ES2265312T3 - Tobera de plasma. - Google Patents
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Abstract
Tobera de plasma para el pretratamiento de las superficies con un tratamiento de plasma, - con una carcasa (10) tubular que presenta un eje (A) que forma un canal de tobera (16) circulado por el que circula un gas de trabajo, - con un electrodo (24) dispuesto coaxialmente respecto al eje (A) en el canal de tobera (16) y - con un contraelectrodo que rodea el canal de tobera (16), - estando previsto un generador de alta tensión para generar una tensión alterna de alta frecuencia entre el electrodo (24) y el contraelectrodo, caracterizada porque - la desembocadura (18) del canal de tobera (16) está desviado frente al eje (A) de la carcasa (10).
Description
Tobera de plasma.
La invención se refiere a una tobera de plasma
para el pretratamiento de las superficies con una carcasa tubular
que presenta un eje, que forma un canal de tobera por el que circula
un gas de trabajo, con un electrodo dispuesto coaxialmente respecto
al eje en el canal de tobera y con un contraelectrodo que rodea el
canal de tobera, estando previsto un generador de alta tensión para
la generación de una tensión alterna de alta frecuencia entre el
electrodo y el contraelectrodo.
Una tobera de plasma de este tipo se describe en
el documento DE 195 32 412 A y sirve para, por ejemplo, pretratar
superficies plásticas de forma que se hace posible o se facilita una
aplicación de adhesivos, tintas de imprenta y similares sobre la
superficie plástica. Un pretratamiento similar es necesario ya que
las superficies plásticas no pueden humedecerse en circunstancias
normales con líquidos, y por ese motivo no absorben la tinta de
imprenta o el adhesivo. Mediante el pretratamiento se cambia la
estructura superficial del plástico de forma que la superficie
puede humedecerse por líquidos con una tensión superficial
relativamente alta. La tensión superficial de los líquidos, con los
que puede humedecerse justo la superficie, representa una medida
para la calidad del pretratamiento.
Mediante la tobera de plasma conocida se
consigue un chorro de plasma proporcionalmente frío, sin embargo,
de alta reactividad que tiene aproximadamente la forma y dimensiones
de una llama de vela, y desarrolla por lo tanto también el
pretratamiento de piezas de perfil con relieves proporcionalmente
profundos. A causa de la elevada reactividad del chorro de plasma
es suficiente un pretratamiento muy breve, de forma que la pieza de
trabajo puede pasarse por delante del chorro de plasma con una
velocidad correspondientemente elevada. Por eso, a causa de la
temperatura comparablemente baja del chorro de plasma es posible
también el pretratamiento de plásticos sensibles al calor. Ya que
no es necesario ningún contraelectrodo sobre la cara posterior de
la pieza de trabajo, pueden pretratarse sin problemas también las
superficies de piezas de trabajo, cuerpos huecos de cualquier
grosor, en forma de bloque. Para un tratamiento regular de
superficies grandes ha sido propuesta, en la publicación nombrada,
una batería de varias toberas de plasma dispuestas al tresbolillo.
Sin embargo, en este caso es necesario un gasto relativamente
elevado de aparatos.
Para el pretratamiento de grandes superficies se
conoce también un dispositivo del documento DE 298 05 999 U, en el
que dos toberas de plasma están dispuestas excéntricas y con ejes
paralelos sobre una cabeza de rotación común, de forma que cuando
la superficie se pinta por encima con la cabeza de rotación se
pretrata una tira cuya anchura corresponde al diámetro de la cabeza
de rotación. Sin embargo, este dispositivo no es apropiado para el
tratamiento de superficies abovedadas cuyo radio de curvatura se
encuentra en el orden de magnitud del diámetro de la cabeza de
rotación. Además, a causa de la disposición excéntrica de al menos
dos toberas y a causa de la velocidad de rotación relativamente
elevada aparecen fuerzas inerciales y fuerzas centrífugas cuando la
cabeza de rotación se mueve en varios ejes, por ejemplo, con la
ayuda de un brazo robotizado.
El plasma se expele generalmente en las toberas
de plasma conocidas en la dirección axial del canal de tobera. Esto
tiene la desventaja en piezas de trabajo complicadamente conformadas
de que los lugares a tratar solo pueden alcanzarse frecuentemente
con dificultad, especialmente cuando la tobera se conduce a lo largo
de la pieza de trabajo con la ayuda de un robot.
Del estado de la técnica de los documentos FR 2
672 459 A1, DE 36 12 722 A1 y US 5,278,387 A se conocen sopletes de
plasma o bien cortes con chorro de plasma, que cada vez generan un
chorro de plasma de alta energía con temperatura elevada cuyos
chorros de plasma bien concentrados se desvían cerca de la salida.
Los chorros de plasma se emplean para la fundición de materiales
superficiales y para soldar piezas de trabajo.
El objetivo de la invención es por eso lograr
una tobera de plasma con la que puedan pretratarse más rápido las
zonas superficiales deseadas de la pieza de trabajo.
Este objetivo se resuelve en una tobera de
plasma del tipo nombrado al inicio de forma que la desembocadura del
canal de tobera está desviada frente al eje de la carcasa.
Con esta tobera se genera por lo tanto un chorro
de plasma que está dirigido inclinado respecto al eje del canal de
tobera de forma que pueden alcanzarse mejor, por ejemplo, cortes
posteriores en una pieza de trabajo.
Aunque el chorro de plasma se aparta de la
dirección axial inicial en la desembocadura de la tobera, se ha
mostrado en ensayos que la estabilidad del chorro de plasma y su
eficacia no se perjudica por el pretratamiento de las
superficies.
La carcasa o al menos la parte que forma el
canal de tobera o la boquilla puede girarse de forma preferida
frente a la carcasa alrededor de su eje. Cuando la carcasa o bien la
boquilla se desplaza en el giro rápido y se conduce la tobera de
plasma a lo largo de la pieza de trabajo, puede tratarse por lo
tanto una tira de superficie en una pasada, cuya anchura es
esencialmente mayor que el diámetro del chorro de plasma. Ya que
sólo se trabaja con una única tobera, el coste de aparatos es
claramente menor que en la cabeza de rotación descrita
anteriormente. Además, se originan fuerzas inerciales claramente
menores ya que la carcasa rota alrededor de su eje longitudinal. Se
logra por lo tanto una tobera de plasma que presenta una estructura
compacta y, sin embargo, hace posible un tratamiento racional con
plasma de superficies mayores.
La carcasa o bien la boquilla pueden girarse por
consiguiente relativamente respecto a los electrodos dispuestos en
el canal de tobera y respecto al mecanismo de alimentación para el
gas de trabajo de forma que este electrodo y el mecanismo de
alimentación de gas pueden mantenerse no girables, y solo rota la
carcasa que rodea o bien sólo la boquilla. Para el suministro de
tensión del electrodo y para la alimentación del gas de trabajo no
se necesitan por ese motivo ningún contacto por rozamiento,
boquillas de paso de giro o similares. El contraelectrodo puede
formarse directamente por la carcasa que gira, y preferiblemente
está puesto a tierra de forma que no son necesarias ninguna medida
de protección contra contacto para la carcasa y el accionamiento
rotatorio correspondiente.
El ángulo de desviación del chorro de plasma
relativamente respecto al eje de giro puede elegirse según las
necesidades y puede ser, por ejemplo, también de 90º. En esta forma
de realización la tobera de plasma es apropiada especialmente para
el pretratamiento de las superficies interiores de tubos y
mangueras. Por ejemplo, es posible montar la tobera de plasma
dentro del paso anular de una herramienta de extrusión de forma que
un tramo de tubería recién extrusionada puede pretratarse
directamente tras su salida del
extrusor.
extrusor.
Como en la tobera de plasma convencional
descrita a inicio, el gas de trabajo se trenza preferiblemente de
forma que fluye de forma turbulenta a través del canal de tobera y
por eso canaliza el arco voltaico formado entre el electrodo y el
contraelectrodo hasta la zona de desembocadura del canal de tobera
en el núcleo de remolino. De esta forma se estabiliza el chorro de
plasma y en el núcleo de remolino llega a un contacto intenso entre
el gas de trabajo y el arco voltaico de forma que aumenta la
reactividad del plasma.
A continuación se explican detalladamente unos
ejemplos de realización mediante el dibujo. Muestra la:
Fig. 1 un corte axial a través de la tobera de
plasma; y
Fig. 2 un corte a través de la zona de
desembocadura de una tobera de plasma según una forma de realización
modificada.
La tobera de plasma mostrada en la figura 1
presenta una carcasa 10 tubular que se ensancha en diámetro en su
zona superior en el dibujo y está montada giratoria sobre un tubo de
soporte fijo con la ayuda de un cojinete 12. En el interior de la
carcasa 10 se forma un canal de tobera 16 que conduce desde el
extremo abierto del tubo de soporte 14 hasta una desembocadura 18 en
el dibujo extremo inferior de la carcasa.
En el tubo de soporte 14 está colocado un tubo
cerámico 20 que aísla eléctricamente. Un gas de trabajo, por
ejemplo, aire se alimenta a través del tubo de soporte 14 y el tubo
cerámico 20 en el canal de tobera 16. Con la ayuda de un
dispositivo de vórtice 22 colocado en el tubo cerámico 20 se trenza
el gas de trabajo de forma que fluye de forma turbulenta a través
del canal de tobera 16 hasta la desembocadura 18, como se simboliza
en el dibujo por una flecha helicoidal. En el canal de tobera 16 se
origina así un núcleo de remolino que discurre a lo largo del eje A
de la carcasa.
En el mecanismo de vórtice 22 está montado un
electrodo 24 con forma de espiga que sobresale coaxialmente en el
canal de tobera 16 y en el que con la ayuda de un generador de alta
tensión se aplica una tensión alterna de alta frecuencia. La
carcasa 10 consistente en metal está puesta a tierra a través del
cojinete 12 y la tubería de soporte 14, y sirve como
contraelectrodo de forma que puede producirse una descarga eléctrica
entre los electrodos 24 y la carcasa 10. Al conectar el generador
de alta tensión 26 lleva al principio a una descarga de efecto
corona en el mecanismo de vórtice 22 y en el electrodo 24 a causa de
la alta frecuencia de la tensión alterna y a causa de la
dielectricidad del tubo cerámico 20. Mediante esta descarga de
efecto corona se desencadena una descarga por arco voltaico del
electrodo 24 a la carcasa 10. El arco voltaico de esta descarga se
aprovecha por el gas de trabajo que fluye trenzado y se canaliza en
el núcleo del flujo de gas turbulento, de forma que el arco
voltaico discurre luego casi linealmente de la punta del electrodo
24 a lo largo del eje A y se ramifica radialmente solo en la zona
de la desembocadura de la carcasa 10 sobre la pared de la carcasa.
De esta manera se genera un chorro de plasma 28 que sale a través
de la desembocadura 18.
La desembocadura 18 del canal de tobera se forma
mediante una boquilla 30 de metal que está enroscada en un orificio
roscado 32 de la carcasa 10, y en la que está realizado un canal 34
estrechado hacia la desembocadura 18 y que discurre inclinado
respecto al eje A. De esta forma el chorro de plasma que sale de la
desembocadura 18 forma un ángulo con el eje A de la carcasa que en
el ejemplo mostrado es aproximadamente de 45º. Mediante el cambio
de una boquilla 30 puede variarse este ángulo según las
necesidades.
En la parte superior ensanchada de la carcasa 10
está dispuesta una rueda dentada 36 que está en contacto de
accionamiento con un motor no mostrado, por ejemplo, a través de una
correa dentada o un piñón. En funcionamiento permite rotar la
carcasa 10 accionada por el motor con revoluciones elevadas
alrededor del eje A, de forma que el chorro de plasma 28 describe
una superficie cónica que pinta encima la superficie a procesar de
una pieza de trabajo no mostrada. Cuando luego la tobera de plasma
se mueve a lo largo de la superficie de la pieza de trabajo, o al
revés, la pieza de trabajo se mueve a lo largo de la tobera de
plasma, se consigue así un pretratamiento relativamente regular de
la superficie de la pieza de trabajo sobre una tira cuya anchura
corresponde al diámetro del cono descrito por el chorro de plasma 28
sobre la superficie de la pieza de trabajo. Por variación de la
distancia entre la boquilla 30 y la pieza de trabajo puede
influenciarse la anchura de la zona pretratada. Mediante el chorro
de plasma 28 que incide inclinadamente sobre la superficie de la
pieza de trabajo, que por su lado está trenzado, se consigue una
acción intensiva del plasma sobre la superficie de pieza de
trabajo. Además, la dirección de trenzado del chorro de plasma puede
ser en el mismo sentido o en sentido contrario respecto a la
dirección de rotación de la carcasa 10.
La figura 2 muestra una forma de realización en
la que sólo la boquilla 30 puede girarse relativamente respecto a
la carcasa 10 estacionaria. La carcasa 10 se estrecha cónicamente
aquí en su extremo en el lado de descarga y forma un cojinete axial
/ radial para una parte cónicamente ensanchada contra la corriente
de la boquilla 30. El cojinete está realizado en el ejemplo
mostrado como cojinete magnético 38. La boquilla 30 se presiona por
la presión dinámica del aire que escapa contra la superficie de
apoyo cónica de la carcasa 10, sin embargo, el cojinete magnético
38 se mantiene sin contacto en la carcasa, de forma que sobre la
periferia total forma una hendidura estrecha con la carcasa con una
anchura de aproximadamente sólo 0,1 a 0,2 mm. La puesta a tierra
de la boquilla 30 se realiza por descarga disruptiva a través de
esta
hendidura.
hendidura.
Como accionamiento rotatorio para la boquilla 30
está previsto en el ejemplo mostrado un accionamiento aerodinámico,
por ejemplo, en la forma de una tobera de aire 40, por la que se
soplan tangencialmente con aire paletas 42 dispuestas en la
periferia exterior de la boquilla. A elección puede realizarse el
accionamiento aerodinámico también por las paletas o nervios
dispuestos en el interior de la boquilla que se impactan por el aire
que fluye trenzado a través del canal 34. Finalmente, puede
generarse el movimiento de giro de la boquilla 30 también de forma
que la desembocadura 18 se coloca un poco en la dirección periférica
de forma que la boquilla se pone en giro por el retroceso del aire
que escapa.
Esta forma de realización tiene la ventaja de
que el accionamiento rotatorio se simplifica constructivamente y se
limita a un mínimo el momento de inercia de la masa que rota.
Claims (20)
1. Tobera de plasma para el pretratamiento de
las superficies con un tratamiento de plasma,
- -
- con una carcasa (10) tubular que presenta un eje (A) que forma un canal de tobera (16) circulado por el que circula un gas de trabajo,
- -
- con un electrodo (24) dispuesto coaxialmente respecto al eje (A) en el canal de tobera (16) y
- -
- con un contraelectrodo que rodea el canal de tobera (16),
- -
- estando previsto un generador de alta tensión para generar una tensión alterna de alta frecuencia entre el electrodo (24) y el contraelectrodo,
caracterizada
porque
- -
- la desembocadura (18) del canal de tobera (16) está desviado frente al eje (A) de la carcasa (10).
2. Tobera de plasma según la reivindicación 1,
caracterizada porque la desembocadura (18) puede girarse
relativamente respecto al electrodo (24) fijo alrededor del eje (A)
de la carcasa (10).
3. Tobera de plasma según la reivindicación 1 ó
2, caracterizada porque
- -
- la desembocadura (18) del canal de tobera (16) está formado por una boquilla (30) insertada en la carcasa (10) y
- -
- en la boquilla (39) está realizado un canal (34) que discurre inclinado respecto al eje (A) de la carcasa (10).
4. Tobera de plasma según la reivindicación 3,
caracterizada porque el canal (34) formado en la boquilla
(30) se estrecha hacia el extremo libre.
5. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque
- -
- la carcasa (10) está unida no girable con la boquilla (30) y
- -
- la carcasa (10) puede girarse relativamente respecto al electrodo (24) fijo y dispuesto en el canal de tobera (16) alrededor del eje (A).
6. Tobera de plasma según la reivindicación 5,
caracterizada porque la carcasa (10) está montada girable
sobre un tubo de soporte (14).
7. Tobera de plasma según la reivindicación 6,
caracterizada porque el tubo de soporte (14) sirve para el
suministro del gas de trabajo.
8. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 5 a 7, caracterizada porque la carcasa (10)
está unida a través de un cojinete (12) conductor de la electricidad
con el tubo de soporte (14).
9. Tobera de plasma según las reivindicaciones
5 a 8, caracterizada porque la carcasa (10) porta en su
periferia exterior una rueda dentada (36) o una polea de transmisión
para el accionamiento rotatorio de la carcasa.
10. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 1 a 4, caracterizada porque
- -
- la carcasa (10) está dispuesta no girable frente al electrodo (24) fijo y
- -
- la boquilla (30) está montada girable en la carcasa (10).
11. Tobera de plasma según la reivindicación 10,
caracterizada porque la boquilla (30) está montada sin
contacto en la carcasa (10) con la ayuda de un cojinete, por
ejemplo, un cojinete magnético
(38).
(38).
12. Tobera de plasma según la reivindicación 11,
caracterizada porque la hendidura de cojinete entre la
carcasa (10) y la boquilla (30) está dimensionada de forma que la
boquilla (30) se pone a tierra por descarga disruptiva a través de
esta hendidura.
13. Tobera de plasma según la reivindicación 11
ó 12, caracterizada porque el cojinete (38) entre la carcasa
(10) y la boquilla (32) es un cojinete axial / radial y porque la
boquilla (30) está pretensada dinámicamente frente el cojinete por
el gas de trabajo que la atraviesa.
14. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 10 a 13, caracterizada porque está previsto
un accionamiento rotatorio aerodinámico para la boquilla (30).
15. Tobera de plasma según la reivindicación
14, caracterizada porque el accionamiento rotatorio
aerodinámico está realizado como tobera de aire (40) y como paletas
(42) dispuestas en la periferia exterior de la boquilla (30).
16. Tobera de plasma según la reivindicación
14, caracterizada porque el accionamiento rotatorio
aerodinámico está realizado como paletas o nervios dispuestos en el
interior de la boquilla (30).
17. Tobera de plasma según la reivindicación
14, caracterizada porque el accionamiento rotatorio
aerodinámico está realizado por una incidencia de la desembocadura
(18) en la dirección periférica.
18. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 1 a 17, caracterizada porque el
contraelectrodo se forma por la carcasa (10).
19. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 1 a 18, caracterizada porque el
contraelectrodo está puesto a tierra.
20. Tobera de plasma según una de las
reivindicaciones 1 a 19, caracterizada porque está previsto
un dispositivo de vórtice (22) que genera una corriente turbulenta
del gas de trabajo en el canal de tobera (16).
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