ГОРЕЛКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ Российский патент 1995 года по МПК B23K9/167 

Изобретение относится к сварочному производству, к ручной аппаратуре для электрической сварки в потоке защитного газа неплавящимся электродом, например вольфрамовым, в частности к системам охлаждения сопла горелки и электрода, и может быть использовано во всех отраслях промышленности.

Известна горелка для электродуговой сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов [1] содержащая сопло и электрододержатель, выполненный с рубашкой охлаждения, с неплавящимся электродом. Горелка снабжена кольцевым коллектором, обеспечивающим подвод защитного газа (аргона) в сопло. Рубашка водяного охлаждения электрододержателя установлена концентрично ему и с зазором по отношению к его наружной поверхности, образующим герметичную кольцевую полость для инертного газа (гелия). Устройство имеет штуцер для подвода холодной воды и штуцер для отвода нагретой воды. Электрододержатель выполнен в виде тепловой трубы, заполненной теплоносителем, например калий натриевой эвтектикой.

При зажигании дуги происходит нагревание электрододержателя. Подается аргон из коллектора. Тепло испаряет теплоноситель, пары которого поднимаются по тепловой трубе в зону охлаждения, где конденсируются и вновь возвращаются в зону испарения.

Недостатком этой горелки является наличие двух магистралей: одной для защитного газа, а другой для теплоотводящего агента воды. Применение двух магистралей приводит к усложнению оборудования, к увеличению габаритов и веса горелки. Это затрудняет применение горелки для ручной сварки и сварки в труднодоступных местах. Интенсивный теплоотвод от электрододержателя происходит в интервале температур 90-100^оС. При имеющих место более высоких температурах объекта охлаждения необходима очень высокая производительность подачи воды в зону теплоотвода. Это приводит к большому расходу воды. Кроме того, случайная потеря герметичности системы водяного охлаждения может служить причиной появления дефектов в сварном соединении, вызванных попаданием влаги в зону сварки.

Все это ухудшает эксплуатационные характеристики горелки.

Известна горелка для электродуговой сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов [2] содержащая полый герметичный электрододержатель, выполненный в виде тепловой трубы, в котором укреплен электрод, и сопло. Сопло снабжено рубашкой охлаждения, выполненной в виде автономной тепловой трубы, охватывающей тепловую трубу электрододержателя. Между тепловыми трубами выполнены винтовые многозаходные каналы для прохода охлаждающего воздуха, отводящего тепло от конденсаторов тепловых труб.

При зажигании дуги воздух подается по каналам между тепловыми трубами и охлаждает их конденсаторы. При разогреве электрода и сопла тепло передается к испарителям тепловых труб. В результате этого пары теплоносителя поднимаются из зоны испарения в зону конденсации, где конденсируются и по капиллярам снова поступают в испарительную зону. В камерах конденсации происходит отбор тепла ее стенками, а от стенок камер тепло отбирается воздухом.

Это устройство обеспечивает большую маневренность при сварке, поскольку в нем применяется лишь одна магистраль для охлаждающего воздуха.

Недостатком этой горелки является относительно большая сложность устройства, предполагающего наличие двух автономных разнотипных тепловых труб, определенным образом соединенных между собой. Это приводит к увеличению веса горелки и ее габаритов, в частности в области сопла, что затрудняет ее применение для сварки в труднодоступных местах.

Другим недостатком этой горелки является невозможность организации в ней охлаждения электрода, что приводит к его существенному нагреву и повышению его электрического сопротивления. Недостаточный теплоотвод от внутренней тепловой трубы, осуществляемый только воздухом продувки, обусловлен неразвитостью тепловыделяющей поверхности конденсатора этой тепловой трубы, стесненной размерами приосевой полости внешней тепловой трубы, и ее близким соседством с тепловыделяющей поверхностью внешней тепловой трубы. Это ухудшает эксплуатационные характеристики горелки.

Из известных горелок для электродуговой сварки неплавящимся электродом в среде защитных газов наиболее близким к заявленному техническим решением, выбранным в качестве прототипа, является устройство, описанное в авторском свидетельстве [3] Устройство представляет собой полый герметичный электрододержатель, выполненный в виде тепловой трубы с ее испарителем, охватывающим электрод, пароконденсатопроводом и конденсатором, и сопло для подачи защитного газа, расположенное на торце испарителя вокруг электрододержателя и связанное с системой газоподвода. Электрод установлен в электрододержателе с помощью втулки, выполненной из капиллярно-пористого материала (например, сетки из нержавеющей стали), поры которой заполнены легкоплавким металлом, например оловом. Горелка снабжена также воздушной охлаждающей рубашкой, расположенной вокруг электрододержателя.

При зажигании дуги происходит нагревание торца электрододержателя и электрода, в результате чего тепло передается рабочему телу тепловой трубы. Пары теплоносителя перемещаются из зоны испарения в зону конденсации тепловой трубы, где они конденсируются и возвращаются к торцу горелки. Кроме того, пары теплоносителя частично отдают свою теплоту инертному газу, истекающему через сопло, подогревая его, что способствует устойчивой работе горелки. Легкоплавкий металл втулки при зажигании горелки расплавляется и хорошо смачивает поверхность электрода, обеспечивая лучший тепловой контакт электрода с электрододержателем.

Недостатком этой горелки является ограниченность естественного теплоотвода от нее вследствие неразвитости тепловыделяющей поверхности конденсатора тепловой трубы и связанная с этим потребность в воздушной рубашке охлаждения и магистрали для теплоотводящего агента, что ухудшает эксплуатационные характеристики горелки.

Целью изобретения является улучшение эксплуатационных характеристик горелки путем повышения интенсивности теплоотвода от нагревающихся элементов и связанного с этим исключения необходимости в воздушной магистрали охлаждения.

На чертеже схематически изображена горелка в положении сварки, продольно-вертикальный разрез.

Горелка включает электрододержатель 1, выполненный в виде тепловой трубы с трубчатым корпусом 2, имеющим сквозное осевое отверстие 3, в нижнюю часть которого вмонтирован неплавящийся, например вольфрамовый, электрод 4, электрически связанный с токосъемником и кабелем токоподвода (не показаны), пропущенным через верхнюю часть отверстия 3. Нижняя часть 5 тепловой трубы 1, охватывающая электрод 4, является ее испарителем. Средняя, наиболее узкая часть 6 тепловой трубы 1, является ее пароконденсатопроводом, а верхняя часть 7 ее конденсатором. Тепловая труба 1 может быть как гладкостенной (термосифонного типа), так и содержать на внутренней поверхности своей замкнутой полости капиллярно-пористый материал (не показан), например, металлическую сетку. Внутренняя полость тепловой трубы 1 на 1/3-1/4у часть своего объема заполнена рабочим телом (теплоносителем) 8. В качестве теплоносителя может быть использован металлический калий с температурой кипения 760^оС, а в качестве материала для корпуса 2 тепловой трубы 1 медь с температурой плавления 1083^оС. Теплоносителем может быть и вода, а материалом корпуса алюминиевый сплав. Жидкий калий благодаря его высокой теплопроводности и теплоемкости позволяет быстро отводить от электрода большие тепловые потоки, а алюминиевый сплав, поддающийся оксидированию, позволяет электроизолировать корпус 2 тепловой трубы. Оксидированный слой толщиной 100-200 мкм на поверхности алюминия обеспечивает высокие электроизоляционные свойства. Медный корпус 2 с целью электроизоляции может быть покрыт пленкой фторопласта. Испаритель 5 содержит на своем торце сопло 9 в виде единого кольцевого отверстия или множества отдельных отверстий, расположенных вокруг электрода 4. Сопло 9 связано с системой газоподвода для подачи в зону сварки защитного газа (аргона, гелия и других газов), выполненной в виде набора отдельных узких сквозных каналов 10, проходящих через полость тепловой трубы 1 и сообщающих сопло 9 с газораспределительным коллектором 11, обеспечивающим подвод защитного газа к каналам 10. Коллектор 11 выполнен кольцевым в виде герметичной полости, размещен вокруг пароконденсатопровода 6 и соединен посредством радиального канала 12, выполненного в рукоятке 13 горелки, с внешней магистралью для подачи защитного газа. Для этого на рукоятке 13 имеется вводной штуцер (не показан) и вентиль включения защитного газа (не показан).

Конденсатор 7 тепловой трубы 1 выполнен в виде кольцеобразного элемента, большего чем пароконденсатопровод 6 поперечного сечения. Нижнее основание 14 конденсатора 7 выполнено воронкообразным для направления перемещения сконденсированного рабочего вещества 8 по поверхности внешней стенки тепловой трубы 1. Той же цели хорошему стеканию жидкого теплоносителя 5 отвечает и выпуклое вверх верхнее основание 15 конденсатора 7, конкретные формы выполнения которого могут быть произвольными. Конденсатор 7 снабжен набором сквозных каналов 16 воздушного охлаждения, протяженных между его нижним 14 и верхним 15 основаниями. Большое поперечное сечение конденсатора 7 и наличие множества каналов 16 обеспечивают тепловой трубе 1 развитую теплоизлучающую поверхность. Кроме того, каналы 16 с нагретыми стенками служат для создания естественной тяги охлаждающего их воздуха. Удержание неплавящегося электрода 4 в электрододержателе 1 может быть осуществлено известными средствами, например токоподводом, скрепленным с электродом и пропущенным через осевое отверстие 3, а также путем прессовой посадки электрода 4 во втулку 17 из капиллярно-пористого материала, например сетки из нержавеющей стали, поры которой заполнены легкоплавким металлом, например оловом.

Работа горелки осуществляется следующим образом.

Перед сваркой горелку располагают над поверхностью свариваемого изделия. С помощью вентиля (не показан) включают подачу защитного газа, который по каналу 12, газораспределительному коллектору 11 и сквозным каналам 10 в полости тепловой трубы 1 поступает под давлением через кольцевое сопло 9 к электроду 4. Через некоторое время, необходимое для вытеснения воздуха из газового тракта горелки, защитный газ через сопло 9 вокруг электрода 4 попадает на свариваемую деталь. Включают электрический ток, который подводится по токопроводу к электроду 4, а отводится от свариваемого изделия, открывают электрод от поверхности изделия, возбуждают сварочную дугу и наводят сварочную ванну. Выходящий через сопло 9 защитный газ непрерывно омывает зеркало сварочной ванны и стабилизирует столб дуги. Сварку производят, повторяя операции обычной ручной аргоно-дуговой сварки.

При возбуждении дуги выделяется большое количество тепла, которое передается от электрода 4 через втулку 17 и корпус испарителя 5 тепловой трубы 1 теплоносителю 8 (рабочему телу тепловой трубы), нагревая его. Тепло через каждое звено цепи теплопередачи передается в количестве, пропорциональном коэффициенту теплопроводности материала звена и площади поверхности теплопереноса, а также зависит от качества теплового контакта соседних звеньев. Для обеспечения лучшего теплового контакта электрода 4 с поверхностью осевого отверстия 3 тепловой трубы 1 втулка 17 пропитана легкоплавким металлом (оловом), который при возбуждении дуги расплавляется, удерживаясь капиллярами втулки 17, и хорошо смачивает поверхности электрода 4 и отверстия 3, увеличивая этим площадь поверхности теплового контакта. Тепло от нагретых стенок испарителя 5 тепловой трубы передается ее теплоносителю 8, который, поглощая его, нагревается. Нагретый теплоноситель 8 частично передает свою теплоту холодному инертному газу, проходящему через каналы 10, подогревая его, что способствует устойчивой работе горелки и интенсивному охлаждению испарителя 5. Интенсивность охлаждения испарителя 5 защитным газом обусловлена малым поперечным сечением каналов 10, значительным их количеством, расположением их в самом нагретом месте тепловой трубы 1 внутри испарителя, а также омыванием их со всех сторон жидким теплоносителем, что создает условия для быстрого теплообмена между рабочим телом 8 и защитным газом. Часть теплоты жидкого теплоносителя, не переданная защитному газу, расходуется на испарение теплоносителя 8. Пары теплоносителя 8 поднимаются по пароконденсатопроводу 6 в зону конденсатора 7, где конденсируются на относительно холодных его стенках и по ним возвращаются в испаритель 5. Движению капель теплоносителя по внутренним поверхностям стенок тепловой трубы 1 без их срыва способствует цилиндрическая и воронкообразная форма ее частей. В конденсаторе 7, таким образом, происходит интенсивный отбор тепла теплоносителя его стенками, имеющими развитую поверхность, а от стенок тепло отбирается воздухом. При этом в многочисленных сквозных каналах 16 с нагретыми теплоносителем стенками заключенный в них воздух быстро прогревается, уменьшая свою плотность, и создаются условия для естественной (не принудительной) тяги окружающего холодного воздуха, за счет чего интенсифицируется охлаждение конденсатора 7.

По окончании сварки отключают сварочный ток. Защитный газ подают до некоторого охлаждения места сварки.

Применение предлагаемой горелки позволяет увеличить удельную весовую отдачу тепловой мощности горелки по сравнению с известными устройствами. Устройство обеспечивает отведение тепла от электрода пропорционально его поступлению от дуги. Это позволяет стабилизировать в процессе сварки температуру электрода и сохранять параметры режима сварки. При этом термостабилизация происходит за счет саморегулирования. Исключение необходимости в рубашке охлаждения горелки уменьшает утомляемость сварщика. В результате повышается маневренность при работе устройства. Все это улучшает эксплуатационные характеристики горелки.

Изобретение позволяет обеспечить и существенный экономический эффект, гарантируя качественную сварку на форсированных режимах с повышенной производительностью.

Использование: в ручной аппаратуре для сварочного производства. Сущность изобретения: горелка содержит электрододержатель 1 в виде тепловой трубы, корпус 2 выполнен с осевым отверстием 3. Испаритель тепловой трубы охватывает электрод 4. Средняя, наиболее узкая часть 6 тепловой трубы, является ее пароконденсатопроводом. Верхняя часть 7 тепловой трубы является ее конденсатором. Испаритель 5 заполнен теплоносителем. Сопло выполнено в виде сквозных каналов, расположенных по окружности, или в виде кольцевого канала, которые соединены с газораспределительным коллектором. Конденсатор 7 выполнен в виде кольцеобразного элемента. Конденсатор выполнен в виде с воронкообразными основаниями и со сквозными каналами для прохода воздуха, параллельными оси горелки. 1 ил.

ГОРЕЛКА ДЛЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ СВАРКИ НЕПЛАВЯЩИМСЯ ЭЛЕКТРОДОМ В СРЕДЕ ЗАЩИТНЫХ ГАЗОВ, содержащая электрододержатель, выполненный в виде тепловой трубы с испарителем, охватывающим электрод, пароконденсатопроводом и конденсатором, а также сопло, соединенное с системой газоподвода, отличающаяся тем, что, с целью улучшения эксплуатационных характеристик путем повышения интенсивности теплоотвода от нагревающихся элементов, она снабжена расположенным вокруг пароконденсатопровода газораспределительным коллектором, конденсатор выполнен кольцеобразным с поперечным сечением, большим поперечного сечения пароконденсатопровода с воронкообразными основаниями и сквозными каналами для прохода воздуха, расположенными между основаниями горелки вокруг оси горелки, а сопло выполнено в виде кольцевого канала или нескольких сквозных каналов, кольцеобразно расположенных в полости тепловой трубы со стороны испарителя.