ES2294079T3 - Conjunto de catodo para un aparato pulverizador de arco electrico. - Google Patents
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Abstract
Un conjunto de cátodo para su aplicación en un aparato de arco eléctrico, comprendiendo dicho conjunto de cátodo: un sujetador de cátodo (14) que tiene una cavidad (36) de retención de cátodo; un cátodo (12) que tiene una primera porción (26) de un primer diámetro (30), la cual se dispone dentro de dicha cavidad (36) de retención de cátodo, una segunda porción (28) que tiene un segundo diámetro (32) y que extiende desde dicha primera porción (26), y una parte de resalto (33), caracterizado por: un miembro (16) de retención que se fija de manera desmontable a dicho sujetador (14) de cátodo y que incluye una primera abertura (68) a través de la cual se extiende dicha segunda porción (28) de dicho cátodo (12) y una primera superficie interna (65) que encaja dicha parte de resalto (33), eficaz para retener dicho cátodo (12) dentro de dicha cavidad (36).
Description
Conjunto de cátodo para un aparto pulverizador
de arco eléctrico.
Esta invención se refiere a un conjunto de
cátodo para un aparato pulverizador de arco eléctrico.
Los aparatos pulverizadores de arco eléctrico se
utilizan en diversos usos para aplicar capas protectoras a
superficies tales como las superficies metálicas, cerámicas y
compuestas. Un tipo de aparato pulverizador de arco eléctrico
incluye un cátodo y una boquilla de estrangulamiento que se dispone
alrededor del cátodo y que emita gas. El cátodo está conectado
típicamente con un borne negativo de una fuente de alimentación a
través de un generador de alta frecuencia y/o de alta tensión, y se
utiliza para iniciar un arco eléctrico entre el cátodo y la
boquilla. Un chorro de gas a alta velocidad se dirige a un hueco
formado entre el cátodo y la boquilla. El gas se ioniza y se
calienta conforme atraviesa el hueco y es descargado a través de un
orificio pequeño en la boquilla. El orificio dirige el gas de
plasma calentado hacia la punta de un alambre metálico de material
de alimentación. El arco de plasma se pega o "trasfiere" al
alambre metálico, derritiendo así el alambre. El chorro de plasma a
alta velocidad dispersa el metal fundido en partículas finas que
forman una corriente de pulverización que se dirige sobre una
superficie que se desee revestir. Los aparatos pulverizadores de
arco eléctrico se tratan y se describen, por ejemplo, en la patente
de Estados Unidos número 5.808.270 a Marantz y otros, a la cual se
puede hacer referencia para información básica adicional.
El cátodo usado dentro del aparato pulverizador
de arco eléctrico se hace típicamente de tungsteno o de otro
material emisor termoiónico duradero. El cátodo se ajusta dentro de
un sujetador de cátodo, el cual se hace de otro material, tal como
cobre o latón. Particularmente, en los aparatos de la técnica
anterior, el cátodo se retiene típicamente dentro del sujetador
mediante el uso de un proceso de estampación, prensado o de
soldadura con aportación. Durante el funcionamiento, el cátodo se
calienta a unas temperaturas extremadamente altas y el sujetador
ayuda a disipar calor del cátodo. Después de un uso extendido, el
cátodo puede agrietarse debido a las temperaturas extremas y debido
a la disipación de calor limitada proporcionada por el sujetador de
cátodo. Además, el cátodo ajustado se puede desplazar o expulsar
también del sujetador de cátodo debido al ciclo térmico repetido
(es decir, a una dilatación y una contracción térmicas repetidas),
causando así el fallo total de la pistola de plasma. Estas
condiciones extremas pueden causar también la erosión del cátodo y
otros daños. Consecuentemente, la vida de estos cátodos anteriores
es generalmente limitada, y deben ser sustituidos relativamente con
frecuencia, aumentando de este modo el costo de producción y
disminuyendo el rendimiento.
La presente invención intenta proporcionar un
conjunto de cátodo que está diseñado para proporcionar una retención
de cátodo más firme, una gestión mejorada de la transferencia de
calor y menos erosión del cátodo, aumentando de tal manera la vida
del cátodo en relación con los diseños anteriores de cátodo.
Según un primer aspecto de la invención, se
proporciona un conjunto de cátodo para su aplicación en un aparato
de arco eléctrico, comprendiendo dicho conjunto de cátodo un
sujetador de cátodo que tiene una cavidad de retención de cátodo;
un cátodo que tiene una primera porción de un primer diámetro, la
cual se dispone dentro de dicha cavidad de retención de cátodo, una
segunda porción que tiene un segundo diámetro y que extiende desde
dicha primera porción, y una parte de resalto, esta característica
se anticipa en el documento GB 884970 A; y un miembro de retención
que se fija de manera desmontable a dicho sujetador de cátodo y que
incluye una primera abertura a través de la cual se extiende dicha
segunda porción de dicho cátodo y una primera superficie interna
que encaja dicha parte de resalto, eficaz para retener dicho cátodo
dentro de dicha cavidad.
El documento EP 0634777 A1 describe un miembro
de confinamiento dieléctrico para un ataque por productos químicos
asistido por plasma que se pueda considerar un miembro de retención
de cátodo.
La realización preferida de la invención ofrece
varias ventajas. En primer lugar, el cátodo puede tener un diámetro
aumentado y una longitud mayor para lograr unas características
mejoradas de transferencia de calor, contacto eléctrico y
durabilidad. En segundo lugar, se utiliza un método de retención y
un diseño de cátodo positivos que dan lugar a una gestión mejor de
la transferencia de calor y a menos erosión del cátodo que en los
anteriores conjuntos de cátodo. En tercer lugar, la aplicación de un
dispositivo de retención de cátodo evita que el cátodo sea
expulsado del sujetador de cátodo y, en cuarto lugar, el cátodo
puede ser sustituido con relativa facilidad y rapidez.
Según un segundo aspecto de la presente
invención, se proporciona un método para retener un cátodo dentro
de un aparato pulverizador de arco eléctrico, comprendiendo dicho
método las etapas de proporcionar un sujetador de cátodo que tiene
una cavidad para sujetar dicho cátodo; unir dicho sujetador de
cátodo a dicho aparato pulverizador de arco eléctrico; formar una
parte de resalto en dicho cátodo; ajustar dicho cátodo dentro de
dicha cavidad de tal modo que una porción de punta de dicho cátodo
se extienda desde dicha cavidad; proporcionar un miembro de
retención generalmente hueco que tiene una primera abertura; y fijar
de manera desmontable dicho miembro de retención a dicho sujetador
de cátodo, eficaz para causar que dicha parte de punta de dicho
cátodo se extienda a través de dicha abertura y para hacer que una
primera superficie de dicho miembro de retención encaje dicho
resalto, con lo cual se retiene dicho cátodo dentro de dicho
sujetador de cátodo.
A continuación se describirá la invención, a
título de ejemplo, haciendo referencia a los dibujos anexos, en los
cuales:
la Figura 1 es una vista en perspectiva de un
conjunto de cátodo que realiza la invención,
la Figura 2 es una vista en corte con despiece
ordenado del conjunto de cátodo mostrado en la Figura 1, y
la Figura 3 es una vista en corte montada del
conjunto de cátodo mostrado en la Figura 1.
Haciendo ahora referencia a los Figuras 1 - 3,
se muestra en las mismas un conjunto 10 de cátodo, el cuál está
adaptado para su uso dentro de una pistola de pulverizador de arco
eléctrico (no mostrada). Se debería observar que se puede utilizar
también el conjunto 10 en otros tipos de pistolas térmicas de
pulverizador o aplicaciones de plasma tales como el corte por
plasma, los sopletes de ranurado o de soldadura.
El conjunto 10 de cátodo incluye un miembro 12
de cátodo que se dispone o se retiene dentro de un sujetador 14 de
cátodo, y una tuerca casquillo o miembro 16 de retención de cátodo,
que es unido selectivamente y por rosca al sujetador 14 del cátodo.
El conjunto 10 de cátodo está adaptado para ser conectado dentro de
una pistola de pulverizador de arco eléctrico de una manera
convencional. Particularmente, el conjunto 10 de cátodo se puede
ajustar a presión en una porción de una pistola de pulverizador de
arco eléctrico de una manera conocida y convencional.
El cátodo 12 se hace de un material emisor
termoiónico duradero, tungsteno. El cátodo 12 es generalmente
cilíndrico e incluye una primera porción ensanchada o de base 26
que tiene un diámetro 30, y una porción estrechada 28 de extremo de
que se extiende desde la porción 26 y que tiene un diámetro 32 que
es menor que el diámetro 30. En la realización preferida, los
diámetros 30 y 32 son sustancialmente mayores que los diámetros de
cátodo anteriores. En una realización no limitativa, los diámetros
30 y 32 oscilan entre aproximadamente 3/16 de pulgada (4,7 mm) y
aproximadamente ¼ de pulgada (6,3 mm). El cátodo 12 incluye una
arista de retención de cátodo o resalto 33, que en la realización
preferida de la invención, se forma integralmente con el cátodo 12
en la unión de las porciones 26 y 28. En otras encarnaciones
alternativas, la arista anular 33 puede ser de una forma diferente
y/o se puede formar en otras porciones o superficies externas del
cátodo 12. La parte "inferior" de la porción 26 incluye un
borde inclinado o biselado 34, que permite que el cátodo se ajuste
fácilmente dentro de la cavidad 36.
El sujetador 14 de cátodo incluye una primera
cavidad o canal 36 generalmente cilíndrico que se forma en la parte
"superior" 38 del sujetador 14 y que recibe el cátodo 12. La
cavidad 36 tiene un diámetro 40 que es sustancialmente igual al
diámetro 30, permitiendo de tal modo que la porción 26 se ajuste
firmemente dentro de la cavidad 36. El sujetador 14 de cátodo se
hace preferiblemente de un material que disipe el calor tal como
latón o cobre, lo cual permite que el calor generado en el cátodo 12
se disipe a otras porciones del mango de la pistola apartadas del
cátodo 12. La parte superior 38 del sujetador 14 incluye una
superficie externa roscada 60 que se adapta para encajar los hilos
de rosca 62 formados en la superficie interna del miembro o tuerca
16 de retención.
El sujetador 14 de cátodo incluye además una
segunda cavidad o canal generalmente cilíndrico 42 que se forma en
la parte "inferior" 44 del sujetador 14 de cátodo y que recibe
selectivamente un chorro presurizado de gas de plasma de la pistola
de pulverizador. Se forman varias aberturas ovales 22
sustancialmente idénticas a través de la parte de fondo 44 y se
comunican por fluido con el extremo de la cavidad 42. Las aberturas
22 permiten que el gas de plasma recibido sea expulsado en una
corriente apretada de vórtice que es emitida desde una boquilla de
estrangulamiento (no mostrada). La superficie externa de la parte
inferior 44 incluye una hendidura anular 46 y el extremo biselado
18. Cuando el conjunto 10 de cátodo está instalado dentro de una
pistola de pulverizador de arco eléctrico, la parte inferior 44 se
puede colocar a presión dentro de una porción de la pistola, y se
puede disponer un anillo toroidal (no mostrado) dentro de la
hendidura 46, formando de tal modo un cierre hermético entre el
sujetador 14 de cátodo y la pistola.
La tuerca o miembro 16 de retención de cátodo es
generalmente cilíndrico y hueco. El miembro 16 está hecho de un
material conductor del calor con un coeficiente relativamente bajo
de dilatación térmica, y en la realización preferida de la
invención, el miembro 16 está hecho de acero. El miembro 16 incluye
los hilos de rosca 62 que se forman en su superficie interna 64 y
que coinciden con la rosca 60, permitiendo así que se sujete el
miembro 16 firmemente a la parte superior 38 del sujetador 14 de
cátodo. También en la realización preferida, la superficie externa
66 del miembro 16 es hexagonal, permitiendo de este modo que el
miembro 16 sea fijado y retirado del sujetador 14 de cátodo por
medio de una llave convencional. Alternativamente, es posible que
la superficie externa 66 tenga otras formas o características que
permitan que la tuerca sea quitada y colocada fácilmente en el
sujetador 14 por medio de una herramienta o de un dispositivo
adecuado. Además, se pueden sustituir las roscas 60 y 62 por otras
características o dispositivos de fijación que permitan que unir el
miembro 16 al sujetador 14 de cátodo con firmeza y de forma
desmontable.
El miembro 16 de retención incluye además un
canal o abertura superior 68 generalmente circular. La abertura 68
tiene un diámetro 70, el cual es sustancialmente igual al diámetro
32 de la punta 28 del cátodo 12. De este modo, cuando une el
miembro 16 al sujetador 14 de cátodo, la punta 28 se extiende a
través de la abertura 68 y la superficie anular externa de la punta
28 entra en contacto con la superficie 72 que define la abertura
68. Además, cuando se une el miembro 16 al sujetador 14 de cátodo,
la superficie interna "superior" 65 del miembro 16 linda con
el resalto 33, según lo mostrado de mejor modo en la Figura 3,
evitando de este modo que el cátodo 12 sea expulsado del sujetador
14 de cátodo. Debería observarse que en realizaciones alternativas,
el cátodo 12 y la arista o resalto 33 de retención pueden ser de
forma o configuración diferente.
En el funcionamiento, el cátodo 12 se ajusta en
la cavidad 36 y el miembro 16 de retención es atornillado
firmemente sobre el sujetador 14 de cátodo. Durante el
funcionamiento de la pistola de pulverizador, las cantidades
extremas de calor generadas en el cátodo 12 se disipan
eficientemente del cátodo 12 a través del sujetador 14 y a través
del miembro 16 de retención. El calor se disipa del cátodo 12
mediante varias superficies diferentes. Particularmente, se disipa
el calor desde el resalto 33 del cátodo 12 a la superficie 65 del
miembro 16 en la unión 76, desde la superficie externa de la punta
28 de cátodo a la superficie interna 72 del miembro 16 en la unión
74, desde la superficie externa de la porción 26 del cátodo al
sujetador 14 de cátodo en la unión 78, y desde la superficie
inferior de la porción 26 del cátodo al sujetador 14 de cátodo en la
unión 60.
Debido a que el miembro 16 y el sujetador 14 de
cátodo se hacen de materiales diferentes y el material del miembro
16 tiene un coeficiente de dilatación térmica más bajo que el
sujetador 14, el miembro 16 no se aflojará después de realizar unos
ciclos térmicos repetidos. Además, el encaje entre el resalto 33 y
la superficie 65 del miembro 18 proporciona un mecanismo positivo
de retención que evita sustancialmente que el cátodo 12 sea
expulsado del sujetador 14. El encaje por rosca del miembro de
retención y el sujetador 14 permite que el cátodo 12 sea sustituido
con relativa facilidad y rapidez. El conjunto 10 de cátodo
proporciona adicionalmente más área de superficie de contacto desde
la cual se pueda disipar el calor del cátodo 12 con relación a los
diseños anteriores. Es decir, el miembro 16 de retención de cátodo
proporciona dos uniones adicionales 74, 76 desde las que disipar
calor, de las cuales se puede eliminar el calor del cátodo 12. Estas
características permiten también aumentar de manera deseable el
diámetro, la longitud y el tamaño totales del cátodo 12, mejorando
de tal modo las características de gestión térmica del conjunto 10
de cátodo y aumentando la vida del cátodo 12. Por ejemplo, el
miembro 14 de retención permite que la punta 28 del cátodo se
extienda una distancia significativa fuera del sujetador 14 de
cátodo y proporciona dos superficies adicionales en las cuales se
puede disipar el calor del cátodo 12. El conjunto 10 de cátodo
reducirá también el tiempo muerto de producción y aumentará el
rendimiento de la producción debido a la mayor vida del cátodo 12 y
a su superior capacidad de reemplazo rápido.
La invención se define por las
reivindicaciones.
Claims (10)
1. Un conjunto de cátodo para su aplicación en
un aparato de arco eléctrico, comprendiendo dicho conjunto de
cátodo:
- un sujetador de cátodo (14) que tiene una cavidad (36) de retención de cátodo;
- un cátodo (12) que tiene una primera porción (26) de un primer diámetro (30), la cual se dispone dentro de dicha cavidad (36) de retención de cátodo, una segunda porción (28) que tiene un segundo diámetro (32) y que extiende desde dicha primera porción (26), y una parte de resalto (33), caracterizado por:
- un miembro (16) de retención que se fija de manera desmontable a dicho sujetador (14) de cátodo y que incluye una primera abertura (68) a través de la cual se extiende dicha segunda porción (28) de dicho cátodo (12) y una primera superficie interna (65) que encaja dicha parte de resalto (33), eficaz para retener dicho cátodo (12) dentro de dicha cavidad (36).
2. Un conjunto de cátodo como el de la
reivindicación 1, en el que dicho cátodo (12) es generalmente
cilíndrico.
3. Un conjunto de cátodo como el de la
reivindicación 2, en el que el primer diámetro (30) es mayor que
dicho segundo diámetro (32).
4. Un conjunto de cátodo como el de la
reivindicación 3, en el que el segundo diámetro (32) de dicho cátodo
(12) es sustancialmente igual al diámetro (70) de dicha primera
abertura (68).
5. Un conjunto de cátodo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho cátodo (12)
está hecho de un material de tungsteno.
6. Un conjunto de cátodo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho sujetador (14)
de cátodo está hecho de un material de latón.
7. Un conjunto de cátodo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho miembro de
retención está hecho de un material de acero.
8. Un conjunto de cátodo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho miembro (16)
de retención está en encaje por rosca con dicho sujetador (14) de
cátodo.
9. Un conjunto de cátodo como el de cualquiera
de las reivindicaciones precedentes, en el que dicho sujetador (14)
de cátodo incluye adicionalmente una parte inferior (44) que tiene
un canal (42) para recibir selectivamente gas a presión, y varias
aberturas (22) que se comunican con dicho canal (42) y las cuales
permiten que dicho gas a presión recibido sea emitido en una
corriente de vórtice desde dicho canal (42).
10. Un método para retener un cátodo dentro de
un aparato pulverizador de arco eléctrico, comprendiendo dicho
método las etapas de:
- proporcionar un sujetador (14) de cátodo que tiene una cavidad (36) para sujetar dicho cátodo (12);
- unir dicho sujetador (14) de cátodo a dicho aparato pulverizador de arco eléctrico;
- formar una parte de resalto (33) en dicho cátodo (12);
- ajustar dicho cátodo (12) dentro de dicha cavidad de tal modo que una porción de punta (28) de dicho cátodo (12) se extienda desde dicha cavidad (36);
- proporcionar un miembro de retención (16) generalmente hueco que tiene una primera abertura (68); y
- fijar de manera desmontable dicho miembro de retención (16) a dicho sujetador (14) de cátodo, eficaz para causar que dicha parte de punta (28) de dicho cátodo (12) se extienda a través de dicha abertura (68) y para hacer que una primera superficie (65) de dicho miembro de retención (16) encaje dicho resalto (33), con lo cual se retiene dicho cátodo (12) dentro de dicho sujetador (14) de cátodo.
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