ПЛАЗМОТРОН

Полезная модель относится к области плазменной обработки и может быть использована для плазменной наплавки, сварки, резки черных и цветных металлов.
Известен плазмотрон, содержащий катодный узел с катодной тугоплавкой вставкой и анодный узел с соплом-анодом. Анодный и катодный узлы электрически изолированы друг от друга. Между тугоплавкой вставкой и соплом-анодом имеется зазор «А». Катодная вставка размещена в трубке, сообщенной с подводящим штуцером. В катододержателе имеется полость, соединенная со штуцером подвода хладагента. На наружной поверхности сопла анода имеется винтовая канавка, которая может быть выполнена в виде многозаходной резьбы. Снаружи сопла катод охвачен помещенной в наружный кожух гильзой, закрывающей снаружи винтовую канавку, но оставляющей открытыми ее концы.
Между корпусом, в котором закреплен анод и гильзой образована кольцевая подсеть. К верхней части сопла-анода пристыкован завихритель. Винтовая канавка соединена со штуцером.
Для работы плазмотрона его катодный и анодный узлы соединяют с источником питания. Штуцер охлаждения плазмотрона соединяют с линией подвода хладагента.
При наличии напряжения с соплом-анодом и катодной тугоплавкой вставкой в межэлектродном зазоре «А» возбуждается электрическая дуга.
При подаче в завихритель плазмообразующего газа, под давлением обдувающем дугу вихревым потоком, возникает интенсивный факел плазмы, истекающий из выходного отверстия сопла-анода. Перемещение плазмы по каналу плазмотрона приводит к сильному нагреву деталей плазмотрона, охлаждение которого осуществляется прокачкой хладагента через каналы и полости анодного и катодного узлов.
(см. патент РФ №2071189, кл. В23К 10/00, 1996 г.)
В результате анализа конструкции известного плазмотрона необходимо отметить, что она довольно сложна, что обусловлено разнесением по высоте катода и
анода, помещением катодного и анодного узлов в отдельных корпусах. Это, кроме того, приводит к увеличению габаритов плазмотрона. ^
Выполнение анода значительной длины с расположением элементов инициации плазменного потока у одного его торца, а выходного сопла у другого приводит к сильному нагреву плазмотрона в процессе его эксплуатации, а следовательно, необходимо решать проблему охлаждения плазмотрона. В данной конструкции она решена выполнением в корпусе плазмотрона, в анодном и катодных узлах, многочисленных каналов и полостей, через которые прокачивают хладагент, что существенно усложняет изготовление плазмотрона.
Конструкция известного плазмотрона не предусматривает использования при образовании плазменного потока циклической подачи разных плазмообразующих газов, что существенно снижает качество обработки деталей и область применения плазмотрона.
Известен плазмотрон, содержащий корпус с закрепленным на нем защитным соплом. На корпусе, внутри по отношению к защитному соплу, закреплено плазмообразующее сопло, электрически изолированное от корпуса. В корпусе плазмотрона закреплен электродный узел, электрически изолированный от корпуса. В элементах плазмотрона выполнены каналы для прокачки хладагента через штуцер, что необходимо для охлаждения плазмотрона при его функционировании.
На корпусе плазмотрона имеется штуцер для подвода плазмообразующего газа к плазмотрону. От штуцера плазмообразующий газ через винтовую проточку, выполненную на наружной поверхности изолятора электродного узла, подается тангенциально в плазмообразующее сопло.
Для работы плазмотрон подключают к источнику питания. Включают источник питания, подачу плазмообразующего газа и хладагента. Плазмообразующий газ по винтовой (спиральной) канавке подается под давлением в пространство между плазмообразующим соплом и электродом, где возбуждается электрическая дуга. При прохождении плазмообразующего газа через электрическую дугу возникает интенсивный факел плазмы, который через отверстие плазмообразующего сопла подается на обрабатываемое изделие, производя, например, его сварку. Защитный газ через входной патрубок подается в пространство между защитным и
плазмообразующим соплами и при выходе из плазмотрона «охватывает» факел плазмы и зону сварки, защищая их от воздействия внешней среды.
(см. патент РФ №2259262, кл. В23К 10/00, 2005 г.) - наиболее близкий аналог.
В результате анализа конструкции известного плазмотрона необходимо отметить, что она во многом устраняет недостатки плазмотона по патенту РФ №2071189: зона плазмообразования расположена у выхода из плазмообразующего сопла; зона обработки защищается защитной газовой средой; плазмообразующая газовая среда подается в плазмообразующую зону с завихрениями, что улучшает условия плазмообразования; плазмотрон компактен. Однако невозможность циклической подачи в зону плазмообразования разных плазмообразующих газов по разным каналам сужает область применения данного плазмотрона и не позволяет обрабатывать детали с высоким качеством.
Задачей настоящей полезной модели является разработка конструкции плазмотрона, обеспечивающей обработку широкого спектра деталей (изделий) с высоким качеством за счет обеспечения регулирования параметров работы устройства (плазмотрона) в широких пределах.
Поставленная задача обеспечивается тем, что в плазмотроне, содержащем полый корпус, в котором на изолирующем элементе размещен охлаждаемый электрод с вставкой плазмообразующего материала на его конце, установленные на корпусе защитное сопло и размещенное внутри него плазмообразующее сопло с отверстием для подачи плазмы на детали, причем сопла расположены друг относительно друга таким образом, что между ними имеется щель для защитной газовой среды, подаваемой на детали, внутренняя поверхность плазмообразующего сопла и конец электрода образуют плазмообразующую полость, связанную посредством спирального канала с патрубком подачи плазмообразующей среды, установленным на корпусе, на котором также установлен патрубок подачи защитной среды через каналы в щель между соплами, новым является то, что плазмотрон снабжен вторым закрепленным на корпусе патрубком для защитной среды, соединенным каналом с щелью между соплами, и вторым установленным на корпусе патрубком для плазмообразующей среды, связанным спиральной канавкой с плазмообразующей
полостью, причем спиральные канавки подачи плазмообразующей среды закручены в противоположные стороны друг относительно друга.
Одна из винтовых канавок для плазмообразующей среды может быть выполнена на наружной поверхности электрода, а другая - в изолирующем элементе.
Конец электрода выполнен сферической формы, а с выходным отверстием плазмообразующего сопла с внутренней его стороны сопряжена проточка сферической формы, радиус которой равен радиусу сферической поверхности электрода.
При проведении патентных исследований из уровня техники не выявлены решения, идентичные заявленному, а, следовательно, заявленная полезная модель соответствует условию охраноспособности «новизна».
Сведений, изложенных в материалах заявки, достаточно для практического осуществления полезной модели.
Сущность полезной модели поясняется графическими материалами, на которых:
на фиг.1 - плазмотрон, осевой разрез;
на фиг.2 - зона плазмообразования плазмотрона.
Плазмотрон выполнен в виде полого корпуса 1, в котором установлен электрод 2, а на одном из торцов закреплено плазмообразующее сопло 3, закрытое защитным соплом 4.
Электрод 2 выполнен полым с наконечником 5 сферической формы, на котором закреплен (например, запрессован), плазмообразующий материал 6. Полость электрода 2 разделена на две части перегородкой 7, которая не доходит до дна полости, то есть полости электрода 2 являются сообщающимися. К одной части полости подведен патрубок 8 для подачи хладагента (например, воды), а к другой - для отвода хладагента (не показан).
Электрод 2 электрически изолирован от корпуса 1 посредством изолирующей втулки 9, размещенной между корпусом 1 и электродом 2. Втулка имеет посадочный буртик (позицией не обозначен), которым она устанавливается на верхний торец корпуса 1. Фиксация втулки 9 относительно корпуса 1 осуществляется накидной гайкой 10.
Плазмообразующее сопло закреплено (например, посредством резьбы) на нижнем торце корпуса 1. Сопло имеет выходное осевое отверстие 11 для истечения потока плазмы. Наиболее целесообразно, чтобы отверстие имело заходное сферическое углубление 12, радиус которого примерно равен радиусу закругленного торца электрода 2. Снаружи относительно плазмообразующего сопла 3 на корпусе закреплено защитное сопло 4. Крепление сопла 4 может быть осуществлено на корпусе 1, например, посредством резьбы. Между наружной поверхностью сопла 3 и внутренней поверхностью сопла 4 образовано пространство (щель) для прохода защитного агента. В качестве защитного агента может быть использован газ или смесь газов, или разные газы, попеременно подаваемые в упомянутое выше пространство между защитным 4 и плазмообразующим 3 соплами.
Защитные газы подаются через патрубки 13 и/или 14 по каналам 15 и 16 в кольцевую камеру 17 и через отверстия 18 в щель между соплами.
Плазмообразующая среда подается в пространство между электродом 2 и плазмообразующим соплом 3.
В качестве плазмообразующей среды может быть использовано два моногаза (аргон, гелий) или две смеси газов. Газовая среда подается в зону плазмообразования (объем между наружной поверхностью электрода 2 и внутренней поверхностью плазмообразующего сопла 3) по своим отдельным каналам, причем траектории и динамика подачи потоков газовой среды отличаются друг от друга и имеют возможность независимого регулирования по объему подаваемого газа, скорости подачи, направления вращения (закрутки в плазменном столбе). Для этой цели плазматрон имеет два патрубка 19 и 20 для плазмообразующих газов или их смесей.
Патрубок 19 связан с зоной плазмообразования посредством винтовой канавки 21. например, в виде резьбы на поверхности электрода.
Патрубок 20 связан с зоной плазмообразования посредством винтовой канавки 22. выполненной на изоляторе (втулке) 9, например, в виде ленточной резьбы. Винтовые канавки 21 и 22 закручены в противоположные стороны. Угол их подъема составляет примерно 30-45°. Шаг винтовых канавок может быть постоянным или переменным. Естественно, что для обеспечения работы плазмотрон снабжен: источником питания, к которому подсоединяются электрод 2 и плазмообразующее
сопло 3; источником подачи и прокачки хладагента через патрубок 8 по полости электрода 2; системой газоснабжения, подсоединяемой к патрубкам 13, 14, 19, 20; регулятором (регуляторами) подачи защитного и плазмообразующего газов в плазмотрон.
Все эти внешние устройства являются известными по своему исполнению, их конструкция не является предметом патентной охраны в настоящей заявке и поэтому их конструктивное выполнение в материалах заявки не раскрыто.
Плазмотрон работает следующим образом.
Для работы плазмотрон соединяют со всеми указанными выше системами. Включают блок питания и эти системы. При наличии напряжения между электродом 2 и плазмообразующим соплом 3 в прилегающей к ним полости возбуждается электрическая дуга, истекающая из элемента 6 плазмообразующего материала. В патрубки 19 и 20 попеременно подаются плазмообразующие газы (аргон и гелий), каждый из которых, проходя соответственно по винтовым канавкам 21 и 22, попеременно подается в зону плазмообразования в виде вихревого потока, который захватывает истекающую с элемента 6 плазму и образующийся интенсивный факел плазмы, закрученный в вихревой поток, истекает из отверстия 11 на детали, производя, например, их сварку. Благодаря тому, что винтовые канавки 21 и 22 закручены в противоположных направлениях, вихревые потоки плазмы, попеременно подаваемые на деталь, имеют разное направление закрутки, что, как показали исследования, улучшает качество сварного шва, увеличивает глубину проплавления. Изложенное выше не означает, что в качестве плазмообразующего средства может быть использован один газ или одна смесь газов, постоянно подаваемых в зону плазмообразования. В данном случае один из патрубков (20 или 19) заглушается. Качество сварки при этом несколько снижается.
Одновременно с подачей плазмообразующих газов в зону обработки деталей (например, сварки) через щель между наружной поверхностью плазмообразующего сопла 3 и защитного сопла 4 попеременно подаются защитные газы. Защитные газы подаются через патрубки 13 и 14 по каналам 15 и 16 в кольцевую камеру 17 и истекают из камеры 17 через отверстия 18 в щель между соплами на детали.
Циклы подачи защитных и плазмообразующих газов совпадают.
В случае подачи в зону обработки (сварки) одного защитного газа с постоянным расходом, заглушают один из патрубков (13 или 14).
Как показали исследования, наиболее целесообразно при обработке деталей с попеременной подачей в зону обработки двух плазмообразующих и двух защитных газов подавать в зону обработки в качестве защитного и плазмообразующего газов в течение одного цикла разные газы (например, гелий - защитный, аргон - плазмообразующий, и наоборот).
В течение всего времени работы плазмотрона в полость электрода через входной патрубок 8 закачивается хладагент, который циркулирует по одной части его полости, проходит под перегородкой 7 в другую его полость и удаляется через выходной патрубок.
Использование плазмотрона раскрытой выше конструкции позволяет повысить качество обработки деталей (например, сварки) и расширить область применения данного устройства за счет регулирования потока плазмы и защитного потока в широких пределах.