КАТОДНАЯ ГОЛОВКА ДВУХСТРУЙНОГО ДУГОВОГО ПЛАЗМАТРОНА

Полезная модель относится к электротехнике и аналитическому приборостроению, а именно к источникам возбуждения эмиссионных спектров анализируемых проб, и может быть использовано в плазмохимии для получения дисперсных материалов.
Катоды из тугоплавких металлов типа вольфрама имеют в инертной среде наименьшую эрозию, но, как показали длительные ресурсные испытания и наблюдение за поведением вольфрамового катода в работающих в производственных лабораториях установках с двухструйным плазматроном, тепловой и электрический контакт между вольфрамовым электродом и медным катододержателем, реализуемый с помощью прижимной гайки, с течением времени нарушается из-за разных коэффициентов удельного теплового расширения вольфрама и меди. Плохой контакт приводит к перегреву катода и, как следствие его заметному расходу, что в свою очередь приводит к появлению пространственной нестабильности катодной струи.
Технической задачей, решаемой полезной моделью, является улучшение электрического и теплового контакта между катодом и катододержателем и, следовательно, увеличение ресурса работы плазматрона.
Известен катодный узел электродугового двухструйного плазматрона для спектрального анализа, в котором электрод-катод выполнен из вольфрама, имеет длинную расходуемую часть с резьбой, с помощью которой он соединяется с охлаждаемым катододержателем. (ЕА №006622, H05B 7/22, опубл. 24.02.2006).
Недостатками известного устройства является недостаточный контакт резьбового соединения вольфрамового электрода - катода с катододержателем, приводящий к эрозии вольфрамового катода и, следовательно, уменьшению ресурса работы плазматрона.
Известна катодная головка двухструйного плазматрона, включающая вольфрамовый электрод с удлиненной расходуемой частью и сопло, образованное из трех медных диафрагм с каналами охлаждения; между диафрагмами установлены изолирующие прокладки; электрод-катод соединен с охлаждаемым медным катододержателем. С рабочей стороны электрод выполнен в форме конуса, противоположный конец электрода-катода выполнен в виде лезвия плоской отвертки и установлен в проточку упора, который поджимается гайкой, закрепленной с возможностью возвратно-поступательного передвижения с помощью резьбового соединения в металлической втулке, установленной соосно электроду-катоду в диэлектрическом основании катодной головки. (Патент РФ №2458489, МПК H05H 1/34, опубл. 10.08.2012). Устройство принято за прототип.
Недостатком данного устройства, как и выше описанного, является нарушение с течением времени из-за разных коэффициентов удельного теплового расширения вольфрама и меди электрического и теплового контакта резьбового соединения вольфрамового электрода-катода с медным катододержателем, приводящее к эрозии вольфрамового катода и, следовательно, уменьшению ресурса работы плазматрона.
Техническим результатом изобретения является улучшение постоянного теплового и электрического контакта между катодом и катододержателеми, и как следствие этого увеличение ресурса работы плазматрона.
Технический результат достигается тем, что в катодной головке двухструйного дугового плазматрона, включающей камеру 1, содержащую вольфрамовый электрод-катод 2 с удлиненной расходуемой частью, установленный в охлаждаемом медном катододержателе 3 и закрепленный в нем с помощью резьбового соединения с возможностью возвратно поступательного движения вдоль продольной оси, катододержатель 3 установлен на текстолитовом основании 4 и сопло 5, соосное электроду-катоду, образованное из трех электроизолированных диафрагм 6 с каналами охлаждения 7, изолирующими прокладками 8 между диафрагмами сопла; камера снабжена патрубками: ввода защитного газа, ввода плазмообразующего газа, ввода и вывода охлаждающей жидкости, согласно заявленному на стороне катододержателя 3, противоположной соплу 5, выполнен выступ 9, на который с помощью резьбового соединения установлена втулка 10, внутри втулки 10 установлена пружина 11 между двумя шайбами 12 и 13, и соосно им установлен болт перемещения 14, в торце которого выполнена проточка для упора электрода-катода 2; в корпусе втулки 10 выполнен паз 15, в шайбе 12 через продольный паз 15 втулки 10 установлен радиальный стопорный винт 16 для фиксации болта перемещения 14, на шайбу 13 опирается прижимная гайка 17, которая имеет резьбовое соединение с внутренней стороной корпуса втулки 10.
Сущность полезной модели проясняется рисунком фиг. 1.
Сущность полезной модели заключается в следующем.
При работе плазматрона на токах порядка 100 А электрод-катод и катододержатель нагреваются, разница в коэффициентах удельного теплового расширения вольфрама и меди может приводить к появлению зазора в резьбовом соединении между электродом и катододержателем.
Для создания необходимого давления на электрод и получения хорошего и постоянного во времени теплового и электрического контакта между электродом-катодом 2 и катододержателем 3 конец электрода-катода 2, противоположный соплу 5, выполненный в виде лезвия плоской отвертки, упирается в проточку в торце болта перемещения 14, при вращении которого электрод-катод вращается и перемещается вдоль продольной оси, а на стороне катододержателя 3, противоположной соплу 5, выполнен выступ 9, на который с помощью резьбового соединения установлена втулка 10. Внутри втулки 10 установлена пружина 11 с двумя шайбами 12 и 13, в корпусе втулки 10 выполнен продольный паз 15. В шайбе 12 через продольный паз 14 втулки 10 установлен радиальный стопорный винт 16, который фиксирует болт перемещения 14, и не дает ему вращаться. На шайбу 13 опирается прижимная гайка 17, которая имеет резьбовое соединение с внутренней стороной корпуса втулки 10.
Устройство работает следующим образом: стопорный винт 16 выкручивают из шайбы 12, освобождая болт перемещения 14. Вращая болт 14, устанавливают необходимый выход катода 2 из катододержателя 3 в сторону сопла. Затем стопорный винт 16 вкручивают в шайбу 12 до упора в болт 14, фиксируя его и не давая вращаться, оставляя возможность только продольного перемещения вдоль паза 14 втулки 10. Вращением прижимной гайки 17 через пружину 11 и шайбы 12 и 13 передается продольная нагрузка на болт перемещения 14 и через него на электрод-катод 2, который одним концом упирается в болт перемещения 14.
При этом за счет упругости пружины сохраняется постоянный плотный тепловой и электрический контакт между катодом 2 и охлаждаемым катододержателем 3.
По мере расходования вольфрамового катода 2 для восстановления его заданного выхода из катододержателя 3 стопорный винт 16 выкручивают, освобождая болт перемещения 14. Затем вращая болт 14, перемещают его и вместе с ним катод 2 и устанавливают необходимый выход электрода 2 из катододержателя 3. Далее винт 16 вновь закручивают до его упора в болт 14. Вращением прижимной гайки 17 через пружину 11 и шайбы 12 и 13 корректируют необходимую нагрузку на катод 2 с целью создания хорошего теплового и электрического контакта между вольфрамовым электродом 2 и медным охлаждаемым катододержателем 3.
-9
Разработанное устройство и использование защиты электрода инертным газом позволяет значительно увеличить ресурс непрерывной работы плазматрона. Величина удельной эрозии вольфрамового катода по данным испытаний в течение 200 часов составляет в среднем 5×10 г/кул. Длина электрода за 200 часов работы уменьшается примерно на 4 мм. Форма электрода в течение этого времени остается практически неизменной, испарение вольфрама происходит равномерно со всей торцевой поверхности, заточенной на конус 60°. Контроль перемещения и необходимость перемещения электрода осуществляется по изменению теплового потока на первую диафрагму сопла и в катододержатель.
Запас перемещающейся части вольфрамового катода, предусмотренный в данной конструкции, позволяет вести непрерывную эксплуатацию плазматрона в течение нескольких тысяч часов.