxial umgibt und folglich den oben beschriebenen zylindrischen Pflock 23 darstellt. Der offene Kreisring umgibt außerdem koaxial einen Teil der axialen Länge des Emissionseinsatzes 28 und des Silberrohlings 98. Dieser Aufbau erleichtert die Wärmeabfuhr durch das umlaufende Wasser, wie oben beschrieben. Der äußere Umfang des Rohlings 94 kann dann auch nach Wunsch gestaltet werden, was die Ausbildung eines Außengewindes 104 am hinteren Ende einschließt.
In den Fig. 9-12 sind weitere Ausführungsbeispiele von Elektroden dargestellt, welche die vorliegende Erfindung verkörpern. Im einzelnen zeigt Fig. 9 einen Elektrodenhalter 16a, in welchem der Hohlraum 22a und die den Einsatz 28a umgebende, emissionsfreie Hülse 32a eine kegelstumpfförmige Außengestalt haben. In Fig. 10 hat der Halter 16b eine Durchgangsbohrung in der unteren Wand, und der emissionsfreie Einsatz 32b erstreckt sich durch die Bohrung und liegt bloß, so daß er unmittelbar mit dem Kühlwasser im Inneren des Halters in Berührung steht. Fig. 11 zeigt eine langgestreckte, massive Elektrode 16c mit einer Längsbohrung, die sich durch ihre gesamte Länge erstreckt, wobei ein länglicher Einsatz 28c und eine diesen umgebende, emissionsfreie Hülse 32c sich über die gesamte Länge der Elektrode erstrecken. Die Elektrode 16d hat einen ähnlichen Aufbau, schließt aber einen kegelstumpfförmigen Hohlraum, Einsatz 28d und eine kegelstumpfförmige Hülse 32d an jedem Ende ein.
In den Zeichnungen und der Beschreibung ist ein bevorzugtes Ausführungsbeispiel der Erfindung dargestellt worden, und, auch wenn spezielle Ausdrücke benutzt werden, werden diese nur in einem allgemeinen und beschreibenden Sinn und nicht zum Zweck der Einschränkung verwandt.

Claims

1. Elektrode (14) zum Stützen eines Lichtbogens in einem Lichtbogenplasmabrenner (10), mit einem metallenen Halter (16), der ein vorderes Ende, einen Hohlraum (24) in dem vorderen Ende sowie eine Einsatzanordnung (26) aufweist, die in dem Hohlraum (24) angebracht ist und einen aus einem metallenen Werkstoff von verhältnismäßig geringer Austrittsarbeit gebildeten Emmissionseinsatz (28) und eine Hülse (32) aufweist, die den Emmissionseinsatz (28) so umgibt, daß sie ihn (28) von einer Berührung des Halters (16) abhält, die (32) ferner eine Austrittsarbeit aufweist, die größer als die des Werkstoffes des Emmissionseinsatzes (28) ist, und die eine radiale Dicke von mindestens 0,25 mm (0,01 Zoll) an dem vorderen Ende hat und aus einem metallenen Werkstoff gebildet ist, dessen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids mindestens so hoch wie derjenige ist, den irgendeiner der Werkstoffe in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht.

2. Elektrode (14) nach Anspruch 1, bei der die Hülse (32) aus einem Werkstoff gebildet ist, dessen Austrittsarbeit mindestens 4,3 eV beträgt.

3. Elektrode (14) nach Anspruch 2, bei der die Hülse (32) aus einem Metall gebildet ist, welches aus der Gruppe ausgewählt ist, die aus Silber, Gold, Platin, Rhodium, Iridium, Palladium, Nickel und Legierungen besteht, in denen mindestens 50% der Zusammensetzung aus einem oder mehreren der genannten Metalle besteht, und zwar derart, daß die Hülse (32) einen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids aufweist, der wenigstens so hoch wie derjenige ist, den irgendeiner der Werk stoffe in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht.

4. Elektrode (14) nach Anspruch 2, bei der die Hülse (32) aus einer Legierung gebildet ist, die Kupfer und ein zweites Metall aufweist, welches aus der aus Silber, Gold, Platin, Rhodium, Iridium, Palladium, Nickel und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt ist, und bei der das zweite Metall mindestens 10% der Legierung aus Kupfer und dem zweiten Metall aufweist, und zwar derart, daß die Hülse (32) einen Widerstand gegen die Bildung eines Oxids aufweist, der wenigstens so hoch wie derjenige ist, den irgendeiner der Werkstoffe in der Gruppe besitzt, die aus Palladium und Nickel besteht.

5. Elektrode (14) nach Anspruch 1, bei der der Halter (16) ein Metall aufweist, welches aus der aus Kupfer und Kupferlegierungen bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

6. Elektrode (14) nach Anspruch 1, bei der der Emissionseinsatz (28) ein Metall aufweist, welches aus der aus Hafnium, Zirkonium, Wolfram, und Legierungen derselben bestehenden Gruppe ausgewählt ist.

7. Elektrode (14) nach Anspruch 1, bei der der Halter (16) insgesamt rohrförmig ist und eine das vordere Ende abschließende, querverlaufende vordere Stirnwand (18) hat, die eine äussere Stirnfläche (20) bildet, und bei der der Emissionseinsatz (28) eine äußere Stirnfläche (29) hat, die in der Ebene der äußeren Stirnfläche (20) des Halters (16) liegt, und die Hülse (32) eine äußere Ringfläche hat, die in der Ebene der äußeren Stirnfläche (20) des Halters (16) liegt und die Stirnfläche (29) des Einsatzes (28) umgibt.

8. Elektrode (14) nach Anspruch 7, bei der der Durchmesser der äußeren Ringfläche der Hülse (32) mindestens etwa dem Zweifachen der längsten Abmessung der äußeren Stirnfläche (29) des Emissionseinsatzes (28) entspricht.

9. Elektrode (14) nach Anspruch 7, bei der der Halter (16) eine Längsachse definiert und die querverlaufende vordere Stirnwand (18) eine im wesentlichen ebene äußere Stirnfläche (20) aufweist, die senkrecht zur Längsachse verläuft, und bei der der Hohlraum (24) längs der Längsachse nach hinten sich erstreckt, der Emissionseinsatz (28) allgemein zylindrisch ausgebildet und koaxial längs der Längsachse angeordnet ist, und wobei die Hülse (32) eine Austrittsarbeit aufweist, die grösser als die des Werkstoffes des Halters (16) ist.

10. Elektrode (14) nach Anspruch 9, bei der die Hülse (32) eine Umfangsfläche, die mit den Wänden des Hohlraums (24) verbunden ist, und eine äußere Ringfläche hat, die in der Ebene der Stirnfläche (20) des Halters (16) liegt und die Stirnfläche (29) des Einsatzes (28) umgibt und einen Außendurchmesser hat, der mindestens etwa dem Zweifachen des Durchmessers des Emissionseinsatzes (28) entspricht.

11. Elektrode (14) nach Anspruch 10, bei der der Emissionseinsatz (28) eine innere Stirnfläche (30) in dem Hohlraum hat, die der äußeren Stirnfläche (29) entgegengesetzt ist, und bei der die Hülse (32) eine geschlossene Bodenwand (34) hat, die mit der benachbarten Wand des Hohlraums (24) verbunden und der inneren Stirnfläche (30) des Einsatzes (28) so überlagert ist, daß sie die innere Stirnfläche (30) von der benachbarten Wand des Hohlraums (24) trennt.

12. Elektrode (14) nach Anspruch 11, bei der die Hülse (32) einen Ringflansch (35) hat, der so angeordnet ist, daß er die äuße re Ringfläche bildet, und der einen Außendurchmesser hat, welcher wesentlich größer ist als der Außendurchmesser der restlichen Hülse (32).

13. Elektrode (14) nach Anspruch 12, bei der der rohrförmige Halter (16) an seinem hinteren Ende offen ist, so daß er becherförmige Gestalt hat und einen Innenhohlraum (22) begrenzt.

14. Elektrode (14) nach Anspruch 13, bei der die querverlaufende Stirnwand (28) des Halters (16) einen zylindrischen Zapfen (23) hat, der sich längs der Längsachse nach hinten in den Innenhohlraum (22) erstreckt, und wobei sich ein Teil der Längslänge des Hohlraums (24) und des Emissionseinsatzes (28) und der Hülse (32) in den Zapfen (23) erstreckt.

15. Elektrode (14) nach Anspruch 9, bei der der Halter (16) im wesentlichen aus Kupfer gebildet ist.

16. Plasmabrenner (10) mit einer Elektrode (14) gemäß Anspruch 15, einer der querverlaufenden vorderen Stirnwand (18) der Elektrode (14) benachbart angebrachten Düseneinrichtung (12), durch die sich eine mit der Längsachse fluchtende Bohrung (60, 62) erstreckt, einer Einrichtung zum Erzeugen eines elektrischen Lichtbogens, der sich von dem Emissionseinsatz (28) der Elektrode (14) durch die Bohrung (60, 62) und zu einem der Düseneinrichtung (12) benachbart befindlichen Werkstück erstreckt, und einer Einrichtung zum Erzeugen einer Gaswirbelströmung zwischen der Elektrode (14) und der Düseneinrichtung (12) und um eine Plasmaströmung nach außen durch die Bohrung (60, 62) und zu dem Werkstück zu schaffen.

17. Plasmabrenner (10) nach Anspruch 16, bei dem die Düseneinrichtung (12) ein der querverlaufenden vorderen Stirnwand (18) der Elektrode (14) benachbart angebrachtes, oberes Düsenelement (63) mit einer ersten Durchgangsbohrung (60) und mit der Längsachse fluchtend, sowie ein unteres Düsenelement (64) aufweist, welches dem oberen Düsenelement (63) benachbart an der der Elektrode (14) entgegengesetzten Seite desselben angebracht ist und eine zweite Durchgangsbohrung (62) hat, die mit der Längsachse fluchtet, wobei der Brenner (10) ferner eine Einrichtung zum Einführen eines Flüssigkeitsstrahls zwischen dem oberen (63) und unteren (64) Düsenelement und um das Plasma auf seinem Weg durch die zweite Bohrung (62) zu umhüllen aufweist.