Коллинеарный электрод
COLLINEAR ELECTRODE

Изобретение относится к плазменной технике, применяемой в электрометаллургии, и может быть использовано для инициирования высокочастотной плазмы на промышленной частоте 2,45 ГГц для плавления металлических порошков и изготовления деталей сложной геометрической формы в атмосфере защитных газов. К настоящему времени накоплен значительный экспериментальный материал, по физике и технике возбуждения СВЧ-разряда [СВЧ-генераторы плазмы. Физика, техника, применение / Батенин В.М., Климовский И.И., Лысов Г.В., Троицкий В.Н. - М.: Энергоатомиздат, 1988. - 225 с.], имеющего определенные технологические преимущества перед ВЧ, НЧ и разрядами постоянного тока.
Известно устройство для генерации высокочастотного факельного разряда [Д.А. Ижойкини др. // Патент РФ №2499373 от 20.11.2013] - аналог. Технический результат - генерация высокочастотного факельного разряда при пониженных напряжениях возбуждения барьерного разряда достигается за счет внешнего электрода, который установлен на поверхности диэлектрической трубки; на силовом электроде радиально под острым углом к его оси установлен дополнительный электрод, конец которого заострен и направлен к месту соприкосновения диэлектрической трубки и внешнего электрода, который установлен с возможностью перемещения параллельно оси диэлектрической трубки в направлении формирования плазменного потока, перенося барьерный разряд с дополнительного на силовой электрод. Недостатком аналога является сложность конструкции и, как следствие, отсутствие возможности свободного перемещения в пространстве. Эрозия поджигающего электрода ограничивает срок надежной эксплуатации устройства и приводит к деградации изолирующих свойств диэлектрической трубки вследствие осаждения на ее поверхности металлических паров, что приводит к возникновению токов утечки. Устройство непригодно для плавления металлических порошков и изготовления деталей сложной геометрической формы в атмосфере защитных газов.
Известно устройство для инициации СВЧ-разряда и создания плазмы [Л.П. Грачев и др. // Патент РФ №2431242 от 10.10.2011] - прототип. Устройство инициации СВЧ-разряда и создания плазмы содержит линейный вибратор и проводящую поверхность-рефлектор. Вибратор расположен параллельно проводящей поверхности на расстоянии h, существенно меньшем одной четверти длины волны λ. Устройство может содержать произвольное количество параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда, которые расположены на любом заданном расстоянии друг от друга, но без электрического контакта между собой. Технический результат - обеспечение требуемых характеристик генерируемой плазмы в широком динамическом диапазоне СВЧ излучения. Недостатками прототипа являются: а) наличие диэлектрика между инициатором СВЧ-разряда (вибратором) и проводящей поверхностью рефлектора не позволяет получать плазму в восстановительной атмосфере, необходимой для плавления и сварки некоторых металлов; плазма негативно влияет на изолирующие свойства диэлектрика, что приводит к электрическому пробою и появлению паразитных разрядов между вибратором и рефлектором; б) в случае произвольного количества параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда устройство служит для одновременной инициации регулярной системы множественных СВЧ-разрядов с заданной пространственной структурой и не пригодно для ведения локальных процессов наплавки порошков; в) в случае произвольного количества параллельных друг другу инициаторов СВЧ-разряда существует критическое расстояние между вибраторами, при котором электромагнитное взаимодействие приводит к возбуждению многомодовой структуры электромагнитного поля и генерации плазмы с сильно неоднородными характеристиками в пространстве. Устройство не пригодно для плавления металлических порошков и изготовления деталей сложной геометрической формы в атмосфере защитных газов.
Задачей настоящего изобретения является разработка электрода для генерации СВЧ плазмы и сварки металлов в среде защитных газов в широком динамическом диапазоне работы устройства по мощности СВЧ излучения и пригодным для плавления металлических порошков и изготовления деталей сложной геометрической формы в атмосфере защитных газов.
Технический результат достигается за счет использования коллинеарного электрического вибратора, выполненного из двух полуволновых и одного четвертьволнового отрезков, последовательно соединенных между собой фазирующими катушками, четвертьволновой отрезок служит для согласования с нагрузкой по току. На фиг. 1 представлен чертеж электрода. На фиг. 2 представлен электрод, изготовленный из вольфрама. Цифрами обозначены: (1) - полуволновые отрезки; (2) - фазирующие катушки; (3) - четвертьволновой отрезок.
Устройство работает следующим образом: поле электромагнитной волны СВЧ-диапазона вызывает протекание индуцированного синфазного тока в каждом полуволновом отрезке (1), благодаря фазирующим катушкам (2) токи усиливают друг друга, что приводит к усилению поля на полюсе со стороны четвертьволнового отрезка (3). При этом динамический диапазон работы устройства по мощности СВЧ излучения существенно повышается. Электрическая дуга зажигается между четвертьволновым отрезком (3) и свариваемой деталью. Электрод может быть закреплен на подвижном штоке через изолирующий кронштейн. Отсутствие водяного охлаждения и силовых кабелей повышает мобильность устройства и позволяет вести процесс сварки или наплавки в любом пространственном положении электрода. Например, из порошка вольфрама была изготовлена фазирующая катушка, представленная на фиг. 3.