НЕПЛАВЯЩИЙСЯ ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВЫХ ПРОЦЕССОВ Российский патент 1997 года по МПК B23K35/02 

Изобретение относится к устройствам для дуговой сварки неплавящимся электродом и может быть использовано в горелках для сварки стабилизированной дугой в защитных газах.

Предлагаемое изобретение представляет собой разновидность конструкции термохимических электродов, основными элементами которых являются электропроводный корпус с размещенной в нем водоохлаждаемой обоймой с катодной вставкой. Охлаждение обоймы обеспечивается посредством закрепленной в корпусе трубки, через которую подается вода.

Известен неплавящийся электрод, состоящий из медного охлаждаемого наконечника и закрепленной в него вставки [1] Изготовление таких электродов нерентабельно, т.к. требует большого количества дорогостоящей меди, кроме того, сложен сам процесс запрессовки вставки в полость наконечника, имеющей форму тора чрезвычайно трудно обеспечить полное и плотное заполнение полости. Охлаждение электрода посредством смывания верхней части корпуса водой мало эффективно, т.к. в этом случае верхняя часть вставки охлаждается интенсивнее нижней.

Известен также термохимический неплавящийся электрод, содержащий медный корпус и обойму, выполненную в виде стакана с внутренним ребром. В полости между ребром и стаканом размещена неподвижная водоохлаждаемая трубка, жестко закрепленная на плазмотроне [2]
Технологический процесс изготовления такого электрода очень сложен, т.к. требует соблюдения строго выдержанных соотношений размеров между элементами его конструкции (наружным диаметром стакана, толщиной его стенки, высотой ребра и т. п. ), отклонение которых от предусмотренных резко снижает работоспособность электрода.

Водоохлаждающая трубка закреплена на корпусе плазмотрона эквидистантно поверхности обоймы, при этом обязательным условием при сборке конструкции является соблюдение фиксированного зазора между водоохлаждаемой поверхностью и выходным раструбом трубки. Величина этого зазора в значительной мере определяет ресурс термохимического электрода: превышение его оптимального размера приводит к тому, что поток охлаждающей жидкости может увеличится настолько, что большая часть ее будет проходить вне зоны охлаждаемой поверхности, а слишком малый зазор не обеспечивает потока, достаточного для эффективного охлаждения.

Во избежание этих негативных явлений при сборке элементов электрода необходимо придерживаться жестких допусков, а это усложняет процесс сборки. С учетом того, что в ходе эксплуатации электрода зазор между обоймой и раструбом трубки может изменяться в ту или иную сторону, соблюдение точности установки часто себя не оправдывает.

Кроме описанного, важным фактором в обеспечении эффективного теплоотбора от разогретой поверхности обоймы является местонахождение зоны соединения обоймы и корпуса электрода, которая всегда является тепловым барьером, препятствующим охлаждению обоймы. Поэтому оптимальный теплоотбор обеспечивается при условии максимального отдаления места соединения от области интенсивного теплообмена. В описанном электроде место соединения обоймы и корпуса не фиксировано, выбирается произвольно. Поэтому в случае нахождения его в зоне интенсивного теплообмена ресурс и эффективность работы термохимического электрода значительно снижается.

Для определения условий обеспечения оптимальной теплопередачи через водоохлаждаемую стенку обоймы проведено множество разработок и исследований, касающихся определения оптимальной конфигурации обоймы и водоохлаждаемой трубки, в результате которых наиболее совершенной обоймой признана параболическая, а трубка с выходным раструбом, выполненным по форме обоймы.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому эффекту является электрод [3] Водоохлаждаемая обойма электрода выполнена параболической, выходной раструб трубки повторяет эту форму, а сама трубка закреплена на корпусе плазмотрона с зазором по отношению к поверхности обоймы. Конструкция аналогична вышеописанным и обладает теми же недостатками: значительным расходом меди на изготовление элементов электрода, сложностью процесса их сборки, недостаточным ресурсом работы.

Место соединения обоймы с корпусом расположено непосредственно под выходным раструбом трубки, где поток охлаждающей воды резко изменяет свое направление и скорость, т. е. в зоне интенсивного теплообмена. Это обстоятельство является препятствием для обеспечения оптимальных условий охлаждения обоймы, т.к. в этом месте соединения должен быть наиболее высокий теплоотбор.

Кроме того, при таком месторасположении зоны соединения осуществление разъемной конструкции нерационально по той причине, что подвергаемая интенсивным термическим ударам в процессе работы электрода упомянутая зона в случае выполнения ее разъемной быстро разрушится и "потечет".

Эти недостатки устранены в предлагаемом техническом решении, сущность которого заключается в том, что в неплавящемся электроде для плазменно-дуговых процессов, состоящем из электропроводного корпуса, в котором закреплена высокотеплопроводная обойма с охлаждаемой поверхностью, преимущественно параболической, с активной вставкой, и из охлаждающей трубки, выходной раструб которой выполнен по форме поверхности обоймы, место соединения последней с корпусом расположено между двумя сечениями электрода, проведенными через вершину обоймы и через торец выходного раструба трубки, причем трубка выполнена телескопической, а торец выходного раструба ее содержит упоры.

На чертеже схематически изображен предлагаемый электрод, содержащий высокотеплопроводную обойму 1 и вставку 2, обойма закреплена в корпусе 3, и введена в выходной раструб телескопической охлаждающей трубки, состоящей из элементов 4 и 5. Раструб трубки расположен эквидистантно поверхности обоймы. По торцу трубки равномерно расположены упоры 6, обеспечивающие необходимый зазор для протока охлаждающей среды. Место соединения обоймы с корпусом (на чертеже обозначено как "A") расположено между двумя условными плоскостями B и C, проведенными через вершину обоймы (плоскость B) и торец выходного раструба (плоскость C) перпендикулярно оси электрода.

Отличием заявляемого электрода от описанного в прототипе является месторасположение зоны соединения корпуса с обоймой и особенности конструктивного выполнения охлаждающей трубки.

Место соединения обоймы с корпусом между плоскостями B и C выбрано исходя из двух условий: обеспечения максимально возможного теплосъема с поверхности обоймы и экономии дефицитной меди, идущей на изготовление электрода.

Для обеспечения этих условий необходимо устранить все негативные факторы, влияющие на эффективность охлаждения обоймы, в частности исключить зону теплового барьера из области интенсивного теплообмена. Поток охлаждающей жидкости, омывая поверхность обоймы, турбулентно ускоряется в донной ее части (в месте расположения торцов охлаждающей трубки), обеспечивая максимальный отбор тепла именно в той зоне, где требуется эффективный теплообмен для обеспечения производительной работы электрода. Зона соединения (A) расположена на значительном удалении от разогретой вставки 2 в том месте, где не требуется большого теплообмена с поверхности обоймы. Поэтому всякий тепловой барьер, каковым является зона "A", на таком расстоянии не может повлиять на теплообменные процессы.

Вынесение места соединения в зону A кроме описанного имеет еще два существенных преимущества возможность экономии меди, идущей на изготовление корпуса электрода и увеличение его ресурса работы за счет возможности замены выработанной обоймы. Действительно, если в предлагаемой конструкции в зоне A величина коэффициента теплопроводности материалов, из которых изготовлены корпус и обойма, не имеют решающего влияния на работу электрода, то материал для корпуса может быть выбран любой из ряда токопроводящих, например, плакированная сталь.

Как было сказано ранее, соединение деталей электрода целесообразно производить в зоне, не подвергающейся интенсивным тепловым ударам. Зона A в этом смысле является наиболее приемлемой. В заявляемой конструкции электрода разъемность его элементов обеспечивается запрессовкой либо закаткой.

Телескопическая форма охлаждающей трубки с упорами на торце упрощает процесс сборки электрода, дает возможность изготавливать его детали с более свободными допусками. Касание упоров 6 с донной частью охлаждаемой обоймы обеспечивает постоянство выставленного зазора между выходным раструбом трубки и поверхностью обоймы даже в тех случаях, когда в процессе работы электрода жесткость закрепления корпуса будет нарушена, либо трубка и корпус сдвинутся относительно друг друга. В этих условиях нижний элемент 4 продвинется вверх по поверхности элемента 5, который всегда неподвижен, и зазор при этом останется неизменным. Это особенно важно для конструкций электродов, в которых корпус 3 крепится в плазматроне на конус Морзе.

Неплавящийся электрод изготавливают следующим образом. Вначале штамповкой изготавливают обойму из высокотеплопроводного материала, в которую затем запрессовывают вставку в предварительно высверленное отверстие, соответствующее диаметру вставки. При штамповке обоймы высоту ее наружной стенки, соединяемой со стенкой корпуса, подбирают ниже уровня вершины обоймы, форму которой выбирают из расчета обеспечения максимально возможного теплообмена между обоймой и охлаждающей средой. Как было сказано выше, наиболее предпочтительной с этой точки зрения является обойма параболической формы.

Корпус электрода соединяют с обоймой различными способами с возможностью разъема этих элементов. Раструб элемента 4 телескопической трубки выполняется по форме обоймы с учетом зазора между ними. Трубка упирается в донную часть обоймы и устанавливаются эквидистантно ее поверхности. Неплавящийся электрод закрепляется в горелке плазматрона.

Электрод работает следующим образом. Перед началом сварки включают плазмообразующий газ. В полость телескопической трубки поступает среда, охлаждающая обойму. Сварочный ток подводится через корпус 3 к обойме 1, дуга горит между активной вставкой 2 и изделием, либо соплом плазматрона.

Предлагаемый электрод в сравнении с использующимися в настоящее время термохимическими электродами обладает повышенным ресурсом работы, экономичен с точки зрения потребление объема дефицитных материалов и трудоемкости изготовления.

Использование: устройства для дуговой сварки неплавящимся электродом, в частности конструкции термохимических электродов, и может быть использовано в горелках для сварки в защитных газах. Электрод состоит из электропроводного корпуса, в котором закреплена высокотеплопроводная обойма с активной вставкой и из охлаждающей трубки. Место соединения обоймы с корпусом расположено между двумя сечениями электрода, проведенными перпендикулярно оси электрода через вершину обоймы и через торец выходного раструба охлаждающей трубки. При этом трубка выполнена телескопической, а торец выходного раструба ее содержит упоры. Сущность изобретения: изобретение позволяет повысить ресурсы работы дуговых плазматронов, надежность конструкции и экономичность с точки зрения потребления дефицитных материалов, идущих на изготовление электродов. 1 ил.

Неплавящийся электрод для плазменно-дуговых процессов, состоящий из электропроводного корпуса, закрепленной в нем высокотеплопроводной обоймы с охлаждаемой поверхностью, преимущественно параболической, с активной вставкой, и из охлаждающей трубки, входной раструб которой выполнен по форме охлаждаемой поверхности обоймы, отличающийся тем, что место закрепления обоймы в корпусе расположено между перпендикулярной оси электрода плоскостью, проходящей через вершину обоймы, и параллельной ей плоскостью, проходящей через торец выходного раструба охлаждающей трубки, причем трубка выполнена телескопической, а торец выходного раструба выполнен с упорами.