ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА Российский патент 1996 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности к микроплазменной сварке и резке металлов. Благодаря высокой теплопроводности пара по сравнению с другими газами достигается сварка и резка неметаллов, например, стекла и керамики.

Плазменная горелка в большинстве случаев имеет центральный металлический стержень с тугоплавким наконечником и конусообразную горелку с осевым каналом [1] между ними подается газ или пары воды. Для увеличения плотности тока в плазме используют постоянное или переменное магнитное поле [2]
Недостатком известных устройство является недостаточный ресурс из-за быстрого выгорания горелки, которое происходит главным образом в связи с наличием радиальных или тангенциальных составляющих тока в плазме между тугоплавкой вставкой и корпусом.

Известна конструкция плазменной горелки для сварки и резки материалов [3] содержащая осевой металлический стержень, имеющий тугоплавкий наконечник, установленный напротив наконечника конусообразный конус горелки с осевым каналом, причем к металлическому стержню присоединен отрицательный конец источника питания, а к корпусу горелки положительный. Недостатком известной конструкции является ограниченный ресурс из-за выгорания канала корпуса горелки в связи с наличием радиальных составляющих тока разряда между тугоплавкой вставкой и корпусом горелки.

Предлагаемая авторами совокупность существенных признаков позволяет исключить недостатки прототипа и обеспечивает достижение технического результата, заключающегося в увеличении ресурса.

Указанный технический результат достигается следующим образом. В плазменной горелке для сварки и резки материалов содержится осевой металлический стержень, имеющий тугоплавкий наконечник, установленный напротив наконечника конусообразный корпус горелки с осевым каналом, причем к металлическому стержню присоединен отрицательный конец источника питания, а к корпусу горелки положительный. Кроме того, по оси плазменного факела установлен торообразный постоянный магнит или соленоид с кольцевой намоткой. Перпендикулярно оси установлена торообразная катушка с радиальной намоткой в области разрядного промежутка с сечением, параллельным конусообразной поверхности горелки и соединенная последовательно с источником питания. При направлении намотки катушки по часовой стрелке со стороны сопла, начало соединено с корпусом горелки, соленоид установлен по оси на расстоянии в 0,1-0,2 части длины плазменного факела со стороны сoплa.

Сравнение заявляемого решения не только с прототипом, но и с другими техническими решениями в данной области техники не позволило выявить в них признаки, отличающие заявляемое решение от прототипа, что позволило сделать вывод о соответствии критерию существенные отличия.

Таким образом, заявляемое устройство является новым, так как оно не известно из уровня развития техники. Заявляемое устройство имеет изобретательский уровень, так как для специалиста явным образом не следует из уровня техники и применимо в промышленности, сельском хозяйстве, здравоохранении и других отраслях народного хозяйства, то есть, заявленное техническое решение соответствует критерию изобретения.

На чертеже представлена предлагаемая горелка.

Она имеет осевой металлический стержень 1, тугоплавкий наконечник 2, конусообразный корпус горелки 3, осевой канал корпуса горелки 4, подачу газа или паров воды 5, источник питания 6, осевую составляющую разрядного тока 7, радиальную составляющую разрядного тока 8, плазменный факел 9, торообразную катушку с сечением, параллельным конусообразной 10 поверхности горелки 11, торообразный постоянный магнит или соленоид с кольцевой намоткой; начало и конец катушки Н, К.

Работа происходит следующим образом. На торцовой стороне осевого металлической стержня 1 установлен тугоплавкий наконечник 2. Между тугоплавким наконечником и конусообразным корпусом горелки 3 возникает разряд. В направлении осевого канала корпуса горелки 4 подается газ или пар воды 5. Разряд возникает за счет подсоединения источника питания 6 со следующей полярностью минус на тугоплавкую вставку, плюс на корпус горелки. Плазма занимает две области; внутри в разрядном зазоре и снаружи корпуса горелки. Внутри разрядного промежутка имеются две составляющие: осевая 7 и радиальная 8. Конусообразный корпус горелки и тугоплавкая вставка разрушаются под действием обеих составляющих, но плазменный факел 9 возникает главным образом под действием осевой составляющей тока разряда, а радиальная, разрушающая канал горелки и тугоплавкую вставку в радиальном направлении является мешающей. При установке торообразной катушки 10 в область разрядного промежутка с сечением параллельным конусообразной поверхности горелки и с намоткой по радиусу возникает магнитное поле с силовыми линиями, направленными по окружности. В результате возникают силы Лоренца, перпендикулярные направлению силовых линий как энергетического поля 8, так и магнитного, и в результате заряженные частицы закручиваются или поворачиваются в область канала (траектории радиальных составляющих изменяются пунктиры на чертеже). Особенно важно это свойство для плазмотронов с парами воды, когда тугоплавкая вставка сильно разрушается по периферии, введение катушки 10 концентрирует поле к оси, а на оси устанавливается циркониевая вставка, стойкая к разряду паров воды. В результате тугоплавкая вставка разрушается значительно меньше. Полярность подсоединения катушки должна быть следующей при намотке по часовой стрелке, начало должно быть присоединено к корпусу. Изменение полярности приводит к обратному эффекту рассеиванию разряда. Конструкция катушки 10 такова, что сечение параллельно конусообразной поверхности. Этим достигается эффект более сильного влияния катушки в области, близкой к выходному каналу и более сильная концентрация разряда к оси.

Последовательное включение катушки 10 с источником питания обеспечивает свойство самостабилизации, т. е. при большем разрядном токе более сильно сказывается свойство сжатия плазмы к оси и меньше разрушение электродов и, наоборот, при меньшем разрядном токе требуется и меньшее сжатие в связи с меньшим разрушением электродов. Совокупность системы катушки 10 с радиальной намоткой и соленоида 11 с кольцевой намоткой приводит к сильной концентрации поля по оси, большему ресурсу и лучшими свойствами по сварке и резке материалов. Расстояние соленоида в 0,1-0,2 части длины плазменного факела соответствует оптимальным условиям минимального взаимного влияния двух катушек и минимального разогрева соленоида.

Ресурс работы с одним тугоплавким наконечником и корпусом увеличивается в 2-3 раза.

Использование: электрометаллургия, микроплазменная сварка и резка металлов. Сущность изобретения: в плазменной горелке содержится осевой металлический стержень, имеющий тугоплавкий наконечник; установленный напротив наконечника конусообразный корпус горелки с осевым каналом, причем к металлическому стержню присоединен отрицательный конец источника питания, а к корпусу горелки - положительный. По оси горелки установлен торообразный постоянный магнит или соленоид с кольцевой намоткой. Перпендикулярно оси установлена торообразная катушка с радиальной намоткой, соединенная последовательно с источником питания. При направлении намотки катушки по часовой стрелке со стороны сопла начало ее соединено с корпусом горелки. Конструкция горелки обеспечивает концентрацию плазмы на оси горелки и увеличение ресурса горелки. 1 з. п. ф-лы, 1 ил.

1. ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА, содержащая осевой стержневой электрод, установленный внутри конусообразного корпуса горелки, имеющего осевой выходной канал, а также торообразный магнит, установленный по оси горелки, отличающаяся тем, что она снабжена конусообразной торообразной электромагнитной катушкой с радиальной намоткой, внутренняя поверхность которой эквидистантна наружной конической поверхности корпуса, при этом катушка расположена снаружи горелки в области между рабочим торцом электрода и выходным каналом. 2. Горелка по п.1, отличающаяся тем, что при направлении намотки катушки по часовой стрелке со стороны сопла начало намотки соединено с корпусом горелки.