ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ
PLASMATRON FOR CUTTING OF METAL

Плазмотрон для резки металлов относится к устройствам для плазменной автоматизированной и полуавтоматизированной резки металлов.
Из уровня техники известны аналогичные устройства, защищенные патентами РФ на изобретения и полезные модели: №1223533, №2198772, №2036059, №2138375, №2192338, №2193955, №7359, №2145536, №944839, №2032507, №37334, №20871, №18664, №8917.
Принцип работы всех вышеперечисленных устройств-аналогов состоит в использовании потока воздуха или иного плазмообразующего газа частично для охлаждения нагревающихся деталей и узлов плазмотрона, частично для создания закрученной плазменной дуги, непосредственно участвующей в процессе резки металла.
Существенными признаками перечисленных выше устройств - аналогов являются наличие катода с плазмогенерирующей вставкой, катододержателя, корпуса, изолятора, предназначенного для изоляции корпуса от катододержателя, завихрительной системы, сопла, соплодержателя и других необходимых конструктивных элементов.
Характерными недостатками всех вышеперечисленных плазмотронов воздушного охлаждения являются конструктивные ограничения на получение плазменной дуги с минимально возможным диаметром выходного канала и максимальной мощностью плазменной дуги, препятствующие удовлетворению следующих требований:
1) Максимально возможного сохранения концентричной формы выходного канала сопла в процессе работы, что предусматривает равномерное и незначительное увеличение ширины реза по мере износа расходных материалов - сопел и катодов, не увод реза по ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой» и удобство работы оператора, избавленного от необходимости постоянно контролировать качество плазменной дуги.
2) К охлаждению катода с целью недопустимости превышения критического значения температуры катода и плазмогенерирующей вставки, которое приводит к моментальному перегреву плазмогенерирующей вставки, околовставочной зоны и развитию не плазменной, а обширной сварочной дуги между катодом и соплом, которая мощностью источника за доли секунды разрушает катод и сопла, далее - завихрительную систему, катододержатель, прожигает изолятор и корпус.
3) К охлаждению катода при его работе на пределе допустимого значения температуры, что приводит к потере физического контакта вставки с катодом, что в свою очередь приводит к подкалке циркония и потере омического контакта с катодом. Сопротивление току, проходящему через плазмогенерирующую вставку, растет, ток уменьшается, мощность резко падает и возможно выключение плазменной дуги вовсе.
4) К надежности изолятора, конструкция которого должна обеспечить защиту от электрического пробоя между катодом и корпусом, как в момент высоковольтного поджига, так и в режиме низковольтной рабочей дуги, соответственно, для обеспечения целостности и изолятора, и плазмотрона в целом.
5) К эффективности отвода тепла от плазменной струи, передаваемого каналообразующему отверстию сопла. Необходима эффективная, за счет большей скорости истечения воздуха из тангенциальных завихрительных каналов, система закручивания плазменной струи. В противном случае сопло получает тепло, достаточное для расплавления выходного канала. Практика показывает, что в случае неэффективного закручивания дуги отверстие выходного канала круглой формы деформируется в овал, либо какое угодно отверстие некруглой формы, последствия которого для резки становятся необратимыми: разрезаемая деталь становится браком, а стоимость ущерба в ряде случаев несоизмеримо больше стоимости разрезаемой заготовки.
6) К конструкции завихрителя, обеспечивающей защиту изолирующей втулки от прямого и отраженного от внутренней конусной поверхности сопла плазменного излучения.
7) Обеспечению целостности несменяемых деталей плазмотрона, при штатном прогнозируемом износе и разрушении катодов, сопел и изолирующих втулок. Конструкция плазмотрона для резки металла должна гарантировать, что любое изменение состояния катода, сопла или изолирующей втулки не приведет к необратимым изменениям параметров системы охлаждения катода, катододержателя, корпуса, изолятора и соплодержателя.
8) К конструкции плазмотрона для резки металла, которая должна гарантировать, что критическое состояние катода или сопла, которое предположительно может вызвать неплазменный и/или сварочно-плазменный дуговой разряд без моментального ухудшения качества реза (увода, не прореза и т.д.) должна обеспечивать самопроизвольное выключение плазменной дуги, что визуально и акустически определяется оператором, который штатно прекращает резку. Такая же ситуация должна происходить и при критически выработанной изолирующей втулке завихрителя: после ее штатного прогнозируемого выгорания плазмотрон не должен включаться без замены расходных материалов.
Вышеперечисленные требования выполнимы лишь при решении сложных технических и конструкторских задач преимущественно на основе использования новых элементов, а также за счет использования материалов с определенными свойствами и характеристиками.
Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому изобретению является защищенное патентом РФ №2193955 «Плазмотрон для резки и установка для плазменно-дуговой резки» устройство, состоящее из электрода с плазмогенерирующей вставкой, электрододержателя, сопла, рассекателя, корпуса и других конструктивных элементов, соединенных между собой каналами и полостями.
Недостатком данного плазмотрона для резки металлов является недостаточное охлаждение катода, сопла и неэффективная завихрительная система. Эти факторы суммарно приводят к ограничению возможностей устройства для получения с его помощью мощной и узкой плазменной струи.
Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции плазмотрона для резки металлов, предназначенной для обеспечения максимальной защиты нагреваемых частей и деталей плазмотрона от прямого и косвенного плазменного излучения, а также теплового нагрева, при одновременном обеспечении минимального диаметра, эффективной закрученности и увеличения мощности плазменной струи с соблюдением в процессе работы формы геометрии сопла, увеличения ресурса активной вставки катода, увеличения надежности несменяемых частей плазмотрона в не зависимости от штатных и нештатных состояний катода, сопла и изолирующей втулки завихрителя.
Техническим результатом изобретения является повышение мощности плазменной струи с одновременным уменьшением диаметра ее сечения и улучшением рабочей геометрии выходного канала сопла.
Для достижения этого результата разработана конструкция плазмотрона для резки металлов, в состав которого входят корпус, изолятор, сопло, соплодержатель, катододержатель, рассекатель, катод с плазмогенерирующей вставкой, завихритель, состоящий из экрана, изолирующей втулки с тангенциальными отверстиями и обечайки, и контргайка. В плазмотроне для резки металлов сопло закреплено и прижато соплодержателем к обечайке завихрителя. Обечайка опирается на центральную втулку, снабженную шлицевыми каналами, запрессованными в корпус на уровне выступа между средней и выходной полостями корпуса, разделяющих его воздушным промежутком, от изолятора, в котором выполнены противоканалы. Противоканалы соединяют среднюю полость корпуса и выходную распределительную полость катододержателя, снабженного винтовыми радиаторными каналами, соединяющими выходную и входную распределительные полости катододержателя, причем входная распределительная полость соединена радиальными каналами с внутренней полостью катододержателя. Плазмотрон дополнительно содержит группу фиксирующих штифтов, установленных в глухих парных равноуглубленных соосных отверстиях торцевого выступа катододержателя и внутреннего уступа изолятора, и в торцевом выступе изолятора и внутреннего уступа корпуса, при этом контргайка, сжимающая и фиксирующая изолятор, корпус и катододержатель, внутренним уступом прижата к изолятору, а выступом - к торцевой части корпуса.
Диаметр фиксирующих штифтов равен 0.2-0.5 диаметра отверстия входного канала, а длина штифтов составляет 0.5-0.9 диаметра отверстия входного канала катододержателя.
Угол наклона противоканалов изолятора к центральной оси плазмотрона лежит в пределах от 12 град. до 18 град.
Суммарная площадь сечения противоканалов составляет 1.1-1.6 площади сечения входного канала.
Радиальные каналы катододержателя, соединяющие его внутреннюю кольцевую полость с входной распределительной полостью, выполнены на уровне уступа катододержателя, в основание которого вкручивается рассекатель.
Ширина входной и выходной распределительных кольцевых полостей равна 0.2-0.6 диаметра отверстия входного канала.
Суммарная площадь сечения трапецеидальных винтовых радиаторных каналов катододержателя равна 1.2-1.7 площади сечения входного канала.
Длина торцевого фронтального выступа катододержателя равна 0.3-0.6 диаметра отверстия входного канала.
Площадь сечения кольцевой средней полости корпуса равна 1.3-1.6 площади сечения входного канала.
Площадь сечения выходной полости корпуса равна 1.7-2.1 площади сечения выходного канала.
Центральная втулка корпуса имеет параллельные сквозные отверстия суммарной площадью 1.1-1.4 площади сечения входного канала.
Обечайка завихрителя опирается на центральную втулку корпуса.
Экран завихрителя запрессован между выступом изолирующей втулки, обращенным к соплу, и внутренним уступом обечайки.
В завихрителе выполнены сквозные через обечайку и изолирующую втулку тангенциальные завихрительные отверстия.
Суммарная площадь сечений тангенциальных отверстий изолирующей втулки равна 0.2-0.4 площади сечения входного канала.
Экран завихрителя выполнен из материала, обладающего свойствами повышенной жаропрочности и низкой теплопроводности.
Дистанция между внутренней поверхностью изолирующей втулки завихрителя и внешней поверхностью катода равна 1.0-1.5 диаметра тангенциальных отверстий завихрителя.
Предлагаемый плазмотрон для резки металла иллюстрируется чертежом в виде продольного сечения, представленным на фиг.1.
Плазмотрон для резки металла (фиг.1) содержит корпус 1, к которому посредством резьбы присоединен соплодержатель 2 с форсунками 3, закрепляющий и фиксирующий сопло 4 в обечайке 5 в соосном с катодом 6 положении и обеспечивающий заданный зазор между внутренним конусом сопла 4 и катодом 6 с плазмогенерирующей вставкой. В корпус 1 запрессован изолятор 7, снабженный противоканалами 8, соединяющими среднюю полость 9 корпуса 1 и выходную распределительную полость 10 катододержателя 11. Фронтальный выступ изолятора 7 ближе к соплу 4 соединен изолирующей втулкой, снабженной сквозными через нее и через обечайку 5 тангенциальными отверстиями 12 (на фиг.1 показаны оси отверстий). Экран 13 прижат внутренним уступом обечайки 5 к изолирующей втулке 14. Обечайка 5 опирается на центральную втулку 15 корпуса 1, в которой выполнены сквозные отверстия, соединяющие среднюю 9 и выходную 16 полости корпуса 1.
Катододержатель содержит винтовые трапецеидальные радиаторные каналы 17 (изображены в виде резьбы на фиг.1), соединяющие выходную 10 и входную 18 распределительные полости катододержателя 11. Радиальные каналы 19 соединяют входную распределительную полость 10 с внутренней щелевой полостью 20 катододержателя 11, сообщающейся на границе торцевой части рассекателя 21 с входным каналом 22 катододержателя 1.
Изолятор 7 снабжен группой фиксирующих штифтов 23, расположенных в глухих равноуглубленных парных соосных отверстиях торцевой части катододержателя 11 ближе к хвостовой части 24 и внутреннего уступа изолятора 7. Аналогичные фиксирующие штифты 23 расположены в равноуглубленных парных соосных отверстиях выступа изолятора 7 ближе к хвостовой части и внутреннего уступа корпуса 1.
Хвостовая часть 24 катододержателя 11 имеет резьбу, посредством которой плазмотрон для резки металлов крепится в патроне держателя (патрон не показан на фиг.1), на которой закреплена также контргайка 25, внутренним уступом прижатая к изолятору 7, а внешним выступом к корпусу 1. На поверхности корпуса 1 и соплодержателя 2 выполнена накатка 26.
Работа плазмотрона осуществляется следующим образом.
Плазмообразующий газ (в дальнейшем воздух) поступает через входной канал 22 в рассекатель 21, который направляет поток воздуха на внутреннюю поверхность нагретого катода 6, охлаждая его. Далее поток воздуха движется по полости, образованной рассекателем 21 и внутренними поверхностями катода 6 и катододержателя 11, дополнительно охлаждая катод 6 и катододержатель 11. Поступая через радиальные отверстия 19 катододержателя 11, воздух распределяется во входной распределительной полости 18 и затем идет через радиаторные винтовые каналы 17 к выходной распределительной полости 10, максимально эффективно охлаждая катододержатель 11.
Далее воздух по противоканалам 8 поступает в среднюю полость 9 корпуса 1, охлаждая изолятор 7, принимающий избыточное тепло от ближайшего к катоду 6 выступа катододержателя 11. Проходя через среднюю полость 9, воздух дополнительно охлаждает корпус 1. Далее, проходя через центральную втулку 15 корпуса 1, воздух охлаждает ее. Минимальная площадь контакта обечайки 5 и центральной втулки 15 препятствует распространению зоны нагрева от сопла 4 к обечайке 5, центральной втулке 15 и корпусу 1.
В выходной полости 16 корпуса 1 воздух частично распределяется на два потока. Один поток поступает через сквозные завихрительные каналы обечайки 5 и изолирующей втулки 14, образуя завихрительный поток в пространстве между катодом 6 и внутренним конусом сопла 4. Другой поток, охлаждая торцевую часть корпуса 1 ближе к соплу 4, соплодержатель 2, обечайку 5 и сопло 4 выходит в атмосферу через форсунки 3, дополнительно охлаждая соплодержатель 2.
Форсунки 3 создают кольцевой поток воздуха вокруг сопла 4, эффективно защищая его от продуктов горения плазменной дуги.
Достигаемый эффект обеспечивается применением:
- прогрессивной системы охлаждения катододержателя и катода, что препятствует скоротечному разрушению плазмогенерирующей вставки и самого катода на больших, свыше 170А, токах плазменной дуги;
- эффективным охлаждением изолятора в месте его контакта с катододержателем;
- наличием кольцевых полостей в ближней к соплу части корпуса, разделяющих его от непосредственного теплового контакта с изолятором, что обеспечивает дополнительное охлаждение изолятора и корпуса проходящим по этим полостям воздухом;
- завихрителя новой конструкции, состоящей из экрана, изолирующей втулки и обечайки, в которой максимально возможно исключена передача избыточного тепла от сопла к обечайке и далее к изолятору и корпусу;
- экранирования частей завихрителя от прямого и отраженного излучения плазменной струи.
К особенностям катододержателя относятся:
- геометрическая форма, позволяющая максимально эффективно использовать радиаторный эффект винтовых каналов по всей внешней поверхности катододержателя для преимущественного охлаждения максимально нагретой околовставочной зоны катода;
- наличие входной и выходных уравнительных кольцевых полостей, предназначенных для предотвращения турбулентных торможений потока воздуха за счет равномерного их распределения от каналов разной геометрии.
К особенностям изолятора относятся:
- наличие противоканалов особой геометрии для охлаждения изолятора в месте соприкосновения с максимально нагретым выступом катододержателя;
- геометрия противоканалов обеспечивает защиту от пробоя между катододержателем и корпусом при включении дежурной высоковольтной и рабочей низковольтной плазменной дуги;
- применение фиксирующих штифтов, предотвращающих проворачивание изолятора относительно катододержателя и корпуса, обеспечивающих жесткость конструкции и передачу необходимого вращательного усилия от корпуса к изолятору, и далее - от изолятора к катододержателю для вкручивания/выкручивания плазмотрона из патрона держателя.
К особенностям корпуса относятся:
- кольцевые полости, средняя и выходная, которые выполняют задачу создания воздушной прослойки между изолятором и нагретым корпусом;
- наличие центральной втулки со сквозными отверстиями, которая охлаждает основание завихрителя, что препятствует передаче избыточного тепла от обечайки завихрителя к корпусу и изолятору.
К особенностям завихрителя относятся:
- наличие трех элементов - обечайки, экрана и изолирующей втулки с тангенциальными завихрительными каналами;
- конструкция, обеспечивающая центрирование и фиксацию сопла по отношению к оси катододержателя и одновременно установку заданной дистанции между катодом и соплом;
- наличие экрана, защищающего изолирующую втулку от избыточного контактного тепловыделения сопла, а также прямого и отраженного от внутреннего конуса сопла излучения плазменной дуги;
- особые свойства экрана завихрителя, к которым относятся высокая огнестойкость и жаропрочность, а также низкая теплопроводность.
В совокупности все перечисленные особенности обеспечивают выполнение требований по созданию плазменной струи повышенной мощности и минимального диаметра сечения, что позволяет более эффективно использовать энергию плазменной дуги:
а) обеспечивать большую скорость реза при прочих равных значениях тока на аналогичных плазмотронах для резки металлов;
б) обеспечивать меньшую ширину и большую глубину реза при прочих равных условиях по мощности источника питания плазмотрона;
в) получать лучшую геометрию реза при прочих равных условиях по мощности аналогичных плазмотронов для резки металлов;
г) увеличивать ресурс катодов и сопел при прочих равных условиях по геометрии реза, скорости реза и мощности плазменной струи.
Благодаря применению фиксирующих штифтов, полностью исключающих проворачивание изолятора относительно катододержателя и корпуса, плазмотрон для резки металлов получает дополнительное преимущество, связанное с удобством установки плазмотрона для резки металлов в патроне держателя и обеспечением жесткости закрепления деталей и узлов внутри корпуса.