ЭЛЕКТРОД ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКИ
PLASMA TORCH ELECTRODE

Настоящее изобретение относится к электроду плазменной горелки, а также к головке плазменной горелки с таким электродом.
Плазмой называется сильно нагретый электропроводящий газ, состоящий из положительных и отрицательных ионов, электронов, а также возбужденных и нейтральных атомов молекул.
В качестве плазмообразующего газа применяются разные газы, например, одноатомный аргон и/или двухатомные газы: водород, азот, кислород или воздух. Эти газы ионизируют и диссоциируют под действием энергии электрической дуги. Электрическая дуга после сужения соплом считается плазменной струей.
На параметры плазменной струи может оказывать сильное влияние конфигурация сопла и электрода. Этими параметрами плазменной струи являются, например, диаметр струи, температура, плотность энергии и скорость истечения газа.
6
2
Например, при плазменной резке плазма сужается соплом, которое может иметь газовое или водяное охлаждение. В результате плотность энергии может возрасти до 2×10 Вт/см. Внутри плазменной струи температура может достигать до 30000°C, которая в сочетании с высокой скоростью истечения газа обеспечивает очень большие скорости резания материалов.
Вследствие большой термической нагрузки на сопло оно изготавливается, как правило, из металлического материала, в связи с высокой электропроводностью и теплопроводностью предпочтительно - из меди. Это относится и к электрододержателю, который, однако, может быть также изготовлен из серебра. Тогда сопло применяется в плазменной горелке, основными компонентами которой являются головка, крышка сопла, направляющая деталь для плазмообразующего газа, сопло, держатель сопла, гнездо под электрод, электрододержатель с электродной вставкой, а в современных плазменных горелках - и держатель для защитной крышки сопла и сама защитная крышка сопла. Электрододержатель фиксирует заостренную электродную вставку, называемую эмиссионной вставкой, из вольфрама, применяемую для не окисляющих газов в качестве плазмообразующего газа, например, смеси из аргона и водорода. Так называемый пластинчатый электрод, электродная вставка которого состоит, например, из гафния, может применяться также и для окисляющих газов в качестве плазмообразующего газа, например воздуха или кислорода.
Для достижения длительного срока службы сопла и электрода часто применяют охлаждение, в данном случае жидкостью, например водой, однако возможно охлаждение и газом.
Следовательно, различают плазменные горелки с жидкостным и газовым охлаждением.
Согласно уровню техники электрод состоит из держателя, изготовленного из материала с хорошей электро- и теплопроводностью, например меди и серебра или их сплавов, и эмиссионной вставки из температуростойкого материала, например вольфрама, циркония или гафния. Для кислородсодержащих плазмообразующих газов может применяться цирконий, правда, благодаря своим более высоким термическим качествам гафний более пригоден, поскольку его оксид является более температуростойким.
В целях обеспечения длительного срока службы электрода тугоплавкий материал в качестве эмиссионной вставки размещается в оправе, которая затем охлаждается. Наиболее эффективным видом охлаждения является жидкостное охлаждение.
В публикации DD 87361 описан такой электрод (катод) для окислительных газов. Катод (эмиссионная вставка) выполнен из материала, например, циркония, оксид которого является температуростойким, и вставлен в медную оправу. Оправа катода охлаждается изнутри через канал для подачи охлаждающей воды. Далее приводится описание проблемы, вызванной низким сроком службы (долговечностью) катода, обусловленным вращением плазмообразующего газа, необходимым для достижения высокого качества резания. Оправа катода содержит буртик, вокруг которого расположено кольцо для направления газа, содержащее выполненные в нем газовые каналы, предназначенные для разделения плазмообразующего газа на частичный и основной потоки, и образующие на обращенной к соплу стороне основной поток и приводящие его во вращение, и образующие на обращенной к оправе катода стороне противоположно вращающийся частичный поток, или же буртик оправы катода содержит выемки для формирования и изменения направления частичного газового потока. Тем самым должна быть создана спокойная газовая зона перед эмиссионной вставкой для снижения его износа. Однако этим способом не достигается столь высокое качество резания, как это происходит при сильно вращающемся плазмообразующем газе.
Кроме того, в DE 69014289 T3 и DE 69937323 T2 описаны электродные компоновки, в которых вокруг эмиссионной вставки размещена втулка (сепаратор), отделяющая эмиссионную вставку от электрододержателя. При этом сепаратор состоит преимущественно из серебра, а электрододержатель - из меди. Серебро гарантирует более длительный срок службы, в частности, при резании с применением чистого кислорода, поскольку серебро реагирует с кислородом реакционно инертнее, чем медь. Однако изготовление таких электродных компоновок является дорогостоящим.
Из DE 69512247 T2 известно, что излучающая поверхность эмиссионной вставки вначале образована так, что она создает выемку в эмиссионной вставке, которая имеет по средней оси начальную глубину, пропорциональную необходимому для резания потоку и диаметру эмиссионной вставки. Благодаря такой выемке снижается отложение эмиссионного материала на внутренней поверхности сопла, вызываемое воспламенением и работой плазменной дуги. Однако в ходе исследований было установлено, что срок службы вследствие этого не возрастает.
Из публикации US 5083005 A известен электрод плазменной горелки нового уровня, содержащий продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода вдоль средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, установленную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность отстоит от эмиссионной вставки. На передней поверхности электрододержателя выполнена цилиндрическая полость и в плоском и горизонтальном дне полости высверлено цилиндрическое глухое отверстие, в котором находится эмиссионная вставка. Излучающая поверхность эмиссионной вставки находится на той же высоте, что и днище полости или даже немного выступает поверх него наружу.
В основу изобретения положена задача повышения срока службы электрода, в частности, эмиссионной вставки, плазменной горелки и одновременного снижения стоимости изготовления.
Согласно изобретению указанная задача решается с помощью электрода плазменной горелки, содержащего: продолговатый электрододержатель с передней поверхностью на острие электрода и сверлением, выполненным на острие электрода по средней оси через электрододержатель, и эмиссионную вставку, расположенную в сверлении таким образом, что излучающая поверхность эмиссионной вставки остается свободной, причем излучающая поверхность смещена назад относительно передней поверхности электрододержателя и содержит центральную и периферийную поверхности, при этом зазор а между центральной поверхностью эмиссионной вставки и передней поверхностью электрододержателя превышает зазор b между периферийной поверхностью эмиссионной вставки и передней поверхностью электрододержателя.
В зависимых пунктах формулы изобретения приведены оптимальные варианты развития изобретения.
В основу изобретения положено неожиданное знание того, что в результате заднего смещения излучающей поверхности относительно передней поверхности электрододержателя возрастает срок службы электрода.
Другие признаки и преимущества изобретения приведены в приложенной формуле изобретения и последующем описании, в котором раздельно поясняются несколько примеров выполнения изобретения со ссылкой на схематические чертежи. При этом изображено:
фиг.1 - вид в продольном разрезе на головку плазменной горелки согласно первому особому варианту выполнения изобретения, в соответствии с которым предусмотрены как более точное центрирование и/или уплотнение электрода, так и специальная эмиссионная вставка для продления срока службы и повышения эксплуатационной надежности плазменной горелки;
фиг.2 - детали улучшенного центрирования и уплотнения электрода на фиг.1;
фиг.3 - электрододержатель до момента размещения эмиссионной вставки;
фиг.4-10 - особые варианты выполнения электрода согласно изобретению с видом в продольном разрезе и детали эмиссионных вставок с видом в продольном разрезе, а также с видом спереди;
фиг.11 - разные формы поверхности согласно особым вариантам выполнения эмиссионной вставки, вид спереди.
На фиг.1 показана головка 1 плазменной горелки согласно особому варианту выполнения изобретения, существенными составными частями которой являются, по меньшей мере: сопло 4, электрод 7, точнее пластинчатый электрод, содержащий электрододержатель 7.5 с наружной резьбой 7.4 и эмиссионную вставку 7.1, и газоподводящий элемент 3.
В описываемом здесь случае сопло 4 крепится держателем 5 и крышкой 2. Гнездо 6 под электрод содержит электрододержатель 7.5, закрепленный с помощью внутренней резьбы 6.4. Газоподводящий элемент 3 располагается между электродом 7 и соплом 4 и приводит во вращение плазмообразующий газ PG. Головка 1 плазменной горелки имеет водяное охлаждение, при этом вода подается по внутреннему пространству электрода с помощью холодильной трубы 10 от места (WV1) подачи хладагента до места (WRI) возврата хладагента, а также по соплу 4 в пространстве между соплом 4 и его крышкой 2 от места WV2 подачи хладагента до места WR2 его возврата. Дополнительно головка 1 плазменной горелки содержит защитную крышку 9 сопла, которая в данном примере выполнения навинчена на свой держатель 8. Между защитной крышкой 9 сопла и крышкой 2 сопла течет вторичный газ, обеспечивающий защиту сопла, в частности, его острия.
На фиг.2 показано улучшенное центрирование и уплотнение электрода 7 относительно электрододержателя 7.5. На обращенной к гнезду 6 под электрод стороне электрод 7 содержит наружную резьбу 7.4, канавку 7.3 для размещения сплошного кольца 7.2 и цилиндрическую наружную поверхность 7.6 (центрирующую поверхность). Эта цилиндрическая наружная поверхность 7.6 имеет жесткие допуски по отношению к цилиндрической внутренней поверхности 6.6 (центрирующей поверхности) гнезда 6 под электрод. Это достигается, например, путем обычной для центрирования посадки с зазором H7/h6 согласно стандарту DIN ISO. В результате комбинации этих признаков обеспечивается хорошее центрирование между электродом 7 и гнездом 6 под электрод и, следовательно, плазменной горелкой, а также надежная герметичность.
На фиг.3 показан электрод 7 до момента размещения эмиссионной вставки 7.1 в электрододержателе 7.5.
На фигурах 4-10 показаны особые варианты выполнения электрода 7 согласно изобретению, который содержит электрододержатель 7.5 и эмиссионную вставку 7.1.
Для зазора а между поверхностью 7.7 электродродержателя 7.5 и поверхностью 7.11 эмиссионной вставки 7.1 и для зазора b между поверхностью 7.7 электрододержателя 7.5 и поверхностью 7.12 эмиссионной вставки 7.1 действуют следующие соотношения:
a>b
a=0,15-0,5 мм
b=0,1-0,45 мм
a ≥ от 1,3 × b до 3 × b.
Угол γ на поверхности эмиссионной вставки 7.1 составляет предпочтительно от 0 до 120°.
Диаметр c1 сверления под эмиссионную вставку 7.1 в электрододержателе 7.5 составляет предпочтительно от 0,5 до 2,9 мм. Кроме того предпочтительно, чтобы для эмиссионной вставки 7.1 соблюдалось следующее:
диаметр c2: c2=0,5-2,9 мм,
диаметр d поверхности 7.11: d=0,3-2,7 мм и d≤c2-0,2 мм.
В остальном в отношении ширины g поверхности A2 сплошного кольца действует соотношение: g≥0,1 мм = (c2-d)/2.
Предпочтительно угол β эмиссионной вставки 7.1 составляет от 10° до 90°, угол α сверления в электрододержателе 7.5 - от 80° до 160°, при этом α>β.
На фиг.11 показаны разные формы поверхности эмиссионной вставки 7.1. Площадь A2 примыкающей к электрододержателю 7.5 поверхности эмиссионной вставки 7.1 является, по меньшей мере, равновеликой с минимально возможной площадью A2 поверхности сплошного кольца, образующейся при кольцевом выполнении в зависимости от диаметра с2. Между периферийной поверхностью 7.12 и центральной поверхностью 7.11 может быть дополнительно предусмотрена, например, косая переходная поверхность 7.13 с площадью A3. Наружные контуры поверхностей 7.11 и 7.13 могут иметь, например, форму треугольника, четырехугольника, звезды и пр.
Раскрытые выше в описании, на чертежах и в формуле изобретения признаки изобретения, взятые как раздельно, так и в любой комбинации при осуществлении изобретения в его разных вариантах, являются существенными.
Перечень позиций
1 головка плазменной горелки
2 крышка сопла
3 газоподводящий элемент
4 сопло
5 держатель сопла
6 гнездо под электрод
6.4 внутренняя резьба
6.6 цилиндрическая наружная поверхность
7 электрод
7.1 эмиссионная вставка
7.2 сплошное кольцо
7.3 канавка
7.4 наружная резьба
7.5 электрододержатель
7.6 цилиндрическая наружная поверхность
7.7 поверхность электрододержателя на острие электрода
7.11 центральная поверхность эмиссионной вставки
7.12 периферийная поверхность эмиссионной вставки
7.13 переходная поверхность
7.14 сверление в электрододержателе 7.5
7.15 конец эмиссионной вставки 7.1
7.16 дно сверления 7.14
8 держатель защитной крышки сопла
9 защитная крышка сопла
А1 площадь поверхности 7.11
А2 площадь поверхности 7.12
а зазор между поверхностью 7.7 электрододержателя 7.5 и центральной поверхностью 7.11 эмиссионной вставки 7.1
b зазор между поверхностью 7.7 электрододержателя 7.5 и периферийной поверхностью 7.12 эмиссионной вставки 7.1
c1 диаметр сверления под эмиссионную вставку 7.1 в электрододержателе 7.5
с2 диаметр эмиссионной вставки 7.1
d диаметр поверхности 7.11 эмиссионной вставки 7.1
е длина эмиссионной вставки 7.1
f длина цилиндрической части сверления под эмиссионную вставку 7.1 в электрододержателе 7.5
g ширина поверхности А2 сплошного кольца
α угол сверления в электрододержателе 7.5
β угол эмиссионной вставки 7.1
γ угол поверхности эмиссионной вставки 7
r радиус