Устройство для пространственной стабилизации дуги
DEVICE FOR SPATIAL STABILIZATION OF THE ARC

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для прецизионной сварки, наплавки и изготовления деталей способом 3D-печати.
Возмущающее действие на плазму дугового разряда оказывают силы магнито- и газодинамической природы.
Из уровня техники известны устройства с вихревой и магнитной стабилизацией дугового разряда [Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет./ А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Свирчук. - М.: Машиностроение, 1993. - 296 с] - аналог. Рассмотренные схемы электротехнологических установок с параллельным и закрученным током газа в присутствии индуцированного магнитного поля эффективно используются на протяжении многих лет при резке и наплавке металла. Однако высокие скорости течения струи газа (вплоть до сверхзвуковых скоростей) делают предложенные устройства не пригодными для пространственной стабилизации дуги при изготовлении деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.
Из уровня техники известен электрод для дуговой плавки металлов [Борисенко Д.Н., Колесников Н.Н. // Патент РФ №2682553 от 19.03.2019 Бюл. №8.] - прототип. Неплавящийся электрод содержит цилиндрический корпус и снабжен соленоидом, выполненным из графита в виде однорядной спирали. Соленоид расположен коаксиально корпусу и включен последовательно в электрическую цепь дугового разряда. Технический результат заключается в формировании соленоидом магнитного поля вокруг дугового канала, которое сжимает плазму в радиальном направлении и стабилизирует ее течение в аксиальном направлении, позволяя вести процесс сварки в контролируемых условиях. Недостатком предложенного устройства является невозможность его работы при токах выше 10 А, вызванная собственным пинч-эффектом, усиленным магнитным полем соленоида.
Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для пространственной стабилизации дуги, пригодного для применения в прецизионной сварке, наплавке и изготовления деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.
Поставленная задача решается с помощью кинетического дросселя, выполненного из пластины диэлектрического материала с высокой температурой плавления с отверстием для электродугового разряда.
На фиг. 1 представлена схема устройства для пространственной стабилизации дуги в составе сварочной головки, где цифрами обозначены: (1) - катод из вольфрамового стержня круглого сечения (2) - цанговый зажим; (3) - кинетический дроссель; (4) - тороидальный вихрь; (5) - столб дугового разряда; (6) - анод (деталь); (7) - держатель; (8) - графитовая пластина; (9) - керамический кронштейн; (10) - фланец; (11) - шток для перемещения сварочной головки вдоль поверхности детали. Анод (6) располагается на вращающемся столе с возможностью перемещения по вертикали (на фиг. 1 не показано). На фиг. 2 представлена фотография кинетического дросселя (3), выполненного из пластины сапфира с отверстием для электродугового разряда, закрепленного соосно с катодом (1).
Устройство работает следующим образом.
В изолированной атмосфере возмущающее действие на столб дугового разряда (5) оказывают силы газодинамической природы, представляющие собой при наличии больших градиентов температуры мощные конвективные потоки газа от анодного пятна в окружающее пространство. В предлагаемом устройстве управляющим параметром самоорганизации этих газовых потоков служит зазор между анодом (6) и кинетическим дросселем (3). При определенной величине зазора в плоском слое между анодом (6) и кинетическим дросселем (3) возникает критический переход с формированием тороидального вихря (4), локализующего дуговой разряд (5) и анодное пятно на оси катода (1).
Пример. Рабочий ток дуги 100 А, давление гелия 1 атм. Формирование тороидального вихря наблюдается при величине зазора между анодом и кинетическим дросселем 10 мм. Наблюдается стабилизация пространственного положения дуги, выражающаяся в том, что среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины шва в 4 раз меньше, чем в отсутствие кинетического дросселя.
Таким образом, предложенное устройство для пространственной стабилизации дуги является перспективным для прецизионной сварки, наплавки и изготовления деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.