DE19716236C2 - Plasmabrennervorrichtung - Google Patents

Description

Die Erfindung betrifft eine Plasmabrennervorrichtung mit einem Brennraum, in welchem zwischen einer Anode und einer Kathode ein Lichtbogen erzeugbar ist, wobei dem Brennraum ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist.

Derartige Vorrichtungen werden beispielsweise in Beschichtungs- oder Aufdampfungsanlagen eingesetzt, bei denen ein Werkstück mittels Zusatzwerkstoffen beschichtet wird. Das Arbeitsgas nimmt in dem Brennraum Lichtbogenenergie auf, es wird im Brennraum eine Plasmaflamme gebildet und der Zusatzwerkstoff wird in einem resultierenden Plasmastrahl geschmolzen und mit hoher Geschwindigkeit auf das Werkstück gesprüht.

Plasmabrennervorrichtungen werden auch eingesetzt, um Werk­ stücke mittels eines Plasmastrahls zu trennen oder zu schweißen.

Die EP 0 249 238 A2 offenbart ein Plasmaerzeugungssystem, welches eine Plasmakanone mit anpaßbarer Kathode ausweist, wobei die Kathode stabförmig ausgebildet ist und über einen Kolben bewegbar ist.

Die EP 0 289 961 A2 offenbart eine Lichbogenvorrichtung mit axial beweglicher Kathode. Zur Positionierung der Kathode sind Ventile vorgesehen, welche über eine Steuerflüssigkeit betrieben sind.

Die DE 36 42 375 A1 beschreibt einen Plasmaspritzbrenner, welcher eine axial veschiebliche Kathode aufweist.

Die EP 0 639 041 A1 offenbart eine röhrenförmige Anode für eine Unterschallplasma-Lichtbogenspraykanone.

Der Erfindung liegt die Aufgabe zugrunde, eine Plasmabrenner­ vorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen so zu ver­ bessern, daß sie universell und kostengünstig einsetzbar ist.

Diese Aufgabe wird bei der Plasmabrennervorrichtung mit den eingangs genannten Merkmalen erfindungsgemäß dadurch gelöst, daß die Anode in einem Anodenhalter sitzt und daß der Anodenhalter über eine Positioniervorrichtung verschieblich ist, so daß die Anode über die Positioniervorrichtung in richtung einer Achse relativ zu der Kathode, welche gehäusefest bezüglich der Plasmabrennervorrichtung ist, verschieblich und festlegbar ist.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennervor­ richtungen ist der Abstand zwischen Anode und Kathode im all­ gemeinen fest eingestellt und eine Veränderung dieser Ein­ stellung ist während des Betriebs der Plasmabrennervorrich­ tung nicht möglich. Da der Betrieb einen unvermeidbaren Ab­ brand der Elektroden und insbesondere der Kathode bewirkt, muß bei diesen bekannten Vorrichtungen von Zeit zu Zeit die Plasmabrennervorrichtung demontiert und in einem aufwendigen Verfahren nachjustiert werden, was zu entsprechenden langen Stillstandzeiten und hohen Kosten führt. Bei der erfindungs­ gemäßen Plasmabrennervorrichtung sind die Anode und die Kathode relativ zueinander positionierbar, so daß insbeson­ dere eine Nachregelung der relativen Position zwischen der Anode und der Kathode möglich ist. Dadurch kann die erfin­ dungsgemäße Plasmabrennervorrichtung so betrieben werden, daß die relative Position zwischen Anode und Kathode bezüglich deren Abbrand optimiert ist. Somit wird durch die erfindungs­ gemäße Plasmabrennervorrichtung die Lebensdauer der Elektro­ den erhöht und damit werden die Stillstandzeiten und die Betriebskosten erniedrigt.

Bei den aus dem Stand der Technik bekannten Plasmabrennervor­ richtungen wird die Kathode überdimensioniert, um die Gefahr eines Durchbrennens der Elektroden durch Abbrand zu ver­ ringern. Da bei der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrich­ tung die relative Position zwischen Anode und Kathode nach­ regelbar ist, läßt sich auf diese Überdimensionierung der Kathode verzichten.

Durch die Positionierbarkeit der Anode und der Kathode rela­ tiv zueinander "in situ" kann die erfindungsgemäße Plasma­ brennervorrichtung an variable Betriebszustände angepaßt werden, um auf diese Weise spezielle Bearbeitungsvorgänge durchführen zu können, indem beispielsweise eine bestimmte für den jeweiligen Arbeitsvorgang optimale Plasmaflammen­ gestalt durch Anpassung der relativen Position zwischen Anode und Kathode erzeugt wird. Bei denen aus dem Stand der Technik bekannten Vorrichtungen ist diese "in situ" - Regelung der relativen Position zwischen Anode und Kathode nicht möglich, sondern höchstens eine Nachjustierung dieser relativen Posi­ tion im Nichtbetrieb der Plasmabrennervorrichtung, die außer­ dem eine Demontage und Öffnung der Vorrichtung erfordert.

Es ist vorteilhaft, wenn der Brennraum rotationssymmetrisch bezüglich einer vertikalen Achse ist. Auf diese Weise wird ein Elektrodenabbrand symmetrisch verteilt und der Brennraum weist keine ausgezeichneten kritischen Punkte auf, die bei­ spielsweise als Feldspitzen für Elektrodendurchschläge wirken können.

Um den Brennraum rotationssymmetrisch auszubilden, ist günstigerweise die Anode rotationssymmetrisch bezüglich der vertikalen Achse. In einer günstigen Variante einer Ausfüh­ rungsform ist die Anode eine Ringelektrode, wobei durch einen inneren Ringraum der Ringelektrode der Brennraum bildbar ist.

Vorteilhafterweise ist die Anode dann düsenförmig ausgebil­ det, so daß ein Plasmastrahl zur Bearbeitung eines Werk­ stückes bildbar ist, der insbesondere eine hohe kinetische Energie aufweist.

Zur Bildung eines rotationssymmetrischen Brennraums ist es vorteilhafterweise vorgesehen, daß die Kathode rotations­ symmetrisch bezüglich der vertikalen Achse ist. Auf diese Weise wird ein rotationssymmetrischer Brennraum dadurch gebildet, daß die Kathode in den inneren Ringraum der Anode reicht und in dem inneren Ringraum zwischen der Anode und der Kathode der Lichtbogen erzeugbar ist.

In einer vorteilhaften Variante einer Ausführungsform umfaßt die Kathode ein Kegelkathodenelement, dessen Kegelspitze ins­ besondere in Richtung eines Plasmaaustritts der Plasma­ brennervorrichtung zeigt. Dadurch läßt sich zwischen Anode und Kathode eine hohe Feldstärke zur optimalen Plasmabildung aus dem Arbeitsgas erzeugen.

Die Positioniervorrichtung ist so ausgebildet, daß Anode und Kathode in Richtung der vertikalen Achse relativ zueinander verschieblich sind. Dadurch bleibt bei der Verschiebung von Anode und Kathode relativ zueinander die Rotationssymmetrie der Brennkammer erhalten, so daß sich durch eine Änderung der relativen Position zwischen Anode und Kathode keine kritischen Punkte im Brennraum beispielsweise für Felddurchschläge bilden können. Außerdem wird dadurch eine Regelung der relativen Position zwischen Anode und Kathode vereinfacht, da die Regelgröße beispielsweise ein Abstand gegenüber einer relativen Arbeitspunktposition zwischen Anode und Kathode sein kann und damit die Regelung der relativen Position nur eine einzige Regelgröße umfaßt.

Prinzipiell ist es denkbar, daß sowohl Anode als auch Kathode in Richtung der vertikalen Achse verschieblich sind oder daß die Kathode in Richtung der vertikalen Achse verschieblich ist. Erfindungsgemäß ist die Anode über die Positioniervorrichtung relativ zu der Kathode, welche gehäusefest bezüglich der Plasmabrennervorrichtung ist, ver­ schieblich. Da sich die Anode bis zu einem unteren Ende oder in die Nähe eines unteren Endes der Plasmabrennervorrichtung erstreckt, läßt sich eine Verschieblichkeit der Anode kon­ struktiv leichter bewerkstelligen als eine Verschieblichkeit der Kathode.

Es ist erfindungsgemäß vorgesehen, daß die Anode durch ein Kühlmittel kühlbar ist. Dadurch wird eine lange Lebensdauer dieser Elektrode erreicht, wobei der zugängliche Bereich von Plasmatemperaturen für die in dem Brennraum gebildete Plasma­ flamme erhöht ist.

In einer konstruktiv günstigen Ausführungsform sitzt die Anode kraftschlüssig in einem Anodenhalter. Dadurch läßt sich fertigungstechnisch die Anodenform, in welcher die geome­ trische Form des Brennraums charakterisiert ist und ent­ scheidend ist für die Plasmabildung aufgrund des zwischen Kathode und Anode erzeugten Lichtbogens, entkoppeln von der Ausgestaltung der Befestigung der Anode in der erfindungs­ gemäßen Plasmabrennervorrichtung. Vorteilhaft ist es dann, wenn der Anodenhalter über die Positioniervorrichtung ver­ schieblich ist, so daß damit die Einstellung der relativen Position zwischen Anode und Kathode durch eine Verschiebung des Anodenhalters mit der darin kraftschlüssig sitzenden Anode erfolgt.

Zur optimalen Beaufschlagung der Anode mit Kühlmittel sind dann in den Anodenhalter Kühlmittelkanäle integriert.

Um Kühlmittel der Anode zuzuführen, müssen Kühlmittelkanäle von einer Kühlmittelversorgung durch ein Gehäuse der erfin­ dungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung zu der Anode führen. Da die Anode durch die Positioniervorrichtung verschieblich ist, umfaßt vorteilhafterweise die Positioniervorrichtung dich­ tende Führung für eine Kühlmittelzuführung zu bzw. eine Kühl­ mittelabführung von der Anode, die die Kühlmittelbeaufschla­ gung bei jeder Position der Anode und der Kathode relativ zueinander gewährleisten.

Die dichtenden Führungen können im Anodenhalter angeordnet sein, um Verbindungselemente von Kühlmittelkanälen der Plas­ mabrennervorrichtung, welche in die Kühlmittelkanäle des Anodenhalters münden, bei einer relativen Verschiebung zwischen Anodenhalter und Kathode zu führen. Es können erfin­ dungsgemäß auch dichtende Führungen im Gehäuse vorgesehen sein, um Verbindungselemente von Kühlmittelkanälen des Anodenhalters, welche in im Gehäuse der Plasmabrennervorrich­ tung angeordnete Kühlmittelkanäle münden, bei einer relativen Verschiebung zwischen Anodenhalter und Kathode zu führen.

Bei einer besonders vorteilhaften Ausführungsform des erfin­ dungsgemäßen Plasmabrenners sind die Kühlmittelkanäle zur Be­ aufschlagung der Anode mit Kühlmittel in der Plasmabrenner­ vorrichtung so angeordnet und ausgebildet, daß sie durch spanabhebende Materialbearbeitung gegenbohrungsfrei herstell­ bar und lötstellenfrei sind. Dadurch müssen keine Gegen­ bohrungen der Kühlmittelkanäle druckdicht verlötet werden. Dies ermöglicht es, die erfindungsgemäße Plasmabrennervor­ richtung (mit Ausnahme der Elektroden) aus Leichtmetallwerk­ stoffen wie Aluminiumhartlegierungen anzufertigen. Die erfin­ dungsgemäße Plasmabrennervorrichtung weist dadurch ein ge­ ringes Gewicht auf und wird dadurch universell einsetzbar. Auch kann die Strömung von Kühlmittel zur Anode durch die Kühlmittelkanäle optimiert werden, da sich die Form der Strömungskanäle gut anpassen läßt und insbesondere ein un­ kontrollierter Lotfluß vermieden ist, der bei einer Lötver­ schließung von Gegenbohrungen auftreten kann und bei dem die Gefahr besteht, daß er Kühlmittelkanäle auf unkontrollierbare Weise im Querschnitt insbesondere an kritischen Durchfluß­ stellen verringert.

Günstigerweise ist die Positioniervorrichtung gehäusefest an­ geordnet, um eine relative Verschiebung zwischen der Anode und der Kathode zu bewirken. Vorteilhafterweise ist dabei die Positioniervorrichtung so ausgebildet, daß Anode und Kathode relativ zueinander stufenlos verschieblich sind, um eine Feineinstellung der relativen Position zu erlauben.

Bei einer Variante einer Ausführungsform der erfindungsge­ mäßen Plasmabrennervorrichtung hat die Positioniervorrichtung einen Positionsbereich der relativen Verschiebung zwischen der Anode und der Kathode in Richtung der vertikalen Achse von bis zu 5 mm. Dies ermöglicht eine Nachregelung der rela­ tiven Position in einem weiten Bereich.

Konstruktiv besonders günstig ist es, wenn die Positionier­ vorrichtung eine vertikale Gleitführung zur Verschiebung der Anode relativ zur Kathode in Richtung der vertikalen Achse umfaßt. Vorteilhafterweise weist dann der Anodenhalter ein Ankopplungselement auf, welches kraftschlüssig mit der Posi­ tioniervorrichtung verbunden ist. Auf diese Weise läßt sich der Anodenhalter über die Positioniervorrichtung in verti­ kaler Richtung verschieben und es läßt sich eine Position zwischen der Anode und der Kathode festlegen.

Erfindungsgemäß kann es vorgesehen sein, daß in der verti­ kalen Gleitführung der Positioniervorrichtung ein Spindel­ element geführt ist, welches kraftschlüssig mit dem An­ kopplungselement des Anodenhalters verbunden ist, so daß durch eine Verschiebung der Spindel eine Verschiebung des Anodenhalters mit der Anode relativ zur Kathode erfolgt.

Vorteilhafterweise umfaßt die Positioniervorrichtung ein Positioniermittel, mittels welchem eine vertikale Verschie­ bung des Anodenhalters durchführbar ist. Es kann insbesondere vorgesehen sein, daß das Positioniermittel eine Rändelmutter ist. Zur optimalen Steuerung und Regelung ist es jedoch ins­ besondere vorteilhaft, wenn das Positioniermittel ein Stell­ antrieb ist, wie beispielsweise ein Elektromotor oder ein hydraulischer Stellantrieb.

Um die Position zwischen Anode und Kathode festzulegen, um­ faßt die Positioniervorrichtung günstigerweise ein Fest­ legungsmittel, das die Position der Anode relativ zur Kathode festlegt. Das Festlegungsmittel kann Sicherungsschrauben und/oder Sicherungsstifte umfassen.

Bei einer besonders vorteilhaften Variante einer Ausführungs­ form der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung ist das Festlegungsmittel als Klemmvorrichtung ausgebildet, durch welches die Spindel in der Gleitführung verschiebungssicher klemmbar ist. Die Klemmvorrichtung kann einen Stellantrieb zu ihrer Betätigung umfassen. Dadurch ergeben sich umfangreiche Steuerungs- und Regelungsmöglichkeiten, da das Lösen der Festlegung der relativen Position zwischen Anode und Kathode gesteuert werden kann, die relative Verschiebung zwischen Anode und Kathode steuerbar und/oder regelbar ist, das Fest­ legen durch Betätigung der Klemmwirkung der Klemmvorrichtung steuerbar ist und diese Steuerungs- und Regelungsvorgänge miteinander kombinierbar sind und aufeinander aufbauen können.

Vorteilhafterweise umfaßt dazu die Plasmabrennervorrichtung eine Steuerungs- und Regelungseinheit, welche das Positio­ niermittel für die vertikale Verschiebung von Anode und Kathode relativ zueinander steuert und welche das Fest­ legungsmittel zum Festlegen einer relativen Position zwischen Anode und Kathode steuert.

Um eine universelle Einsetzbarkeit der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung zu erreichen, ist es insbesondere vorteilhaft, wenn die Steuerung der Verschiebung und des Festlegungsmittels in Abhängigkeit charakteristischer Betriebsparameter der Plasmabrennervorrichtung durchführbar ist. Insbesondere ist es dann auch vorteilhaft, wenn die relative Position zwischen Anode und Kathode durch die Steuerungs- und Regelungseinheit regelbar in Abhängigkeit charakteristischer Betriebsparameter der Plasmabrennervor­ richtung ist.

Die charakteristischen Betriebsparameter können dabei jeweils die Parameter Temperatur des Kühlmittels bei Zuführung zur Anode und Abführung von der Anode; Anodentemperatur; Tempe­ ratur eines mittels eines Plasmastrahls zu bearbeitenden Werkstückes; Wärmekapazität des Arbeitsgases; Massedurchsatz des Arbeitsgases; Lichtbogentemperatur; Temperatur einer Plasmaflamme; Massedurchsatz eines Zusatzwerkstoffes, welcher mit der Plasmaflamme beaufschlagt ist; Strom-Spannungs- Charakteristik der Plasmabrennervorrichtung umfassen oder auch Kombination dieser Parameter umfassen.

Die erfindungsgemäße Plasmabrennervorrichtung läßt sich vor­ teilhafterweise in einem Beschichtungs- oder Aufdampfungs­ system verwenden.

In der Zeichnung zeigen:

Fig. 1 Eine Variante eines Ausführungsbeispieles der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung;

Fig. 2 eine weitere Variante eines Ausführungsbei­ spiels der erfindungsgemäßen Plasmabrenner­ vorrichtung in teilweiser Schnittansicht;

Fig. 3 eine Draufsicht auf einen erfindungsgemäßen Anodenhalter;

Fig. 4 eine Schnittansicht längs der Linie AA der Fig. 3 und

Fig. 5 eine Schnittansicht längs der Linie BB der Fig. 3.

Ein Ausführungsbeispiel einer erfindungsgemäßen Plasma­ brennervorrichtung, welche in Fig. 1 als Ganzes mit 10 bezeichnet ist, umfaßt ein Gehäuse 12, in dem koaxial zu einer vertikalen Achse 14 ein Hohlraum 16 gebildet ist. Der Hohlraum weist einen ersten Abschnitt 18 und einen sich an den ersten Abschnitt 18 anschließenden zweiten Abschnitt 20 auf, wobei der zweite Abschnitt 20 einen größeren Durchmesser hat als der erste Abschnitt 18.

Auf einer Oberseite des Gehäuses 12 ist ein Kathodenhalter 22 angeordnet, der über Isolierelemente 24, welche zwischen dem Kathodenhalter 22 und dem Gehäuse 12 sitzen, von letzterem elektrisch getrennt ist.

Der Kathodenhalter 22 hält eine Kathode 26, die koaxial zu der vertikalen Achse 14 ist und sich durch den ersten Ab­ schnitt 18 des Hohlraums 16 in einen inneren Ringraum 28 einer Anode 30 erstreckt. Der innere Ringraum 28 ist rota­ tionssymmetrisch zur vertikalen Achse 14.

Die Anode 30 ist einen Anodenhalter 32 eingesetzt, welcher selber in dem zweiten Abschnitt 20 des Hohlraums 16 des Gehäuses 12 sitzt.

Die Kathode 26 ist als Kegelkathode mit einem zylindrischen Kathodenelement 26a und daran sitzendem Kegelkathodenelement 26b ausgebildet, wobei die Kegelspitze abgerundet ist und koaxial zur vertikalen Achse 14 in Richtung eines Plasmaaus­ trittes 34 des inneren Ringraums 28 der Anode 30 zeigt. Die Kathode 26 ist an einem Kathodenhalteelement 35 an dem Katho­ denhalter 22 gehalten.

Zwischen der Kathode 26, die beispielsweise aus Wolfram gefertigt ist, und dem inneren Ringraum 28 der Anode 30, die beispielsweise aus Kupfer gefertigt ist, ist ein Brennraum 36 rotationssymmetrisch zur vertikalen Achse 14 gebildet, in dem ein Lichtbogen zwischen der Anode 30 und der Kathode 26 erzeugbar ist. Zur Erzeugung eines elektrischen Feldes zwischen Kathode 26 und Anode 30 umfaßt die Plasmabrenner­ vorrichtung 10 elektrische Zuführungsleitungen jeweils zur Kathode 26 und Anode 30 (in der Figur nicht gezeigt).

Die Anode 30 weist einen ersten Abschnitt 38 auf, wobei sich bei diesem ersten Abschnitt 38 der Querschnitt des inneren Ringraums 28 in Richtung des Plasmaaustritts 34 verkleinert und in einen zweiten Abschnitt 40 übergeht, bei welchem der innere Ringraum 28 einen konstanten Querschnitt aufweist. An ihrem unteren Ende weist die Anode 30 eine ringförmige seitige Ausflanschung 42 auf, so daß der zweite Abschnitt 40 im Querschnitt L-förmig ist.

Mit dem Anodenhalter kraftschlüssig verbunden ist ein Ankopp­ lungselement 44, welches einen als Überwurfmutter 46 ausge­ bildeten Teil aufweist. Diese Überwurfmutter 46 hat eine ringförmige Auflage 48, durch welche die Ausflanschung 42 bei Aufschraubung der Überwurfmutter 46 auf den Anodenhalter 32 gegen diesen geklemmt wird, so daß dadurch die Anode 30 im Anodenhalter 32 gehalten wird.

An dem Gehäuse 12 sitzt kraftschlüssig eine Positioniervor­ richtung 50. Diese weist eine Gleitführung 52 auf, in der eine Spindel 54 mit einer Achse parallel zur vertikalen Achse 14 geführt ist. Die Spindel weist ein Positioniermittel 56 in Form beispielsweise einer Rändelmutter auf, durch welches eine Verschiebung der Spindel 54 in Richtung der vertikalen Achse 14 bewirkbar ist.

Die Positioniervorrichtung 50 weist ferner ein Festlegungs­ mittel 58 auf, beispielsweise in der Form von Sicherungs­ schrauben oder Sicherungsstiften, durch welches die Spindel 54 in der Gleitführung 52 in Kraftschluß mit dem Gehäuse 12 der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung 10 legbar ist.

Die Spindel 54 ist kraftschlüssig mit dem Ankopplungselement 44 des Anodenhalters 32 verbunden, so daß eine Verschiebung der Spindel 54 in Richtung der vertikalen Achse 14 eine Ver­ schiebung des Anodenhalters 32 in Richtung der vertikalen Achse 14 bewirkt. Dazu weist der Anodenhalter 32 eine Anoden­ halterführung 60 auf, durch die dieser in Richtung der ver­ tikalen Achse 14 in dem zweiten Abschnitt 20 des Hohlraums 16 am Gehäuse 12 verschieblich ist.

Von einer Arbeitsgasversorgung (in der Figur nicht gezeigt) führt eine Zuführung 62 für Arbeitsgas, bei dem es sich bei­ spielsweise um Argon oder Wasserstoff handeln kann, in den Brennraum 36, wo das Arbeitsgas Lichtbogenenergie aus einem zwischen Anode 30 und Kathode 26 gebildeten Lichtbogen auf­ nehmen kann und ein Plasma gebildet wird. Durch den ersten Abschnitt 38 und den zweiten Abschnitt 40 der Anode 30 ist diese düsenförmig ausgebildet und das gebildete Plasma kann als Plasmastrahl aus dem Plasmaaustritt 34 der Plasmabrenner­ vorrichtung 10 austreten.

Die erfindungsgemäße Plasmabrennervorrichtung weist zur Beaufschlagung der Anode 30 mit Kühlmittel eine Kühlmittel­ zuführungsleitung 64 auf, an die mittels einer Kupplung 66 (Fig. 2) eine Kühlmittelversorgung (in der Figur nicht ge­ zeigt) ankoppelbar ist. Die Kupplung 66, die insbesondere als Steckkupplung ausgebildet ist, umfaßt ein Kegeldichtventil 68.

Die Kühlmittelzuführungsleitung 64 mündet in einen Ringraum 70 im Gehäuse 12. Von diesem Ringraum führen Kühlmittelzu­ führungen 72 durch das Gehäuse 12 zu dem Anodenhalter 32 (in der Fig. 1 und 2 verdeckt). Diese Kühlmittelzuführungen 72 münden in Kühlmittelzuführungen 74 (Fig. 5), welche im An­ odenhalter 32 mit einer Achse parallel zur vertikalen Achse 14 angeordnet sind. Die Kühlmittelzuführungen 74 münden an Mündungen 78 in einen Strömungsraum 76 des Anodenhalters 32, durch den die Anode 30 mit Kühlmittel beaufschlagbar ist. Die Mündungen 78 weisen in Richtung des Plasmaaustritts eine Ab­ schrägung 80 auf und in Umfangsrichtung eine Aufweitung 82 (Fig. 4), um auf diese Weise die Anode 30 über den Strömungs­ raum 76 großflächig mit Kühlmittel zu beaufschlagen.

Aus dem Strömungsraum 76 führen Kühlmittelabführungen 84 aus Austrittsmündungen 86, welche in der Nähe eines unteren Endes des Strömungsraumes 76 angeordnet sind und zur Abführung von Kühlmittel dienen. Zwischen den Austrittsmündungen 86 und den Kühlmittelabführungen 84 mit einer Achse parallel zur verti­ kalen Achse 14, sind dabei Zwischenkanäle 88 mit einer Achse, die einen Winkel zur Richtung der vertikalen Achse 14 bildet, angeordnet.

Die Kühlmittelabführungen 84 münden in Kühlmittelkanäle 90, die durch das Gehäuse 12 und die Isolierelemente 24 in eine Sammelleitung 92 führen, welche mit einer Achse senkrecht zur vertikalen Achse 14 im Kathodenhalter 22 angeordnet ist. Die Sammelleitung 92 ist beispielsweise durch eine Ausbohrung hergestellt und mittels eines Stopfens 94 gegenüber einem Außenraum der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung 10 verschlossen. Von der Sammelleitung 92 führt eine Kühl­ mittelabführung 96 zu einer Kühlmittelabführungseinheit, um das erwärmte abgeführte Kühlmittel abzuführen oder zur Be­ förderung in einem Kreislauf aufzubereiten.

Der Strömungsraum 76 ist fluiddicht gegenüber dem ersten Ab­ schnitt 18 des Hohlraums 16 und damit gegenüber der Brenn­ kammer 36 durch einen in einer Ausnehmung sitzenden O-Ring 98 abgedichtet, wobei die Ausnehmung in dem Anodenhalter 32 in einem oberen Bereich des ersten Abschnitts 38 der Anode 30 gebildet ist.

An seinem unteren Ende ist der Strömungsraum 76 durch einen in einer Ausnehmung sitzenden O-Ring 100 gegenüber der Aus­ flanschung 42 der Anode 30 abgedichtet.

Der erfindungsgemäße Anodenhalter 32 weist dichtende Füh­ rungen 102 auf, durch die Verbindungselemente 104 der Kühl­ mittelkanäle 90, welche in die Kühlmittelabführungen 84 münden, bei einer Verschiebung des Anodenhalters 32 in Rich­ tung der vertikalen Achse 14 geführt werden und zwar so, daß die Kühlmittelabführung gegenüber dem Anodenhalter 32 und dem Gehäuse 12 abgedichtet ist. Solche dichtenden Führungen sind ebenfalls erfindungsgemäß vorgesehen für die Kühlmittelzu­ führung über Verbindungselemente der Kühlmittelzuführungen 72 in die Kühlmittelzuführungen 74 des Anodenhalters 32.

Die Kühlmittelabführung 96 ist über eine Kupplung 106 (Fig. 2), die insbesondere als Steckkupplung ausgebildet ist, mit einer Kühlmittelabführungseinheit (in der Figur nicht ge­ zeigt) verbunden. Die Kupplung 106 umfaßt ein Kegeldicht­ ventil 108. Die Kühlmittelabführungseinheit dient zur Ab­ führung und Entsorgung des Kühlmittels oder bei einer Vari­ ante einer Ausführungsform zur Aufbereitung des Kühlmittels, damit dieses in einen Kreislauf geführt werden kann.

Die dichtenden Führungen für die Kühlmittelzuführung und Kühlmittelabführung zu bzw. von der Anode können erfindungs­ gemäß auch im Gehäuse 12 angeordnet sein, wobei die Ver­ bindungselemente dann entsprechend zu den Kühlmittelzufüh­ rungen 74 und den Kühlmittelabführungen 84 gehören.

Die Kühlmittelkanäle sind so angeordnet und ausgebildet, daß sie durch spanabhebende Materialverarbeitung gegenbohrungs­ frei herstellbar sind und lötstellenfrei sind. Die Kühl­ mittelzuführung 74 beispielsweise ist durch eine Sackloch­ bohrung herstellbar und die Mündungen 78 sind so hergestellt, daß durch Fräsbearbeitung mittels einer Frässcheibe diese ausgefräst und mit den entsprechenden Kühlmittelzuführungen 74 verbunden werden. Da durch die Gegenbohrungsfreiheit der Kühlmittelkanäle diese nicht zum Verschließen der Gegen­ bohrungen gelötet werden müssen, läßt sich der Plasmabrenner aus einem Leichtmetallwerkstoff, beispielsweise einer Alu­ miniumhartlegierung, herstellen.

Bei einer zweiten Variante einer Ausführungsform, welche in Fig. 2 gezeigt ist, unterscheidet sich der erfindungsgemäße Plasmabrenner von dem in Fig. 1 gezeigten oben beschriebenen im wesentlich durch die Ausführungsform der Positioniervor­ richtung. Der erfindungsgemäße Plasmabrenner gemäß Fig. 2 ist ansonsten grundsätzlich so aufgebaut, wie oben beschrieben.

An dem Gehäuse 12 der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrich­ tung gemäß der zweiten Variante ist kraftschlüssig eine Posi­ tioniervorrichtung 110 (Fig. 2) gehalten. Diese umfaßt eine Gleitführung 112, in der eine Spindel 114 parallel zu der vertikalen Achse 14 geführt ist. Die Spindel ist kraft­ schlüssig mit dem Ankopplungselement 44 des Anodenhalters 32 verbunden.

Die Positioniervorrichtung 110 weist eine Klemmvorrichtung 116 auf, durch die die Spindel 114 in der Gleitführung 112 kraftschlüssig klemmbar ist, so daß die Spindel 114 kraft­ schlüssig in der Positioniervorrichtung 110 gehalten wird.

Auf diese Weise wirkt die Klemmvorrichtung 116 als Fest­ legungsmittel, mittels welchem eine bestimmte Position der Anode 30 relativ zur Kathode 26 festlegbar ist.

Die Klemmvorrichtung 116 umfaßt dazu eine Spannzange 118, die durch einen Antrieb 120 in vertikaler Richtung parallel zur Achse 14 beweglich ist und auf diese Weise die Spindel 114 in der Gleitführung 112 kraftschlüssig einspannen kann und die Klemmspannung durch Rückbewegung wieder lösen kann. Der Antrieb 120 ist mit einer Steuerungs- und Regelungseinheit 122 verbunden, die die Klemmvorrichtung 116 zum Festlegen der Spindel 114 in der Gleitführung 112 steuert.

Die Positioniervorrichtung 110 umfaßt weiter einen Stell­ antrieb 124, bei dem es sich beispielsweise um einen Elektro­ motor oder um einen hydraulischen Antrieb handeln kann, durch den die Spindel 114 in der Gleitführung 112 in Richtung der vertikalen Achse 14 bewegbar ist, so daß mittels des An­ kopplungselementes 44 der Anodenhalter 32 mit Anode 30 relativ zur Kathode 26 verschiebbar ist.

Die elektrische Zuführungsleitung für die Anode 30 ist in der Positioniervorrichtung 110 über eine flexible Leiterschleife 126 geführt. Dadurch ist gewährleistet, daß eine Verschiebung der Spindel 114 und damit des Anodenhalters 32 nicht zu einer Störung der Zufuhr von elektrischer Energie zu der Anode 30 führt.

Es kann erfindungsgemäß vorgesehen sein, daß die Plasma­ brennervorrichtung mit einer Schutzschicht auf beispielsweise Keramikbasis überzogen ist und zu Isolation gegen elektrische Durchschläge und damit auch zum Schutz von Bedienungspersonal dient. Die Schichtdicke der Schutzschicht kann beispielsweise in der Größenordnung von 50 µm liegen.

Die erfindungsgemäße Plasmabrennervorrichtung arbeitet wie folgt:
In dem Brennraum 36 wird zwischen Anode 30 und Kathode 26 ein Lichtbogen erzeugt. Das Arbeitsgas wird über die Arbeitsgas­ zuführung 62 in den Brennraum 36 geführt und nimmt in dem Lichtbogen Lichtbogenenergie auf, die zur Plasmabildung führt. Die dabei erzeugte Plasmaflamme tritt durch die düsen­ förmige Ausbildung der Anode 30 als Plasmastrahl aus dem Plasmaaustritt 34 aus.

Wird die erfindungsgemäße Plasmabrennervorrichtung in einem Beschichtungs- oder Aufdampfungssystem eingesetzt, dann wird in den Plasmastrahl ein Zusatzwerkstoff 128 eingeführt, bei­ spielsweise in Pulverform als Metallpulver oder in Stabform. Dieser Zusatzwerkstoff wird durch den Plasmastrahl ge­ schmolzen und mittels des Plasmastrahls mit hoher kinetischer Energie einem zu bearbeitenden Werkstück zugeführt.

Die Anode 30 ist mit einem Kühlmittel, insbesondere Wasser beaufschlagt, um Wärme von ihr abzuführen. Die Kühlmittel­ beaufschlagung erfolgt über die Kühlmittelzuführungen 74 in den Strömungsraum 76 und das erwärmte Kühlmittel, das Wärme von der Anode 30 abführt, wird über die Kühlmittelabführungen 84 der Kühlmittelabführungseinheit zugeführt.

Durch die Positioniervorrichtung 110 wird der Anodenhalter 32 mit der kraftschlüssig darin eingesetzten Anode 30 koaxial zur vertikalen Achse 14 verschoben, so daß sich durch diese Verschiebung die relative Position zwischen der Anode 30 und der Kathode 26 ändert. Die Verschiebung erfolgt dadurch, daß zuerst das Festlegungsmittel 58 (Fig. 1) bzw. 118 (Fig. 2) gelöst wird und die Spindel über das Positioniermittel über die Rändelmutter 56 (Fig. 1) bzw. den Stellantrieb 124 (Fig. 2) in einer Richtung parallel zur vertikalen Achse verschoben wird und durch die kraftschlüssige Kopplung mit dem Ankopp­ lungselement 44 damit der Anodenhalter 32 verschoben wird.

Die Verschiebung erfolgt dabei insbesondere so, daß der Betrieb der erfindungsgemäßen Plasmabrennervorrichtung 10 optimiert wird, beispielsweise hinsichtlich einer Optimierung bezüglich des Abbrandes der Elektroden 26 und 30.

Die axiale Verschiebung erfolgt bei einer Variante einer Aus­ führungsform so, daß sie über die Steuerungs- und Regelungs­ einheit 122 in Abhängigkeit charakteristischer Betriebspara­ meter der Plasmabrennervorrichtung 10 geregelt ist, wobei die Steuerungs- und Regelungseinheit den Stellantrieb 124 steuert. Die charakteristischen Betriebsparameter können dabei umfassen:
die Temperatur des Kühlmittels bei Zuführung zur Anode 30 und Abführung von der Anode 30; die Anodentemperatur; die Tempe­ ratur eines mittels des Plasmastrahls zu bearbeitenden Werk­ stücks; die Wärmekapazität des Arbeitsgases; der Massedurch­ satz des Arbeitsgases durch den Brennraum 36; der Massedurch­ satz des Zusatzwerkstoffes 128, welcher mit der Plasmaflamme beaufschlagt ist; die Strom-Spannungs-Charakteristik der Plasmabrennervorrichtung 10.

Die Steuerung und Regelung erfolgt in Abhängigkeit von einem oder einer Kombination dieser Parameter, wobei auch weitere, oben nicht aufgezählte Parameter mitberücksichtigt werden können. Zur Bestimmung der charakteristischen Parameter sind erfindungsgemäß die entsprechenden Meßvorrichtungen vorge­ sehen (in den Figur nicht gezeigt).

Die Regelung der relativen Position zwischen der Anode 30 und der Kathode 26 erfolgt dabei so, daß beispielsweise die erfindungsgemäße Plasmabrennervorrichtung 10 in einem opti­ malen Bereich arbeitet oder eine für einen speziellen Bear­ beitungsvorgang optimale Plasmaflammengeometrie mit resul­ tierendem Plasmastrahl erzeugt wird.

Das Steuerungs- und Regelungskonzept wird in einem Arbeits­ bereich um eine Arbeitspunktposition zwischen Anode 30 und Kathode 26 eingesetzt, wobei der Arbeitspunkt insbesondere durch einen bezüglich des Abbrands der Elektroden 26 und 30 optimalen Wert festgelegt sein kann. Die Steuerung und Rege­ lung wird deaktiviert, wenn die relative Verschiebung gegen­ über dieser Arbeitspunktposition aus dem Arbeitsbereich läuft, um auf diese Weise die Gefahr einer Elektrodenbeschä­ digung beispielsweise durch Elektrodendurchschläge zu ver­ meiden. Der Arbeitsbereich umfaßt typischerweise einen axialen Verschiebungsbereich in der Größenordnung von etwa 5 mm.

Claims (34)

1. Plasmabrennervorrichtung mit einem Brennraum, in welchem zwischen einer Anode und einer Kathode ein Lichtbogen erzeugbar ist, wobei dem Brennraum ein Arbeitsgas zur Plasmabildung zuführbar ist, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) in einem Anodenhalter (32) sitzt und daß der Anodenhalter (32) über eine Positioniervorrichtung (50; 110) verschieblich ist, so daß die Anode (30) über die Positioniervorrichtung (40; 110) in Richtung einer Achse relativ zu der Kathode (26), welche gehäusefest bezüglich der Plasmabrennervorrichtung (10) ist, verschieblich und festlegbar ist.

2. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 1, dadurch ge­ kennzeichnet, daß der Brennraum (36) rotationssymme­ trisch bezüglich einer vertikalen Achse (14) ist.

3. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 1 oder 2, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) rotationssymmetrisch bezüglich der vertikalen Achse (14) ist.

4. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) eine Ringelektrode ist.

5. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) düsenförmig ausgebildet ist.

6. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Kathode (26) rotationssymmetrisch bezüglich der vertikalen Achse (14) ist.

7. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 6, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Kathode (26) ein Kegelkathodenele­ ment (26b) umfaßt.

8. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 2 bis 7, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (50; 110) so ausgebildet ist, daß Anode (30) und Kathode (26) in Richtung der vertikalen Achse (14) relativ zueinander verschieblich sind.

9. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) durch ein Kühlmittel kühlbar ist.

10. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Anode (30) kraftschlüssig in dem Anodenhalter (32) sitzt.

11. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß in den Anodenhalter (32) Kühlmittelkanäle (84, 88, 74) zur Beaufschlagung der Anode (30) mit Kühlmittel integriert sind.

12. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabrennervorrichtung dichtende Führungen (102) für eine Kühlmittelzuführung zu der und eine Kühlmittelabführung von der Anode (30) umfaßt, die die Kühlmittelbeaufschlagung bei jeder Position der Anode (30) und der Kathode (26) relativ zueinander gewährleisten.

13. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 12, dadurch ge­ kennzeichnet, daß dichtende Führungen (102) im Anoden­ halter (32) angeordnet sind, um Verbindungselemente (104) von Kühlmittelkanälen (74, 90) der Plasmabrenner­ vorrichtung (10), welche in die Kühlmittelkanäle (72, 84) des Anodenhalters (32) münden, bei einer relativen Ver­ schiebung zwischen Anodenhalter (32) und Kathode (26) zu führen.

14. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 12 oder 13, da­ durch gekennzeichnet, daß dichtende Führungen im Gehäuse (12) vorgesehen sind, um Verbindungselemente von Kühl­ mittelkanälen (74, 84) des Anodenhalters (32), welche in im Gehäuse (12) der Plasmabrennervorrichtung (10) ange­ ordnete Kühlmittelkanäle (72, 90) münden, bei einer rela­ tiven Verschiebung zwischen Anodenhalter (32) und Kathode (26) zu führen.

15. Plasmabrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 11 bis 14, dadurch gekennzeichnet, daß die Kühlmittelkanäle zur Beaufschlagung der Anode (26) mit Kühlmittel in der Plasmabrennervorrichtung (10) so angeordnet und ausge­ bildet sind, daß sie durch spanabhebende Materialbear­ beitung gegenbohrungsfrei herstellbar und lötstellenfrei sind.

16. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionier­ vorrichtung (50; 110) gehäusefest angeordnet ist.

17. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionier­ vorrichtung (50; 110) so ausgebildet ist, daß Anode (30) und Kathode (26) relativ zueinander stufenlos verschieb­ lich sind.

18. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (10) einen Positionsbereich der relativen Verschiebung zwischen der Anode (30) und der Kathode (26) in Richtung der vertikalen Achse von bis zu 5 mm hat.

19. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (10) eine vertikale Gleitführung (52; 112) zur Verschiebung der Anode (30) relativ zur Kathode (26) in Richtung der vertikalen Achse (14) umfaßt.

20. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß der Anodenhalter (32) ein Ankopplungselement (44) aufweist, welches kraftschlüssig mit der Positioniervorrichtung (50; 110) verbunden ist.

21. Positioniervorrichtung nach Anspruch 20, dadurch gekenn­ zeichnet, daß in der vertikalen Gleitführung (52; 112) der Positioniervorrichtung (50; 1110) ein Spindelelement (54; 114) geführt ist, welches kraftschlüssig mit dem Ankopplungselement (44) des Anodenhalters (32) verbunden ist.

22. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positionier­ vorrichtung (50; 110) ein Positioniermittel (56; 124) umfaßt, mittels welchem eine vertikale Verschiebung der Anode (30) durchführbar ist.

23. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Positioniermittel eine Rändel­ mutter (56) ist.

24. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 22, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Positioniermittel ein Stellantrieb (124) ist.

25. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, dadurch gekennzeichnet, daß die Positioniervorrichtung (50, 110) ein Festlegungsmittel (58; 116) zum Festlegen der Position zwischen Anode (30) und Kathode (26) umfaßt.

26. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Festlegungsmittel Sicherungs­ schrauben (58) und/oder Sicherungsstifte umfaßt.

27. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 25, dadurch ge­ kennzeichnet, daß das Festlegungsmittel als Klemmvor­ richtung (116) ausgebildet ist, durch welche die Spindel (114) in der Gleitführung (112) verschiebungssicher klemmbar ist.

28. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 27, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Klemmvorrichtung einen Antrieb (120) zu ihrer Betätigung umfaßt.

29. Plasmabrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 22 bis 28, dadurch gekennzeichnet, daß die Plasmabrennervor­ richtung (10) eine Steuerungs- und Regelungseinheit (122) umfaßt, welche das Positioniermittel (56; 124) für die vertikale Verschiebung von Anode (30) und Kathode (26) relativ zueinander steuert.

30. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 29, dadurch ge­ kennzeichnet, daß die Steuerungs- und Regelungseinheit (122) das Festlegungsmittel (116) zur Festlegung einer relativen Position zwischen Anode (30) und Kathode (26) steuert.

31. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 29 oder 30, da­ durch gekennzeichnet, daß die Steuerung der Verschiebung in Abhängigkeit charakteristischer Betriebsparameter der Plasmabrennervorrichtung (10) durchführbar ist.

32. Plasmabrennervorrichtung nach einem der Ansprüche 29 bis 31, dadurch gekennzeichnet, daß die relative Position zwischen Anode (30) und Kathode (26) durch die Steuerungs- und Regelungseinheit (122) regelbar in Abhängigkeit charakteristischer Betriebsparameter der Plasmabrennervorrichtung (10) ist.

33. Plasmabrennervorrichtung nach Anspruch 31 oder 32, da­ durch gekennzeichnet, daß die charakteristischen Be­ triebsparameter jeweils die Parameter Temperatur des Kühlmittels bei Zuführung zur Anode (30) und Abführung von der Anode (30); Anodentemperatur; Temperatur eines mittels eines Plasmastrahls bearbeiteten Werkstückes; Wärmekapazität des Arbeitsgases; Massedurchsatz des Arbeitsgases; Lichtbogentemperatur; Temperatur einer Plasmaflamme; Massedurchsatz eines Zusatzwerkstoffes, welcher mit der Plasmaflamme beaufschlagt ist; Strom- Spannungs-Charakteristik der Plasmabrennervorrichtung (10) umfassen können oder auch Kombinationen dieser Parameter.

34. Plasmabrennervorrichtung nach einem der vorangehenden Ansprüche, gekennzeichnet durch seine Verwendung in einem Beschichtungs- oder Aufdampfungssystem.