УСТРОЙСТВО ИМПУЛЬСНОГО ГЕНЕРАТОРА ПЛАЗМЫ НА ПЕРЕМЕННОМ ТОКЕ

Полезная модель относится к устройствам для получения низкотемпературной плазмы и может быть использовано в физических экспериментах и в широком промышленном применении: плазмохимии, металлургии, машиностроении, судостроении и др.
В частности полезная модель относится к процессам термической обработки высококонцентрированным источником энергии поверхности детали из металлов и неметаллов, с глубоким внедрением и поверхностным нанесением различных элементов (металлов или газов) плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации, а также для плазменной очистки обрабатываемых поверхностей, позволяющей удалить коррозионный слой. Все вышеперечисленное приводит к уменьшению интенсивности корродирования, повышению твердости приповерхностного слоя, износостойкости изделия и снижения трения.
Известны устройства для получения низкотемпературной плазмы, используемые в физических экспериментах, плазмохимии, металлургии, а также в установках по утилизации токсичных и бытовых отходов и т.д. (Патент RU 2231936, 2002 г., Н05Н 1/26, Н05Н 1/34; Патент RU 2176833, 2000 г., H01J 9/04; Патент RU 2225686, 2002 г., Н05Н 1/24, Патент RU 2374791 С1, 2008 г., Н05Н 1/32).
Недостатком этих генераторов плазмы является большие габариты, повышенная эрозия электродов, значительное энергопотребление, невозможность применить данное устройство для поверхностной термообработки технических изделий (из-за перегрева обрабатываемой поверхности и деформации всего изделия), использование сложных элементов конструкции электродов, корпуса и сопла плазмотрона.
За прототип взят плазмотрон (Патент RU 2225686, 2002 г., Н05Н 1/24), который имеет электродный блок в корпусе, где закреплены части электродов и плазменный инжектор. Сопловой блок, соединен с электродным блоком таким образом, что их полости образуют единую электроразрядную камеру, на выходе которого установлено сопло для образования плазменного потока, а на входе в электродный блок смонтировано кольцо для подачи плазмообразующего газа.
Полезная модель направлена на разработку компактного устройства импульсного генератора плазмы на переменном токе, которое позволит осуществлять технологические операции по очистке поверхностей изделий от оксидов и органических загрязнений, с последующим газотермическим упрочнением (с глубоким внедрением и поверхностным нанесением различных элементов (металлов или газов) плазменной струей в импульсном режиме без объемного нагрева и деформации), что позволит увеличить приповерхностную твердость материала, улучшить его абразивную стойкость, снизить трение, обеспечить технологичность устройства и простоту изготовления элементов конструкции, минимизацировать массогабаритные параметры устройства, уменьшить его энергоемкость, обеспечить простоту и надежность коммутационной аппаратуры и мобильности всей установки, обеспечивает относительно низкую себестоимость готовой продукции, повышсит технологичность и расширит область использования генераторов плазмы на переменном токе в промышленности.
Поставленная задача решается применением новых конструктивных элементов и изменением характера связей между ними.
Сущность предлагаемой полезной модели заключается в том, что устройство содержит: блок предварительной подготовки рабочего газа с распределением потока на вход ссужающего сопла, для создания ламинарного потока плазмообразующего газа сопло выполнено перфорированным, образующий внутренний канал с переменным сечением, направляющий поток непосредственно к поверхности электродов, тем самым уменьшая тепловую нагрузку на стенки канала и увеличивая тепловой КПД; устройство поджига дуги в импульсном режиме; электроды из металлических водоохлаждаемых трубок с токоподводом на изоляторах, расходящихся под углом 2° с закругленными торцевыми поверхностями в сторону выхода плазменного потока. Внутренний канал данного устройства заканчивается водоохлаждаемым соплом, обжимающий поток плазмы, направленный на обрабатываемое изделие.
Суть поясняется на фиг.1 и фиг.2, на которой показан трехфазный плазмотрон с цилиндрической разрядной камерой. На фиг.1 представлена принципиальная схема устройства для плазменной термообработки материалов из стали, на фиг.2 представлен разрез плазмотрона.
Конструкция включает в себя блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1,корпус 2 в котором закреплены три электрода 3, сопловую часть 4, вспомогательный импульсный источник старта дуги 5, керамические втулки изоляторы 6, штуцера 7 для подводов охлаждающей воды и плазмообразующего газа. Ссужающее сопло блок камеры подготовки плазмообразующего газа выполнено перфорированным 8, что обеспечивает направление ламинарного потока газа к поверхности электродов. Благодаря этому повышается тепловой КПД плазмотрона, уменьшается воздействие плазмы со стенками камеры, оставляя более горячий газ в центре, что уменьшает нагрев стенок камеры. Электроды плазмотрона 3 образуют воронкообразную трех лучевую форму и располагаются под углом 2° к оси плазмотрона. Межэлектродный зазор увеличивается от начала электродов к выходу плазменного потока, с целью стабилизации тока дуги и тепловых характеристик плазмотрона, что подтверждено экспериментальными исследованиями. Расположение электродов под углом относительно друг друга объясняется необходимостью увеличения стабилизации тока дуги, что позволяет устранить эффект лавинообразного пробоя (короткое замыкание внутри плазмотрона). Время между пробоями на стартовых электродах, есть время импульса суммарной энергии работы плазмотрона за единицу времени, то есть плазматрон работает в импульсном режиме. Для материала электродов подобрана трубка из меди с диаметром 10 мм. На конце плазмотрона находится водоохлаждаемое формообразующее сопло выхода плазмы.
Плазмотрон работает следующим образом: с помощью импульсного источника возбуждают электрическую дугу между электродами 3. Электрическая дуга возникает между электродами, рельсотронный эффект заставляет электрическую дугу двигаться вдоль электродов в сторону сопла, что увеличивает ее длину
2
Рабочий газ последовательно проходит через блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1, корпус плазмотрона 2, сопловая часть 4 преобразует поток плазмы и производит нагрев поверхности изделия. Вначале осуществляется подача газа в блок - камеру подготовки плазмообразующего газа 1, затем давление в разрядной камере подниматься до (1-2)*10 кПа, за счет соплообразного выходного канала основной поток газа будет направлен непосредственно в начало электродов 3. Данный метод подачи плазмообразующего газа увеличивает температуру плазмы, так как основной объем газа контактирует с раскаленной поверхностью электродов и соответственно с самой дугой. Также при данном методе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы. Образовавшаяся плазма движется вдоль продольной оси устройства и выходит через сопло 4, например, в рабочую камеру. В рабочей камере можно помещать различные закалочные устройства для завершения плазмо-химических реакций, а также может осуществляться процесс нанесения покрытий на различные изделия.
Рабочим инструментом при плазменной обработке является технологический плазмотрон (фиг.1), содержащий корпус 2 с тремя трубчатыми электродами 3, блок - камерой подготовки плазмообразующего газа 1 и сопловая часть 4, формирующим плазменную струю. Рабочие электроды и сопло, находясь в непосредственном контакте с низкотемпературной плазменной дугой (ее температура не превышает 10000°С), подвергается интенсивному нагреву, оплавлению, износу, что приводит к повышению эксплуатационных затрат, снижению производительности обработки и качества изделий.
Одним из основных способов повышения долговечности технологических плазмотронов является создание благоприятных условий для интенсивного отвода тепла от рабочих поверхностей электродного и соплового устройств, применение трубчатых электродов 3, и источника переменного напряжения. Протекающий через дугу переменный ток два раза за период проходит через нуль. То есть можно сказать, что дуга периодически гаснет и зажигается вновь. Чередование поверхностей для съема электронов снижает тепловую нагрузку на электроды. Тем самым продлевая срок службы электродов и самого плазмотрона.
Техническим результатом является: технологичность и энергоэффективность данного типа конструкции, применение переменного тока без преобразователей. Конструкция плазмотрона позволяет контролировать и стабилизировать дугу, т.е. получить устойчивый плазменный поток на расстоянии от сопла до обрабатываемого изделия в диапазоне от 10 до 200 мм. Увеличивается ширина дорожки (площадь обработки) за счет расстояния между обрабатываемой поверхностью и соплом и тепловой мощности плазмотрона. Предусмотрена возможность увеличения мощности за счет изменения скважности, что позволяет получить максимальную глубину в зоне термообработки, при этом тепловложение на единицу площади остается примерно постоянным. Использование такого способа подачи плазмообразующего газа увеличивает температуру плазмы, так как основной объем газа контактирует с раскаленной поверхностью электродов и соответственно с самой дугой. Также при данном методе уменьшается тепловая нагрузка на внутренние стенки корпуса плазмотрона, что в свою очередь приводит к увеличению ресурса работы. Также повышается износостойкость плазмотрона за счет принудительного охлаждения водой (температура воды на сливе не более 40°С) за счет чередования поверхностей для съема электронов снижающих тепловую нагрузку на электроды. Вследствие перемещения плазмотрона относительного обрабатываемого изделия происходит обработка поверхности изделия в импульсном режиме. В данном изобретении за счет выбранной конструкции разрядной камеры достигается расширение диапазона применения плазмотрона, увеличение КПД, а также появляется возможность применять практичные материалы, не сложность конструкции.