ИНТЕРФЕЙС СМЕННОГО СОПЛА ДЛЯ ПЛАЗМЫ
INTERFACE OF REMOVABLE NOZZLE FOR PLASMA

Перекрестная ссылка на родственные заявки
Согласно §119(e) раздела 35 Кодекса законов США настоящая заявка притязает на приоритет патентных заявок США №№60/675,910, поданной 29-го апреля 2005, и 11/392,650, поданной 30-го марта 2006, которые включены в данный документ посредством ссылки.
УРОВЕНЬ ТЕХНИКИ
Область техники
Настоящее изобретение относится к оборудованию для термического напыления порошкообразных материалов. В частности, настоящее изобретение относится к интерфейсу сменного сопла для использования с плазменной пушкой для термического напыления.
Описание предшествующего уровня техники
Для защиты различных типов компонентов используется ряд покрытий, полученных путем термического напыления. Покрытия могут предоставлять различный эффект, такой как сопротивление износу, замедление коррозии, контроль зазоров, восстановление изношенных компонентов, устойчивость к высоким температурам и/или улучшение электрических свойств. Эти эффекты могут различаться в зависимости от типа материала покрытия и того, как эти материалы наносятся. Предмет настоящего изобретения, в частности, относится к группе напыляемых покрытий, которые наносятся посредством процесса плазменного напыления. Этот процесс используется для нанесения множества различных типов покрытий во многих отраслях промышленности.
Каждая спецификация покрытия материала требует конкретного диапазона скорости и температуры, передаваемого частице порошка, чтобы получить требуемые свойства материала на детали. Общей для всех отраслей промышленности целью остается улучшение консистенции и эффективности в предоставлении покрытий термического напыления.
В отрасли напыляемых покрытий плазменная пушка используется как технологический инструмент благодаря широкому диапазону параметров, доступных с помощью этого базового инструмента. Ключевым элементом любой плазменной пушки является геометрическая форма сопла. Вариации геометрической формы сопла могут предоставить возможность плазменной пушке предоставлять различные свойства покрытия при различных температурах и скоростях с одним и тем же базовым оборудованием. Когда оператору нужно нанести другой тип напыляемого покрытия, он часто должен использовать другое сопло. Таким образом, одна плазменная пушка со сменными соплами может служить нескольким целям и потенциально предоставлять значительную экономию затрат на оборудование по сравнению с пушками с фиксированной геометрической формой сопла. В целом, конфигурации пушек и сопел по предшествующему уровню техники, как правило, проектировались без учета сменности сопел. Конфигурации по предшествующему уровню техники были такими, что оператору часто требовалось сменять саму плазменную пушку.
Однако существует ряд факторов, которые могут усложнить смену сопла плазменной пушки. Плазменные пушки должны выполнять несколько различных функций, чтобы обеспечить успешный процесс нанесения покрытия. Эти функции включают в себя должное совмещение распылительного сопла, а также уплотнение канала, через который протекает плазма. Кроме того, для предотвращения перегрева во время процесса напыления требуется охлаждение сопла пушки. Соответственно, должное течение охлаждающего вещества вокруг области сопла и соответствующее уплотнение охладительного канала имеют первостепенное значение. Также между соплом и плазменной пушкой требуется электрическое соединение, чтобы служить как обратный путь для электрического тока плазменной дуги. Точная ориентация конструктивного положения, электрические соединения и уплотнения водяной камеры должны быть достигнуты, чтобы получить желаемую характеристику напыления.
Для отрасли напыляемых покрытий был бы полезен стандартный интерфейс для каждого сопла, который обеспечивал бы должную ориентацию всех компонентов плазменной пушки с каждым сменным соплом, вместе с тем сводя к минимуму риск человеческой ошибки. Оптимальная ориентация могла бы расширить диапазон характеристик для одной плазменной пушки для термического напыления. Соответственно, в данной области техники присутствует необходимость в стандартом интерфейсе сопла для плазменной пушки, предназначенного для термического напыления, который предоставляет оптимальное и эффективное соединение сопла с высокой повторяемостью для широкого спектра геометрических форм сопла.
Сущность изобретения
Настоящее изобретение удовлетворяет вышеупомянутому требованию путем предоставления стандартного интерфейса для предоставления конструктивного положения, конструктивной ориентации, электрических соединений и уплотнений водяной камеры для смены разновидностей формирующих плазму сопел, каждое из которых связано с конкретной характеристикой струи плазмы. Гибкость присоединения сопла улучшается по сравнению с прежними конструкциями благодаря предоставлению стандартной внешней конфигурации сопла и зажимной сборки сопла на плазменной пушке, так что множество конфигураций сопел (выдающих различные свойства потока плазмы) могут быть с легкостью использованы с одним устройством.
Интерфейс обеспечивает общий механический способ сопряжения сменного сопла с корпусом плазменной пушки для термического напыления. Сопло может быть расположено так, что сопрягаемые отверстия корпуса плазменной пушки и сопла, несущие поток плазмы, располагаются на одной оси, чтобы сформировать сплошную выровненную камеру. В собранной конфигурации поток воды может проводиться из корпуса пушки через сопло и назад в обратный канал потока воды. Кроме того, интерфейс предоставляет достаточную способность для проведения электрического тока силой до 800 ампер и напряжением до 300 вольт между корпусом пушки и соплом. Действительная мощность, проходящая через интерфейс, будет варьировать в зависимости от конкретных напыляемых материалов и желаемых характеристик покрытия.
В одном варианте осуществления настоящего изобретения предоставлен интерфейс для плазменной пушки для термического напыления и втулки сменного сопла. Интерфейс включает в себя держатель на плазменной пушке, причем держатель изготовлен, по меньшей мере, частично из электропроводящего материала и имеет лицевой сегмент и первое цилиндрическое отверстие, проходящее изнутри упомянутой плазменной пушки к лицевому сегменту. Втулка сопла изготовлена из электропроводящего материала и имеет сочленяемый концевой сегмент, наружный концевой сегмент и второе цилиндрическое отверстие, проходящее от сочленяемого концевого сегмента к наружному концевому сегменту. Интерфейс также включает в себя зажимную сборку на плазменной пушке для механического соединения сочленяемого концевого сегмента и лицевого сегмента. Когда они соединены, сочленяемый концевой сегмент и лицевой сегмент совмещают первое цилиндрическое отверстие и второе цилиндрическое отверстие для формирования сплошного прохода, чтобы плазма протекала из первого цилиндрического отверстия через второе цилиндрическое отверстие, для формирования канала, чтобы охлаждающая жидкость протекала из плазменной пушки через втулку сопла и обратный канал в плазменную пушку, и для создания электрического контакта между плазменной пушкой и втулкой сопла.
Еще один вариант осуществления предоставляет сменное сопло для использования с плазменной пушкой, который имеет держатель втулки сопла с лицевой частью и выпускным отверстием для плазмы. Сопло включает в себя втулку сопла, изготовленную из электропроводящего материала и имеющую сочленяемый концевой сегмент, наружный концевой сегмент и цилиндрическое отверстие, проходящее от сочленяемого концевого сегмента к наружному концевому сегменту. Втулка сопла сконфигурирована для формирования интерфейса с плазменной пушкой, причем сочленяемый концевой сегмент и лицевая часть соединяются, чтобы совместить цилиндрическое отверстие и выпускное отверстие для плазмы, формируя сплошной проход для протока плазмы из плазменной пушки через цилиндрическое отверстие. Соединение сочленяемого концевого сегмента и лицевой части также формирует канал для протока охлаждающей жидкости из плазменной пушки через сопло и в обратный канал в плазменной пушке и создает электрический контакт между плазменной пушкой и соплом.
В еще одном другом варианте осуществления предоставлен способ формирования интерфейса между плазменной пушкой и сменным соплом. Способ включает в себя этап, на котором предоставляют плазменную пушку, имеющую держатель втулки сопла и зажимную сборку, причем держатель изготовлен, по меньшей мере, частично из электропроводящего материала и имеет лицевой сегмент и первое цилиндрическое отверстие, проходящее изнутри упомянутой плазменной пушки к упомянутому лицевому сегменту. На другом этапе предоставляют втулку сопла, изготовленную из электропроводящего материала и имеющую сочленяемый концевой сегмент, наружный концевой сегмент и цилиндрическое отверстие, проходящее от сочленяемого концевого сегмента к наружному концевому сегменту. Способ также включает в себя этап, на котором сочленяемый концевой сегмент соединяют с лицевой частью посредством зажимной сборки, причем сочленяемый концевой сегмент и лицевая часть соединяются для совмещения цилиндрического отверстия и выходного отверстия для плазмы, чтобы сформировать проход для протока плазмы, для формирования канала, чтобы охлаждающая жидкость протекала из плазменной пушки через втулку сопла, и для создания электрического контакта между плазменной пушкой и втулкой сопла.
Дополнительные отличительные признаки настоящего изобретения изложены в следующем описании и частично будут очевидны из описания или могут быть выведены путем практического применения настоящего изобретения. Отличительные признаки настоящего изобретения могут быть реализованы и получены посредством инструментариев и комбинаций, в частности, указанных ниже.
Краткое описание чертежей
Сопутствующие чертежи, которые включены в состав данного документа для предоставления дополнительного разъяснения изобретения и которые являются частью этого описания, иллюстрируют варианты осуществления настоящего изобретения и вместе с описанием служат для разъяснения принципов настоящего изобретения. На чертежах:
Фиг.1 - трехмерная перспектива плазменной пушки, включающей в себя интерфейс сопла согласно настоящему изобретению;
Фиг.2 - вид сечения интерфейса сопла согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.3 - вид сечения интерфейса втулки сопла согласно варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4А - перспектива, иллюстрирующая выходной конец втулки сопла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4В - перспектива, иллюстрирующая сочленяемый конец втулки сопла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4С - вид спереди втулки сопла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.4D - вид сбоку втулки сопла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения;
Фиг.5 - вид сечения интерфейса корпуса плазменной пушки согласно варианту осуществления настоящего изобретения.
Подробное описание изобретения
Ниже следует подробное описание предпочтительных вариантов осуществления настоящего изобретения, примеры которых проиллюстрированы на прилагаемых чертежах.
Фиг.1 представляет собой трехмерную перспективу плазменной пушки, включающей в себя интерфейс сопла согласно настоящему изобретению. Плазменная пушка 20 представляет собой устройство для распыления порошкообразного материала в расплавленном состоянии, в частности, для нанесения покрытия на поверхность обрабатываемой детали. Плазменная пушка 20 может быть каскадной, многодуговой плазменной пушкой или иной плазменной пушкой. Плазма создается посредством горелки внутри пушки 20 и направляется через внутренний канал для плазмы (показанная ссылочным номером 11 на Фиг.2) к выпускному соплу 1. Плазменная пушка 20 включает в себя сборку держателя (ссылочный номер 10, Фиг.5), чтобы вмещать сопло 1. Сопло 1 прикрепляется к пушке 20 у сборки 10 держателя посредством зажимной сборки 3, которая описана более подробно ниже в описании Фиг.2. Сопло 1 представляет собой сменную часть, и оно может быть снято из сборки 10 держателя путем освобождения зажимной сборки 3.
В показанном на Фиг.1 варианте осуществления сопло 1 не доходит до точки, где струя плазмы достигает инжекторов 8 порошка. Однако конфигурация сопла может быть изменена, например, так, чтобы порошок вводился в поток плазмы внутри сопла вместо плазмы, которая выходит из сопла. При условии, что сочленяемые с пушкой поверхности сопла (показанные, например, на Фиг.3 и 4А) совместимы, в сопле 1 может использоваться любая внутренняя конфигурация сопла.
Фиг.2 иллюстрирует вид сечения соединенного интерфейса сопла пушки 20 согласно варианту осуществления настоящего изобретения. В этом интерфейсе втулка 1 сопла установлена в сборке 10 держателя пушки 20. Интерфейс включает в себя множество элементов с рядом функций. Эти функции включают в себя предоставление механического удержания для сопла 1, предоставление электрического соединения, предоставление соединения для охлаждающей воды (или другой жидкости) и предоставление соединения для плазмы. Эти функции описаны более конкретно относительно соединенного механического интерфейса на Фиг.2.
Электрическое соединение выполняется путем сочленения поверхности 21 втулки 1 сопла и совмещенной поверхности 19 зажимной сборки 3. Хорошее электрическое соединение имеет важное значение для работы плазменной пушки, выполняя роль обратного канала для электрического тока, генерирующего плазменную дугу. Как втулка 1 сопла у поверхности 21, так и зажимная сборка 10 у поверхности 19 изготовлены из электропроводящего материала, такого как медь, но не ограничены этим.
Интерфейс предоставляет канал 4 для протока воды или другой охлаждающей среды во втулку 1 сопла и из нее. Канал 4 воды проходит из пушки 20 через отверстия 14 во втулку 1 сопла. Канал 4 охватывает по окружности часть втулки 1, чтобы предоставить возможность охлаждающей жидкости контактировать со внешней стенкой отверстия 11 сопла. Поверхность 2 втулки 1 сопла и поверхность 9 сборки держателя удерживаются под давлением посредством зажимной сборки 3, которая может быть в форме двухэлементной стяжной гайки. Несмотря на то, что показана стяжная гайка, также могут быть использованы другие зажимные сборки, такие как защелки, болты, зажимы, или аналогичное натяжное устройство, при условии, что зажимная сборка 3 является съемной и обеспечивает достаточное натяжение, чтобы зажать уплотнительное кольцо 6 в держателе, чтобы предотвратить утечку воды между лицевой поверхностью 2 сопла и лицевой поверхностью 9 держателя. Интерфейс должен быть уплотнен, чтобы удерживать воду при давлениях примерно до 300 фунтов на квадратный дюйм. На зажимной сборке 3 интерфейс содержит выемки, выполняющие роль посадочных мест для двух уплотнительных колец 5a, 5b (или эквивалентных), которые уплотняют канал воды.
Также, ссылаясь на Фиг.2, соединение для плазмы формируется, когда втулка 1 сопла крепится к лицевой поверхности 9 держателя так, что отверстие 11 втулки 1 сопла совмещается с каналом 12 плазмы пушки 20. При соединении друг с другом канал 12 плазмы и отверстие 11 сопла формируют, по существу, сплошной канал для потока плазмы. Отверстие 11 сопла и канал 12 плазмы должны иметь примерно одинаковый диаметр у интерфейса - около 7-11 мм. В состав включено одно уплотнительное кольцо 6 или эквивалентное уплотнение лицевой поверхности для выполнения функции уплотнения для воды или другой охлаждающей жидкости, протекающей в канал 4 воды (Фиг.2) через отверстия 14. В добавление, сменная высокотемпературная прокладка 7 используется, чтобы экранировать уплотнение 6 от энергетического и высокотемпературного воздействия потока плазмы и чтобы обеспечить электрическую изоляцию от электрически нейтральных компонентов центрального отверстия 12 пушки.
Отдельные детали втулки 1 сопла показаны на Фиг.3. Внешняя лицевая поверхность 2 втулки 1 сопла имеет диаметр 1,177 дюймов (29,90 мм) и глубину, которая достаточна для механической центровки сопла в корпусе плазменной пушки. Размеры внешней лицевой поверхности 2 втулки подобраны так, чтобы вмещать уплотнения и структуру, необходимые для предоставления возможности потока плазмы и должного потока охлаждающей жидкости через интерфейс. Лицевая поверхность 2 сопла содержит кольцевые выемки 16 для частичной посадки уплотнительного кольца 6 (или эквивалента), чтобы уплотнить канал 4 воды (Фиг.2). Глубина выемки составляет 0,24 дюймов (0,6 мм), внутренний диаметр выемки составляет 0,787 дюймов (20 мм) и внешний диаметр выемки составляет 0,945 дюймов (24,00 мм). Как упомянуто выше относительно Фиг.2, как компонент интерфейса используется высокотемпературная керамическая прокладка 7. Высокотемпературная керамическая прокладка 7 имеет внешний диаметр 0,709 дюймов (18,0 мм) и ширину поперечного сечения 0,07 дюймов (1,8 мм), и оно посажено между отверстием 11 и выемкой 16 уплотнительного кольца на лицевой поверхности 2 сопла. Сопло 1 включает в себя глухие отверстия 13 на лицевой поверхности 2 сопла, глубина которых составляет 0,012 дюймов (0,3 мм), а диаметр - 0,712 дюймов (18,0 мм), которые служат как посадочное место для высокотемпературной прокладки 7, чтобы защищать вышеупомянутое уплотнение 6 от воздействия высоких температур, связанных со струей плазмы. Сменная высокотемпературная прокладка 7 используется как компонент интерфейса с внешним диаметром 0,709 дюймов (18 мм) и шириной 0,035 дюймов (0,9 мм). Втулка 1 сопла имеет глухое отверстие с диаметром примерно 0,275-0,433 дюймов (7-11 мм) в центре сопрягаемой поверхности между лицевой поверхностью 2 сопла и держателем 9.
Фиг.4А-4D предоставляют ряд перспектив втулки 1 сопла согласно одному варианту осуществления настоящего изобретения. Фиг.4А представляет собой перспективу, иллюстрирующую наружный (или выходной) конец сопла 1. Фиг.4 В представляет собой перспективу, иллюстрирующую сопрягаемый конец сопла 1. Фиг.4С представляет собой вид спереди сопла 1, и Фиг.4D представляет собой вид сбоку сопла 1. Как можно увидеть на Фиг.4А-4D, отверстия 14 включены в лицевую поверхность 2 сопла и расположены вокруг отверстия 11 сопла, чтобы предоставлять часть канала 4 воды (Фиг.2). Лицевая сторона 2 сопла содержит кольцевую выемку 16 и глухие отверстия 13, как описано выше относительно Фиг.3. При установке в держатель 10 пушки (Фиг.2, 5) лицевая поверхность 2 сопла соединяется с лицевой поверхностью 9 держателя (Фиг.2, 5) и удерживается на месте посредством силы сжатия зажимающей сборки 3 (Фиг.2), действующей на поверхность 18 втулки 1 сопла.
Детали области 10 держателя плазменной пушки 20 показаны на Фиг.5. Область 10 держателя имеет диаметр лицевой поверхности 9, подобранный так, чтобы вмещать лицевую поверхность 2 (не показана) сопла, причем этот диаметр составляет примерно 1,183 дюймов (30,05 мм). Лицевая поверхность 9 держателя включает в себя глухие отверстия 15, глубина которых составляет 0,012 дюймов (0,3 мм), а диаметр - 0,709 дюймов (18,0 мм), которые служат как одна сторона посадочного места, расположенная напротив таковой сопла 1 (Фиг.2), для высокотемпературной прокладки 7 (Фиг.2), чтобы защищать уплотнение 6 (Фиг.2) от воздействия высоких температур, связанных со струей плазмы. Канал 12 плазмы пушки имеет глухое отверстие с диаметром примерно 0,275-0,433 дюймов (7-11 мм) в центре сопрягаемой поверхности между соплом и корпусом пушки. Лицевая поверхность 9 держателя содержит кольцевые выемки 17 для частичной посадки уплотнительного кольца 6 (Фиг.2), чтобы уплотнить канал 4 воды (Фиг.2). Глубина выемок составляет 0,24 дюйма (0,6 мм), внутренний диаметр выемки составляет 0,787 дюймов (20 мм), и внешний диаметр выемки составляет 0,945 дюймов (24,00 мм).
Дополнительные преимущества и модификации будут очевидны специалистам в данной области техники. Следовательно, настоящее изобретение в своих широких аспектах не ограничено конкретными деталями и иллюстративными вариантами осуществления, которые показаны и описаны здесь. Соответственно, различные модификации могут быть выполнены в рамках сущности или объема общей концепции изобретения, как определено прилагаемой формулой изобретения и ее эквивалентами.