СПОСОБ ФОРМИРОВАНИЯ ЭЛЕКТРОДУГОВОГО РАЗРЯДА В ПЛАЗМОТРОНЕ И УСТРОЙСТВО ДЛЯ ЕГО ОСУЩЕСТВЛЕНИЯ Российский патент 1998 года по МПК H05B7/18 

Изобретение относится к электротехнике, в частности к способам формирования электродугового разряда в плазмотроне и плазмотронам для осуществления таких способов.

Известен способ формирования электродугового разряда в плазмотроне, при котором возбуждают малоамперную дугу в среде защитного между катодом и вспомогательным анодом, после чего плазмотрон погружают в воду и возбуждают основной разряд, подают рабочий газ и отключают подачу защитного газа [1]. Этот способ осуществляют с помощью плазмотрона, имеющего вспомогательный анод и дополнительное устройство для возбуждения дуги.

Недостатками указанных способа и плазмотрона является снижение производительности резки или повышенный дополнительный расход электроэнергии в случае повышения мощности плазменной дуги. Кроме того, возникают трудности в ведении контроля за процессом резки.

Наиболее близким к изобретению является способ формирования электродугового разряда в плазмотроне, при котором подают в газовую камеру по ее оси поток плазмообразующего газа, подают в камеру жидкостной стабилизации тангенциальный поток жидкости, возбуждают в камере вспомогательный разряд и, используя его, зажигают рабочую дугу [2]. Стабилизация вспомогательного разряда осуществляется с помощью ламинарного потока газа. Плазмотрон для осуществления указанного способа выполнен с вспомогательным газовым плазмотроном, предназначенным для зажигания и стабилизации вспомогательной дуги. Недостатками указанных способа и плазмотрона являются: необходимость постоянной подачи газа, стабилизирующего вспомогательную дугу и использование основного графитового электрода, который быстро изнашивается, что снижает надежность. Это связано с тем, что применение металлического электрода невозможно из-за того, что электрод покрыт жидкостью, что приводит к эрозии при зажигании основной дуги. Необходимо особо отметить, что при применении графитового электрода образуется циан, что делает невозможным присутствие персонала в зоне работы плазмотрона или требует использования специальных мер защиты. Применение ламинарного потока газа не обеспечивает пробивание толстого слоя жидкости, что ограничивает область применения. Кроме того, при формировании основной дуги происходит выдувание жидкости на поверхность обрабатываемого материала, что приводит к образованию местных дефектов в результате попадания жидкости в зону образования рабочей дуги на поверхности обрабатываемого материала, что приводит к микровзрывам. Кроме того, следует отметить, что в указанном плазмотроне не обеспечивается защита формирующего сопла, что приводит к необходимости его частой замены. Кроме того, вредные газы, образующиеся в потоке плазмы, распространяются в окружающую среду, что ухудшает условия труда обслуживающего персонала.

Цель изобретения - повышение надежности и экономичности процесса формирования рабочей дуги, а также упрощение, повышение надежности и экономичности плазмотрона.

Цель достигается тем, что в способе формирования электродугового разряда в плазмотроне, при котором подают в газовую камеру поток плазмообразующего газа, подают в камеру жидкостной стабилизации тангенциальный поток жидкости, возбуждают в камере вспомогательный разряд и, используя его, зажигают рабочую дугу, в соответствии с изобретением, до подачи потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, и после зажигания рабочей дуги подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают.

При таком способе, благодаря подаче закрученного потока газа до подачи жидкости обеспечивается сухой режим работы катода во время формирования рабочей дуги. Это способствует повышению надежности из-за отсутствия эрозии катода и стабилизирует процесс зажигания вспомогательной дуги. Кроме того, турбулентный поток обеспечивает формирование рабочей дуги в толстом слое жидкости, что способствует повышению мощности дуги и расширяет область применения. Использование закрученного турбулентного потока газа во время запуска плазмотрона обеспечивает защиту зоны поверхности обрабатываемого материала от попадания на нее жидкости, что исключает образование местных дефектов. Увеличение давления жидкости обеспечивает выход на рабочий режим. При этом следует отметить, что прекращение подачи газа обеспечивает повышенную экологическую безопасность благодаря тому, что в процессе горения рабочей дуги не происходит образования вредных оксидов, таких как оксиды азота.

При отключении рабочей дуги подают поток плазмообразующего газа, а давление жидкости понижают. При этом обеспечивается постоянное отсутствие жидкости на катоде для обеспечения надежного последующего запуска.

Цель достигается также и тем, что в плазмотроне, содержащем корпус, в котором по оси установлен стержневой электрод и охватывающий его дополнительный электрод, образующие газовую камеру с патрубком ввода плазмообразующего газа, и камеру жидкостной стабилизации с патрубком тангенциального ввода жидкости и верхней и нижней торцевой диафрагмами, в соответствии с изобретением, камера жидкостной стабилизации верхним торцом плотно подсоединена к дополнительному электроду, служащему верхней диафрагмой, а к нижней диафрагме подсоединен введенный водосборник-рассекатель, выполненный со сквозными центральным и охватывающими его периферийными отверстиями.

При такой конструкции диафрагма служит дополнительным анодом для зажигания вспомогательной дуги. Наличие диафрагмы обеспечивает размещение катода в постоянно сухой камере, что позволяет использовать металлический катод для повышения надежности в работе. Наличие водосборника-рассекателя, выполненного со сквозными центральным и охватывающими его периферийными отверстиями обеспечивает защиту сопла от рабочей дуги, а также снижение шума и защиту от выделяющихся вредных газов. Плазмотрон более экономичен благодаря тому, что нет необходимости в частой замене сопла и катода.

Изобретение поясняется чертежом, на котором представлен осевой разрез плазмотрона и пневматическую, гидравлическую и электрическую системы плазмотрона.

Предлагаемый плазмотрон с жидкостной стабилизацией электродугового разряда (фиг. 1) имеет плазмообразующую камеру 1 с тангенциально выполненными отверстиями 2 для подачи жидкости, ограниченную верхней торцовой диафрагмой 3, и нижней торцовой диафрагмой 4 с соплом. Она дополнительно содержит изолированную и соосно соединенную с плазмообразующей камерой при помощи изолятора 5 газовую камеру 6 с изолированным термохимическим катодом 7. Катод 7 соединен с катододержателем 8 при помощи завихрителя 9. Газовая камера 6 соединена с верхней торцовой диафрагмой 3 плазмообразующей камеры 1, которая изолирована от нее при помощи кольца-изолятора 10. Кроме того, плазмотрон имеет расположенный со стороны нижней торцовой диафрагмы 4 водосборник-рассекатель с формирующим соплом 11.

Гидравлическая система подключения плазмотрона содержит манометр 12, показывающий давление на входе в плазмообразующую камеру 1, расходомер жидкости 13, ручной кран 14, отсечной электроклапан 15 и водяной насос 16. Пневматическая система подключения плазмотрона включает магистраль пускового газа, состоящую из манометра 17, обратного клапана 18, отсечного электроклапана 19, расходной шайбы 20 и ручного игольчатого клапана 21. Пневматическая система может также включать магистраль дополнительного газа, соединенную с газовой камерой 6 при помощи тройника 22 и состоящую из электроклапана 23, расходомера 24, игольчатого клапана 25 и редукционного клапана (не показан).

Плазмотрон работает при его подключении к источнику напряжения (фиг. 1), который имеет источник питания 26, пускатель 27 с контактами 28, конденсаторы 29, 30, дроссель 31 и осциллятор 32, являющийся источником напряжения системы возбуждения вспомогательной дуги. Отрицательный зажим 33 источника напряжения соединен с катодом 7, а положительный зажим 34 - с обрабатываемой поверхностью (не показана). Зажим 35 осциллятора 28 соединен с верхней торцовой диафрагмой 3, которая, таким образом, выполняет функцию вспомогательного анода.

Подробное устройство и работа источника напряжения и системы возбуждения вспомогательной дуги здесь не описаны, так как они хорошо известны специалистам в данной области и не имеют непосредственного отношения к предлагаемому изобретению.

Плазмотрон работает следующим образом.

Открывают перед запуском плазмотрона вентиль 21 и пусковой газ из ресивера поступает на вход электроклапана 19 через расходную шайбу 20, рассчитанную на расход газа, при котором получают давление в вихревой трубке P_{вих.опт.}. Расход через шайбу 20 определяют экспериментальным путем. Воду подают из системы или из бака к водяному насосу 16. Затем приоткрывают кран 14, и вода поступает на вход электроклапана 15. На этом подготовка к работе заканчивается. Далее подают напряжение холостого хода на электроды. Одновременно срабатывает электроклапан 19, пусковой газ подается в газовую камеру 6, где он закручивается завихрителем 9, и поступает в плазмообразующую камеру 1 через отверстие верхней торцовой диафрагмы 3. После заданного интервала времени срабатывает электроклапан 15 и включается электродвигатель водяного насоса 16. Приоткрывая кран 14, устанавливают по расходомеру 13 оптимальный расход воды. Корректируют по показаниям манометров перепад давления воды на входе в плазмообразующую камеру 1. Вода в виде конусного водяного экрана вытекает из водосборника-рассекателя 11 на изделие. При ΔP_опт включают осциллятор 32 и возбуждают вспомогательную дугу. Факел этой дуги вылетает из формирующего сопла водосборника-рассекателя 11 и, касаясь поверхности изделия, возбуждает основной разряд. При этом срабатывает обратный клапан 18 из-за скачка давления при образовании пара и одновременно с включением осциллятора 32 отключается электроклапан 19. Затем добиваются соотношения P_потр = P_жпотр. - P_{вих.потр.}. При отключении или при обрыве основного разряда одновременно открывается электроклапан 19 пускового газа, отключается электродвигатель водяного насоса 16 и срабатывает отсечной электроклапан 15, перекрывая доступ воды в плазмообразующую камеру 1.

В процессе работы в зависимости от технологического режима может быть использована магистраль подачи дополнительного газа.

После пуска плазмотрона вода, поступающая через плазмообразующую камеру 1, стабилизирует основную дугу и выходит через сопло нижней торцовой диафрагмы 4 плазмотрона. Вода поступает в водосборник-рассекатель 11 и выходит через его формирующее сопло и выходит наружу на обрабатываемую поверхность через кольцевое сопло, при этом поток плазмы выходит через центральное отверстие водосборника-рассекателя 11. Кольцевая струя воды, выходящая через формирующее сопло водосборника-рассекателя 11, защищает персонал от вредных газов, образующихся в процессе работы.

Кроме того, образующийся таким образом защитный водяной экран, снижает уровень шума.

Изобретение относится к способам формирования дугового разряда в плазмотроне и плазмотрон для их осуществления. Для жидкостной стабилизации тангенциальный поток жидкости, возбуждают в газовой камере вспомогательный разряд, с помощью которого зажигают рабочую дугу. До подачи потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры и после зажигания рабочей дуги подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают. В корпусе плазмотрона с патрубком ввода плазмообразующего газа по оси установлены стержневой электрод и охватывающий его дополнительный электрод, являющийся верхней диафрагмой. Камера жидкостной стабилизации с патрубком тангенциального ввода жидкости, пристыкована верхним торцом к дополнительному электроду. К нижней диафрагме подсоединен водосборник-рассекатель, выполненный со сквозными центральным и периферийным отверстиями. 2 с. и 1 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Способ формирования электродугового разряда в плазмотроне, при котором подают в газовую камеру по ее оси поток плазмообразующего газа, подают в камеру жидкостной стабилизации тангенциальный поток жидкости, возбуждают в газовой камере вспомогательный разряд и, используя его, зажигают рабочую дугу, отличающийся тем, что, с целью повышения надежности и экономичности процесса формирования рабочей дуги, расширения области применения и обеспечения возможности автоматизации процесса, до подачи потока жидкости подают поток плазмообразующего газа, закрученного относительно оси газовой камеры, и после зажигания рабочей дуги подачу газа прекращают, а давление жидкости увеличивают. 2. Способ по п. 1, отличающийся тем, что при отключении рабочей дуги подают поток плазмообразующего газа, а давление жидкости понижают. 3. Плазмотрон, содержащий корпус, в котором по оси установлены стержневой электрод, и охватывающий его дополнительный электрод, образующие газовую камеру с патрубком ввода плазмообразующего газа, и камеру жидкостной стабилизации с патрубком тангенциального ввода жидкости и верхней и нижней торцевыми диафрагмами, отличающийся тем, что, с целью упрощения, повышения надежности и экономичности, камера жидкостной стабилизации верхним торцом плотно подсоединена к дополнительному электроду, служащему верхней диафрагмой, а к нижней диафрагме подсоединен введенный водосборник-рассекатель, выполненный со сквозными центральным и охватывающими его периферийными отверстиями.