ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ГОРЕЛКИ

Область техники
Техническое решение относится к электроду, используемому в плазменно-дуговых горелках, а именно электроду с медным корпусом, один конец которого (в горелке - задний) подготовлен для его соединения с плазменно-дуговой горелкой, а на другом конце которого (в горелке - торцевом или переднем) имеется коаксиальное отверстие, в которое помещена эмиссионная вставка, изготовленная из гафния.
Текущее состояние техники
Плазменные электроды имеют корпус, который, в сущности, представляет собой литой или полый цилиндр. На выходе электрода помещается эмиссионная вставка. На входе электрод имеет конструкцию для закрепления в плазменной горелке и контактную поверхность для переноса постоянного электрического тока с плазменной горелки на корпус электрода. Конструкцией электрода предусмотрены поверхности для охлаждения электрода охлаждающей средой. Корпус электрода проводит постоянный электрический ток. Он поступает в корпус электрода через контактную поверхность из корпуса горелки и движется по направлению к эмиссионной вставке. Корпус электрода поглощает тепло от эмиссионной вставки и отводит его в место, где оно передается в охлаждающую среду. Корпус электрода изготавливается из материала с высокой теплопроводностью и электропроводностью, такого как медь, серебро и их сплавы.
Эмиссионная вставка передает постоянный электрический ток, поступающий на нее через контактную поверхность с корпуса электрода, на плазменную дугу, образуемую электропроводящим ионизированным газом. Эмиссионная вставка изготавливается из материала с высоким коэффициентом излучения и высокой термостойкостью, такого как цирконий, гафний.
В патентном документе US 6452130 описан электрод, имеющий медный корпус, в который вложен эмиссионный элемент, например, из гафния. Между эмиссионным элементом и корпусом электрода расположен разделитель из серебра, имеющий низкую эмиссионную способность и охватывающий эмиссионный элемент.
Эмиссионный элемент соединен с неизлучающим разделителем при помощи паяного соединения, выполненного, например, из сплава серебра с одним или несколькими элементами, такими как никель, литий и медь.
В патентном документе US 4766349 описан электрод для плазменно-дуговой горелки, имеющий медный корпус с водяным охлаждением, в который помещена эмиссионная вставка из циркония или гафния. Вставка имеет покрытие, образующее диффузионную зону между корпусом электрода и материалом вставки, в состав которого входят карбиды, нитриды, бориды или силициды. Диффузионная зона предотвращает возникновение реакций между корпусом электрода и вставкой, приводящих к ухудшению свойств электрода.
Продление срока службы электрода при максимальном снижении расходов на его производство является предметом, например, патентного документа JP 2011014295, в котором описано продление срока службы плазменного электрода за счет спайки медного корпуса электрода и эмиссионной вставки из карбида гафния серебряным припоем. Недостатком этой технологии является лишь незначительное увеличение срока службы плазменных электродов для слаботочных и среднеточных нагрузок.
Суть технического решения
Техническое решение основано на идее создания между корпусом электрода и эмиссионной вставкой соединения, обладающего большей теплопроводностью и электропроводностью, чем сам материал эмиссионной вставки. Авторами технического решения было установлено, что можно достичь исключительной электропроводности и теплопроводности электродов с медным корпусом, в который помещена эмиссионная вставка из гафния, если соединить вставку с корпусом электрода при помощи пайки припоем из сплава серебра Ag с содержанием индия In.
В случае если эмиссионная вставка изготовлена из гафния, предпочтительно, чтобы кроме серебра Ag и индия In сплав также содержал галлий Ga и титан Ti, но не содержал при этом медь Cu, так как она образует с гафнием хрупкую фазу. Сплав также может содержать палладий Pd, цирконий Zr, ниобий Nb или никель Ni. В случае если эмиссионная вставка изготовлена из гафния, наиболее эффективным является припой, содержащий: 82% (по массе) Ag, 15% (по массе) In, 2% (по массе) Ga и 1% (по массе) Ti.
Толщина слоя припоя между корпусом электрода и эмиссионной вставкой из гафния составляет от 0,005 до 0,05 мм, предпочтительно от 0,01 до 0,03 мм.
На границах отдельных слоев имеются области взаимной диффузии. На границе слоя припоя и эмиссионной вставки из гафния, в веществе гафния также присутствуют атомы In и, возможно, атомы Ga и Ti, а на границе слоя припоя и медного корпуса электрода в веществе меди также присутствуют атомы Ag и In.
2
2
Согласно предлагаемому техническому решению соединение эмиссионной вставки с корпусом электрода при помощи слоя припоя имеет улучшенные характеристики благодаря спайке вещества корпуса электрода и вещества эмиссионной вставки за счет образования прослойки в месте соединения корпуса электрода и эмиссионной вставки, а также благодаря взаимной диффузии веществ корпуса электрода и образовавшейся прослойки и взаимной диффузии веществ эмиссионной вставки и образовавшейся прослойки. Образование диффузионного металлургического соединения приводит к лучшему отведению тепла из эмиссионной вставки, которая нагревается от плазменной дуги, в охлаждаемый корпус электрода. За счет соединения веществ путем взаимной диффузии, без образования межкристаллических зазоров, в точке соединения обеспечивается кондуктивная теплопередача от эмиссионной вставки к корпусу электрода. Вещество в месте диффузного соединения способно перенести кондуктивным путем больше тепла на 1 мм, чем максимальное количество тепла, которое способно перенести кондуктивным путем через сечение площадью 1 мм вещество самой эмиссионной вставки. Улучшение соединения веществ корпуса электрода и эмиссионной вставки приводит к продлению срока службы электрода.
Пояснения к чертежам
Электрод для плазменно-дуговой горелки, предусмотренный данным техническим решением, наглядно представлен на нижеприведенных чертежах:
на Фиг. 1а показан электрод в соответствии с одним из исполнений технического решения, когда корпус электрода имеет форму полого цилиндра;
на Фиг. 1b показан электрод в соответствии с иным исполнением технического решения, когда корпус электрода имеет форму литого цилиндра;
на Фиг. 2а показан электрод в соответствии с еще одним исполнением технического решения, когда эмиссионная вставка имеет коническую форму;
на Фиг. 2b показан электрод в соответствии с еще одним исполнением технического решения, когда эмиссионная вставка имеет прямо охлаждаемую поверхность; и
на Фиг. 3 показан электрод в соответствии с исполнением технического решения, аналогичным приведенному на Фиг. 2а, с эмиссионной вставкой, имеющей коническую форму с большим углом конуса, чем на Фиг. 2а.
Примеры реализации технического решения
Были испытаны различные типы плазменного электрода 1 в зависимости от типа вещества, из которого изготовлена эмиссионная вставка 3. В рамках настоящей заявки рассмотрены электроды 1 с эмиссионной вставкой 3 из гафния. Для каждого из указанных двух типов были изготовлены электроды 1 с различными тестируемыми припойными сплавами в качестве припоя 8, которые затем были подвергнуты испытаниям на стойкость при плазменной резке. Затем паяные соединения 4 оценивались на основе образцов поперечного сечения путем микроскопического исследования их полированных поверхностей.
Общей основной припойных сплавов для испытанных электродов 1 выступают серебро и индий. Серебро придает припойному сплаву высокую жидкотекучесть, электропроводность и теплопроводность. Индий придает припойному сплаву смачиваемость, текучесть, пластичность и снижает температуру плавления припойного сплава. Серебро и индий способны соединяться с веществом корпуса 2 электрода, которым, согласно техническому решению, является медь, но которое также может быть представлено сплавом меди и серебра, и в процессе диффузионного металлургического соединения происходит перенос атомов серебра и индия в вещество корпуса 2 электрода в месте его контакта с припойным сплавом.
Помимо основных элементов - серебра и индия - в состав припойного сплава входят элементы, способные соединяться с веществом эмиссионной вставки 3 и способствующие диффузии припойного сплава в вещество эмиссионной вставки 3 в месте их взаимного контакта. Для электродов 1 с эмиссионной вставкой 3 из гафния подходящими составляющими для включения в сплав являются галлий, палладий, титан, цирконий, ниобий и никель. Наиболее эффективным показало себя сочетание галлия и титана. Наилучшая диффузия припойного сплава в кристаллическую структуру гафния была достигнута в испытаниях с припойным сплавом, содержащим 82% (по массе) серебра, 15% (по массе) индия, 2% (по массе) галлия и 1% (по массе) титана.
Для достижения прочного диффузионного металлургического соединения вещества корпуса 2 электрода и вещества эмиссионной вставки 3 с припойным сплавом важное значение имеет чистота и шероховатость соединяемых поверхностей. Наилучшие результаты были достигнуты, когда соприкасающиеся поверхности были обработаны с шероховатостью от 1,2 до 2,8 Ra, предпочтительно 1,5 Ra. После обработки с соприкасающихся поверхностей были удалены грязь и жир. Перед пайкой поверхности корпуса 2 электрода и эмиссионной вставки 3 были очищены в спиртовой бане при помощи ультразвука. В качестве последней фазы очистки предназначенных для пайки поверхностей было выполнено их нагревание в вакууме.
Было установлено, что для достижения желаемого соединения вещества корпуса 2 электрода и вещества эмиссионной вставки 3 с припойным сплавом важное значение имеет толщина слоя припоя 8 между веществом корпуса 2 электрода и веществом эмиссионной вставки 3. Лучше всего показала себя толщина от 0,005 до 0,05 мм, предпочтительно от 0,01 до 0,03 мм. При толщине менее 0,005 мм не происходит затекания достаточного количества припойного сплава между соединяемыми поверхностями. При толщине более 0,05 мм количество припойного сплава настолько велико, что происходит не только диффузия припойного сплава в припаиваемое вещество, но и глубинная эрозия и/или оплавление соединяемых пайкой веществ. В случае цилиндрической формы эмиссионной вставки 3 необходимая толщина припоя 8 может быть достигнута путем создания в удерживающем элементе корпуса 2 электрода цилиндрического отверстия, диаметр которого на 0,05 мм больше внешнего диаметра эмиссионной вставки 3 цилиндрической формы, которая затем впаивается в удерживающий элемент. Что касается формы эмиссионной вставки 3, наиболее предпочтительной оказалась коническая форма отверстия для эмиссионной вставки 3 в корпусе 2 электрода, при этом эмиссионная вставка 3 должна иметь аналогичную коническую форму, расширяющуюся по направлению к передней части сопла 1. В случае соединений конической формы требуемая толщина паяного соединения была равномерной по всей поверхности соединения.
Сам процесс пайки при изготовлении образцов электродов 1 для проведения испытаний припоев выполнялся в индукционной вакуумной печи. В начале процесса был создан высокий вакуум с давлением около 5⋅10-4 Па. После его достижения подлежащие пайке электроды 1 с эмиссионной вставкой 3 были нагреты до 400°С. После достижения указанной температуры была введена защитная атмосфера аргона, и давление было повышено до значения около 10 Па. Далее температура была повышена до значения, которое в каждом случае было на 20°С ниже, чем температура пайки используемого припойного сплава. Спустя некоторое время, необходимое для выравнивания температуры, электроды 1 в каждом случае были нагреты до соответствующей температуры пайки на период от 5 до 10 минут, что было достаточно для затекания припоя 8 между соединяемыми поверхностями. После этого температура была снижена в каждом случае до значения, которое было на 10°С ниже температуры пайки, и давление защитной атмосферы было повышено до 5000 Па. Такая температура и давление удерживались в течение 20 минут. В течение этого времени происходила диффузия полупластических фаз припойного сплава в полости между отдельными кристаллическими зернами вещества корпуса 2 электрода и эмиссионной вставки 3.
При последующих испытаниях образцов электродов 1 было установлено, что при достижении соединения корпуса электрода 2 и эмиссионной вставки 3 с высокой теплопроводностью и электропроводностью, существенной для срока службы электрода 1 является форма эмиссионной вставки 3, а именно отношение ее диаметра (в точке контакта с плазменной дугой) к ее длине. Для электродов 1 с эмиссионной вставкой 3 из гафния, с прямым жидкостным охлаждением поверхности корпуса 2 электрода, было установлено, что они имеют наибольший срок службы, когда отношение диаметра D эмиссионной вставки 3 к длине L эмиссионной вставки 3 составляет 1:1,5.
Для электродов 1 с эмиссионной вставкой 3 из гафния, с прямым газовым охлаждением поверхности корпуса 2 электрода, было установлено, что они имеют наибольший срок службы, когда отношение диаметра D эмиссионной вставки 3 к длине L эмиссионной вставки 3 составляет 1:2,55.
Ниже на отдельных примерах описаны наилучшие исполнения электродов 1 для плазменно-дуговой горелки, предусмотренных данным техническим решением.
Пример 1а
Электрод 1 для плазменной резки, рассчитанный на токовую нагрузку 200 А и описанный в примере 1а, наглядно представлен на Фиг. 1а. Электрод 1 состоит из медного корпуса 2, имеющего форму полого цилиндра, на выходе 9 которого имеется эмиссионная вставка 3 из гафния. Эмиссионная вставка 3 закреплена в корпусе 2 электрода при помощи паяного соединения 4, образованного припоем 8, не содержащим медь и состоящим из припойного сплава следующего состава: 82% (по массе) серебра Ag, 15% (по массе) индия In, 2% (по массе) галлия Ga и 1% (по массе) титана Ti, обозначаемого Ag82 In15 Ga2 Ti1. Толщина слоя припоя 8 между медью и гафнием составляет от 0,02 до 0,03 мм. Гафниевая эмиссионная вставка 3 имеет цилиндрическую форму с диаметром D 1,8 мм. Длина L гафниевой эмиссионной вставки 3 составляет 2,62 мм. На входе 10 электрода имеется контактная поверхность 7. Корпус 2 электрода имеет охлаждаемую поверхность 6. При работе поверхность корпуса 2 электрода прямо охлаждается жидкостной охлаждающей средой.
Пример 1b
Электрод 1 для плазменной резки, рассчитанный на токовую нагрузку от 45 до 125 А и описанный в примере 1b, наглядно представлен на Фиг. 1b. Электрод 1 состоит из медного корпуса 2 цилиндрической формы, на выходе 9 которого имеется эмиссионная вставка 3 из гафния. Эмиссионная вставка 3 закреплена в корпусе 2 электрода при помощи паяного соединения 4, образованного припоем 8, состоящим из припойного сплава такого же состава, как и в примере 1а. Толщина слоя припоя 8 между медью и гафнием составляет от 0,02 до 0,03 мм. Гафниевая эмиссионная вставка имеет цилиндрическую форму с диаметром 1,4 мм. Длина гафниевой эмиссионной вставки 3 составляет 3,6 мм. При работе поверхность корпуса электрода прямо охлаждается газовой охлаждающей средой. На входе 10 электрода имеется контактная поверхность 7. Корпус 2 электрода имеет охлаждаемую поверхность 6.
Пример 2
Электрод 1 для плазменной резки, рассчитанный на токовую нагрузку от 20 до 160 А, состоит из медного корпуса 2 цилиндрической формы, на выходе 9 которого имеется эмиссионная вставка 3 из гафния, которая соединена с медным корпусом 2 электрода при помощи паяного соединения 4, образованного припоем 8 такого же состава, как и в примере 1а. Толщина слоя припоя 8 между медью и гафнием составляет от 0,01 до 0,02 мм. Гафниевая эмиссионная вставка имеет коническую форму с диаметром D 1,2 мм, углом X конуса 18° и длиной L 1,8 мм, как показано на Фиг. 3. На входе 10 электрода имеется контактная поверхность 7. Корпус 2 электрода имеет охлаждаемую поверхность 6.
Список выносных обозначений:
1 - электрод.
2 - корпус электрода.
3 - эмиссионная вставка.
4 - паяное соединение.
5 - прямо охлаждаемая поверхность эмиссионной вставки.
6 - охлаждаемая поверхность электрода.
7 - контактная поверхность.
8 - припой.
9 - выход электрода.
10 - вход электрода.
D - диаметр эмиссионной вставки.
L - длина эмиссионной вставки.
X  угол конуса эмиссионной вставки.