DE2456042A1

DE2456042A1 - Vorrichtung zur erzeugung eines energiestrahles

Info

Publication number: DE2456042A1
Application number: DE19742456042
Authority: DE
Inventors: Thomas E F Fairbairn
Original assignee: Sirius Corp
Current assignee: Sirius Corp
Priority date: 1973-11-23
Filing date: 1974-11-22
Publication date: 1975-05-28
Also published as: US3894209A; GB1484156A; CA1039051A; JPS50105731A; BE822528A; AU7567574A

Description

1411 Edison Plaza, Toledo, Ohio 43 406/USA

Vorrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahles

Die Erfindung betrifft eine Vorrichtung bzw. Düse zur Erzeugung eines Energiestrahles, etwa nach Art des in der US-PS 3 648 015 offenbarten Systems. In dieser Druckschrift ist ein System zur Erzeugung eines schmalen Hochfrequenz-Elektronenstrahles außerhalb einer Düse mit der Möglichkeit zur Verwendung dieses Strahles u. a. zum Versprühen eines Pulvers oder Aggregats als Überzug auf einem Werkstück beschrieben.

Das in der erwähnten Druckschrift beschriebene System arbeitet zufriedenstellend. Mit Hilfe der erfindungsgemäßen Vorrichtung kann demgegenüber jedoch eine bessere Regelung des Strahles erzielt werden.

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BORO MÖNCHEN:	TELEX:	TELEGRAMM:	TELEFON:	BANKKONTO:	POSTSCHECKKONTO:
8 MÖNCHEN 22	1-858 44	INVENTION	BERLIN	BERLINER BANK AG.	W. MEISSNER, BLN-W
ST. ANNASTR. 11	INVEN d	BERLIN	030/885 60 37	BERLIN 31	122 82 -109
TEL.: 089/2235 44			030/886 23 82	3695716000

Die Erfindung schafft eine Düse für ein Energiestrahlsystem, welche eine äußere Büchse, eine innere Büchse und eine innerhalb der inneren Büchse angeordnete Hohlelektrode aufweist. Sowohl die Hohlelektrode als auch die innere Büchse sind gegenüber der äußeren Büchse unabhängig voneinander teleskopartig verstellbar angeordnet.

Das Energiesystem selbst ist mit einem Hochfrequenz-Generator versehen, der als Ausgangs-Induktivität (output tank coil) ein ersteshohles, gewundenes Metallrohr sowie ein darin angeordnetes zweites, hohles Metallrohr aufweist. Eine "mechanische" Leistung wird an einer Hochstrom-Niederspannungsstelle der Rohre in Form eines (nachfolgend beschriebenen) Gases eingespeist. Das Gas wird jedem Rohr gesondert zugeführt. Die Leistungsabgabe jedes Rohres erfolgt an der Niederstrom-Hochspannungsstelle und ist mit der Düse gekoppelt. Das Außenrohr führt das Gas um die (innerhalb der Innenbüchse angeordnete) Elektrode herum und das Innenrohr führt das Gas im hohlen Zentrum der Elektrode.

Eine innerhalb der Außenbüchse angeordnete Radialplatte weist mehrere sie durchsetzende Durchlässe auf. Ein zentraler Durchlaß dient zur Einleitung von im Innenrohr geführtem Gas durch die Hohlelektrode. Die äußeren Durchlässe dienen zur Einleitung von im Außenrohr geführtem Gas innerhalb der Innenbüchse, jedoch außerhalb der Elektrode.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Düse schafft eine laminare Gasströmung. Das Gas um die Elektrode herum erscheint als eine den Energiestrahl einhüllende äußere Röhre oder Säule. Das durch die Elektrode strömende Gas erscheint als eine innere Röhre oder Säule und führt den Energiestrahl zu© Werfesöiek. Jede Gassäule tritt in Längsrichtung als laminare Strömung in Erscheinung. Die relativen Teleskopverstellungen der Elektrode und der Innenbüchse gegenüber der Außenbüchse dient zur Strahlkonzentrierung des Energiestrahles und zur größeren Intensität des Energiestrahles mit verminderter Streuung.

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Weitere Merkmale, Einzelheiten und Vorteile der Erfindung ergeben sich aus nachfolgender Beschreibung einer bevorzugten Ausführungsform der Erfindung sowie aus beigefügter Zeichnung. Hierbei zeigen:

Fig. 1 eine schematische Darstellung des Strahlsystems; Fig. 2 einen Schnitt durch die mit dem Energiesystem schematisch verbundene, erfindungsgemäße Vorrichtung

bzw. Düse in der Ebene der Pfeile 2-2 in Fig. 4; Fig. 3 eine perspektivische Ansicht der Vorrichtung gemäß

Fig. 2 und
Fig. 4 eine Stirnansicht der Vorrichtung in der Ebene der Pfeile 4 - 4 in Fig. 1.

Die erfindungsgemäße Vorrichtung bzw. Düse wird im Zusammenhang mit dem .in der US-PS 3 648 015 beschriebenen Energiestrahlsystem erläutert. Die erwähnte Patentschrift enthält eine Beschreibung des Energiestrahlsystems und eine Darstellung der Betriebsweise sowie verschiedene Vorteile und Anwendungsbereiche für ein derartiges System. Aus diesem Grunde wird die genannte Patentschrift in diese Anmeldung mit einbezogen. Dabei werden nur bestimmte Merkmale dieser Druckschrift hier im Detail wiederholt, wobei darauf hingewiesen wird, daß die erfindungsgemäße Düse 10 eine Verbesserung der in der genannten Patentschrift angeführten Düse 18 ist.

Die erfindungsgemäße Düse 10 kann an eine Höchstspannungs-Nullstromstelle einer Induktivität (tank coil) 12 eines Hochfrequenzgenerators 14 angeschlossen werden. Die Induktivität kann aus einer hohlen Kupferröhre hergestellt . werden und weist ein sich durch die Windungen des Außenrohrs 12 erstreckendes inneres Metallrohr 16 auf.

Eine Zuleitung führt unter Druck Gas sowohl in das Innenrohr als auch in das Außenrohr der Induktivität ein, wobei das Gas an einer Höchststrom-Nullspannungsstelle der Rohre 12 und 16 eingeführt wird. Insbesondere kann das Gas von

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zwei Gasbehältern 18 und 20 durch geeignete "T"-Stücke 21 und 22 zu der Spule oder den Röhren 12 bzw. 16 geleitet werden. Ein oder mehrere Pulver oder Aggregate aus einem Vorrat können über jedes "T"-Stück zur Einführung in die entsprechenden Rohre 12 und 16 angeschlossen werden, indem je nach Wunsch ein Einlaß an jedem "T»-Stück geöffnet wird.

Bei Verwendung der erfindungsgemäßen Düse kann das verwendete Gas aus Luft bestehen, ein passives (neutrales) Gas (Edelgas), oder eine Kombination von Edelgasen sein oder es kann sogar aus einem liquiden Medium oder aus Gasen mit festen Partikelchen bestehen. Die besonderen Parameter für das Gas werden nachfolgend nach eingehender erläutert. Bei der Erklärung des Erfindungsgegenstandes wird jedoch das Wort "Gas¹¹ im allgemeinen in der Weise verwendet, daß unter "Gas" auch Luft, passive Gase und liquide Medien zu verstehen sind, sei es, daß diese Medien Festkörperchen aufweisen oder nicht.

Nach Herstellung der geeigneten elektrischen Anschlüsse und

Einlassen des Gases, wie in der oben genannten Patentschrift

ausgeführt, strömt aus der Düse 10 ein Strahl aus und wird auf das Werkstück 28 gelenkt.

Die Einzelheiten der Düse werden nun erläutert. Die Düse umfaßt einen äußeren Hohlzylinder oder eine Büchse 30 mit einem als Düsenöffnung definierbaren ersten Ende 32 und einem zweiten Ende 34, das schließlich mit der Gaszuführung verbunden ist. Die Hohlbüchse 30 umfaßt eine innere Radialplatte 36 mit einem zentralen Durchlaß 38 und mehreren peripheren Durchlässen 40. Das Front- oder Vorteil des zentralen Durchlasses 38 ist mit einem Gewinde 42 versehen.

Im Inneren der äußeren Büchse 30 ist eine zweite hohlzylindrische Büchse 50 teleskopartig angebracht. Diese weist außerhalb der Büchse 30 ein erstes Ende 52 und innerhalb der Büchse ein zweites Ende auf. Die Büchse 50 weist

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einen sich radial nach außen erstreckenden, in die Büchse eingeschraubten Stift 54 auf, der sich nach außen durch einen passenden, axial verlängerten Schlitz 56 in der Wand der Büchse 30 erstreckt. Die Bewegung des Stiftes 54 gegenüber dem Schlitz 56 dient dazu, die Büchse 50 innerhalb der Büchse 30 teleskopartig anzuordnen.

Die erfindungsgemäße Düse umfaßt eine Hohlelektrode 60 mit einem ersten Ende 62 und einer längsverlaufenden Zentralbohrung 64. Das hintere Teil der Elektrode 60 ist mit einem mit dem im Zentraldurchlaß 38 der Platte 36 angeordneten Gewinde 42 zusammenwirkenden Gewinde 66 versehen. Die Elektrode 60 ist gegenüber der inneren Büchse 50 mit einem radialen Abstand 68 angeordnet.

Die Elektrode 60 ist ferner gegenüber der Düse durch mehrere im Außenumfang der Büchse 30 angeordnete, sich radial nach innen erstreckende Gewindelöcher 70 verstellbar befestigt. Befestigungsmittel, wie etwa in die Gewindebohrungen 70 eingeschraubte Stiftschrauben 72, dienen dazu, die Elektrode 60 durch Reibung festzuhalten. Hierbei werden vorzugsweise drei jeweils um einen Winkel von 120° am Umfang verteilte Stiftschrauben verwendet. Die Stiftschrauben sind aus Metall und leiten die Hochfrequenzenergie von der Induktivität 12 und der Außenbüchse 30 zur Elektrode 60.

Wenn die Düse mit dem Energiesystem gemäß der Erfindung verbunden wird, stehen das Innenrohr 16 und das zugehörige Gas 20 mit dem Zentraldurchlaß 38 in der Radialplatte 36 durch die Zentralbohrung 64 in der Elektrode 60 miteinander in Verbindung. Die äußere Induktivität oder Röhre 12 und das zugehörige Gas ist mit dem zweiten Ende 34 der Außenbüchse derart verbunden, daß das Gas 18 durch die peripher angeordneten Durchlässe 40 und entlang der Außenseite der Elektrode 60, jedoch innerhalb der Innenbüchse 50 strömen kann.

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Bei geeigneten Verstellungen der Gasdrücke hat sich herausgestellt, daß das erwünschte Phänomen einer laminaren oder säulenförmigen Gasströmung unter verschiedenen gleichzeitigen Bedingungen erzielt wird. Insbesondere das "äußere" Gas, d. h. das durch die peripheren Durchlässe 40 und entlang der Außenseite der Elektrode 60 strömende Gas sollte einen Druck oder eine Durchflußmenge von 14,16 dnr/h (five standard cubic feet per hour (SCFH)) aufweisen. Das innere Gas sollte mit einer Geschwindigkeit von 49,56 dnr/h (17.5 standard cubic feet per hour (SCFH)) durch den Zentralauslaß 38 und durch das Innere der Elektrode 60 strömen. Eine andere Bedingung besteht darin, daß die Spitze 62 der Elektrode 60 in der gleichen Radialebene endigt, wie das erste Ende 52 der Büchse 50. Unter diesen Bedingungen wird die laminare bzw. säulenartige Strömung erzielt. Insbesondere ergibt diese laminare Strömung einen von der Bohrung 64 in der Spitze 62 der Elektrode 60 austretenden Energiestrahl, der durch das innere Gas zur Scheibe 28 geführt wird.

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Das durch die Düse um das Äußere der Elektrode 60 herumströmende Gas umhüllt, umgibt und konzentriert den Energiestrahl. Von der Elektrodenspitze 62 zum Werkstück 28 bleibt das durch die Mitte der Elektrode 60 strömende Gas unabhängig von dem die Elektrode 60 umgebenden Gas. Infolgedessen wird die Gasströmung als laminar oder säulenförmig angesehen. Jedes Gas hält seine (querschnittlich) geradlinige oder säulenförmige Strömung aufrecht oder die Gase strömen, da die Öffnung kreisförmig ist, tatsächlich in Bohren oder Hohlsäulen von der Düsenöffnung zum Werkstück 28.

Die Außenbüchse 30 und die Innenbüchse 50 können sowohl aus Kupfer als auch aus Messing hergestellt sein. Alternativ kann die Innenbüchse 50 auch aus Keramik hergestellt sein, etwa aus Borstickstoff, der unter der Bezeichnung "Combat" von der Firma Carborundum Company in den Handel ge'bracht wird. Es hat sich auch gezeigt, daß sowohl die Außenbüchse 30 als auch die Innenbüchse 50 wahlweise aus rostfreiem Stahl hergestellt sein können.

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Die Elektrode 60 kann auch aus Wolfram oder rostfreiem Stahl oder vorzugsweise aus Molybdän hergestellt sein.

Bei Pulverzufuhr durch die entsprechenden "!"-Stücke oder Ventile kann der Energiestrahl zum Schweißen, Schneiden, Schmelzen oder Bohren u. dgl. verwendet werden. Wenn das Pulver entweder einem oder beiden Gasen zugeführt wird, kann es oder das Aggregatmaterial auf dem Werkstück -28 aufgebracht und dort überzogen oder verschmolzen werden. Bestimmte zusätzliche Merkmale sind durch die erfindungsgemäße Düse vorgesehen, wenn das Pulver eingeführt wird. Insbesondere besteht ein wichtiges Merkmal darin, daß die Gasmenge der Strömung durch Einbringung des Pulvers nicht verändert wird. D. h., daß die Strömungsmengen konstant gehalten und durch die Einführung des Pulvers nicht gestört oder verstopft werden. Somit wird die laminare Strömung durch Einführung des Pulvers nicht nachteilig beeinflußt. Der Hauptgrund hierfür besteht darin, daß keine Störungen der^Hochfrequenzenergie gegenüber der direkten und reflektierten Energie vorhanden sind, wenn das Pulver in den aus der Mittelbohrung der Elektrode austretenden Strahl eingebracht wird, d. h», daß die Energie sich nicht verändert.

Um ein optimales Funktionieren der mit der erfindungsgemäßen Düse ausgestatteten Vorrichtung zu gewährleisten, müssen die Frontfläche oder das Ende 32 der Büchse 30, das Frontende 52 der Büchse 50 und die Spitze 62 der Elektrode 60 jeweils parallel und gegenüber der Längsachse der Düse radial angeordnet sein. Darüber hinaus muß die Spitze 62 der Elektrode 60 und das Frontende 52 der Büchse 50 in der gleichen radialen Ebene liegen. Wenn die letztgenannte Bedingung nicht erfüllt ist, verändert sich die Intensität und der Fokus des Energiestrahles von einem scharfen Brennpunkt auf dem Tfeikstückin einen Strahl, der

entweder vor de© liferkstück gebündelt ist oder der bei Auftreffen auf d:em Werkstück versprüht (entsprechend einem Strahl _t

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dessen Brennpunkt hinter dem Werkstück liegt). Darüber hinaus kann die Tatsache, daß auf dem Werkstiückeine genaue Bündelung des Strahles erzielt wird, ein leichtes Zerstäuben der Elektrodenspitze 62 zur Folge haben.

Zur Erzielung bestmöglicher Ergebnisse sollten daher parallele Flächen für die beiden Büchsen 30 und 50 und die Elektrode 60 und das Fluchten der Innenbüchse 50 und der Elektrode 60 aufrechterhalten werden. Um den Strahl in erwünschter Weise bündeln zu können, ist die Innenbüchse 50 durch Bewegen des Justierstiftes 54 teleskopartig verstellbar. Die Elektrode 60 ist ebenfalls teleskopartig verstellbar, und zwar durch das in das Gewinde 42 der Außenbüchse 30 eingeschraubte Gewinde 66 und durch die Stiftschrauben 72. Die Stiftsehrauben 72 dienen auch dazu, die Elektrode 60 innerhalb der Büchse 50 zu zentrieren und den Abstand 68 für die äußere Gashülle aufrechtzuerhalten.

Der oben erläuterte Gegenstand stellt nur eine Ausführungsform dar, die die der Erfindung zugrundeliegende Aufgabe löst. Im Rahmen der Erfindung sind jedoch auch andere Lösungen möglich.

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Claims

Patentansprüche

τ)Vorrichtung zur Erzeugung eines Energiestrahles, gekennzeichnet durch einen Sinuswellen-Generator (14) mit einer Induktivität, die aus einem ersten elektrisch leitenden Rohr (12) und aus einem im ersten Rohr (12) angeordneten zweiten elektrisch leitenden Rohr (16) -gebildet ist, durch ein System zur Einleitung von Gas durch jedes der Rohre (12, 16),

durch eine an einem Ende der Rohre (12, 16) anbringbare Düse (10) mit einer ersten hohlzylindrischen Büchse (30), die ein erstes Ende (32), ein zweites Ende (34) sowie eine zwischen den beiden Enden (32, 34) angeordnete, mit wenigstens zwei sie axial durchsetzenden Durchlässen (38, 40) versehene integrale innere Radialplatte (36) aufweist, und mit einer zweiten hohlzylindrischen Büchse (50), durch eine Hohlelektrode (60),

durch Einrichtungen (42,66,70,72) zur Befestigung'der Hohlelektrode (60) radial innerhalb der ersten Büchse (30) und in Verbindung mit dem ersten axialen Durchlaß (38) zur Begrenzung eines ersten kontinuierlichen Strömungsweges durch die Düse (10) vom zweiten Rohr (16) durch den ersten axialen Durchlaß (38) in der Platte (36) und durch die Elektrode (60) und .

durch Einrichtungen (54,56) zur Befestigung der zweiten Büchse (50) radial zwischen der Elektrode (60) und der ersten Büchse (30) und in Verbindung mit dem zweiten axialen Durchlaß (40) zur Begrenzung eines z^wdten kontinuierlichen Strömungsweges durch die Düse (10) vom ersten Rohr (12) durch den zweiten axialen Durchlaß (40) in der Platte (36) und durch die zweite Büchse (50) radial außerhalb der Elektrode (60), wobei nach Einleitung von Gas durch jedes der Rohre (12, 16) von der Düse (10) eine laminare Gasströmung erzeugt wird, die eine von der Hohlelektrode (60) ausströmende und den Energiestrahl leitende innere Gassäule und eine zwischen der Elektrode (60) und der zweiten Büchse (50) ausströmende und den Energiestrahl umgebende und einhüllende äußere Gassäule umfaßt.

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faia.
2. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die Elektrode (60) und die zweite Büchse (50) in der ersten Büchse (30) teleskopartig befestigt sind.
3. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß das eine Ende der Elektrode (60) innerhalb der Radialplatte (36) schraubbar befestigt ist.
4. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die erste Büchse (30) einen sie radial durchsetzenden, axial verlängerten Schlitz (56) aufweist und daß die zweite Büchse (50) einen hiervon radial nach außen ragenden, sich durch den Schlitz (56) erstreckenden Stift (54) aufweist zur teleskopartigen Verstellung der zweiten Büchse (50) innerhalb der ersten Büchse (30).
5. Vorrichtung nach Anspruch 1, dadurch gekennzeichnet, daß die zweite Büchse (50) und die Elektrode (60) sich jeweils über die erste Büchse (30) hinaus axial nach außen erstrecken und in der gleichen, zur Achse der Vorrichtung quer verlaufenden Ebene endigen.

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