ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1996 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к сварочным работам, а именно к плазменным горелкам (плазмотронам) и предназначено преимущественно для полуавтоматической (ручной и механизированной) плазменной резки черного и цветного листового проката, а также сварки и резки металлических конструкций.

Процесс плазменной резки заключается в локальном удалении металла вдоль линии реза сжатой электрической дугой постоянного тока, генерируемой в плазмотроне и горящей между электродом плазмотрона и обрабатываемым изделием в потоке плазмообразующего и стабилизирующего газа.

Известна плазменная горелка (прототип), которая по своей конструкции и входящим в нее элементам наиболее близка предлагаемому устройству и содержит те характерные узлы и элементы, что практически и все другие плазменные горелки: внешний металлический корпус, внутренний изолирующий корпус, в котором размещены электрододержатель с электродом и изолирующая втулка. На изолирующую втулку установлено сопло, которое центрируется своей внутренней цилиндрической поверхностью по наружной цилиндрической поверхности втулки, упираясь своим торцом в торец внутреннего изолирующего корпуса, и поджимается к его торцу с помощью накидной гайки.

Электрододержатель служит для закрепления электрода, подвода к нему электрического тока, а также для подвода и распределения плазмообразующего газа. На его боковой поверхности нанесена многозаходная прямоугольная резьба, предназначенная для создания вихревого потока плазмообразующего газа. Электрододержатель электрически изолирован от сопла изоляционной втулкой. Сопло служит для стабилизации и обжатия электрической дуги вихревым потоком плазмообразующего газа. Оно устанавливается и центрируется относительно электрода на изоляционной втулке, которая в свою очередь центрируется относительно внутреннего корпуса.

Качество реза (отклонения от нормали поверхностей реза, образование грата на тыльной поверхности разрезаемого металла, шероховатость поверхности реза), а также КПД процесса разделительной резки и срок службы сопла и электрода (производительность труда и стоимость работ) определяется тем, несколько соосно сформирован вихревой поток плазмообразующего газа относительно дуги и оси канала сопла, другими словами насколько соосно установлены в плазмотроне электрод и сопло.

Конструкция прототипа обладает повышенной несоосностью установки электрода относительно сопла, так как указанная суммарная несоосность определяется допусками на изготовление следующей цепочки сопрягаемых поверхностей наружная поверхность электрода внутренний канал электрододержателя, наружная боковая поверхность электрододержателя внутренняя боковая поверхность внутреннего изолирующего корпуса, внутренняя боковая поверхность внутреннего изолирующего корпуса наружная боковая поверхность изоляционной втулки, наружная боковая поверхность изоляционной втулки внутренняя цилиндрическая поверхность сопла.

Повышенная несоосность взаимного расположения электрода и центрального канала сопла способствует быстрому его разгару, значительному снижению качества реза (отклонению поверхности реза от нормали, обрыванию грата, повышенной шероховатости поверхности реза), существенному уменьшению КПД процесса резки, существенному сокращению срока службы сопла и электрода, что ведет к частой их замене. Указанные недостатки повторятся и на новой установленной паре "электрод-сопло", что приводит к дополнительным финансовым издержкам.

На чертеже представлена предлагаемая плазменная горелка.

Горелка состоит из внешнего корпуса горелки 1, внутреннего изолирующего корпуса 2, электрододержателя 3, в центральном осевом конусном отверстии которого установлен электрод 4. Изоляционная втулка 5 своей внутренней поверхностью установлена в контакте с наружной поверхностью электрододержателя 3. Сопло 7 установлено во втулке 5 по имеющейся на сопле боковой посадочной поверхности уступа А и поджимается к внутренней изоляционной втулке 5 гайкой 8. Между буртиком электрододержателя 3 и верхним торцом внутренней изоляционной втулки 5 в гнезде Г установлен эластичный элемент 11.

Сущность настоящего изобретения состоит в повышении качества резки и срока службы сопла и электрода за счет того, что на боковой цилиндрической поверхности сопла со стороны его нерабочего торца, обращенного к внутренней изоляционной втулке, выполнен уступ, торец которого установлен в контакте с торцом втулки, а боковая поверхность уступа и поверхность электрододержателя установлены в контакте с внутренней поверхностью изоляционной втулки.

Электрододержатель 3 с электродом 4 и сопло 7 установлены относительно одной и той же поверхности Б втулки 5, что повышает их соосность в собранной плазменной горелке по сравнению с прототипом. Вследствие этого повышается качество резки и срок службы сопла и электрода.

Поверхность Б должна иметь минимально возможный диаметр, так как в этом случае будут обеспечены минимально возможные отклонения формы поверхности Б и посадочных поверхностей электрододержателя и сопла при их изготовлении. Это условие определяет минимально возможную несоосность. Рекомендуется изготавливать электрододержатель и сопло с посадочными поверхностями диаметром 20-24 мм с допусками не хуже 9-го квалитета.

Уменьшение влияния на соосность сопла и электрододержателя других деталей плазменной горелки может быть достигнуто при выполнении накидной гайки, поджимающей сопло к внутренней изоляционной втулке, с зубцом на внутренней торцовой поверхности, который врезается при ее закручивании в торцовую поверхность сопла, при этом происходит дополнительное уплотнение соединения сопла с накидной гайкой, исключающее прохождение охлаждающей жидкости из полости Д наружу. Такое решение возможно, если сопло выполняется из достаточно пластичного материала, например меди, которая, как правило, и применяется для этой цели во всех известных конструкциях плазменных горелок.

Зубец В может отсутствовать в конструкции накидной гайки в том случае, когда нет необходимости уплотнять соединение сопла с гайкой, например, когда вместо охлаждающей жидкости (воды) используется воздух.

В этом случае конструкция плазменной горелки позволяет реализовать наряду с обычным способом и более простой способ возбуждения вспомогательной дуги между электродом и соплом путем легкого удара срезом сопла горелки о твердый предмет. Для этого срез сопла должен выступать за срез накидной гайки на необходимую величину, которая определяется величиной зазора между электродом и внутренней поверхностью сопла.

С целью обеспечения оптимального зазора между соплом и электродом, а также для возврата сопла в исходное положение, в верхнюю часть полости гнезда для установки внутренней изоляционной втулки введен эластичный элемент, размещенный в объеме между дном гнезда и верхней торцовой поверхностью изоляционной втулки. Эластичный элемент 11 через изоляционную втулку, установленную в гнезде Г, поджимает рабочий торец сопла 7 или к зубцу В гайки 8 или к ее внутренней торцовой поверхности. Необходимый (оптимальный для выбранного режима резки) зазор между электродом и соплом обеспечивается путем откручивания (закручивания) гайки 8 на необходимое число оборотов, которое определяется шагом резьбы на гайке. Выставление оптимального зазора необходимо также для повышения качества резки и срока службы электрода и сопла.

Для значительного (минимум в 2-3 раза) увеличения срока службы электрода и сопла предлагается изготавливать их из композиционного вольфрам-медного сплава с содержанием меди 12-16 об. Данный материал обладает повышенной прочностью при высоких температурах (до 1100-1200^оС) и высокой теплопроводностью.

Оптимальный диапазон содержания компонентов в вольфрам-медном материале определяется двумя требованиями, которые предъявляются к данному материалу из условий его применения в предлагаемом устройстве, а именно механической прочностью при высокой температуре, которая обеспечивается спеченным вольфрамовым каркасом и хорошей теплопроводностью, которая определяется медью, заполняющей поры вольфрамового каркаса. Повышение процентного содержания меди увеличивает теплопроводность материала, но снижает его прочность и наоборот. Оптимальное соотношение компонентов, обеспечивающее получение после спекания прочного вольфрамового каркаса с хорошо разветвленной и равномерно распределенной по всему объему системой открытых пор, способствующее качественному процессу пропитки материала медью, находится в пределах от 12 до 16 об. меди и, соответственно, 88-84 об. вольфрама. Снижение содержания меди ниже 12 об. приводит к ухудшению теплопроводности материала и, как следствие этого, к ухудшению теплоотвода с поверхности канала сопла. Увеличение содержания меди выше 16 об. приводит к недопустимой потере прочности при высоких температурах спеченного вольфрамового каркаса.

Сопла и электроды из композиционного вольфрам-медного сплава, как показала опытная проверка, имеют срок службы, как минимум в 2-3 раза больше по сравнению с традиционными медными.

Плазменная горелка работает следующим образом.

Плазменная горелка устанавливается в эксплуатационное положение (над обрабатываемой поверхностью) и в нее подается охлаждающая вода и плазмообразующий газ (воздух). Между электродом 4 и соплом 7 прикладывается напряжение холостого хода через цепь вспомогательной дуги (не показана), так что сопло находится под положительным потенциалом. Одновременно напряжение холостого хода источника питания прикладывается к электроду (минус) и разрезаемому изделию (плюс). При подаче напряжения холостого хода источника питания между электродом 4 и соплом 7 с помощью возбудителя дуги возбуждаются периодически повторяющиеся импульсы тока, которые создают видимый факел вспомогательной дуги.

Вариантом возбуждения вспомогательной дуги является легкий удар горелки со стороны среза сопла 7 о твердый предмет. При легком ударе по срезу сопла, сопло 7 вместе с втулкой 5 сжимает эластичный элемент 11, перемещаясь в сторону электрода 4 и контактирует с ним. Электрическая цепь вспомогательной дуги замыкается. В следующий момент времени под действием эластичного элемента сопло 7 возвращается в исходное положение. При размыкании контакта "сопло-электрод" возбуждается вспомогательная дуга. Если возбуждение не произошло, то удар можно повторить.

Основная режущая дуга возбуждается автоматически при касании видимого факела вспомогательной дуги кромки или поверхности изделия.

Качественный процесс резки обеспечивается высокой точностью взаимной установки относительно друг друга электрода 4 и сопла 7 (малой их несоосностью), что достигается за счет того, что электрододержатель 3 и сопло центрируются своими посадочными поверхностями относительно одной и той же поверхности изоляционной втулки 5 без каких-либо дополнительных деталей.

В данной конструкции предусмотрена регулировка зазора между соплом и электродом. Она осуществляется перед началом работы следующим образом. Сначала гайка 8 закручивается до конца (пока сопло 7 не коснется электрода 4 и не упрется в него). В случае применения гайки 8 с зубцом В, гайку 8 затягивают, обеспечивая врезание зубца В в торовую поверхность сопла 7 (что уплотняет соединение сопла с гайкой). Затем гайку 8 немного откручивают для выставления оптимального зазора между электродом и соплом, величина которого подбирается для конкретного режима резания. Зная шаг резьбы на гайке, можно установить с достаточной точностью необходимую величину зазора.

Эффект от использования предлагаемой конструкции плазменной горелки состоит в существенном повышении качества разделительной резки, а также в увеличении срока службы электродов и сопел. Это значительно повышает производительность труда, экономятся быстроизнашиваемые детали.

Применение электродов и сопел из композиционного вольфрам-медного материала дополнительно, как минимум, в 2-3 раза повышает срок службы электрода и сопла.

Использование: полуавтоматическая (ручная и механизированная) плазменная резка черного и цветного листового проката, сварка и резка металлических конструкций. Сущность изобретения: на боковой цилиндрической поверхности сопла 7 со стороны его нерабочего торца, обращенного к внутренней изоляционной втулке 5, выполнен уступ, торец которого установлен в контакте с торцом втулки 5, а боковая поверхность уступа и поверхность электрододержателя 3 установлены в контакте с внутренней поверхностью изоляционной втулки 5, электрододержатель 3 с электродом 4 и сопло 7 установлены относительно одной и той же поверхности Б втулки 5, что повышает их соосность, вследствие чего повышается качество резки и срок службы сопла и электрода. Электрод 4 и сопло 7 могут быть выполнены из композиционного вольфрам-медного сплава с содержанием меди 12 - 16 об.%. 4 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА, содержащая внешний корпус, электрододержатель с закрепленным в нем электродом, установленный во внутреннем изолирующем корпусе, изоляционную втулку, наружная поверхность которой установлена в контакте с внутренней поверхностью изолирующего корпуса, а внутренняя поверхность втулки - с наружной поверхностью электрододержателя, сопло, установленное в контакте с изоляционной втулкой и закрепленной накидной гайкой, расположенной на корпусе, отличающаяся тем, что со стороны нерабочего торца сопла выполнен уступ, торец которого установлен в контакте с торцом втулки, а боковая поверхность уступа и поверхность электрододержателя установлены в контакте с внутренней поверхностью изоляционной втулки. 2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что на внутренней поверхности гайки, взаимодействующей с соплом, выполнен зубец. 3. Горелка по пп. 1 и 2, отличающаяся тем, что изоляционная втулка подпружинена в направлении к нерабочему торцу сопла. 4. Горелка по пп. 1 и 3, отличающаяся тем, что срез сопла выполнен выступающим за срез накидной гайки. 5. Горелка по пп. 1, 3 и 4, отличающаяся тем, что электрод и сопла выполнены из композиционного вольфрам-медного сплава с содержанием меди 12 - 16 об.%.