Плазмотрон

Полезная модель относится к области плазменной техники, к устройствам для плазменной обработки металлов, в частности, к устройствам для плазменной сварки и резки черных и цветных металлов. Может быть использована в технологических процессах в машиностроении, металлургической промышленности.
Надежность плазматрона определяется износостойкостью теплонагруженных элементов, таких как электрод и плазмообразующего сопла. Износостойкость обеспечивается эффективностью системы их охлаждения и конструктивным исполнением. В плазматронах, работающих длительное время при повышенных токовых нагрузках, применяют электроды с распределенной рабочей зоной.
Известен плазматрон по патенту РФ на изобретение №2058865, В23К 10/00, 1996. Плазматрон содержит полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, установленный внутри корпуса электродный узел с системой его охлаждения, систему подвода защитного и плазмообразующего газов. Между электродом и плазмообразующим соплом установлен изолятор. На наружной поверхности плазмообразующего сопла выполнен кольцевой канал, соединенный с системой каналов корпуса, подводящих и отводящих охлаждающую жидкость. Износостойкость теплонагруженных элементов обеспечивается конструктивным исполнением, при котором система охлаждения плазмообразующего сопла не зависит от системы охлаждения электрода. Недостатком является сложность конструкции устройства, его увеличенная масса и большие габариты. Кроме того, недостатком является невысокая стабильность зажигания и горения дуги.
Известен плазмогенератор по патенту на изобретение US 3673375, В23К 9/00, 1972. Плазмогенератор содержит полый цилиндрический электрод, соосно расположенное с ним и установленное на расстоянии газонаправляющее сопло, и камеру со средствами ввода дугового газа для создания вихревого потока в газонаправляющем сопле. Расстояние между электродом и соплом составляет от одной четвертой до одной трети длины сопла. Отношение осевой длины сопла к диаметру сопла более 0,2. В устройстве обеспечивается интенсивное перемещение опорных пятен дуги по внутренней цилиндрической поверхности и вихревая подача плазмообразующего газа. К недостаткам относится сложность конструкции, большие габариты, необходимость вихревой подачи плазмообразующего газа внутрь цилиндрической полости электрода и необходимость применения источников питания с повышенным напряжением холостого хода более 400В, недостаточная износостойкость электрода.
В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрано изобретение по а.с. №837683, В23К 31/10, 1981 «Плазматрон для резки металлов». Плазматрон сдержит корпус и соосно установленные медный охлаждаемый катод с плоским рабочим торцом и формирующее сопло. По оси катода выполнено глухое отверстие. Формирующее сопло выполнено с плоской поверхностью со стороны, обращенной к рабочему торцу катода. Зазор между рабочим торцом катода и плоской поверхностью сопла, обращенной к нему, равен 0,09 - 0,11 диаметра катода. В плазматроне используется вихревая подача плазмообразующего газа. Недостатками устройства являются трудность обеспечения параллельности плоскости рабочего торца электрода с поверхностью сопла, обращенной к нему, и наличие острой кромки по границе пересечения боковой цилиндрической поверхности электрода с плоским рабочим торцом. Это обуславливает невысокую износостойкость. Кроме того, приводит к снижению стабильности возбуждения дуги, и к возможному аварийному режиму работы плазматрона из-за вероятности возникновения «двойной дуги».
э
Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение износостойкостилектрода, плазмообразующего сопла и плазматрона в целом.
Технический результат достигается за счет того, что в плазматроне, содержащем электрод, у которого на наружной поверхности рабочего торца выполнено центральное глухое отверстие, и сопло, установленное с зазором вокруг электрода, имеющее плоскую внутреннюю поверхность, обращенную к рабочему торцу электрода, на которой выполнено выходное отверстие, соосное с глухим отверстием электрода, согласно полезной модели, рабочий торец электрода выполнен в виде полусферы, диаметр глухого отверстия электрода составляет 0,75 - 1 диаметра выходного отверстия сопла, глубина глухого отверстия электрода составляет 1 - 1,3 его диаметра, зазор между рабочим торцом электрода и плоской внутренней поверхностью сопла составляет 0,2 - 0,3 выходного отверстия сопла.
Технический результат обеспечивается за счет выполнения рабочего торца в виде полусферы. Отсутствие острой кромки и угла у рабочего торца электрода приводит к улучшению обтекаемости этого торца, снижению силы трения при вихревом движении плазмообразующего газа в сторону выходного отверстия сопла, и в конечном счете, к повышению износостойкости электрода. Выполнение диаметра глухого отверстия электрода размером, составляющим 0,75 - 1 диаметра выходного отверстия сопла, позволяет с высокой точностью направить выделяющееся тепло от активных пятен дуги в выходное отверстие сопла. Соосное расположение этих двух отверстий и заданное соотношение диаметров снижают тепловую нагрузку на плазмообразующее сопло, повышая его износостойкость. Глубина глухого отверстия электрода составляет 1 - 1,3 его диаметра, а зазор между рабочим торцом электрода и плоской внутренней поверхностью сопла составляет 0,2 - 0,3 выходного отверстия сопла. Это обеспечивает стабильность зажигания дуги за счет того, что минимальное расстояние между рабочим торцом электрода и плоской поверхностью плазмообразующего сопла со стороны, обращенной к рабочему торцу электрода, находится над каналом сопла. Стабильность горения дуги при минимальном напряжении обеспечивается оптимальным соотношением размеров глухого отверстия, выполненного по оси рабочего торца электрода, выходного отверстия плазмообразующего сопла и зазора между рабочим торцом электрода и внутренней плоской поверхностью сопла. При этом упрощается взаимная ориентация электрода и плазмообразующего сопла. Стабильность возбуждения и горения дуги повышает ресурс работы плазматрона. При соблюдении указанных размерных условий уменьшается расход газа, проходящий через зазор, и соответственно, уменьшается износ сопла. Таким образом, повышается как износостойкость электрода и плазмообразующего сопла, так и плазматрона в целом.
На фигуре 1 представлен рабочий торец электрода плазматрона и фрагмент плазмообразующего сопла.
На фигуре 2 представлена таблица соотношения размеров и износостойкости плазматрона при токе прямой полярности.
На фигуре 3 представлена таблица соотношения размеров и износостойкости плазматрона при токе обратной полярности.
Электрод 1 плазматрона расположен внутри плазмообразующего сопла 2. Рабочий торец электрода 1 выполнен сферическим, с радиусом, равным половине диаметра электрода 1. На наружной поверхности рабочего торца электрода выполнено глухое отверстие 3. Выходное отверстие 4 внутри имеет диаметр dс, определяемый рабочим током. На чертеже не показаны корпус плазматрона, система водяного охлаждения плазматрона и подачи плазмообразующего газа.
Глухое отверстие 3 в рабочем торце электрода 1 имеет размеры:
диаметр d = 0,75 - 1,0dс, где dс диаметр канала плазмообразующего сопла;
глубина h1 = 1,0 - 1,3d,
а зазор h2 между рабочим торцом электрода и внутренней плоской поверхностью сопла равен h2 = 0,2 - 0,3 dс.
Данные размеры для обеспечения оптимального времени износа электрода и плазмообразующего сопла определены на основе теоретического анализа электрических и газодинамических процессов в вихревых камерах и экспериментально. При проведении экспериментов d меняли в пределах 1,0 - 6 мм, dс-2,5 - 7 мм, h1 - 0 - 8 мм, h2 - 1,0 - 5 мм. По результатам экспериментов, приведенных в таблицах 1, 2, видно, что наибольшие значения износостойкости для тока прямой полярности составляют 22 - 24 часа, для тока обратной полярности - 66 - 69 часов при условии соблюдения всех трех зависимостей d = 0,75 - 1,0dс, h1 = 1,0 - 1,3d, h2 = 0,2 - 0,3 dс.
Плазматрон работает следующим образом.
Включают вихревую подачу плазмообразующего газа внутрь плазмообразующего сопла 2. Включают источник питания тока дуги. Кратковременным включением высокочастотного высоковольтного разряда обеспечивают искровой пробой в зоне минимального зазора между рабочим торцом электрода 1 и внутренней плоской поверхностью плазмообразующего сопла 2, который зажигает дежурную дугу. Дежурную дугу выдувают плазмообразующим газом из выходного отверстия 4 плазмообразующего сопла 2 и замыкают на изделие, при этом возникает основная рабочая дуга. Активные катодные или анодные пятна дуги совершают вращательное перемещение по внутренней цилиндрической поверхности глухого отверстия 3 в торце электрода. При указанных соотношениях геометрических размеров рабочей части плазматрона обеспечивается стабильность возбуждения и горения плазменной дуги, тепловая нагрузка на плазмообразующее сопло и требуемое напряжение холостого хода источника питания дуги, снижается износ электрода.
Пример использования плазматрона
Проведены испытания плазматрона с медным электродом 1 диаметром 14 мм, диаметр плазмообразующего сопла 2 dс= 4 мм. Размеры глухого отверстия в рабочем торце электрода 1 следующие: диаметр d = 4 мм, глубина h1 = 4,5 мм. Зазор h2 между рабочим торцом электрода 1 и внутренней плоской поверхностью сопла 2 равен 1,2 мм. В качестве плазмообразующего газа использован аргон. Напряжение холостого хода источника питания - 75В, расход плазмообразующего газа - 3,0 л/мин. При токе дуги 250 А ресурс работы электрода-катода при работе на токе прямой полярности составил 50 часов, ресурс работы электрода-анода при работе на токе обратной полярности составил 150 часов. Данный пример демонстрирует один из вариантов использования, некоторое отличие от результатов экспериментов объясняется разницей в технологических параметрах, таких как ток, напряжение, расход газов.
Таким образом, полезная модель позволяет повысить износостойкость электрода, плазмообразующего сопла и плазматрона в целом.