СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1995 года по МПК H05H1/50 

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при термической и плазмохимической обработке поверхностей изделий.

Известно устройство для плазменной обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три генератора плазмы, равномерно расположенных вокруг шихтопровода под углом к нему, в основу действий которого положен способ, включающий ввод материала в зону смешения трех плазменных струй по оси камеры и обработку в суммарном плазменном потоке.

Недостатком данных способа и устройства является низкая эффективность использования обрабатываемого материала, т.к. при встрече плазменных струй, формируемых каждый генератором плазмы, в зоне смешения возникают поперечные потоки плазмы, выбрасывающие вводимый материал из зоны обработки.

Более близким к заявляемому способу и устройству является устройство для плазменно-дуговой обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три электродуговых генератора плазмы переменного тока, в основу действия которого положен способ, включающий ввод материала в зону смешения трех плазменных струй с электрическими дугами трехфазного переменного тока и обработку в суммарном плазменном потоке [1].

Недостатком данных способа и устройства также является низкая эффективность использования обрабатываемого материала в результате выброса материала из зоны смешения плазменно-дуговых струй поперечными потоками плазмы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является способ создания плазменного потока, реализованный в устройстве для плазменной обработки материала [2].

В этом способе смешивают плазменные струи в количестве, кратном двум, располагают симметрично вокруг оси симметрии общего плазменного потока и направляют под углом к этой оси. Пропускают постоянный электрический ток вдоль каждой плазменной струи и направляют электрические токи в соседних плазменных струях в противоположных направлениях относительно оси общего плазменного потока, причем на каждую плазменную струю налагают три внешних магнитных поля, векторы индукции которых ориентируют перпендикулярно этой оси плазменной струи, при этом вектор индукции первого магнитного поля ориентируют перпендикулярно базовой плоскости, в которой расположены ось плазменной струи и ось общего плазменного потока, а второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных базовой плоскостью, и направляют их векторы индукции под углом к этой плоскости таким образом, чтобы составляющие векторов индукции второго и третьего внешних магнитных полей, параллельные базовой плоскости, были ориентированы по направлениям составляющих векторов индукций собственного магнитного поля плазменной струи, параллельным базовой плоскости в соответствующих полупространствах.

Устройство содержит шихтопровод, электродуговые генераторы плазменных струй, расположенные симметрично вокруг оси шихтопровода, и магнитную систему, каждый электродуговой генератор плазменной струи выполнен из двух электродных узлов, оси которых расположены под острым углом к оси шихтопровода, к которой направлены выходные части электродных узлов, установленных симметрично относительно плоскости, в которой расположена ось шихтопровода, при этом магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов в количестве, равном числу электродных узлов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, концы полюсов каждого разомкнутого магнитопровода расположены симметрично относительно плоскости, параллельной оси шихтопровода и в которой размещена ось соответствующего электродного узла, и, кроме того, размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси шихтопровода, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая - через центр торцовой плоскости выходной части электродного узла, причем участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, конец которого расположен между осью шихтопровода и соответствующим электродным узлом, а центр конца отвода расположен в плоскости симметрии полюсов данного разомкнутого магнитопровода.

Электродные узлы попарно подсоединены к индивидуальному источнику постоянного электрического тока с чередованием полярности.

Недостатком указанного способа являются относительно узкие функциональные возможности. Это обусловлено тем, что плазменные струи в указанной конфигурации внешних магнитных полей сохраняют стабильное положение лишь при углах, больших чем 45^о, между осями начальных участков плазменных струй и осью общего плазменного потока. Однако как для эффективного ввода обрабатываемого материала в общий плазменный поток, так и для эффективного сканирования общим плазменным потоком по поверхности изделий необходимо, чтобы углы схождения плазменных струй были как можно меньше. Но при углах, меньших чем 45^о между осями плазменных струй и осью общего плазменного потока силы электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй в собственных магнитных полях настолько большие, что для удержания плазменных струй необходимо изменить ориентации векторов внешних магнитных полей на противоположные. В результате указанная система внешних магнитных полей теряет свойство стабилизации плазменных струй и способ становится неработоспособным.

Недостатком указанного устройства является недостаточно высокий ресурс работы электродных узлов. Это обусловлено тем, что плазменно-дуговая струя, выходя из сопла электродного узла, изгибается в магнитном поле, создаваемом магнито- проводом. В результате тот край сопла, в сторону которого изгибается струя, испытывает большие тепловые нагрузки, чем остальные края, и быстрее эродирует, что искажает форму сопла и делает его непригодным для использования. Для уменьшения односторонней эрозии необходимо уменьшить угол изгиба струи, т.е. уменьшить угол между осями электродных узлов. Но при этом указанное устройство не обеспечивает cтабилизации плазменного потока, что является его вторым недостатком. Это обусловлено следующим. При острых углах между плазменно-дуговыми струями силы электромагнитного взаимоотталкивания струй значительно больше, чем при тупых углах. Поэтому для удержания плазменных струй в указанном устройстве необходимо сменить направление вектора магнитной индукции магнитопроводов на противоположное, что лишает систему магнитных полей стабилизирующего эффекта для плазменной струи.

Для достижения технического результата, выражающегося в расширении функциональных возможностей способа и улучшении устойчивости плазменного потока, а также повышении ресурса работы электродных узлов устройства, в способе создания плазменного потока, при котором плазменные струи смешивают в количестве, кратном двум, располагают симметрично вокруг оси симметрии общего плазменного потока и направляют под углом к этой оси, при этом пропускают постоянный электрический ток вдоль каждой плазменной струи и направляют электрические токи в соседних плазменных струях в противоположных направлениях относительно оси общего плазменного потока, причем на каждую плазменную струю налагают три внешних магнитных поля, векторы индукции которых ориентируют перпендикулярно оси этой плазменной струи, при этом вектор индукции первого внешнего магнитного поля ориентируют перпендикулярно базовой плоскости, в которой расположены ось плазменной струи и ось общего плазменного потока, а второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных этой базовой плоскостью, и направляют их векторы индукции под углом к этой плоскости таким образом, чтобы составляющие вектора в индукции второго и третьего внешних магнитных полей, параллельные базовой плоскости, были ориентированы по направлениям составляющих векторов индукции собственного магнитного поля плазменной струи, параллельным базовой плоскости в соответствующих полупространствах, при этом каждую плазменную струю направляют к оси общего плазменного потока под углом, меньшим 45^о, при этом первое внешнее магнитное поле налагают между осью плазменной струи и осью общего плазменного потока, а вектор индукции поля ориентируют в направлении, противоположном направлению вектора индукции собственного магнитного поля плазменной струи в области базовой плоскости между этими осями, при этом составляющие векторов индукции каждых второго и третьего внешних магнитных полей, перпендикулярные базовой плоскости, ориентируют в направлении вектора индукции первого внешнего магнитного поля, изменяют величины индукции вторых и третьих магнитных полей для каждой плазменной струи.

В устройстве для создания плазменного потока, содержащем электродные узлы в количестве, кратном двум, расположенные симметрично вокруг оси симметрии устройства, и магнитную систему, при этом каждый электродный узел направлен под углом к оси симметрии устройства, а магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, концы полюсов каждого разомкнутого магнито- провода расположены симметрично относительно соответствующей базовой плоскости, в которой лежат оси симметрии устройства и электродного узла и центр конца ферромагнитного отвода разомкнутого магнитопровода, каждый электродный узел установлен под углом к оси симметрии устройства, меньшим 45^о, при этом полюса каждого разомкнутого магнитопровода расположены в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, которые пересекают ось симметрии устройства и в которых лежат оси электродных узлов, причем концы ферромагнитных отводов расположены вне этой области, а центры концов ферромагнитного отвода и полюсов каждого разомкнутого магнитопровода размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая - через центр выходной торцовой части электродного узла.

Направление каждой плазменной струи под углом, меньшим 45^о, к оси общего плазменного потока позволяет расширить функциональные возможности метода, т.к. повышает эффективность и облегчает ввод дисперсных материалов и аэрозолей в общий плазменный поток, а также позволяет отклонить общий плазменный поток на больший угол от среднего положения при сканировании поверхности изделий.

Наложение первого внешнего магнитного поля между осью плазменной струи и осью общего плазменного потока и заявляемые ориентации векторов индукции внешних магнитных полей позволяют управлять каждой плазменной струей в условиях сильного электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй, а также обеспечивают стабильность каждой плазменной струи и общего плазменного потока в этих условиях.

Установление угла между осью каждого электродного узла и осью симметрии устройства, меньшим 45^о, соответственно уменьшает угол, на который изгибают плазменно-дуговые струи электродных узлов, формирующий общий плазменный поток, направленный вдоль оси симметрии устройства. В результате уменьшается односторонняя тепловая нагрузка на стенки сопел, снижается односторонняя эрозия этих стенок и, соответственно, увеличивается ресурс работы электродных узлов. Расположение полюсов каждого разомкнутого магнитопровода в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, которые пересекают ось симметрии устройства и в которых лежат оси электродных узлов, а концы ферромагнитных отводов - вне этой области, а центров концов ферромагнитного отвода и полюсов каждого разомкнутого магнитопровода между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая через центр выходной торцовой части электродного узла. В результате такого расположения струя внутри электродного узла не смещается от оси и не происходит односторонняя эрозия внутри электродного узла, т.е. повышается ресурс работы узла, обеспечивается работоспособность устройства и достижение эффекта стабилизации плазменных струй и, соответственно, общего плазменного потока в условиях сильного электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй.

На фиг. 1 схематично изображено создание общего плазменного потока из плазменных струй; на фиг.2 - схема взаимодействия плазменной струи с внешними магнитными полями в сечении А-А на фиг.1; на фиг.3 - устройство создания плазменного потока с двумя электродными узлами; на фиг.4 - устройство с четырьмя электродными узлами.

Способ создания плазменного потока осуществляют следующим образом. Создают плазменные струи 1 (фиг.1, 2) любым из известных методов, например, продувая газ через электродуговой разряд в сопло. Количество плазменных струй 1 кратно двум. Начальные участки плазменных струй 1 направляют к оси 2 общего плазменного потока 3 под углом α , меньшим 45^о, и располагают симметрично вокруг нее. Пропускают постоянный электрический ток вдоль каждой плазменной струи 1 и направляют электрические токи в соседних плазменных струях 1 в противоположных направлениях относительно оси 2 общего плазменного потока 3 (фиг.2). На каждую плазменную струю 1 налагают три внешних магнитных поля с векторами индукции , , (фиг.2), которые располагают параллельно плоскости, перпендикулярной оси этой плазменной струи 1 (сечение А-А на фиг.1).

Первое внешнее магнитное поле налагают в пространстве между осью 4 плазменной струи 1 и осью 2 общего плазменного потока 3 (фиг.2). Вектор индукции ориентируют перпендикулярно плоскости, в которой расположены ось 4 плазменной cтруи 1 и оcь 2 общего плазменного потока 3, и в направлении, противоположном направлению вектора индукции собственного магнитного поля этой плазменной струи 1, на линии, соединяющей ось 4 этой плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, в промежутке между этими осями.

Второе и третье внешние магнитные поля налагают в полупространствах, образованных плоскостью, в которой расположены ось 4 плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, и направляют их векторы индукции и под углом к этой плоскости. Составляющие и векторов индукции и , соответственно, параллельные этой плоскости, ориентируют по направлениям параллельных этой плоскости составляющих векторов индукции собственного магнитного поля плазменной струи 1 в соответствующих полупространствах. Составляющие и векторов индукции и соответственно, перпендикулярные этой плоскости, ориентируют по направлению вектора индукции собственного магнитного поля плазменной струи 1 на линии, соединяющей ось 4 плазменной струи 1 и ось 2 общего плазменного потока 3, со стороны, противоположной оси 2 общего плазменного потока 3 относительно оси 4 этой плазменной струи 1. Изменяя величины индукции внешних магнитных полей, устанавливают параллельность осей 4 плазменных струй 1 и оси 2 общего плазменного потока 3 (фиг.1). При регулировке и визуальном наблюдении ось 4 каждой плазменной струи 1 представляется как средняя линия аксиально симметричной плазменной струи 1, а ось 2 общего плазменного потока 3 - как воображаемая ось симметрии этого потока.

На каждую плазменную струю 1 действует сила (фиг.2), обусловленная взаимодействием электрического тока , протекающего в этой струе 1, и суперпозиции собственных магнитных полей остальных плазменных струй 1. Сила направлена от оси 2 общего плазменного потока 3, и под ее действием каждая плазменная струя 1 отклоняется от своего исходного направления, совпадающего с направлением ее начального участка, также в сторону от оси 2 общего плазменного потока 3. Вследствие взаимодействия электрического тока в плазменной струе 1 с первым внешним магнитным полем и составляющими и второго и третьего магнитных полей на плазменную струю 1 действует суммарная сила , равная векторной сумме = ++ .

Сила направлена противоположно силе и компенсирует ее в большей или меньшей мере в зависимости от величин индукции внешних магнитных полей. Равновесное положение плазменной струи 1 при этом зависит от разности этих сил и энерционности изгибаемого движущегося потока газа (плазмы) в плазменной струе 1.

Заявляемая конфигурация внешних магнитных полей обеспечивает повышение стабильности плазменной струи 1 в направлении на фиг.2 при реальных неоднородных магнитных полях. При случайном малом смещении струи 1 в сторону увеличения и индукции одновременно уменьшаются индукции и , и наоборот, вследствие этого сила при этих смещениях изменяется незначительно. Но сила F, взаимоотталкивания плазменных струй увеличивается по мере приближения плазменной струи 1 и оси 2 общего плазменного потока 3, и наоборот, уменьшается при удалении. Возникающие в обоих случаях разности сил и при случайных смещениях возвращают плазменную струю 1 обратно в равновесное положение.

Наличие магнитных полей и обеспечивает стабилизацию плазменной струи в направлении Y на фиг.2. В равновесном положении силы и , действующие на плазменную струю 1 со стороны второго и третьего магнитных полей, взаимокомпенсируются. При случайном смещении плазменной струи 1 влево или вправо в направлении Y равновесие нарушается и появляется разностная сила, возвращающая плазменную струю 1 в равновесное положение.

Изменение соотношения индукций второго и третьего магнитного полей позволяет смещать плазменную струю 1 вдоль направления Y (фиг.2), не изменяя ее положения в направлении Х. В результате также расширяются функциональные возможности плазменного потока 3, т.к. можно независимо корректировать положение каждой плазменной струи 1 для формирования требуемой конфигурации общего плазменного потока, что особенно важно при значительных угловых отклонениях общего плазменного потока от среднего положения во время, например, сканирования поверхности изделий с магнитным управлением. Если синхронно для всех плазменных струй 1 периодически изменять величины индукции вторых и третьих внешних магнитных полей, то будут происходить колебания общего плазменного потока вокруг его оси при сохранении его конфигурации, что расширяет возможности, например, улучшая смешение и нагрев вводимых в общий плазменный поток дисперсных материалов при их обработке, или растирая и усредняя по свойствам плазменное пятно на поверхности обрабатываемой детали.

Требуемую температуру плазмы в центре общего плазменного потока 3 получают, изменяя значение электрических токов , расходов газов через плазменные струи 1 и величиной отклонения плазменных струй 1 от оси 2 общего плазменного потока.

Устройство создания плазменного потока содержит электродные узлы 5 в количестве, кратном двум (см. фиг.1), каждый из которых выполнен в виде цилиндрической камеры 6 с соплом 7 по оси, центральным электродом 8, закрепленным в диэлектрической крышке 9, и патрубком 10 для ввода плазмообразующего газа. Электродные узлы 5 попарно подключены к силовому источнику постоянного тока 11 с чередованием полярностей потенциалов центральных электродов 8.

Электродные узлы 5 закреплены на основании 12 с помощью кронштейнов 13 под углом α, меньшим 45^о, между осью 4 электродного узла 5 и осью 2 симметрии устройства. Ось 2 симметрии устройства совпадает с осью общего плазменного потока 3. Электродные узлы 5 расположены симметрично вокруг оси 2 симметрии устройства. Если используются два (фиг.3) или четыре (фиг.4) и т.д. электродных узла 5, то их располагают вокруг оси 2 симметрии устройства с шагом 360^о/n соответственно, где n - количество электродных узлов 5. Так, например, на фиг. 4 показано устройство с четырьмя электродными узлами 5, расположенными с шагом 90^о вокруг оси 2. Для шести электродных узлов 5 шаг, соответственно, устанавливается 60^о и т.д.

На каждом кронштейне 13 укреплены по два полюса 14, на каждом из которых установлены соленоиды 15, подключенные к источникам тока 16. Концы пары полюсов 14 расположены симметрично относительно плоскости, проходящей через ось 2 симметрии устройства и ось 4 соответствующего электродного узла 5. Два полюса 14 и кронштейн 13 выполнены из ферромагнитного материала и образуют разомкнутый магнитопровод.

К участку каждого кронштейна 13, расположенному между соленоидами 15, прикреплен отвод 17, выполненный, например, в виде планки из ферромагнитного материала. Центр конца отвода 17 расположен в плоскости симметрии полюсов 14 соответствующего кронштейна 13.

Полюса 14 и конец отвода 17 каждого кронштейна 13 размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси соответствующего электродного узла 5, одна из которых проходит через точку пересечения оси 4 соответствующего электродного узла 5 и оси 2 симметрии устройства, а другая - через точку пересечения оси 4 электродного узла 5 и торцовой части электродного узла 5, ближней к оси 2 симметрии устройства.

Полюса 14 каждого кронштейна 13 расположены относительно оси 4 соответствующего электродного узла 5 со стороны острого угла между осью 4 электродного узла 5 и осью 2 симметрии устройства. Конец отвода 17 размещен относительно оси 4 электродного узла 5 с противоположной от полюсов 14 стороны.

Устройство создания плазменного потока работает следующим образом.

Через патрубки 10 в электродные узлы 5 подают газ, который выходит через сопла 7. Между центральными электродами 8 в каждой паре электродных узлов 5 зажигают электродуговой разряд постоянного тока от силовых источников тока 11. В результате каждый электродный узел 5 генерирует плазменную струю 1, условно показанную на фиг.1, которые формируют общий плазменный поток 3.

В соленоиды 15 от источников тока 16 подают электрический ток, и вокруг каждой плазменной струи 1 образуются магнитные поля между соответствующими концами полюсов 14 и отвода 17 (см. фиг.2).

Направление электрического тока в соленоидах 15 выбирают по рекомендациям 4 таким образом, чтобы сила F_B1, действующая на данную плазменную струю 1 со стороны магнитного поля между соответствующими полюсами 14, была направлена в сторону оси 2 устройства.

Вследствие ответвления части магнитного потока, создаваемого соленоидами 15, в отвод 17 между отводом 17 и каждой из соответствующей пары полюсов 14 также возникают магнитные поля и , вследствие чего на плазменную струю 1 действуют дополнительные силы и соответственно.

Подбирая значение электрических токов в соленоидах 15, т.е. в большей или в меньшей степени осуществляя взаимокомпенсацию сил и , регулируют положение в пространстве каждой плазменной струи 1 или от оси 2 симметрии устройства по желанию пользователя устройства и тем самым формируют желаемую конфигурацию общего плазменного потока 3.

Изменяя соотношения электрических токов в соленоидах 15, но оставляя постоянной значение их суммы, смещают соответственно каждую плазменную струю 1 вдоль направления на фиг.2 без изменения положения относительно оси 2 симметрии устройства.

Для электрических токов в струях 50-300А, расходов газов 0,1-5 л/мин через электродные узлы, расстояний между соплами электродных узлов и осью симметрии устройства 0,03-0,1 м, углах α = 40^о - 25^о индукция внешних магнитных полей составляла
В₁ ≈ В₂ ≈ В₃ ≈ 0,001 - 0,003 Тл.

Использование: в плазменной технике и плазменной обработке поверхностей изделий, в частности для напыления порошков и аэрозолей. Сущность изобретения: способ заключается в смешивании плазменных струй в количестве, кратном двум. Плазменные струи создают с помощью электродных узлов, которые располагают симметрично относительно оси устройства и направляют к оси под углом, меньшим 45°. На каждую плазменную струю налагают три внешних магнитных поля, вектора индукции которых связаны с направлениями векторов индукции собственных магнитных полей плазменных струй. Каждый электродный узел содержит магнитную систему в виде разомкнутых магнитопроводов и соленоидов, охватывающих полюса магнитопроводов. 2 с. и 1 з.п.ф-лы, 4 ил.

СПОСОБ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ.