ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ НАПЫЛЕНИЯ

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических и неметаллических покрытий на изделия.
Известен плазмотрон с рекуперативным охлаждением неплавящегося электрода и электродный узел этого плазмотрона (Патент РФ №2469517, Н05Н 1/28, опубл. 10.12.2012). Данный плазмотрон включает в себя подвод к электроду в зону опорного пятна дугового разряда вращающегося потока плазмообразующего газа, создающего микрозавихрения газа вблизи поверхности электрода и отвод тепла от электрода в аксиальный поток плазмы микровихрями, причем электрод с электрододержателем выполнен таким образом, что направление его вращения противоположно вращению вихревого потока плазмообразующего газа.
Недостатками плазмотрона является наличие сложной динамической системы подвода электрической энергии с помощью графитовой щетки и управление плазмотроном, а также сложность работы на малых расходах плазмообразующего газа из-за возможности перегрева стенок плазмотрона.
Известен электродуговой плазмотрон (Патент РФ №2222121, Н05Н 1/26, С23С 4/12, опубл. 20.01.2004), который включает последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку (МЭВ) с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазоры МЭВ - анод, МЭВ - катод, причем штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона.
Недостатком данного технического решения является то, что в нем подача напыляемого материала реализована под срез сопла плазмотрона, что, в свою очередь, затрудняет прогрев тугоплавких материалов для напыления и требует значительного тока (250А) для обеспечения качественных покрытий.
Наиболее близким аналогом заявленного устройства является плазмотрон (Патент РФ №2225084, Н05В 7/20, Н05Н 1/42, В05В 7/22, опубл. 27.02.2004), который включает корпус, катодный узел с острийным катодом, анодный узел, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анодного узла, узел подвода охлаждающей среды, по меньшей мере, к одному из электродов, узел подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство, узел подачи потока транспортирующего газа с порошком через канал, образованный между секциями межэлектродной вставки, выходная часть которого удалена от острийного катода вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние не более чем на 3d, но не менее чем на 0,5d, где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки, при этом канал сообщается с узлом подачи транспортирующего газа с порошком через кольцевую промежуточную камеру, а узел подачи транспортирующего газа с порошком содержит, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком в кольцевую промежуточную камеру.
В данном прототипе охлаждение электродов и секций межэлектродной вставки, соприкасающихся в процессе работы плазмотрона с плазменным потоком, производится за счет теплопроводности деталей, непосредственно контактирующих с трактом прокачки охлаждающей жидкости. Для обеспечения необходимого теплового контакта катододержателя и втулки катодного узла, детали катодного узла устанавливаются с минимальными радиальными зазорами. При этом данные поверхности дополнительно охлаждаются плазмообразующим газом, и не имеют развитого рельефа для увеличения теплосъема, что особенно увеличивает эрозию катода при малых расходах плазмообразующего газа и уменьшает тепловой КПД.
Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в уменьшении тепловых потерь, повышении надежности работы, применении различных плазмообразующих газов для достижения требуемой величины энтальпии струи.
Данная задача решается за счет того, что плазмотрон для напыления включает в себя корпус, катодный узел с острийным катодом, водоохлаждаемый анод, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анода, согласно полезной модели, катодный узел и секция межэлектродной вставки, расположенная ближе к катоду, имеют наружные винтовые канавки с шагом 5-9 мм, объем которых заполнен металлическими шариками с высокой теплопроводностью, причем винтовая канавка секции межэлектродной вставки сообщается с конусообразным каналом дополнительной подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство по направлению к аноду, а канал подачи транспортирующего газа с порошком расположен в секции межэлектродной вставки, находящейся ближе к аноду.
Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является рекуперация тепловой энергии охладителя катодного узла (плазмообразующего газа) и охладителя секции межэлектродной вставки (дополнительного газа) за счет нагрева данных охладителей в винтовых канавках с шаровой засыпкой и возврата этой энергии в плазменный поток, что повышает тепловой и общий КПД процесса плазменного напыления, обеспечивает достаточное охлаждение электродов при малых расходах плазмообразующего газа, увеличивает энтальпию струи путем подмешивания многоатомных газов в виде дополнительного плазмообразующего газа.
На фигуре 1 изображен плазмотрон для напыления, включающий корпус 1, катодный узел 2 с острийным катодом 3, водоохлаждаемый анод 4, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секции 5 и секции 6, плазмообразующий канал 7, образованный стенками межэлектродной вставки и анода, отличающийся тем, что катодный узел 2 и секция 5 межэлектродной вставки, расположенная ближе к катоду, имеют наружные винтовые канавки 8 и 9 с шагом 5-9 мм, объем которых заполнен металлическими шариками 10 с высокой теплопроводностью, причем винтовая канавка 9 на секции 5 межэлектродной вставки сообщается с конусообразным каналом 11 дополнительной подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство по направлению к аноду, а канал 12 подачи транспортирующего газа с порошком расположен в секции 6 межэлектродной вставки, находящейся ближе к аноду.
Работает устройство следующим образом.
К аноду 4 и секции 6 межэлектродной вставки подключается проточная вода для охлаждения. Плазмообразующий газ, например аргон, подают в катодный узел 2, после этого, проходя через наружную винтовую канавку 8, объем которой заполнен металлическими шариками 10 с высокой теплопроводностью, нагретый газ попадает в зазор между катодом 3 и секцией 5 и оттуда в плазмообразующий канал 7.
Также в плазмотрон подают дополнительный плазмообразующий газ, который по роду может совпадать с основным газом, в зависимости от требуемой величины энтальпии плазменной струи и требований по окислению напыляемого материала, например, аргон, азот или воздух, через наружную винтовую канавку 9, причем газ, пройдя обозначенную канавку, нагревается и попадает через конусообразный канал 11 в межэлектродное пространство по направлению к аноду. Секция 5 защищает вольфрамовый катод от эрозии в случае добавления окислительных газов в струю через конусообразный канал 11.
При зажигании дуги плазмотрона катод подключают к отрицательному полюсу, а секцию 5 МЭВ - к положительному полюсу источника электропитания. Зажигание дугового разряда осуществляется путем высоковольтного пробоя зазора между катодом 3 и секцией 5 с помощью осциллятора и подачи начального тока на указанные электроды от источника электропитания. После запуска увеличивают подачу плазмообразующего газа и подключают секцию 6 МЭВ к положительному полюсу источника электропитания, а секцию 5 отключают. После зажигания дуги на секцию 6 МЭВ, устанавливают номинальный расход газа через катодный узел 2 и конусообразный канал 11, производят отключение контакта секции 6, с одновременным подключением анода к положительному полюсу источника электропитания и выставляют номинальную силу тока разряда. Анодное опорное пятно в виде плазменного облака примыкает к внутренней поверхности осевого канала анода. Осуществляют подачу транспортирующего газа с порошком через канал 12 и производят напыление покрытия.
Наличие рекуперации тепла путем продувания плазмообразующего газа через шаровую засыпку, находящуюся в объеме винтовых канавок катодного узла 2 и секции 5 межэлектродной вставки позволило частично направить тепловой поток из электродных узлов обратно в плазмообразующий газ, тем самым увеличить тепловой и общий КПД процесса.
Шаг винтовых канавок преимущественно составляет 5,0-9,0 мм. Выбранный диапазон шага винтовой канавки определяет общую длину канавки и объем шаровой засыпки для регенерации тепла, которая выбирается исходя из условия достаточности охлаждения электродов. Соотношение диаметра шариков от внутреннего линейного размера канавок определяется экспериментально (а.с. №1698614, F28F 13/12, опубл. 15.12.1991) или теоретически исходя из условия максимального теплообмена в канавках и составляет 0,15-0,25 внутреннего линейного размера канавок.
Наличие водяной рубашки охлаждения в водоохлаждаемом аноде 4 и секции 6 МЭВ позволяет поддерживать их оптимальный тепловой режим, что стабилизирует процесс нанесения покрытий.
Вдув в дуговой канал прогретого плазмообразующего газа способствует гашению пульсаций потока, жесткой пространственной фиксации дуги независимо от уровня тока, расхода и состава плазмообразующего газа и выравниванию профиля скоростей и температур в радиальном сечении плазменной струи.
Раздельная подача плазмообразующих газов позволяет регулировать энтальпию плазменной струи.
Конструкция плазмотрона с подачей порошка на начальном участке электрической дуги позволяет создавать наполненные профили температуры и скорости плазмы, осуществлять равномерный нагрев и ускорение напыляемого материала, что в совокупности с оптимизацией режимов в зависимости от различных порошков обеспечивает повышение эффективности процесса нанесения покрытий.