Плазмотрон

Полезная модель относится к области плазменной техники, к устройствам для плазменной обработки металлов, в частности, к устройствам для плазменной сварки и наплавки черных и цветных металлов. Может быть использована в технологических процессах в машиностроении, металлургической промышленности.
Известен плазмотрон по патенту РФ на изобретение №2350052, H05H 1/26, 2009. Плазмотрон содержит корпус, вольфрамовый катод и соединенное с корпусом сопло-анод. Выходной канал сопла-анода выполнен конусообразным, расширяющимся к выходу, с углом наклона образующей конуса к продольной оси сопло-анода в пределах 8-11°. Недостатком является невысокая производительность устройства, обусловленная большим рассеиванием дуги при выходе из расширяющегося сопла, длительностью обработки материала. Кроме того, возможен перегрев обрабатываемого металла.
Известен электродуговой плазмотрон Саунина по патенту РФ на изобретение №2276840, H05H 1/26, 2006. Электродуговой плазмотрон содержит соосно и последовательно установленные охлаждаемые катодный узел с катодом, изолятор, анодный узел с соплом-анодом, систему ввода плазмообразующего газа и систему ввода обрабатываемого материала, обеспечивающих фокусирование последних в прикатодной области. Прикатодная область переходит в цилиндрическую полость сопла-анода. В анодном узле выполнены системы транспортирования технологического и защитного материалов. Системы транспортирования выходят кольцевыми каналами на торец анодного узла под углами ω1 и ω2 к продольной оси плазмотрона. Углы ω1 и ω2 определяют характер взаимодействия технологического и защитного материалов с плазменной струей, однако не предназначены для концентрации и направленной подачи на обрабатываемый материал самой плазменной дуги, что снижает производительность плазмотрона.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбран плазмотрон по патенту РФ на полезную модель №190460, H05H 1/24, 2019. Плазмотрон содержит корпус, электродный узел, анод, защитное сопло. Корпус состоит из двух частей, соединенных с помощью винтов, причем одна из частей выполнена из изолирующего материала, а другая из токопроводящего. Часть корпуса из изолирующего материала снабжена кольцом из токопроводящего материала и связана с ним резьбовым соединением, причем между ними с помощью уплотнений образована полость, соединенная с помощью отверстий, выполненных в части корпуса из изолирующего материала и фитингов, с источником охлаждающей жидкости. Кольцо связано резьбовым соединением с соплом. Анод выполнен в виде втулки из меди и соединен резьбовым соединением с частью корпуса из токопроводящего материала, причем между ними с помощью уплотнений образована полость, соединенная с помощью отверстий и трубок из токопроводящего материала, установленных в частях корпуса, с источником охлаждающей жидкости. Между корпусом и соплом выполнен кольцевой канал, соединенный с помощью отверстия в корпусе из изолирующего материала и фитинга с источником защитного газа. Электродный узел состоит из стержня, снабженного отверстием, выполненным по оси, и соединенного с частью корпуса, выполненного из изолирующего материала с помощью резьбового соединения и наконечника, выполненного в виде медной трубки. Стержень и наконечник соединены с помощью резьбового соединения, причем между наконечником и анодом в виде втулки образован кольцевой канал, соединенный с осевым отверстием стержня с помощью радиальных отверстий, выполненных в стержне. Между стержнем и частью корпуса, выполненного из изолирующего материала, с помощью уплотнений образована полость, соединенная отверстиями, выполненными в этой же части корпуса с источником охлаждающей жидкости. Недостатком является невысокая производительность плазмотрона, связанная с большим рассеиванием исходящей из него плазменной дуги.
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение производительности плазмотрона.
Технический результат достигается за счет того, что в плазмотроне, содержащем корпус, состоящий из изолирующей и токопроводящей частей, электродный узел и анод, установленные соосно в корпусе, кольцо, установленное на наружной поверхности корпуса, защитное сопло, закрепленное на кольце, патрубок подачи  охлаждающей жидкости,  патрубок подачи плазмообразующего газа, патрубок подачи защитного газа, согласно полезной модели, плазмотрон содержит сужающееся к выходному отверстию  стабилизирующее сопло, соосное аноду и  закрепленное на кольце, и содержит патрубок подачи стабилизирующего газа, соединенный с помощью отверстий в изолирующей части корпуса и соединяющихся зазоров между частями плазмотрона с выходным  отверстием стабилизирующего сопла.
Технический результат обеспечивается наличием стабилизирующего сопла, через которое от анода проходит плазменная дуга, и которое, сужаясь к выходному отверстию, сжимает эту плазменную дугу. Сжатие плазменной дуги способствуют повышению устойчивости плазменной струи и увеличению плотности и мощности теплового потока от плазменной дуги. Стабилизирующее сопло соединено с патрубком подачи стабилизирующего газа через отверстия в изолирующей части корпуса и соединяющиеся воздушные зазоры между корпусом и кольцом, между корпусом и защитным соплом, между защитным соплом и анодом. Сжатие плазменной дуги происходит с помощью воздействия на нее стабилизирующего газа, истекающего под давлением из указанных зазоров и попадающего в пристеночную зону стабилизирующего сопла. Соосное расположение стабилизирующего сопла и анода позволяет стабилизировать пространственную ориентацию плазменной дуги вдоль оси плазмотрона. Обжим плазменной дуги повышает ее мощность, стабильность, обеспечивает концентрированное тепловое воздействие на поверхность материала. Это способствует снижению необходимого времени воздействия на материал, например, снижению времени наплавки, а, следовательно, и повышению производительности процесса наплавки.
На фигуре 1 представлен продольный разрез плазмотрона.
На фигуре 2 представлен вид плазмотрона сверху.
На фигуре 3 представлен продольный разрез плазмотрона, проходящий через оси патрубков подачи стабилизирующего газа и защитного газа.
На фигуре 4 представлен продольный разрез плазмотрона, проходящий через оси патрубков подачи охлаждающей жидкости.
Плазмотрон содержит электронный узел, корпус, анод 30, стабилизирующее сопло 29, защитное сопло 25. Электродный узел состоит из стержня 1, снабженного отверстием 2, выполненным вдоль оси стержня 1, и наконечника 3. Наконечник 3 выполнен в виде медной трубки. Стержень 1 и наконечник 3 соединены с помощью резьбового соединения. Корпус состоит из двух частей. Часть 4 корпуса выполнена из изолирующего материала.  Часть 12 корпуса выполнена их токопроводящего материала. Электродный узел соединен с частью корпуса 4 с помощью резьбового соединения. Между электродным узлом и частью корпуса 4, между уплотнениями 5, 6 образована полость 7. Полость 7 соединена через отверстия 8, 9 с патрубками подачи охлаждающей жидкости 10, 11. Части корпуса 4 и 12 соединены с помощью трубок 13, 14 для подачи охлаждающей жидкости. Часть корпуса 4 из изолирующего материала соединена резьбовым соединением с кольцом 15 из теплопроводящего и токопроводящего материала. Между частью корпуса 4 и кольцом 15 с помощью уплотнений 16, 17 образована полость 18. Полость 18 соединяется с помощью отверстий 8, 9, выполненных в части корпуса 4 с патрубками подачи охлаждающей жидкости 10, 11. Между частью корпуса 4 и кольцом 15, между уплотнениями 17, 19, образована полость 20. Полость 20 соединена с помощью отверстия 21 кольца 15 с кольцевым каналом 24. Отверстие 21 связывают полость 20 с патрубком подвода защитного газа 22. Кольцевой канал 24 расположен между защитным соплом 25 и кольцом 15, которые соединены с помощью резьбы. Между кольцом 15 и частью корпуса 4 образован кольцевой канал 26. Кольцевой канал 26 соединен отверстием 27, выполненным в части корпуса 4 с патрубком подачи стабилизирующего газа 28. С кольцом 15 резьбовым соединением соединено стабилизирующее сопло 29. Анод 30 выполнен в виде втулки из меди и соединен резьбовым соединением с частью корпуса 12 из токопроводящего материала. Между анодом 30 и частью корпуса 12 за счет уплотнений 31, 32 образована полость 33. Полость 33 соединена с помощью трубок 13, 14 с источником охлаждающей жидкости. Между анодом 30 и наконечником 3 образован канал 34, соединенный с осевым отверстием 2 стержня 1 с помощью радиальных отверстий 35, выполненных в стержне 1.
Плазмотрон работает следующим образом.
Медный анод 30, в сборе с уплотнительными кольцами 31, 32, вкручивают в токопроводящую часть 12 корпуса до упора. Электродный узел, состоящий из токопроводящего стержня 1 и медного наконечника 3, после сборки устанавливают в изолирующей части 4 корпуса. К патрубкам подачи охлаждающей жидкости 10, 11 и трубкам для подачи охлаждающей жидкости 13, 14 присоединяют шланги водяного охлаждения. К патрубку подвода защитного газа 22 подключают шланг с защитным газом. Из патрубка 22 защитный газ попадает в кольцевую полость 20 через отверстие 21, выполненное в части корпуса 4. Кольцевая полость 20 образована за счет уплотнительных колец 17 и 19 между изолирующей частью корпуса 4 и кольцом 15. Далее через отверстия 23, выполненные в кольце 15, защитный газ поступает в кольцевой канал 24, образованный кольцом 15, стабилизирующим соплом 29 и защитным соплом 25. По кольцевому каналу 24 защитный газ истекает из плазмотрона. С помощью защитного сопла 25 создают поток защитного газа и фокусируют его в зоне сварки/наплавки. Защитный газ, в качестве которого чаще всего применяется 100% аргон, окружает зону разогретого и расплавленного металла и экранирует ее от воздуха. К патрубку подачи стабилизирующего газа 28 присоединяют шланг со стабилизирующим газом. Плазмообразующий газ через отверстия 2 и 35 в стержне 1 подают в канал 34. В качестве плазмообразующего, защитного и стабилизирующего газов используют аргон. Через отверстие 2 в стержне 1 и через наконечник 3 осуществляют подачу присадочной проволоки. К стержню 1 через силовой кабель подают напряжение для возбуждения дуги с присадочной проволоки. Плазменную дугу возбуждают путем подачи напряжения через силовой водоохлаждаемый кабель, соединенный с трубкой для подачи охлаждающей жидкости 13 или 14.
Запускают процесс сварки/наплавки путем включения подачи присадочной проволоки. При соприкосновении присадочной проволоки с изделием возбуждается дуга с плавящегося электрода. Плазменная дуга возбуждается автоматически через 0,1 с после возбуждения дуги с присадочной проволоки. Первая дуга горит с присадочной проволоки на изделие и находится внутри столба плазменной дуги, горящей с анода 30 на изделие. При этом плазменная дуга дополнительно обжимается стабилизирующим соплом 29 и истекающим из него потоком стабилизирующего газа. Наличие потока стабилизирующего газа дополнительно обжимает плазменную дугу, повышая ее мощность, и стабилизирует ее пространственную ориентацию вдоль оси плазмотрона. За счет этого повышается интенсивность нагрева плавящегося под воздействием дуги материала, ускоряется процесс сварки/наплавки, повышается производительность процесса и устройства.
Кроме того, повышение производительности плазматрона обеспечивается высокочастотным поджигом плазменной дуги. Для поджига сначала подают стабилизирующий и защитный газ, далее, за счет высокочастотного электрического разряда, возбуждаются дежурную маломощную электрическую дугу между кольцевым анодом 30 и стабилизирующим соплом 29. Эта дежурная дуга выдувается потоком стабилизирующего газа на изделие и возбуждается основная плазменная дуга.
Таким образом, заявляемая полезная модель позволяет повысить производительность плазмотрона.