WO2020249595A1

WO2020249595A1 - Verfahren zur behandlung der oberfläche von werkstücken mit hilfe eines plasmastrahls und plasmabrenner zur durchführung eines solchen verfahrens

Info

Publication number: WO2020249595A1
Application number: PCT/EP2020/066042
Authority: WO
Inventors: Alen MEHIC; Andreas Leonhartsberger
Original assignee: Fronius International GmbH
Current assignee: Fronius International GmbH
Priority date: 2019-06-14
Filing date: 2020-06-10
Publication date: 2020-12-17
Anticipated expiration: 2021-12-14
Also published as: EP3751967A1

Abstract

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung der Oberfläche (0) von Werkstücken (W) mit Hilfe eines Plasmastrahls (P) unter Atmosphärendruck und einen Plasmabrenner (1) zur Durchführung eines solchen Verfahrens, mit einer Kathode (2) mit einem freien Ende (2') und einer als Düse (4) mit einer Öffnung (5) ausgebildeten Anode (3), welche mit einer Stromquelle (7) zum Anlegen eines Stromes (I) zur Bildung eines Lichtbogens (L) zwischen dem freien Ende (2') der Kathode (2) und der Anode (3) verbunden sind, und mit einer Zuleitung (8) zur Einströmung eines Prozessgases (G) in die Düse (4). Zur Verbesserung des Verfahrens und zur Erhöhung der Standzeit der Düse (4) ist vorgesehen, dass die Zuleitung (8) für das Prozessgas (G) in zumindest einem spiralförmigen Gaskanal (6) zwischen Kathode (2) und Düse (4) mündet, sodass der Lichtbogen (L) in der als Düse (4) ausgebildeten Anode (3) um das freie Ende (2') der Kathode (2) rotiert.

Description

Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken mit Hil- fe eines Plasmastrahls und Plasmabrenner zur Durchführung eines

solchen Verfahrens

Die Erfindung betrifft ein Verfahren zur Behandlung der Oberflä che von Werkstücken mit Hilfe eines Plasmastrahls unter Atmo sphärendruck, wobei zwischen einem freien Ende einer Kathode eines Plasmabrenners und einer als Düse mit einer Öffnung ausge bildeten Anode durch Anlegen eines Stromes ein Lichtbogen zwi schen dem freien Ende der Kathode und der Anode erzeugt wird, und in die Düse ein Prozessgas eingeströmt wird, und durch Anre gung des Prozessgases durch den Lichtbogen der Plasmastrahl ge bildet wird, welcher über die zu bearbeitende Oberfläche des Werkstücks geführt wird, wobei das Prozessgas über zumindest ei nen spiralförmigen Gaskanal in die Düse geströmt wird, und da durch der Lichtbogen in der als Düse ausgebildeten Anode um das freie Ende der Kathode rotiert.

Die Erfindung betrifft weiters einen Plasmabrenner zur Erzeugung eines Plasmastrahls unter Atmosphärendruck zur Bearbeitung der Oberfläche von Werkstücken, mit einer Kathode mit einem freien Ende und einer als Düse mit einer Öffnung ausgebildeten Anode, welche mit einer Stromquelle zum Anlegen eines Stromes zur Bil dung eines Lichtbogens zwischen dem freien Ende der Kathode und der Anode verbunden sind, und mit einer Zuleitung zur Einströ mung eines Prozessgases in die Düse, wobei die Zuleitung für das Prozessgas in zumindest einem spiralförmigen Gaskanal zwischen Kathode und Düse mündet, sodass der Lichtbogen in der als Düse ausgebildeten Anode um das freie Ende der Kathode rotiert.

Die Behandlung von Oberflächen von Werkstücken mit Plasmen in Niederdruckkammern ist ein bereits gut etabliertes und bekanntes Verfahren, welches schon seit vielen Jahren industriell einge setzt wird. Niederdruckplasmen zeichnen sich durch eine gute Spaltgängigkeit und hohe Wirksamkeit aus. Sie eignen sich gut für die Behandlung von Kleinteilen und auch von Schüttgut. Nach teilig sind neben hohen Investitionskosten die erforderliche Prozesszeit zum Abpumpen der Plasmakammern und die fehlende Mög lichkeit die Plasmabehandlung In-Line durchführen zu können. Auch die Behandlung von größeren Werkstücken wird durch die da- für notwendigen großen Vakuumkammern rasch unwirtschaftlich.

Zur Erzeugung eines Plasmastrahls unter Atmosphärendruck wird üblicherweise ein spezielles Prozessgas verwendet (beispielswei se aufbereitete Luft, N₂, He, Ar) , welches im Plasmabrenner durch Zuführen elektrischer Energie in den Plasmazustand gebracht wird. Dieses Plasma wird über eine Düse auf die zu behandelnde Oberfläche des Werkstücks geführt, während der Plasmabrenner mit definiertem Abstand und Geschwindigkeit über die Oberfläche des Werkstücks bewegt wird. Dabei kommt es zu Wechselwirkungen des Plasmas mit der Umgebungsluft („Quenching" , Einmischen der Luft moleküle durch turbulente Strömungen) und zu Wechselwirkungen mit der zu behandelnden Oberfläche. Die In-Line Fähigkeit und die daraus resultierende, einfache Integrierbarkeit des Prozes ses in bestehende Produktionsketten sind die bedeutendsten Vor teile dieses Verfahrens. Einschränkungen ergeben sich bei der Behandlung von Schüttgut und Kleinteilen, sofern sich diese nicht in ausreichendem Maße vor dem Plasmabrenner platzieren lassen .

Der Lichtbogen des Plasmabrenners brennt zwischen Kathode und als Düse ausgebildeter Anode, man spricht in diesem Fall vom so genannten „nicht übertragenen Lichtbogen-Betrieb" . Derartige Plasmabrenner, welche mit einem nicht übertragenden Lichtbogen ( Pilotlichtbogen) betrieben werden, können für Oberflächenbe handlungen in geeigneter Weise eingesetzt werden. Dabei wird mittels Lichtbogen vorbeiströmendes Prozessgas in den plasmaför migen Zustand überführt. Im Bereich der Düse des Plasmabrenners kommt es zur Ausbildung einer Plasmaflamme. Diese Flamme kann gezielt zur Oberflächenbehandlung verwendet werden. Mögliche An wendungen sind zum Beispiel die Entfernung organischer Verunrei nigungen wie zum Beispiel Ölrückstände sowie Trockenschmierstoffe. Dieses Verfahren hat prinzipiell zwei Wirkmechanismen. Einerseits die Plasma-Aktivierung andererseits die thermische Wirkung des Heißplasmastrahls. Letztere steht hierbei im Vordergrund. Durch die hohen potentiellen Temperatu ren können auch Prozesse wie Vorwärmen, Nachwärmen, Entfestigen sowie Aufschmelzen von Beschichtungen realisiert werden.

Beim gegenständlichen Verfahren wird über eine Stromquelle ein Lichtbogen zwischen einer negativ gepolten Kathode und einer po sitiv gepolten Anode, welche als Düse ausgebildet ist, gezündet. Das plasmafähige Medium bzw. das Prozessgas wird über eine ent sprechende Leitung zum Plasmabrenner geführt und dort durch den Lichtbogen das Plasma erzeugt. Der Plasmastrahl tritt stromlos aus der Düse aus, wo er aufgrund der hohen Energiedichte zum Be arbeiten der Oberfläche von Werkstücken verwendet werden kann.

Beispielsweise beschreibt die EP 986 939 Bl eine Vorrichtung zur Plasmabehandlung von Oberflächen, wobei mit geringem apparativen Aufwand eine schnelle und effiziente Bearbeitung größerer Ober flächen von Werkstücken ermöglicht wird, indem ein Rotationskopf vorgesehen ist.

Die FR 1 350 055 A beschreibt einen Plasmabrenner der gegen ständlichen Art, wobei durch eine spiralförmige Zuleitung des Prozessgases eine Rotation des Lichtbogens und somit eine Stabi lisierung desselben erzielt wird.

Die US 4 782 210 A offenbart eine Elektrode eines Plasmabrenners mit einer gratförmigen Gestaltung, wodurch die Stabilität des Lichtbogens erhöht werden kann. Ein spiralförmiger Gaskanal für die Führung des Prozessgases wird nicht offenbart.

In der WO 2017/194635 Al, GB 2 534 890 A und US 3,171,010 A) sind ebenfalls Plasmabrenner mit spiralförmigen Gaskanälen zur Verbesserung der Stabilität des Lichtbogens bekannt geworden.

Ein großer Nachteil bei herkömmlichen Verfahren zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken mit Hilfe eines Plasmastrahls und bei herkömmlichen Plasmabrennern zur Durchführung eines solchen Verfahrens ist der rasche Verschleiß von Komponenten, insbeson dere der Düse, der Kathode, aber auch der Isolierhülse zwischen Kathode und Anode, sowie der Spannhülse für die Kathode, des Plasmabrenners und die resultierende geringe Standzeit. Übli cherweise ist es erforderlich, die Düse nach etwa einer Stunde Betriebszeit auszutauschen. Dies bedeutet eine Unterbrechung des Bearbeitungsverfahrens und Zeit und Kosten für den Wechsel der Düse . Die Aufgabe der vorliegenden Erfindung besteht in der Schaffung eines oben genannten Verfahrens zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken mit Hilfe eines Plasmastrahls unter Atmosphären druck und eines Plasmabrenners zur Durchführung eines solchen Verfahrens, wodurch eine optimale Bearbeitung über längere Zeit räume gewährleistet werden kann, ohne dass Verschleißteile, ins besondere die Düse des Plasmabrenners, bereits nach kurzen Bearbeitungszeiten ausgetauscht werden müssen. Nachteile des Standes der Technik sollen verhindert oder zumindest reduziert werden .

Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe in verfahrensmäßiger Hinsicht dadurch, dass der Lichtbogen durch Anlegen eines ge pulsten Stromes mit Strompulse mit verschi_lffenen Kanten erzeugt wird. Durch die erzwungene Rotation des relativ kurzen Lichtbo gens innerhalb der als Düse ausgebildeten Anode kann der Licht bogen nicht lokal an einer Stelle auf der Düse verharren und rotiert ständig um die Öffnung der Düse. Durch das Verhindern eines Verharrens des Lichtbogens an einem Punkt der Anode können übliche lokale Temperaturerhöhungen, welche innerhalb kurzer Zeit zu thermischer Materialschädigung führen würden, verhindert werden. Durch das stetige Rotieren des Lichtbogens um die Öff nung der als Düse ausgebildeten Anode folgt eine gleichmäßige Wärmeverteilung, was zu einer deutlichen Anhebung der Lebensdau er der Düse, aber auch anderer Verschleißteile, wie zum Beispiel einer Spannhülse der Kathode oder einer zwischen Kathode und Anode angeordneten Isolierhülse aus keramischem Material, führt. Anwendungen haben eine Erhöhung der Lebensdauer der Düse von 1 Stunde auf mehr als 24 Stunden ergeben. Die Rotation des Pro zessgases wird in einfacher Weise durch spiralförmige Einströ mung des Prozessgases über entsprechende Kanäle erzielt. Neben der längeren Lebensdauer der Verschleißteile kann durch die Ro tation des Lichtbogens auch ein verringerter Geräuschpegel beim Bearbeitungsverfahren erzielt werden. Durch entsprechende Ge staltung des zumindest einen spiralförmigen Gaskanals kann Ein fluss auf die Rotationsgeschwindigkeit des Lichtbogens und somit Einfluss auf den Geräuschpegel bei der Oberflächenbehandlung des Werkstücks genommen werden. Durch die Erzeugung des Lichtbogens durch Anlegen eines gepulsten Stromes kann eine verbesserte Rei nigungswirkung bei der Oberflächenbehandlung und eine weitere Verringerung der Verschleißerscheinungen von Komponenten des Plasmabrenners erreicht werden. Durch die verschi_lffenen Kanten der Strompulse können weiters die Geräusche beim Erzeugen des Lichtbogens reduziert werden.

Der Lichtbogen wird vorzugsweise durch Gleichstrom mit einer Stromstärke zwischen 10 und 500 A, bevorzugt zwischen 35 und 200 A, erzeugt. Die Spannung zur Erzeugung des Lichtbogens liegt üb licherweise im Bereich zwischen 10 V und 30 V.

Vorzugsweise wird der Lichtbogen durch Anlegen eines gepulsten Stromes mit einer Pulsfrequenz zwischen 1 Hz und 40 kHz erzeugt. Durch geeignete Wahl der Pulsfrequenz des Stromes zur Erzeugung des Lichtbogens können die Geräusche des Plasmabrenners während der Oberflächenbearbeitung weiter reduziert werden, indem die Pulsfrequenz in einen Bereich von etwa kleiner 2 kHz oder etwa größer 15 kHz gelegt wird.

Als Prozessgas kann beispielsweise Argon verwendet werden. Auch der Einsatz von Druckluft ist möglich, was natürlich hinsicht lich der Verfügbarkeit und Kosten Vorteile bringt.

Das Prozessgas wird beispielsweise mit einem Durchfluss zwischen 5 1/min und 30 1/min, bevorzugt zwischen 7 1/min und 20 1/min, in die Düse eingeströmt. Durch entsprechende Wahl der Durch flussmenge an Prozessgas pro Zeiteinheit kann auch auf die Rota tionsgeschwindigkeit des Lichtbogens und die Geräuschentwicklung bei der Plasmabearbeitung Einfluss genommen werden.

Der Lichtbogen kann mit einer Rotationsgeschwindigkeit zwischen 500 U/min und 3000000 U/min, bevorzugt zwischen und 100000 U/min und 300000 U/min, rotieren. Die Rotationsgeschwindigkeit wird durch die Gestaltung des zumindest einen spiralförmigen Gaska nals für das Prozessgas, die Durchflussmenge des Prozessgases, aber auch die Pulsfrequenz des Stromes zur Erzeugung des Licht bogens beeinflusst.

Um die Lebensdauer der Düse noch weiter erhöhen zu können, wird die Düse gekühlt, vorzugsweise mit einer Kühlflüssigkeit, wie zum Beispiel Kühlwasser mit entsprechenden Zusätzen. Gelöst wird die erfindungsgemäße Aufgabe auch durch einen oben genannten Plasmabrenner, wobei die Kathode in einer zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material, bevorzugt Metall, gebildeten Spannhülse angeordnet ist und der zumindest eine spi ralförmige Gaskanal am Mantel der Spannhülse integriert ist. Be züglich der dadurch verbundenen Vorteile, insbesondere die Erhöhung der Standzeit des Plasmabrenners, wird auf die obige Beschreibung des Verfahrens zur Bearbeitung von Oberflächen von Werkstücken verwiesen. Wie bereits oben erwähnt, kann durch die se relativ einfache und kostengünstige konstruktive Maßnahme der Verschleiß, insbesondere der Düse des Plasmabrenners, aber auch einer Spannhülse für die Kathode und einer Isolierhülse zwischen Kathode und Anode wesentlich reduziert und die Standzeit wesent lich erhöht werden. Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal kann auf der Kathode, einer Spannhülse für die Kathode, auf ei ner Isolierhülse zwischen Kathode und Anode und bzw. oder auf der Innenseite der Anode angeordnet sein. Durch die Anordnung der Kathode in einer Spannhülse und die Integration des zumin dest einen spiralförmigen Gaskanals am Mantel der Spannhülsere sultiert eine besonders einfache und kostengünstige Realisierungsmöglichkeit für den zumindest einen spiralförmigen Gaskanal. Insbesondere eine Anordnung zumindest eines spiralför migen Gaskanals an der Außenseite der Spannhülse, welche vor zugsweise zumindest teilweise aus Metall, wie zum Beispiel Messing oder Kupfer gebildet ist, ist besonders einfach und kos tengünstig herstellbar.

Um die Spannhülse mit dem zumindest einen spiralförmigen Gaska nal am Mantel kann eine zylindrische Isolierhülse aus dielektri schem Material, insbesondere aus Keramik, angeordnet sein. Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal kann auch oder zusätzlich in dieser Isolierhülse angeordnet sein. Die Anordnung des zumin dest einen spiralförmigen Gaskanals auf der keramischen Isolier hülse ist gegenüber einer Anordnung an der Spannhülse der

Kathode oder der Kathode selbst aufwändiger, kann aber für be stimmte Anwendungen Vorteile bringen.

Die Öffnung der Düse kann nach außen unstetig verjüngend ausge- bildet sein, vorzugsweise einen kegelförmigen Abschnitt und eine vorzugsweise zylindrische Mündung aufweisen, wobei innerhalb des verjüngend ausgebildeten Übergangs, insbesondere dem Übergang des kegelförmigen Abschnitts zur zylindrischen Mündung, eine ringförmige Kante gebildet ist, entlang welcher Kante der Licht bogen rotiert. Die ringförmige Kante in der Öffnung der Düse un terstützt die Stabilität des Lichtbogens und dessen Rotation. Als weitere Ausführung kann statt der ringförmigen Kante eine definierte Fläche ausgeführt werden.

Wenn der zumindest eine spiralförmige Gaskanal im Wesentlichen bis zur ringförmigen Kante der Öffnung der Düse angeordnet ist, können optimale Ergebnisse in Bezug auf die Rotation des Licht bogens während des Betriebs des Plasmabrenners erzielt werden.

Das Ende des zumindest einen spiralförmigen Gaskanals ist vor zugsweise zwischen 0 mm und 15 mm von der ringförmigen Kante der Düse beabstandet. Derartige Abmessungen haben sich als besonders geeignet herausgestellt.

Um die Düse kann ein vorzugsweise ringförmiger Kühlkanal ange ordnet sein. Die Plasmadüse ist höchsten Temperaturen ausge setzt, weshalb es notwendig ist diese optimal zu kühlen. Als Kühlmedium eignet sich insbesondere Kühlwasser mit allfälligen Zusätzen. Durch eine bessere Kühlung kann die Lebensdauer der Düse, aber auch anderer Komponenten des Plasmabrenners noch wei ter erhöht werden.

Eine verbesserte Kühlwirkung kann dadurch erzielt werden, dass der Kühlkanal Verengungen aufweist, wodurch die Strömungsge schwindigkeit des Kühlmediums, insbesondere der Kühlflüssigkeit an den Verengungen erhöht wird. Durch derartige spezielle Verän derungen des Kühlquerschnitts im Plasmabrenner wird eine Erhö hung der Kühlwasserströmung im Bereich höchster Temperatureinwirkung erreicht, welche zu einem beschleunigten Abtransport der Wärme im Bereich der Düse führt.

Die Verengungen werden beispielsweise durch Begrenzungen des Kühlkanals auf einer Seite durch eine zylindrische Kontur und auf der anderen Seite durch eine mehreckige, insbesondere sechs- eckige Kontur gebildet. Dies stellt eine besonders einfache Rea- lisierungsmöglichkeit für einen ringförmigen Kühlkanal mit darin angeordneten Verengungen dar.

Der zumindest eine Kühlkanal ist bevorzugter Weise im Wesentli chen bis zur ringförmigen Kante der Öffnung der Düse angeordnet. Dadurch wird insbesondere am vorderen Ende des Plasmabrenners die entstandene Wärme optimal abgeführt.

Gemäß einem weiteren Merkmal der Erfindung können ein bis sechs, bevorzugt zwei bis fünf spiralförmige Gaskanäle im Plasmabrenner angeordnet sein.

Die Höhe des Bereichs des zumindest einen spiralförmigen Gaska nals beträgt vorzugsweise zwischen 3 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 30 mm.

Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal kann eine Steigung zwischen 5° und 80°, bevorzugt zwischen 10° und 60°, aufweisen. Dabei muss die Steigung des zumindest einen Gaskanals nicht zwingend konstant sein, sondern kann über den Verlauf auch Ände rungen aufweisen.

Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal kann einen Querschnitt zwischen 0,5 mm² und 5 mm², bevorzugt zwischen 0,5 mm² und 2 mm², aufweisen .

Die Tiefe des zumindest einen spiralförmigen Gaskanals kann zwi schen 0,25 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 1 mm, be tragen .

Schließlich kann der zumindest eine spiralförmige Gaskanal eine Breite zwischen 0,5 mm und 4 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 3 mm, aufweisen.

Die vorliegende Erfindung wird anhand der beigefügten Zeichnun gen näher erläutert. Darin zeigen:

Fig. 1 den schematischen Aufbau eines Plasmabrenners zur Erzeu gung eines Plasmastrahls zur Behandlung der Oberfläche von Werkstücken;

Fig . 2 ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen Plasmabrenners; Fig . 3 eine Ausbildung einer Spannhülse für die Kathode mit ei nem spiralförmigen Gaskanal;

Fig. 4 das Detail IV des Gaskanals in der Spannhülse aus Fig. 3 in vergrößerter Darstellung;

Fig . 5 eine Isolierhülse mit daran angeordneten spiralförmigen

Gaskanal ;

Fig . 6 eine Variante einer Isolierhülse eines Plasmabrenners mit daran angeordnetem spiralförmigen Gaskanal;

Fig . 7 eine Kathode mit einem an der Außenseite angeordneten spiralförmigen Gaskanal;

Fig . 8 ein schematisches Schnittbild durch den Plasmabrenner ge mäß Fig. 2 entlang der Schnittlinie VIII-VIII; und

Fig . 9 einen zeitlichen Verlauf eines pulsförmigen Gleichstromes zur Erzeugung des Lichtbogens.

In Fig. 1 ist der schematische Aufbau eines Plasmabrenners 1 zur Erzeugung eines Plasmastrahls P unter Atmosphärendruck zur Be handlung der Oberfläche 0 von Werkstücken W dargestellt. Der Plasmabrenner 1 weist eine Kathode 2 mit einem freien Ende 2 ' und eine als Düse 4 mit einer Öffnung 5 ausgebildete Anode 3 auf. Die Kathode 2 und die Anode 3 sind mit einer Stromquelle 7 zum Anlegen eines Stromes I verbunden. Durch das Anlegen eines geeigneten Stromes I, wie eines Gleichstromes I_DC, oder eines mit einer bestimmten Pulsfrequenz f_P gepulsten Gleichstromes I_Dc mit einer ausreichenden Stromstärke bzw. Amplitude wird zwischen dem freien Ende 2 ' der Kathode 2 und der Anode 3 ein Lichtbogen L gezündet, beispielsweise mit einer Hochfrequenz-Zündung. Über eine Zuleitung 8 wird ein plasmafähiges Prozessgas G, beispiels weise Argon oder auch Druckluft, in die Düse 4 eingeströmt, wo durch die Anregung mit dem nichtübertragenen Lichtbogen L ein Plasmastrahl P erzeugt wird, der durch die Öffnung 5 der Düse 4 auf die Oberfläche 0 des zu behandelnden Werkstücks W gerichtet wird. Durch die auftretenden hohen Temperaturen, insbesondere im Bereich der Öffnung 5 der Düse 4 kommt es zu eines starken Bean spruchung der Düse 4, weshalb deren Lebensdauer sehr begrenzt ist .

Fig. 2 zeigt ein Schnittbild eines erfindungsgemäßen Plasmabren- ners 1. Der Plasmabrenner 1 weist eine Kathode 2 mit einem frei en Ende 2' auf, welche in einer Spannhülse 9 eingespannt ist. Um die Spannhülse 9 ist eine Isolierhülse 10 aus isolierendem Mate rial, insbesondere Keramik, angeordnet. Erfindungsgemäß mündet die Zuleitung 8 für das Prozessgas G in zumindest einem spiral förmigen Gaskanal 6 zwischen Kathode 2 und Düse 4, sodass der Lichtbogen L in der als Düse 4 ausgebildeten Anode 3 um das freie Ende 2' der Kathode 2 rotiert. Der Lichtbogen L rotiert beispielsweise mit einer Rotationsgeschwindigkeit v_r zwischen 500 U/min und 3000000 U/min, bevorzugt zwischen und 100000 U/min und 300000 U/min. Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal 6 kann an der Außenfläche der Kathode 2, Innen- oder Außenfläche der Spannhülse 9, an der Innen- oder Außenfläche der Isolierhülse 10 und bzw. oder an der Innenseite der Anode 3 angeordnet sein. Vorzugsweise ist der zumindest eine spiralförmige Gaskanal 6 an der Außenseite der Spannhülse 9 angeordnet, da dies am einfachs ten und kostengünstigsten herzustellen ist. Die Spannhülse 9 ist zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material, bevor zugt Metall, wie zum Beispiel Messing, gebildet. Es können auch mehrere Gaskanäle 6 an verschiedenen Komponenten des Plasmabren ners 1 oder zueinander versetzt angeordnet sein.

Wenn die Öffnung 5 der Düse 4 nach außen unstetig verjüngend ausgebildet ist, vorzugsweise einen kegelförmigen Abschnitt 11 und eine vorzugsweise zylindrische Mündung 12 aufweist, und in nerhalb des verjüngend ausgebildeten Übergangs, insbesondere dem Übergang des kegelförmigen Abschnitts 11 zur zylindrischen Mün dung 12, eine ringförmige Kante 13 gebildet ist, wird der Licht bogen L zwischen dem freien Ende 2 ' der Kathode 2 und dieser ringförmigen Kante 13 brennen und entlang dieser ringförmigen Kante 13 rotieren. Der zumindest eine spiralförmige Gaskanal 6 reicht vorzugsweise bis zur ringförmigen Kante 13 der Öffnung 5 der Düse 4.

Um die Düse 4 des Plasmabrenners 1 kann ein ringförmiger Kühlka nal 14 angeordnet sein, durch welchen ein geeignetes Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser mit entsprechenden Zusätzen, geströmt werden. Der zumindest eine Kühlkanal 14 reicht vorzugsweise im Wesentlichen bis zur ringförmigen Kante 13 der Öffnung 5 der Düse 4, um die gerade dort auftretende Wärme optimal abführen zu können (siehe schematisches Schnittbild gemäß Fig. 8 durch den Plasmabrenner 1 entlang der Schnittlinie VIII - VIII) .

Aus Fig. 3 geht eine mögliche Ausbildung einer Spannhülse 9 für die Kathode 2 mit einem spiralförmigen Gaskanal 6 hervor. Es können auch mehrere, beispielsweise zwei bis fünf spiralförmige Gaskanäle 6 versetzt angeordnet sein. Die Höhe h_K des Bereichs des zumindest einen spiralförmigen Gaskanals 6 kann zwischen 3 mm und 50 mm, bevorzugt zwischen 10 mm und 30 mm, betragen. Die Steigung a_K kann zwischen 5° und 80°, bevorzugt zwischen 10° und 60°, betragen. Diese Steigung a_K muss nicht zwingend über die Höhe h_K konstant sein, sondern kann auch bestimmte Änderungen entlang der Höhe h_K besitzen, welche sich auf die Strömung des Prozessgases G und somit auf die Rotation des Lichtbogens L aus wirken können. Weiters ist in Fig. 3 die Isolierhülse 10 darge stellt, die entlang der Pfeile über die Spannhülse 9 geschoben wird und die Isolierung zur Düse 4 bewirkt.

Fig. 4 zeigt das Detail IV des spiralförmigen Gaskanals 6 in der Spannhülse 9 aus Fig. 3 in vergrößerter Darstellung. Dementspre chend weist der Gaskanal 6 eine Tiefe t_K auf, der zwischen 0,25 mm und 2 mm, bevorzugt zwischen 0,3 mm und 1 mm betragen kann. Die Breite b_K des spiralförmigen Gaskanals 6 kann zwischen 0,5 mm und 4 mm, bevorzugt zwischen 2 mm und 3 mm, betragen. Der Quer schnitt A_K des zumindest einen Gaskanals 6 liegt im Bereich von 0,5 mm² und 5 mm², bevorzugt zwischen 0,5 mm² und 2 mm².

In Fig. 5 ist eine Isolierhülse 10 mit daran angeordneten spi ralförmigen Gaskanal 6 dargestellt. Die zwischen Kathode 2 oder Spannhülse 9 und Anode 3 angeordnete Isolierhülse 10 ist aus isolierendem Material, insbesondere Keramik, hergestellt. An der Außenseite der Isolierhülse 10 ist zumindest ein spiralförmiger Gaskanal 6 angeordnet. Theoretisch könnte der Gaskanal 6 auch an der Innenseite der Isolierhülse 10 angeordnet sein, was jedoch herstellungstechnisch aufwändiger ist.

In Fig. 6 wird eine Variante einer Isolierhülse 10 eines Plasma brenners 1 mit daran angeordnetem spiralförmigen Gaskanal 6 dar gestellt. Die Isolierhülse 10 setzt sich aus zwei Teilen zusammen und ist am oberen Ende und innen aus einem elektrisch isolierenden Material und im unteren Abschnitt außen zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material, beispielsweise Kupfer oder Messing, hergestellt. An der Außenseite dieses Teils der Isolierhülse 10 aus elektrisch leitfähigem Material ist der zumindest eine spiralförmige Gaskanal 6 angeordnet.

In Fig. 7 ist eine Kathode 2 mit einem zugespitzten freien Ende 2 ' dargestellt, an dessen Außenseite der spiralförmige Gaskanal 6 ausgebildet ist. Die Kathode 2 besteht aus elektrisch leitfä higem Material, beispielsweise Wolfram, Kupfer oder Messing. Weiters ist in Fig. 7 die Spannhülse 9 dargestellt, die entlang der Pfeile über die Kathode 2 geschoben wird.

Fig. 8 zeigt ein schematisches Schnittbild durch den Plasmabren ner 1 gemäß Fig. 2 entlang der Schnittlinie VIII-VIII. Zur Er zielung einer Kühlung des Plasmabrenners 1 ist um die Düse 4 ein ringförmiger Kühlkanal 14 angeordnet, durch welchen ein geeigne tes Kühlmedium, insbesondere Kühlwasser mit entsprechenden Zu sätzen, geleitet wird. Zur Verbesserung der Kühlwirkung weist der ringförmige Kühlkanal 14 vorzugsweise Verengungen 15 auf. Diese Verengungen 15 können einfach durch eine Begrenzung des Kühlkanals 14 auf einer Seite durch ein zylindrische Kontur 16 und auf der anderen Seite durch eine mehreckige, insbesondere sechseckige Kontur 17 gebildet werden. Durch derartige spezielle Verengungen 15 des Kühlkanals 14 im Plasmabrenner 1 wird eine Erhöhung der Kühlwasserströmung im Bereich höchster Temperatur einwirkung erreicht, welche zu einem beschleunigten Abtransport der Wärme im Bereich der Düse 4 des Plasmabrenners 1 führt.

Schließlich zeigt Fig. 9 einen möglichen zeitlichen Verlauf ei nes pulsförmigen Stromes I zur Erzeugung des Lichtbogens L. Ide alerweise wird der Lichtbogen durch einen gepulsten Gleichstrom I_DC erzeugt, wobei die Pulsfrequenz f_P entsprechend gewählt wird. Am besten eignen sich rechteckige Pulsformen mit abgeschliffenen bzw. abgerundeten Ecken, da dadurch die Geräusche bei der Erzeu gung des Plasmastrahls P minimiert werden können.

Die vorliegende Erfindung erhöht die Lebensdauer der Verschleiß teile des Plasmabrenners 1, insbesondere der Düse 4 durch das Erzwingen einer Rotation des Lichtbogens L zwischen dem freien Ende 2' der Kathode und der Öffnung 5 der Anode 3 wesentlich. Dadurch können Oberflächen 0 von Werkstücken W länger ohne Un terbrechung bearbeitet werden. Die konstruktiven Maßnahmen zum Vorsehen des zumindest einen spiralförmigen Gaskanals 6 sind re lativ einfach und kostengünstig umsetzbar.

Claims

Patentansprüche :

1. Verfahren zur Behandlung der Oberfläche (0) von Werkstücken

(W) mit Hilfe eines Plasmastrahls (P) unter Atmosphärendruck, wobei zwischen einem freien Ende (2') einer Kathode (2) eines Plasmabrenners (1) und einer als Düse (4) mit einer Öffnung (5) ausgebildeten Anode (3) durch Anlegen eines Stromes (I) ein Lichtbogen (L) zwischen dem freien Ende (2') der Kathode (2) und der Anode (3) erzeugt wird, und in die Düse (4) ein Prozessgas

(G) eingeströmt wird, und durch Anregung des Prozessgases (G) durch den Lichtbogen (L) der Plasmastrahl (P) gebildet wird, welcher über die zu bearbeitende Oberfläche (0) des Werkstücks (W) geführt wird, wobei das Prozessgas (G) über zumindest einen spiralförmigen Gaskanal (6) in die Düse (4) geströmt wird, und dadurch der Lichtbogen (L) in der als Düse (4) ausgebildeten

Anode (3) um das freie Ende (2') der Kathode (2) rotiert, da durch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (L) durch Anlegen ei nes gepulsten Stromes (I) mit Strompulsen (I) mit verschilffenen Kanten erzeugt wird.

2. Verfahren nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (L) durch Gleichstrom (I_DC) mit einer Stromstärke zwi schen 10 und 500 A, bevorzugt zwischen 35 und 200 A, erzeugt wird .

3. Verfahren nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, dass der Lichtbogen (L) durch Anlegen eines gepulsten Stromes (I) mit einer Pulsfrequenz (f_P) zwischen 1 Hz und 40 kHz erzeugt wird .

4. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 3, dadurch gekenn zeichnet, dass als Prozessgas (G) Argon in die Düse (4) einge strömt wird.

5. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 4, dadurch gekenn zeichnet, dass das Prozessgas (G) mit einem Durchfluss zwischen 5 1/min und 30 1/min, bevorzugt zwischen 7 1/min und 20 1/min, in die Düse (4) eingeströmt wird.

6. Verfahren nach einem der Ansprüche 1 bis 5, dadurch gekenn- zeichnet, dass der Lichtbogen (L) mit einer Rotationsgeschwin digkeit (v_r) zwischen 500 U/min und 3000000 U/min, bevorzugt zwi schen und 100000 U/min und 300000 U/min, rotiert.

7. Plasmabrenner (1) zur Erzeugung eines Plasmastrahls (P) unter Atmosphärendruck zur Bearbeitung der Oberfläche (0) von Werkstü cken (W) , mit einer Kathode (2) mit einem freien Ende (2') und einer als Düse (4) mit einer Öffnung (5) ausgebildeten Anode

(3), welche mit einer Stromquelle (7) zum Anlegen eines Stromes

(1) zur Bildung eines Lichtbogens (L) zwischen dem freien Ende

(2') der Kathode (2) und der Anode (3) verbunden sind, und mit einer Zuleitung (8) zur Einströmung eines Prozessgases (G) in die Düse (4), wobei die Zuleitung (8) für das Prozessgas (G) in zumindest einem spiralförmigen Gaskanal (6) zwischen Kathode (2) und Düse (4) mündet, sodass der Lichtbogen (L) in der als Düse

(4) ausgebildeten Anode (3) um das freie Ende (2') der Kathode

(2) rotiert, dadurch gekennzeichnet, dass die Kathode (2) in ei ner zumindest teilweise aus elektrisch leitfähigem Material ge bildeten Spannhülse (9) angeordnet ist und der zumindest eine spiralförmige Gaskanal (6) am Mantel der Spannhülse (9) inte griert ist.

8. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 8, dadurch gekennzeichnet, dass die Spannhülse (9) aus Metall gebildet ist.

9. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 7 oder 8, dadurch gekenn zeichnet, dass um die Spannhülse (9) mit dem zumindest einen spiralförmigen Gaskanal (6) am Mantel eine zylindrische Isolier hülse (10) aus dielektrischem Material, insbesondere aus Kera mik, angeordnet ist.

10. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 9, dadurch gekennzeichnet, dass die Öffnung (5) der Düse (4) nach außen un stetig verjüngend ausgebildet ist, vorzugsweise einen kegelför migen Abschnitt (11) und eine vorzugsweise zylindrische Mündung

(12) aufweist, wobei innerhalb des verjüngend ausgebildeten Übergangs, insbesondere dem Übergang des kegelförmigen Ab schnitts (11) zur zylindrischen Mündung (12), eine ringförmige Kante (13) gebildet ist, entlang welcher Kante (13) der Lichtbo gen (L) rotiert.

11. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 10, dadurch gekennzeichnet, dass der zumindest eine spiralförmige Gaskanal (6) im Wesentli chen bis zur ringförmigen Kante (13) der Öffnung (5) der Düse (4) angeordnet ist.

12. Plasmabrenner (1) nach einem der Ansprüche 7 bis 11, dadurch gekennzeichnet, dass um die Düse (4) ein ringförmiger Kühlkanal (14) angeordnet ist, wobei der ringförmige Kühlkanal (14) vor zugsweise Verengungen (15) aufweist.

13. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 12, dadurch gekennzeichnet, dass die Verengungen (15) durch Begrenzung des Kühlkanals (14) auf einer Seite durch ein zylindrische Kontur (16) und auf der anderen Seite durch eine mehreckige, insbesondere sechseckige Kontur (17) gebildet werden.

14. Plasmabrenner (1) nach Anspruch 12 oder 13, dadurch gekenn zeichnet, dass der zumindest eine Kühlkanal (14) im Wesentlichen bis zur ringförmigen Kante (13) der Öffnung (5) der Düse (4) an geordnet ist.