ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН
ELECTROARC PLASMATRON

Изобретение относится к электротехнике, в частности к средствам для напыления покрытий плазменным способом, и может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства, в том числе для упрочнения и восстановления деталей автотракторной техники: коленчатых валов, распределительных валов, поршневых колец, вкладышей и др.
Известны технические решения электродуговых плазмотронов, применяемые для напыления покрытий на детали изделий (см. а.с. СССР №№520729, 814250, 862408, 1042586, 1098512, 1136735, 1168071, 1223533, 1510234, 1394576 и др.)
Известные электродуговые плазмотроны содержат полости в анодном и катодном блоках для протекания охлаждающей воды, при этом полости сообщаются каналом внутри плазмотрона, что неизбежно образует изгиб в движении охлаждающей воды.
Однако наличие изгиба в движении охлаждающего агента (воды) в этих плазмотронах резко снижает скорость движения воды и охлаждение анодного и катодного блоков. Данные плазмотроны перегреваются, что снижает эффективность их работы; кроме того, имеют место случаи прожога анода - сопла, что является аварийной ситуацией.
Известен электродуговой плазмотрон с индивидуальным охлаждением анодного и катодного узлов, в котором канал для охлаждения анода выполнен в виде конической спирали (Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов, С.Л.Сидоренко, Е.Н.Ардатовская. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987, с.79).
Однако наличие изгибов в траектории движения охлаждающей воды, а также конусо-спиральная траектория движения воды в анодном блоке удлиняет путь движения воды, что также ведет к неоправданному перегреву анодного блока. Наличие раздельного охлаждения катодного и анодного узлов резко усложняет конструкцию плазмотрона, что также неэффективно.
Наиболее близким техническим решением к предлагаемому изобретению является электродуговой плазмотрон, содержащий анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электрогазоразрядную камеру. При этом в анодном и катодном блоках имеются, соответственно, входное и выходное отверстия и полости для протока охлаждающего агента. Кроме того, в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала (шихтопровод), (Ю.С.Борисов, Ю.А.Харламов, С.Л.Сидоренко, Е.Н.Ардатовская. Газотермические покрытия из порошковых материалов. Справочник. Киев: Наукова думка, 1987, с.78).
Однако в данном техническом решении протекание охлаждающего агента из анодного блока в катодный блок осуществляется через канал внутри плазмотрона, что, как указывалось выше, не обеспечивает надежности и высокого ресурса работы плазмотрона (прототипа) - неэффективное охлаждение.
т.у
о
п
о
п
Задачей изобретения является повышение надежности и ресурса работы электродугового плазмотрона при значительном упрощении его конструкции путем гарантированного охлаждения анодного и катодного блоков новой системой (траекторией) протекания охлаждающего агента от ввода в анодный блок, протекания в полостях анодного и катодного блоков, до вывода из катодного блока плазмотрона, за счет обеспечения стабильного отвода тепла из плазмотрона в соответствии с коэффициентом теплоустойчивости K=Q/Q≈1, где Q - отводимая тепловая энергия от плазмотрона, Дж; Q - подводимая тепловая энергия к плазмотрону, Дж.
Поставленная задача решается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем анодный и катодный блоки, расположенные соосно вдоль оси плазмотрона, разделенные изолятором, в котором имеется узел подачи рабочего плазмообразующего газа в электрогазоразрядную камеру, при этом в анодном и катодном блоках имеются, соответственно, входное и выходное отверстия и полости для протока охлаждающего агента, кроме того, в анодном блоке имеется радиальное отверстие для ввода порошкового материала (шихтопровод), согласно предлагаемому техническому решению, в анодном и катодном блоках дополнительно имеются отверстия, в которых закреплены штуцеры, при этом дополнительные отверстия расположены с диаметрально противоположной стороны относительно входного анодного и выходного катодного отверстий, при этом дополнительные штуцеры соединены дугообразным электроизоляционным трубопроводом для прохождения охлаждающего агента из анодного в катодный блок, концы которого закреплены соответственно на дополнительных анодном выходном и катодном входном штуцерах.
Дугообразный электроизоляционный соединительный трубопровод выполнен из армированной резины, например из дюрита.
Высокий эффект охлаждения электродугового плазмотрона достигается за счет следующих факторов:
- отсутствия изгибов под прямым углом в траектории движения охлаждающей воды (наличие изгибов создает дополнительные сопротивления, что снижает скорость протекания воды, и, как следствие, ухудшает условия охлаждения плазмотрона);
- сведения к минимуму времени пребывания воды в плазмотроне за счет минимальной траектории движения воды;
- сведения к минимуму длины траектории движения воды в плазмотроне;
- наличия внешнего дугообразного трубопровода, соединяющего анодный и катодный блоки, на который не воздействуют высокие температуры, в отличие от известных плазмотронов, где протекание воды из анодного блока в катодный блок происходит внутри плазмотрона;
т.у
о
п
т.у
о
п
т.у
- обеспечения тепловой устойчивости (баланса) при нагреве и охлаждении плазмотрона: K=Q/Q≈1, где К - коэффициент тепловой устойчивости (баланса) - критерий подобия; Q - отводимая тепловая энергия от плазмотрона, Дж; Q - подводимая тепловая энергия к плазмотрону, Дж. Значение K≈1 обеспечивается оптимальными условиями охлаждения плазмотрона, заложенными в его конструкции.
Изобретение поясняется чертежом, на котором представлена схема заявляемого электродугового плазмотрона. Стрелками на чертеже показана траектория движения охлаждающей воды через плазмотрон.
Электродуговой плазмотрон содержит анодный блок 1, катодный блок 2, изолятор 3, газораспределитель 4, электрогазоразрядную камеру 5, входное отверстие 6 для ввода охлаждающего агента (воды) в плазмотрон, полость 8 в анодном блоке 1, выходное отверстие 7 для вывода охлаждающего агента из плазмотрона, полость 9 в катодном блоке 2, шихтопровод 10 для подачи порошкового материала в плазменную струю, выходное отверстие 11 в анодном блоке 1, выходной штуцер 12 в анодном блоке 1, входной штуцер 14 в катодной блоке 2, входное отверстие 13 в катодном блоке 2, электроизоляционный дугообразный трубопровод 15 (например, армированная резиновая трубка, дюритовый шланг), концы которого закреплены, например, хомутами, на выходном штуцере 12 анодного блока 1 и входном штуцере 14 катодного блока 2.
Предлагаемая конструкция электродугового плазмотрона раскрыта с полнотой, достаточной для осуществления.
Электродуговой плазмотрон работает следующим образом.
Включают подачу охлаждающего агента, например воды, в анодный блок 1, применяя, например, пятиступенчатый насос от установки модели ЦКБ-1112 УЗ ТУ 2000-РСФСР-129-71, обеспечивающий регулируемое давление p≥0,2 МПа (2 атм) и регулируемый расход воды ≥10 л/мин, либо используют другой насос с такими же характеристиками. Вода через входное отверстие 6 поступает в круглую кольцевую полость 8 анодного блока 1 плазмотрона. Омывая внутренние поверхности полости 8 и охлаждая тем самым анодный блок 1, вода поступает через отверстие 11 и штуцер 12 в электроизоляционный дуговой трубопровод 15 (армированную резиновую трубку, дюритовый шланг и т.п.). Проходя через дугообразный трубопровод 15, находящийся вне зоны высоких температур, вода поступает через штуцер 14 и отверстие 13, расположенные в катодном блоке 2, в круглую кольцевую полость 9 катодного блока 2, где, омывая внутренние поверхности полости 9, охлаждает анодный блок 2 и вытекает под давлением из плазмотрона через отверстие 7. Затем включают систему подачи рабочего (плазмообразующего) газа. Плазмообразующий газ через газораспределитель 4 поступает в электрогазоразрядную камеру 5. Затем зажигают электрическую дугу в плазмотроне любым из известных способов, включают систему транспортировки газа и подачу порошкового материала через шихтопровод 10 в плазменную струю. При этом регулируют технологические режимы работы плазмотрона: величину тока, напряжения, количество подаваемого порошкового материала. Производят напыление покрытия на поверхность детали.
Особенностью предлагаемого устройства, что эффективно влияет на технологический процесс напыления покрытия, является то, что охлаждающий агент, поступая в анодный блок 1, не изменяя направления движения по прямой траектории, покидает полость 8 анодного блока 1 и через дугообразный соединительный трубопровод 15 поступает в катодный блок 2, где также, проходя катодную полость 9 по прямой траектории, покидает плазмотрон. Таким образом, время пребывания охлаждающего агента в плазмотроне сведено до минимально значения, что обеспечивается отсутствием изгибов в траектории движения охлаждающего агента внутри плазмотрона, что исключает возможность перегрева плазмотрона.
Плазмотрон был изготовлен и эксплуатировался на предприятии: восстанавливались и упрочнялись детали двигателя внутреннего сгорания (ЛМ-350, ГАЗ-24, ГАЗ-53, ЗИЛ-130, КамАЗ и др.)