ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2001 года по МПК B23K35/04 B23K35/32 

Изобретение относится к области термической и термохимической обработки металлов, конкретно, к оборудованию для плазменно-дуговых процессов: резки, сварки, плазменно-дугового напыления, наплавки, термической и термохимической обработки поверхности и т.п., и может быть использовано в конструкции катода плазмотрона.

Основные требования, предъявляемые к термохимическим катодам плазмотрона, заключаются в следующем. Входящая в состав катода эмиссионная вставка должна обладать: значительным ресурсом работы, определяемым термической устойчивостью и "пленкозащитными" свойствами, особенно в окислительных средах; высокой теплопроводностью; хорошими эмиссионными свойствами.

Известно, что в качестве материала эмиссионных вставок термохимических катодов может быть использован целый ряд металлов, однако предпочтительным с точки зрения ресурса, особенно в окислительных средах, является применение циркония и гафния (см., например, М.Ф.Жуков и др. Термохимические катоды, Новосибирск, 1985, с. 5). Только цирконий и гафний обладают "пленкозащитными" свойствами в окислительных средах. Ресурс циркониевых и гафниевых катодов в азотной среде также выше, чем, например, вольфрамовых (там же, с. 46). При этом гафний, хотя и обладает большим ресурсом по сравнению с цирконием, однако он существенно дороже циркония и характеризуется крайне низкой пластичностью, что является серьезным технологическим недостатком при изготовлении заготовки для эмиссионной вставки посредством обработки давлением.

Вставка крепится в катоде с помощью держателя. Одним из направлений повышения ресурса работы катодов является улучшение теплового контакта в паре "вставка- держатель". Поскольку держатель, в который запрессована вставка, должен быть выполнен из высокотеплопроводного материала, как правило меди, качество теплового контакта зависит от состояния границы контакта и степени схватывания материалов вставки и держателя. Применение промежуточной прослойки на основе меди между вставкой и держателем обеспечивает более качественный тепловой контакт. Это достигается с помощью двухслойной вставки, у которой оболочка, выполненная из материала на основе меди, охватывает циркониевый сердечник. В контакте оболочки с держателем возникает наименьшее тепловое сопротивление, а хороший тепловой контакт между циркониевым сердечником и оболочкой на основе меди может быть обеспечен рядом предусмотренных изобретением дополнительных мероприятий, о которых будет сказано ниже. Далее, поскольку ток в проводниках протекает преимущественно по поверхности проводника, наличие наружной оболочки с высокими характеристиками электропроводности способствует и высокой электропроводности вставки в целом. Что касается обеспечения высокой теплопроводности двухслойной вставки, то наличие в ней оболочки на основе меди, учитывая существенно, на порядок меньшую теплопроводность циркония, позволяет решить и эту проблему. Тем самым появляется возможность повышения мощности плазмотронов, в которых применяется вставка на основе циркония.

Таковы основные предпосылки конструирования катодов плазмотронов.

Из уровня техники известен электрод для плазменной обработки, состоящий из медного держателя и вмонтированной в него двухслойной вставки, сердечник которой выполнен из гафния, а оболочка - из циркония (см., например, патент РФ N 2060136, МПК В 23 К 35/02, 1996) [1].

Такая конструкция обеспечивает достаточно высокий ресурс работы электрода, поскольку позволяет, с одной стороны, использовать высокую термическую устойчивость гафния, а с другой стороны, препятствует эрозии электрода. Последнее обстоятельство, по мнению авторов [1], связано с тем, что при использовании циркониевой оболочки вставки расплав хорошо смачивает стенки кратера и защищает медный держатель от теплового излучения столба дуги вблизи рабочей зоны электрода, препятствуя расплавлению меди. Однако гафний резко отличается от циркония по своим пластическим свойствам, ввиду чего получение качественной вставки наиболее эффективным способом: совместной обработкой давлением - невозможно, а отсутствие хорошего теплового контакта между слоями вставки является серьезным эксплуатационным недостатком электрода.

В качестве ближайшего аналога (прототипа) изобретения выбран электрод для плазменной обработки, состоящий из держателя, выполненного из материала на основе меди, вмонтированной в держатель вставки, выполненной из эмиссионного сердечника, материал которого содержит цирконий или гафний, и из охватывающей сердечник оболочки из материала на основе меди (см., например, патент РФ N 2028899, МПК В 23 К 35/02, 1995, п.п. 3, 4 формулы изобретения) [2].

Преимущества такой вставки заключаются в значительном ресурсе работы. Однако в указанном источнике информации не раскрыто, каким именно образом цилиндрический сердечник "вводится" в оболочку. Очевидно, что для обеспечения плотного теплового контакта между оболочкой и сердечником предпочтительным и практически единственным технологическим приемом является совместная обработка давлением с получением биметаллической вставки. Однако в случае изготовления сердечника из гафния, ввиду резкой разницы в пластических характеристиках материалов сердечника и оболочки, такая технология неосуществима. При изготовлении же сердечника из циркония условия получения биметаллической вставки улучшаются, однако цирконий не обеспечивает столь же высокий ресурс работы электрода, как гафний. Кроме того, в известном электроде предусмотрено использование в материале оболочки драгоценных, т.е. крайне дефицитных и дорогих металлов: серебра, золота, платины, иридия и других, что делает крайне неэкономичным использование такого электрода.

Задачей изобретения является обеспечение повышенного и особенно стабильного ресурса работы эмиссионной вставки за счет улучшения ее теплофизических характеристик, а также расширение на этой основе эксплуатационно-технических возможностей плазмотронов, и при этом без применения дефицитных и дорогостоящих материалов.

Указанная задача решается тем, что в электроде для плазменной обработки, содержащем держатель, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в держатель вставку, содержащую сердечник, выполненный из сплава циркония и гафния холодным деформированием, и оболочку, охватывающую сердечник, сердечник выполнен из сплава с содержанием гафния 0,5 - 80 мас.%, а оболочка выполнена холодным деформированием из меди или циркониевой бронзы марки БрЦр или хромциркониевой бронзы БрЦрХ, при этом они соединены совместным горячим прессованием в биметаллическую вставку. Сердечник может быть выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 0,5-10 мас.% гафния, а оболочка выполнена из меди. Сердечник может быть выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 10-50 мас.% гафния, а оболочка выполнена из циркониевой бронзы марки БрЦр. Сердечник может быть выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 50 - 80 мас.% гафния, а оболочка выполнена из хромциркониевой бронзы марки БрЦрХ. Кроме того, сердечник может быть выполнен из сплава, дополнительно содержащего 0,2-0,5 мас.% ниобия. Вставка выполнена при соотношении внешнего диаметра оболочки к внешнему диаметру сердечника в пределах 1,25-12,5.

Сущность изобретения заключается в следующем.

Использование в материале сердечника сплава циркония и гафния, образующих непрерывный ряд твердых растворов, позволяет сочетать и использовать положительные свойства того и другого. Наличие в сплаве гафния заметно положительно влияет на эксплуатационный ресурс вставки. Однако эффективно использовать преимущества гафния как материала можно только при совместном применении его с цирконием. По технологическим свойствам, позволяющим посредством обработки давлением получать биметаллическую вставку с оболочкой из материала на основе меди, гафний значительно уступает цирконию: он на несколько порядков менее пластичен, имеет худшее сродство к медным сплавам в отношении схватывания слоев биметалла - сердечника и оболочки, а следовательно, не позволяет получить достаточно плотный тепловой контакт между слоями, что отрицательно влияет на теплопроводность вставки и ее рабочий ресурс. При этом важно подчеркнуть, что оптимальной формой сочетания гафния с цирконием является именно сплав, а не, скажем, смесь порошков, подвергаемая затем прессованию. Сплав отличает монолитная структура, что крайне важно для ресурса эмиссионного сердечника. Сплавы гафния с цирконием могут дать, как установлено, именно нужное сочетание крайне противоречивых свойств: ресурсной стойкости и пластичности, а также теплопроводности и сродства с материалом оболочки. При этом оптимальное для разных условий эксплуатации сочетание этих свойств может быть подобрано при различном содержании гафния в циркониево-гафниевом сплаве. В принципе, это содержание можно варьировать в достаточно широких пределах: от 0,5 до 80 мас.%.

Вторая техническая проблема, которая решена изобретением, заключается в подборе соответствующего оптимального материала оболочки биметаллической вставки. Требование тепло-(электро-)проводности диктует обязательное применение для оболочки материала на основе меди. Однако технологические требования, касающиеся процесса получения биметалла, побуждают изыскать материал, имеющий большее сродство к материалу сердечника как в отношении активности протекающих на поверхности раздела слоев биметалла диффузионных и сварочных процессов, определяющих плотность контакта в соединении слоев, так и в отношении возможно большей близости пластических характеристик слоев, что имеет значение в распределении деформаций между слоями в процессе их совместной обработки давлением. Исходя из этого, в качестве материала оболочки предложена при малом содержании гафния в сплаве цирконий-гафний (от 0,5 до 10 мас. %) - просто медь, при содержании в материале сердечника свыше 10 до 50 мас.% гафния - циркониевая бронза: сплав меди и циркония марки БрЦр. При еще большем содержании гафния в сплаве (свыше 50 до 80 мас.%), т.е. при еще большем сопротивлении деформации материала сердечника, ему целесообразно сопоставить и большее сопротивление деформации материала оболочки. Этому условию отвечает легированная хромом циркониевая бронза марки БрЦрХ. Конкретные пределы содержания гафния в сплаве, при которых целесообразно применение того или иного материала сердечника, зависят от параметров плазмотрона и определены экспериментальным путем. Следует заметить также, что наличие циркония в материале оболочки в наименьшей степени влияет на понижение тепло-(электро-)проводности ее основы: меди, в сравнении с любыми другими добавками.

Если элементы вставки предварительно, до их соединения в биметалл, получать раздельно холодной деформацией, например, холодным волочением, то, как установлено в дальнейшем, при совместной горячей деформации прессованием в зоне контакта слоев биметалла возникает развитая мелкокристаллическая поверхность (мелкокристаллический рельеф), что способствует увеличению физической границы контакта этих слоев и, следовательно, улучшению их теплового контакта. Оптимальные результаты здесь могут быть достигнуты правильным подбором режимов деформации (температура, вытяжка, скорость), а также специфическими приемами обработки металлов давлением, обеспечивающими повышенную равномерность деформации биметаллических заготовок. Соответствующие данные составляют ноу-хау изобретения. Необходимо также предотвращать в процессе совместной горячей деформации при получении биметалла рекристаллизацию менее пластичного компонента или тем более рост величины зерна оболочки.

Добавление в сплав цирконий-гафний малых (менее 1 мас.%) количеств ниобия, как установлено, способствует увеличению количества центров кристаллизации и, как следствие, измельчению структуры материала. В то же время присутствие ниобия в таких количествах практически не влияет на ресурс вставки (М.Ф.Жуков и др. Термохимические катоды. Новосибирск, 1985, с. 53).

Выбор соотношения внешнего диаметра оболочки к внешнему диаметру сердечника в пределах 1,25-12,5 диктуется необходимостью максимального сближения пластических свойств (сопротивлений деформации) не только собственно материалов сердечника и оболочки, но и совместно обрабатываемых элементов биметаллической вставки в целом. Экспериментальным (или расчетным) подбором этих соотношений можно дополнительно способствовать сближению этих свойств и тем самым получению качественного биметалла с максимально плотным схватыванием слоев.

Изобретение далее поясняется на конкретном примере выполнения и иллюстрируется чертежом, где показан общий вид плазмотрона, в котором применен электрод (катод) с биметаллической вставкой в поперечном разрезе.

Плазмотрон обеспечивает условия для образования и стабилизации плазменной дуги и состоит из корпуса 1, в который ввинчена втулка 2, обеспечивающая завихрение воздушного потока, охлаждающего изнутри электрод 3, тоже ввинченный в корпус 1, изолятора 4 с радиальными пазами для прохода воздуха и обеспечивающего совместно с изоляционной втулкой 5 фиксацию сопла 6 за счет ввинчивания мундштука 7 в стакан 8, закрепленный на корпусе 1 с помощью втулки 9, играющей роль контргайки. Изоляция электрода 3 от сопла 6 осуществляется с помощью втулки 5 и изолятора 4. Ток подводится от токогазопровода к электроду 3 через корпус 1. Воздух из токогазопровода проходит через корпус 1, внутренний канал втулки 2, наружные пазы втулки 2, обдувает электрод 3 изнутри, поступает в кольцевую полость между корпусом 1 и изолятором 4. Из этой полости часть воздуха проходит по ограниченным втулкой 5 завихрительным канавкам, выполненным на корпусе 1. Затем эта часть воздуха поступает в камеру формирования плазменной дуги, образованную электродом 3 и соплом 6. Остальная часть воздуха из кольцевой полости воздуха проходит через радиальные пазы изолятора 4, а затем выходит наружу по завихрительным пазам мундштука 7, ограниченным изнутри втулкой 5 и соплом 6. Эта часть воздуха охлаждает мундштук 7 и сопло 6. Чехлы 10 и 11 обеспечивают изоляцию стакана 8 и мундштука 7, предотвращая возможность их прожогов при касании с изделием во время резки.

Электрод 3 имеет медный держатель (обойму)-12, в торец которой запрессована биметаллическая вставка, состоящая из термоэмиссионного сердечника 13 и оболочки 14. Сердечник выполнен из циркониево-гафниевого сплава, а оболочка - из материала на основе меди. В зависимости от содержания гафния в сплаве сердечника подбирается соответствующий оптимальный материал оболочки - от чистой меди до медно-циркониевой бронзы марки БрЦр либо медно-циркониевой бронзы, дополнительно легированной хромом марки БрЦрХ.

Электрод в описанном плазмотроне работает следующим образом. После начала подачи плазмообразующего и охлаждающего газа 15 на катод 3 и сопло-анод 6 подводится напряжение и между ними возникает газоразрядная дуга, приводящая к ионизации газа и его переходу в состояние плазмы. Плазменная струя направляется в зону обработки и, в зависимости от назначения плазмотрона, идет процесс резки, сварки, напыления, наплавки и т.д. При этом материал сердечника 13 вставки катода под воздействием дугового разряда подвергается эмиссии. От термостойкости этого материала и его эмиссионных свойств зависит срок службы вставки, а следовательно, и электрода, его эксплуатационный ресурс.

Исследованиями установлено, что электрод описанной конструкции допускает в среднем более 120 включений, при суммарном времени горения дуги около 1 часа. Эти показатели, по крайней мере, не уступают лучшим показателям, приведенным в описании к прототипу [2], однако при этом в электроде согласно изобретению не используются крайне дорогостоящие, дефицитные и нетехнологичные материалы.

Изобретение относится к оборудованию для плазменно-дуговых процессов: резки, сварки, плазменно-дугового напыления, наплавки, термической и термохимической обработки поверхности и т.п., и может быть использовано в конструкции катода плазмотрона. Сущность изобретения: электрод для плазменной обработки состоит из держателя, вмонтированной в держатель вставки, выполненной из эмиссионного сердечника, и из охватывающей сердечник оболочки, при этом, согласно изобретению, сердечник вставки выполнен из сплава циркония и гафния, с содержанием гафния в сплаве 0,5 - 80 мас.%. При содержании в материале сердечника 0,5 - 10 мас.% гафния оболочка выполнена из меди, при содержании в материале сердечника свыше 10 - 50 мас.% гафния оболочка выполнена из циркониевой бронзы марки БрЦр, а при содержании гафния в материале сердечника свыше 50 - 80 мас.% - из хромциркониевой бронзы марки БрЦрХ. Сердечник и оболочка соединены в биметаллическую вставку путем совместного горячего прессования после их раздельной холодной деформации. Кроме того, материал сердечника может содержать дополнительно ниобий в количестве 0,2 - 0,5 мас.%. Оговорено также, что вставка выполнена при соотношении внешнего диаметра оболочки к внешнему диаметру сердечника в пределах 1,25 - 12,5. Электрод описанной конструкции допускает в среднем более 120 включений, при суммарном времени горения дуги более 1 ч. Эти показатели не уступают лучшим показателям, однако, при этом в электроде, согласно изобретению, не используются крайне дорогостоящие, дефицитные и нетехнологичные материалы. 5 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Электрод для плазменной обработки, содержащий держатель, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в держатель вставку, содержащую сердечник, выполненный из сплава циркония и гафния холодным деформированием, и оболочку, охватывающую сердечник, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава с содержанием гафния 0,5 - 80 мас.%, а оболочка выполнена холодным деформированием из меди или циркониевой бронзы марки БрЦр или хромциркониевой бронзы БрЦрХ, при этом они соединены совместным горячим прессованием в биметаллическую вставку. 2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 0,5 - 10 мас.% гафния, а оболочка выполнена из меди. 3. Электрод по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 10 - 50 мас.% гафния, а оболочка выполнена из циркониевой бронзы марки БрЦр. 4. Электрод по п.1, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава циркония с содержанием гафния 50 - 80 мас.% гафния, а оболочка выполнена из хромциркониевой бронзы марки БрЦрХ. 5. Электрод по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что сердечник выполнен из сплава, дополнительно содержащего 0,2 - 0,5 мас.% ниобия. 6. Электрод по любому из пп.1 - 4, отличающийся тем, что вставка выполнена при соотношении внешнего диаметра оболочки к внешнему диаметру сердечника в пределах 1,25 - 12,5.