ДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН АВДЕЕВЫХ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/28 H05H1/34 B23K10/00 

Изобретение относится к устройствам для создания струи плазмы с температурой до 20000...30000 К за пределами плазмотрона и может быть использовано преимущественно для быстрой резки любого металла в условиях завода, в полевых условиях, в условиях побережий или морских шельфов, под водой.

Известные дуговые плазмотроны с водяной стабилизацией и обжатием дуги имеют стержневой электрод и устройство для его автоматической подачи в зону дуги по мере сгорания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, соединенную с устройством для подачи воды и с устройством для отвода воды, водяной канал с тангенциальными отверстиями, соединенными с устройством для подачи воды. В водяном канале осуществляется вихревая стабилизация и обжатие струи плазмы. Кроме того, известные дуговые плазмотроны имеют ряд дополнительных устройств.

В известных плазмотронах с водяной стабилизацией дуги электроды очень быстро сгорают, до 15-20 мм в минуту, что требует автоматического перемещения электрода в процессе работы плазмотрона и частой его замены (см., например, М.Г. Девдариани. Интенсивность износа электрода при плазменно-дуговой резке с водяной стабилизацией дуги / Сварочное производство, 1968, 8, стр. 37, 38). Известные плазмотроны с водяной плазмообразующей средой имеют сложную конструкцию, сложную систему автоматической подачи электрода в зону дуги по мере его сгорания, большой вес, большую стоимость.

Известен плазмотрон с водяной стабилизацией и обжатием дуги (К. Миклоши. Плазменная головка с водяной стабилизацией дуги / Сварочное производство, 1962, 11, стр.23-26), взятый в качестве прототипа, содержащий корпус, стержневой электрод, автоматически действующее устройство для его подачи по мере сгорания в зону дуги, вывод для подключения стержневого электрода к источнику электропитания, электродную камеру, в которую помещен рабочий конец электрода, соединенную с устройствами для подачи и отвода воды, винтовой холодильник, ротационный сифонный водяной заслон, который не позволяет проникнуть плазме в трубку для отвода воды. Давление плазмы и газа в электродной камере больше, чем уплотняющая способность сифонного водяного заслона. Поэтому для повышения уплотняющего эффекта применяется дроссельный клапан. Кроме того, плазмотрон имеет головку с вложенными задней форсункой и передней форсункой с двумя тангенциальными отверстиями для ввода воды, создающей на выходе из плазмотрона вихревой водяной и обжимающий дугу стабилизирующий канал. Этот плазмотрон имеет сложную конструкцию, сложную ненадежную систему автоматической подачи стержневого электрода, а также большой вес, затрудняющий его использование при ручной резке металла, большую стоимость. В процессе эксплуатации графитовый стержневой электрод сгорает со скоростью 15-20 мм/мин. Вследствие этого при работе плазмотрона требуется частая замена стержневого электрода. Решаемой технической задачей является обеспечение работы дугового плазмотрона без передвижения стержневого электрода, повышение его надежности, уменьшение веса и упрощение конструкции, уменьшение стоимости, уменьшение его ультрафиолетового излучения.

Решаемая техническая задача в дуговом плазмотроне, содержащем корпус, стержневой электрод и вывод для его подключения к источнику электропитания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, водяной канал, холодильную камеру, устройство подачи воды в холодильную камеру, устройство отвода воды из холодильной камеры, достигается тем, что стержневой электрод закреплен неподвижно, электродная камера соединена с устройством подачи в нее инертного или восстановительного газа и открыта в газовый канал, открытый, в свою очередь, в водяной канал, при этом стенка газового канала служит одновременно внутренней стенкой кольцевой полости и состоит из материала с высокой теплопроводностью, а кольцевая полость и электродная камера имеют общую стенку, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, кольцевая полость соединена со смесительной камерой, смешивающей воду с веществом в виде порошка или жидкости, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, соединенной, в свою очередь, с устройством подачи воды, кольцевая полость имеет кольцевую щель или отверстия, открывающие ее в водяной канал, холодильная камера охватывает часть длины стержневого электрода за пределами электродной камеры, имеет общую стенку с электродной камерой, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, при этом холодильная камера, стержневой электрод, электродная камера, газовый канал, кольцевая полость и водяной канал соосны и скреплены между собой, а стержневой электрод и кольцевая полость, а также стержневой электрод и водяной канал гальванически изолированы друг от друга. Идеальной плазмообразующей средой, представляющей удачное и дешевое сочетание водорода с кислородом, является вода. При высоких температурах вода диссоциирует на водород и кислород. Заполнение электродной камеры инертным или восстановительным газом препятствует доступу кислорода к стержневому электроду, вследствие чего не происходит его окисления даже при высоких температурах. Например, при работе в инертной (аргон, гелий) или восстановительной (азот, водород) среде стержневой электрод из вольфрама при нагрузке 15...20 А/мм² практически не расходуется. Поток газа из электродной камеры, направленный от стержневого электрода, препятствует попаданию кислорода на стержневой электрод. При подаче в кольцевую полость воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение (или без него), она заполняет кольцевую полость и через кольцевую щель или отверстия, открывающие кольцевую полость в водяной канал, создает поток в водяном канале, направленный также от стержневого электрода, что также препятствует поступлению на стержневой электрод кислорода. Поэтому в дуговом плазмотроне нет необходимости передвигать стержневой электрод во время работы дугового плазмотрона. Исключение автоматического устройства, передвигающего стержневой электрод, существенно повышает надежность, уменьшает вес и упрощает конструкцию и стоимость дугового плазмотрона. Поток воды в холодильной камере охлаждает стержневой электрод и стенку электродной камеры. Поток воды в кольцевой полости охлаждает стенку электродной камеры и стенку газового канала, а поток воды в водяном канале охлаждает стенку водяного канала. Поэтому нет необходимости в создании в плазмотроне дополнительных каналов для прокачки через них охлаждающей воды, что также уменьшает вес и упрощает конструкцию дугового плазмотрона. При добавлении в воду, подаваемую в кольцевой канал, вещества, поглощающего ультрафиолетовое излучение, уменьшается воздействие на окружающую среду и водяной канал ультрафиолетового излучения.

Предложенное техническое решение удовлетворяет критерию "изобретательский уровень", так как отличительные признаки позволяют получить "новые свойства" - работу дугового плазмотрона без передвижения стержневого электрода, повышение его надежности, уменьшение веса и упрощение конструкции, уменьшение стоимости, уменьшение ультрафиолетового излучения.

Из известных источников информации не обнаружены признаки, подобные введенным отличительным.

В качестве примера на чертеже изображен разрез дугового плазмотрона с вихревой подачей воды в кольцевую полость и в водяной канал. Плазмотрон содержит неподвижный стержневой электрод 1, электродную камеру 2 с тангенциальными отверстиями 3, газовый канал 4 со стенкой газового канала 5, кольцевую полость 6 с тангенциальными отверстиями 7, кольцевой щелью 8, водяной канал 9, холодильную камеру 10 с отверстием 11 для подвода воды, отверстием 12 для отвода воды.

Стержневой электрод 1 гальванически соединен с выводом для подключения к источнику электропитания, тангенциальные отверстия 3 соединены со штуцером для подключения электродной камеры к источнику инертного или восстановительного газа, тангенциальные отверстия 7 соединены со штуцерами для подключения кольцевой полости 6 к устройству для подачи воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, стержневой электрод 1, электродная камера 2, газовый канал 4, кольцевая полость 6, водяной канал 9 укреплены соосно в корпусе плазмотрона. Вывод для подключения стержневого электрода 1 к источнику электропитания, все штуцеры, корпус дугового плазмотрона, источник электропитания, источники воды и смесительная камера на чертеже не показаны.

Рассмотрим дуговой плазмотрон в действии. Сначала подключают плазмотрон к источнику электропитания, к источнику инертного или восстановительного газа, к устройству для подачи воды, к смесительной камере и к устройству для отвода воды. Затем включают источник инертного или восстановительного газа и устройства для подачи и отвода воды. В электродной камере 2 и газовом канале 4 устанавливается вихревой поток инертного или восстановительного газа, так как он подводится в электродную камеру 2 через тангенциальные отверстия 3. В кольцевой полости 6 устанавливается вихревой поток воды, смешанной с веществом, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, так как она подводится в кольцевую полость 6 через тангенциальные отверстия 7. Вихревой поток через кольцевую щель 8 поступает в водяной канал 9, в котором также устанавливается вихревой поток. В холодильной камере 10 устанавливается поток воды, охлаждающий стержневой электрод 1. Поток воды в холодильной камере 10 охлаждает также электродную камеру 9. Кроме того, электродная камера 2 охлаждается потоком воды в кольцевой полости 6, охлаждающим также стенку газового канала 5. Поток воды, выходящий из кольцевой полости 6, охлаждает водяной канал 9. Таким образом, обеспечивается охлаждение всех элементов конструкции плазмотрона, нагреваемых электрической дугой. После этого включают источник электропитания и любым известным способом зажигают дугу, которая стабилизируется и обжимается вихревым потоком газа и воды в газовом канале 4 и водяном канале 9. В связи с тем, что вихревой поток газа в газовом канале 4 и вихревой водяной поток в водяном канале 9 направлены от электрода, то кислород на стержневой электрод 1 не попадает. Поэтому электрод 1, выполненный из вольфрама, при работе дугового плазмотрона практически не сгорает. Вследствие этого нет необходимости перемещать рабочий конец стержневого электрода 1 в зону дуги и отпадает необходимость в устройстве для его автоматической подачи.

Температура плазмы за пределами плазмотрона 20000...30000 К. Диаметр плазменной дуги на выходе плазмотрона можно легко регулировать диаметром вихревого водяного потока на выходе из водяного канала 9, при этом водяной канал 9 не сгорает, так как он интенсивно охлаждается потоком воды. Если вода содержит вещество, поглощающее ультрафиолетовое излучение, то нагрев стенок водяного канала 9 также уменьшается. Вследствие резкого упрощения конструкции дугового плазмотрона и тем самым уменьшения его массы возможно его использование не только в станках для обработки металла в условиях завода, но и для быстрой (до 600 м/ч) ручной резки металла при высоком качестве реза, что особенно важно для работы в полевых и прибрежных условиях, а также в условиях шельфа морей и океанов или даже в подводных условиях.

Просим присвоить изобретению название "Дуговой плазмотрон Авдеевых".

Изобретение относится к устройствам для создания струи плазмы температурой 20000...30000 К и может быть использовано преимущественно для быстрой резки любого металла в условиях завода, в полевых условиях, в условиях побережья или морских шельфов, под водой. Результат - повышение срока службы электрода, уменьшение веса, упрощение конструкции и уменьшение стоимости дугового плазмотрона. Дуговой плазмотрон содержит корпус, не перемещающийся во время работы плазмотрона стержневой электрод, вывод для его подключения к источнику электропитания, электродную камеру, в которую помещен рабочий конец стержневого электрода, содержащую отверстия, соединенные со штуцером для подключения плазмотрона к источнику инертного или восстановительного газа. Электродная камера открыта в газовый канал, открытый, в свою очередь, в водяной канал, в который открыта также кольцевая полость с отверстиями, соединенными со штуцером для подключения плазмотрона к устройству для подачи воды. Поток газа в газовом канале и поток воды из кольцевой полости обжимают и стабилизируют струю плазмы в газовом канале и в водяном канале, обеспечивая температуру плазменной струи 20000...30000К, высокую скорость реза. Поток газа в газовом канале и поток воды в водяном канале направлены от электродной камеры, вследствие чего пары воды, молекулярный и атомарный кислород не попадают на стержневой электрод. Поэтому стрежневой электрод, выполненный из вольфрама, при работе дугового плазмотрона не сгорает. Вследствие этого отпадает необходимость в устройстве для автоматической подачи стержневого электрода по мере сгорания в зону дуги. 1 ил.

Дуговой плазмотрон, содержащий корпус, стержневой электрод и вывод для его подключения к источнику электропитания, электродную камеру, в которой размещен рабочий конец стержневого электрода, водяной канал, холодильную камеру, устройство подачи воды в холодильную камеру, устройство отвода воды из холодильной камеры, отличающийся тем, что стержневой электрод закреплен неподвижно, электродная камера соединена с устройством подачи в нее инертного или восстановительного газа и открыта в газовый канал, открытый, в свою очередь, в водяной канал, при этом стенка газового канала служит одновременно внутренней стенкой кольцевой полости и состоит из материала с высокой теплопроводностью, а кольцевая полость и электродная камера имеют общую стенку, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, кольцевая полость соединена со смесительной камерой, смешивающей воду с веществом в виде порошка или жидкости, ослабляющим ультрафиолетовое излучение, соединенной, в свою очередь, с устройством подачи воды, кольцевая полость имеет кольцевую щель или отверстия, открывающие ее в водяной канал, холодильная камера охватывает часть длины стержневого электрода за пределами электродной камеры, имеет общую стенку с электродной камерой, состоящую из материала с высокой теплопроводностью, при этом холодильная камера, стержневой электрод, электродная камера, газовый канал, кольцевая полость и водяной канал соосны и скреплены между собой, а стержневой электрод и кольцевая полость, а также стержневой электрод и водяной канал гальванически изолированы друг от друга.