СПОСОБ ОСЕВОЙ СТАБИЛИЗАЦИИ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО СТОЛБА В ПЛАЗМЕННОЙ ГОРЕЛКЕ С ПОДВИЖНЫМ КАТОДОМ И ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к плазменно-дуговой обработке материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. Изобретение касается, в частности, генераторов низкотемпературной плазмы (плазмотронов) с подвижным катодом.

Известно, что для эффективной работы плазмотрона столб интенсивно сжатой дуги должен быть стабилизирован по оси катод - сопло - анод плазменной горелки. Отклонение в десятые доли миллиметра могут привести к образованию двойной дуги, а также к выгоранию элементов конструкции горелки. Стабилизация электродугового столба осуществляется путем его обжатия плазмообразующей средой при условии соблюдения соосности электрода (катода) и выходного отверстия сопла-анода. Высокая точность легко достигается при жесткой фиксации взаимного расположения катода и сопла - анода [1, 3], что неприемлемо в плазменных горелках с подвижным катодом, где поджиг дуги и регулировка ее размера осуществляется изменением расстояния между ее электродами. В подобных горелках наибольшее распространение получил способ осевой стабилизации электродугового столба, при котором воздействуют на него плазмообразующей средой, а соосность электродов обеспечивают точностью изготовления и сборки контактно-крепежных узлов горелки. Он реализован, например, в плазменной горелке по [2], в которой катод, жестко связанный с катододержателем, устанавливают в электроизоляционной трубке путем посадки с минимально возможным допуском. При условии жесткой фиксации оси неподвижной изоляционной трубки относительно выходного отверстия сопла - анода способ позволяет перемещать катод до соприкосновения с соплом-анодом, сохраняя их соосность в пределах допустимой величины. Однако допуск не может быть бесконечно малым ввиду необходимости обеспечения зазора для подвижки катода, а также теплового зазора, что существенно в условиях изменения в широких пределах температуры катода и собственно катододержателя. Кроме того, уменьшение зазора между катододержателем и трубкой ухудшает условия охлаждения катода в процессе работы горелки и, как следствие, снижается допустимая тепловая нагрузка на катод, уменьшается плотность тока и мощность плазменной дуги.

Задача изобретения - создание способа осевой стабилизации электродугового столба в плазменной горелке с подвижным катодом, в котором соосность катода и выходного отверстия сопла-анода обеспечивают в условиях наличия тепловых зазоров между подвижным катододержателем и электроизоляционной трубкой, выполненными из материалов со значительно отличающимися коэффициентами линейного расширения.

Задача решается тем, что в способе осевой стабилизации электродугового столба в плазменной горелке с подвижным катодом путем установки катода соосно выходному отверстию сопла-анода и воздействия на электродуговой столб плазмообразующей среды, выходящей через упомянутое отверстие, установку катода производят радиально упруго.

Способ реализован в плазменной горелке, являющейся вторым объектом изобретения. Способ и устройство решают одну задачу и связаны единым изобретательским замыслом.

Известны плазменные горелки с подвижным катодом, в которых соосность катода и сопла-анода обеспечивается высокой точностью изготовления и сборки контактно-крепежных узлов и размещением в них подвижного катода путем посадки с минимально возможным зазором (заявка Франции N 2338105, кл. В 23 К 9/00, 1978).

Наиболее близким техническим решением из известных является плазменная горелка, в которой катод, установленный в катододержателе, размещен с возможностью перемещения в электроизоляционной трубке путем посадки [2]. Однако необходимость обеспечения теплового зазора между электроизоляционной трубкой и катододержателем для свободного перемещения последнего в упомянутой трубке с относительно низкой точностью изготовления приводит к нарушению соосности.

Задача решается тем, что в плазменной горелке, содержащей корпус с разрядной камерой и присоединенный к нему резервуар для жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом, с соосно установленными в разрядной камере соплом-анодом и катодом, закрепленным в катододержателе, размещенном с возможностью аксиального перемещения в электроизоляционной трубке, которая установлена в теплопроводной трубке-испарителе с развитой наружной поверхностью, причем катододержатель, электроизоляционная трубка и трубка-испаритель проходят через резервуар, при этом последняя соприкасается со стороны резервуара с влаговпитывающим материалом, а со стороны корпуса - с кольцом из теплопроводного материала, имеющим каналы, выходящие в разрядную камеру, и соприкасающимся с соплом-анодом, между катододержателем и электроизоляционной трубкой коаксиально размещен упругодеформируемый в радиальном направлении элемент, соединенный с катододержателем вблизи катода и введенный в контакт с электроизоляционной трубкой. Для повышения степени соосности еще по меньшей мере один упругодеформируемый элемент размещен между катододержателем и электроизоляционной трубкой, соединен с катододержателем, введен в контакт с упомянутой трубкой и отнесен от первого в сторону от сопла-анода. Таким конструктивным решением обеспечивается упругая фиксация катода по оси выходного отверстия сопла-анода и выдерживается зазор между катододержателем и электроизоляционной трубкой, необходимый для подвижки, компенсации теплового расширения и охлаждения катода. Упругодеформируемый элемент может быть выполнен в виде кольца из специального материала, обладающего упругими свойствами и пропускающего пар. Наилучшим является упругодеформируемый элемент, выполненный в виде свернутой в кольцо ленты из металла с вырезами, причем средняя часть ленты выгнута в радиальном направлении кольца. Полученная таким образом пружина, работающая на сжатие, обеспечивает равномерное радиальное усилие, а следовательно, и точную центровку осей взаимодействующих с ней элементов конструкции. Соединение упругодеформируемого элемента с катододержателем осуществляется путем размещения его в кольцевой проточке, выполненной на поверхности последнего. Решение поставленной задачи обеспечивается также и тем, что между электроизоляционной трубкой и трубкой-испарителем также размещены коаксиально по меньшей мере два разнесенных упругодеформируемых в радиальном направлении элемента, соединенных с трубкой-испарителем и введенных в контакт с электроизоляционной трубкой. Они могут быть выполнены не только аналогично описанным выше, но и в виде, например резиновой втулки, размещенной со стороны торцев упомянутых трубок и опирающейся на торцы фланцем, как это представлено в предлагаемой плазменной горелке. Для соединения упругодеформируемого элемента с трубкой-испарителем на ее внутренней поверхности выполнены кольцевые проточки. Резервуар в месте выхода из него катододержателя уплотнен посредством сальника в виде упругого кольца круглого сечения, поджатого в сторону резервуара втулкой с конической поверхностью, введенной в контакт с упомянутым кольцом. При этом кольцо одновременно играет роль упругодеформируемого элемента, обеспечивающего соосность катододержателя относительно выходного отверстия сопла-анода. Упругих колец может быть несколько, при этом углы конусности поверхностей втулок, введенных в контакт с упомянутыми кольцами, должны быть обращены в противоположные стороны. Степень уплотнения резервуара при этом существенно возрастает.

Наряду с решением основной задачи изобретение позволяет решить еще целый ряд проблем, связанных с обеспечением процесса возбуждения дуги и регулировки ее интенсивности. Для этого плазменная горелка снабжена механизмом перемещения катододержателя, выполненным, в частности, в виде установленной соосно ему крышки, перемещающейся по резьбе относительно резервуара, с центральным отверстием, в котором размещена электроизолированная от катододержателя кнопка, имеющая фланец, опирающийся на внутреннюю стенку упомянутой крышки, при этом катододержатель снабжен пружиной, прижимающей его торцевую поверхность к упомянутой кнопке. Для обеспечения надежности контакта кнопки и катододержателя при уменьшении его длины в процессе работы горелки на его конце, обращенном в сторону крышки, размещена глухая цанговая гайка с одной плоской, а другой конической поверхностями, при этом плоская поверхность гайки контактирует с кнопкой, а коническая - с пружиной, взаимодействующей с катододержателем. Гайка может быть связана с катододержателем, например по резьбе, и перемещаться по ней в сторону крышки по мере необходимости. Во избежание возникновения радиальных усилий при перемещении катододержателя контактная поверхность кнопки выполнена в виде полусферы. При этом взаимодействующие с ней поверхности перпендикулярны оси катододержателя и имеют высокую чистоту обработки.

Изобретение содержит также ряд конструктивных решений, направленных на улучшение энергетических и эксплуатационных характеристик плазменной горелки. Охлаждение катододержателя осуществляется паром, образующимся при взаимодействии жидкости с поверхностью трубки-испарителя, нагретой до высокой температуры, для чего резервуар, содержащий жидкость, сообщен с полостью между катододержателем и электроизоляционной трубкой. Поскольку существенную роль в охлаждении катода играет величина поверхности катододержателя, последняя снабжена ребрами, не препятствующими прохождению охлаждающего пара, но увеличивающими поверхность теплоизлучения. Для усиления эффекта ребра выполнены по спирали относительно оси катододержателя. С целью уменьшения влияния деформации элементов конструкции горелки, выполненных из материалов с разными коэффициентами теплового расширения, на параметры горелки, трубка-испаритель подпружинена в сторону сопла-анода относительно резервуара.

На фиг. 1 изображена горелка, вид сбоку в разрезе; на фиг. 2 - установка катододержателя и трубок; на фиг. 3 - установка трубок и уплотнение резервуара.

Плазменная горелка имеет корпус 1, в котором соосно установлены сопло-анод 2 и катододержатель 3 со стержневым центральным катодом 4. Корпус 1 соединен с резервуаром 5 для рабочей жидкости, заполненным влаговпитывающим материалом 6. Стержневой катододержатель 3 установлен с возможностью аксиального перемещения внутри влаго- и термостойкой электроизоляционной трубки 7, которая, в свою очередь, помещена соосно в теплопроводную трубку-испаритель 8 с развитой наружной поверхностью в виде ребер или каналов, проходящую через резервуар 5 и входящую в корпус 1. Трубка-испаритель 8 внешней поверхностью контактирует с влаговпитывающим материалом 6, а на конце, обращенном в сторону сопла-анода, имеет фланец 9 из теплопроводного материала с каналами 10, выходящими в разрядную камеру 11. Фланец 9 контактирует с соплом-анодом 2 через теплопроводную втулку 12, также имеющую каналы 13, выходящие в разрядную камеру 11. Горелка снабжена механизмом дискретного и плавного перемещения катододержателя, состоящим из установленной соосно ему крышки 14 из электроизоляционного материала, перемещающейся по резьбе относительно резервуара 5, и кнопки 15, размещенной в центральном отверстии крышки и опирающейся фланцем на ее внутреннюю стенку. Кнопка 15 контактирует сферической поверхностью с торцевой поверхностью глухой цанговой гайки 16, соединенной по резьбе с катододержателем 3, подпружиненным относительно резервуара в сторону кнопки пружиной 17, одновременно поджимающей втулку 18 и упругое кольцо сальника 19 в сторону резервуара. На наружной поверхности катододержателя 3 и внутренней поверхности трубки-испарителя 8 выполнены кольцевые проточки 20 с размещенными в них упругодеформируемыми элементами 21, а концы трубок, электроизоляционной и испарителя, соединены посредством изоляционной упругой втулки 22 с упорами на фланце. Наружная поверхность катододержателя 3 снабжена ребрами. Трубка-испаритель 8 подпружинена в сторону сопла-анода пружиной 23. Резервуар для рабочей жидкости 5 имеет отверстие для залива 24, закрывающееся посредством заглушки 25. Подвод электрического напряжения от источника питания осуществляется с помощью проводов, проходящих под пластмассовой облицовкой 26 к электродам горелки.

Плазменная горелка работает следующим образом.

Открывают заглушку 25 резервуара 5 и через отверстие 24 заливают в него рабочую жидкость, например воду. Закрывают заглушку, включают источник питания и подают напряжение на катод 4 относительно заземленного сопла-анода 2. Возбуждение дуги производят кратковременным нажатием кнопки 15 механизма перемещения катододержателя. При нажатии кнопки катододержатель 3 перемещается внутри электроизоляционной трубки 7 до соприкосновения с соплом-анодом 2. Возврат катододержателя в исходное положение осуществляется пружиной 17. При разрыве контакта катод - сопло-анод в разрядной камере 11 возбуждается электрическая дуга. Энергия, выделяемая на катоде и сопле-аноде горелки при протекании тока через дугу, разогревает их и тепло через теплопроводные элементы конструкции передается воде, находящейся во влаговпитывающем материале 6, заполняющем резервуар 5. Вода превращается в пар, создается избыточное давление, под действием которого пар проходит в разрядную камеру 11 и далее выходит через центральное отверстие сопла-анода 2, стабилизируя при этом электродуговой столб и одновременно охлаждая электроды. Влаговпитывающий материал, заполняющий резервуар, обеспечивает равномерную подпитку трубки-испарителя 8 и, соответственно, равномерное во времени испарение воды. Ввинчивая (отвинчивая) резьбовую крышку 14 в противолежащий соплу-аноду торец резервуара 5, плавно перемещают катододержатель 3 внутри изоляционной трубки 7, регулируя межэлектродное расстояние в разрядной камере. В зависимости от требуемого режима использования горелки изменяют выходной ток источника питания, а для создания условий формирования устойчивого дугового столба в широком диапазоне токов вращают крышку 14.

Изобретение обеспечивает наилучшие условия формирования столба дуги из всех известных способов стабилизации. При проведении испытаний плазменной горелки, выполненной в соответствии с изобретением, получено устойчивое возбуждение и горение дуги в диапазоне токов 1,0-10 А при выходном напряжении источника питания 20-200 В.

Изобретение относится к плазменно-дуговой обработке материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности. Способ заключается в радиально упругой установке катода относительно сопла-анода горелки и воздействии на электродуговой столб плазменной среды. Реализующая способ плазменная горелка содержит корпус, резервуар для парообразующей жидкости, сопло-анод и катод, упруго размещенный в контактно-крепежных элементах с возможностью перемещения посредством специального механизма. Такое выполнение устройства и способа позволяет обеспечить соосность катода и выходного отверстия сопла-анода в условиях наличия тепловых зазоров между подвижным катододержателем и электроизоляционной трубкой. 2 с. и 14 з.п. ф-лы, 3 ил.

1. Способ осевой стабилизации электродугового столба в плазменной горелке с подвижным катодом путем установки катода соосно выходному отверстию сопла-анода и воздействия на электродуговой столб плазмообразующей средой, выходящей через упомянутое отверстие, отличающийся тем, что установку катода производят радиально упруго. 2. Плазменная горелка, содержащая корпус с разрядной камерой и присоединенный к нему резервуар для жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом, с соосно установленными в разрядной камере соплом-анодом и катодом, закрепленным в катододержателе, размещенном с возможностью аксиального перемещения в электроизоляционной трубке, которая установлена в теплопроводной трубке-испарителе с развитой наружной поверхностью, причем катододержатель, электроизоляционная трубка и трубка-испаритель проходят через резервуар, при этом последняя соприкасается со стороны резервуара с влаговпитывающим материалом, а со стороны корпуса - с кольцом из теплопроводного материала, имеющим каналы, выходящие в разрядную камеру, и соприкасающимся с соплом-анодом, отличающаяся тем, что между катододержателем и электроизоляционной трубкой коаксиально размещен упругодеформируемый в радиальном направлении элемент, соединенный с катододержателем вблизи катода и введенный в контакт с электроизоляционной трубкой. 3. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что еще по меньшей мере один упругодеформируемый в радиальном направлении элемент размещен между катододержателем и электроизоляционной трубкой, соединен с катододержателем, введен в контакт с упомянутой трубкой и отнесен от первого в сторону от сопла-анода. 4. Горелка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что упругодеформируемый элемент соединен с катододержателем путем установки его в кольцевой проточке, выполненной на поверхности катододержателя. 5. Горелка по п.2 или 3, отличающаяся тем, что упругодеформируемый элемент выполнен в виде свернутой в кольцо металлической ленты с вырезами, а средняя часть ленты выгнута в радиальном направлении кольца. 6. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что между электроизоляционной трубкой и трубкой-испарителем размещены коаксиально по меньшей мере два разнесенных упругодеформируемых в радиальном направлении элемента, соединенных с трубкой-испарителем и введенных в контакт с электроизоляционной трубкой. 7. Горелка по п. 6, отличающаяся тем, что упругодеформируемый элемент соединен с трубкой-испарителем путем установки его в кольцевой проточке, выполненной на внутренней поверхности упомянутой трубки. 8. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что резервуар в месте выхода из него катододержателя герметизирован посредством сальника в виде кольца круглого сечения из упругого материала, поджатого в сторону резервуара втулкой с конической поверхностью, введенной в контакт с упомянутым кольцом. 9. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что она снабжена механизмом перемещения катододержателя. 10. Горелка по п.9, отличающаяся тем, что механизм перемещения катододержателя выполнен в виде установленной соосно ему крышки, перемещающейся по резьбе относительно резервуара, с центральным отверстием, в котором расположена кнопка, контактирующая с подпружиненным катододержателем и электроизолированная от него, имеющая фланец, опирающийся на внутреннюю стенку упомянутой крышки. 11. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что на конце катододержателя, обращенном в сторону крышки, размещена глухая цанговая гайка с одной плоской, а другой конической поверхностями, при этом плоская поверхность гайки контактирует с кнопкой, а коническая - с пружиной, взаимодействующей с катододержателем. 12. Горелка по п.10, отличающаяся тем, что контактная поверхность кнопки выполнена полусферической. 13. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что резервуар сообщен с полостью между катододержателем и электроизоляционной трубкой. 14. Горелка по п.13, отличающаяся тем, что поверхность катододержателя снабжена ребрами. 15. Горелка по п.14, отличающаяся тем, что ребра выполнены по спирали относительно оси катододержателя. 16. Горелка по п.2, отличающаяся тем, что трубка-испаритель подпружинена в сторону сопла-анода относительно резервуара.