ПЛАЗМОТРОН ГАЗОВОЗДУШНЫЙ НИЗКОВОЛЬТНЫЙ Российский патент 2003 года по МПК H05H1/26 

Изобретение относится к областям техники: напыление порошковых покрытий, плазменная резка и сварка и др. Использование газовоздушных смесей для генерирования плазменных потоков является перспективным направлением современной плазменной техники. Однако при создании газовоздушных плазмотронов малой мощности, в частности в ручном исполнении, затруднительно использовать имеющиеся схемы дуговых камер, в которых фиксация дуги происходит за счет внезапного расширения газового потока в канале с уступом [1], из-за колебаний длины дуги при изменении скорости потока и мелкомасштабного шунтирования.

В монографии [2] приведены данные о ручном газовоздушном плазмотроне мощностью от 14 до 40 кВт, но не раскрывается конструкция дуговой камеры.

Целью изобретения является создание газовоздушного плазмотрона с дуговой камерой, обеспечивающей устойчивую фиксацию зоны привязки анодного пятна при уменьшенной длине дуги и сверхзвуковых скоростях истечения плазменной струи мощностью от 4 до 15 кВт и более с рабочим напряжением 70-150 В и расходом газовой смеси до 9-10 м³/час.

Эта цель достигается тем, что дуговая камера анода состоит из двух цилиндрических каналов разных диаметров - малого входного и большего выходного, между которыми имеется поверхность привязки анодного опорного пятна в виде усеченного конуса с углом при вершине от 30 до 120^o, причем в выходной канал помещена вставка с формирующим плазменную струю каналом, диаметр которого меньше выходного канала анода в 1,2-6 раз.

Корпус плазмотрона сделан разъемным, в верхней части размещен катодный узел с изолятором-завихрителем, в нижней - составной анод, причем уплотнение системы охлаждения анода осуществляется свинчиванием обоих частей, при этом изолятор вдавливает анод в его корпус, уплотняя имеющиеся в ней резиновые прокладки.

На фиг.1 показана конструкция заявляемого плазмотрона. Плазмотрон состоит из катодного и анодного узлов, входящих в верхний и нижний корпуса соответственно. Катодный узел представляет цилиндр 1, к которому приварен штуцер 2 для катодного кабель-шланга (кабель с водой, поступающей для охлаждения), ниппеля 3, внутреннего стержня 4, разделяющего потоки воды. Нижняя часть имеет резьбу, на которую навинчивается гайка 5, прижимающая термохимический катод 6 к резиновой или фторопластовой прокладке 7.

На фиг.2 показана конструкция катодного узла 8 с ввинчивающимся термохимическим катодом 9.

Катодный узел помещен внутри изолятора-завихрителя 10, который погружен во внешний верхний корпус 11 и крепится гайкой 12.

Фиксация корпуса катода относительно изолятора-завихрителя осуществляется двумя винтами 13, которые входят в шайбу 14, имеющую отверстия с резьбой.

Анодный узел состоит из нижнего корпуса 15, в который помещены анод 16 и вставка 17. В корпус 15 вварен штуцер 18 для анодного кабель-шланга и ниппель 19 для слива воды. Уплотнение зоны охлаждения осуществляется прокладками 20, 21. В нижнюю часть корпуса 15 ввинчивается штуцер 22 для подачи порошка, причем штуцер частично входит в хвостовик вставки 17. Газовоздушная плазмообразующая смесь поступает через ниппель 23.

На фиг.3 показана конструкция анодного узла с "сухой" вставкой 24, которая вставляется по скользящей посадке в выходной канал анода, при этом прокладка 21 не должна касаться самой вставки.

Плазмотрон работает следующим образом. Включается вода (контролируется визуально слив), воздух. Проходя через кольцевую проточку внешнего корпуса 11, воздух закручивается в пазах или тангенциальных отверстиях изолятора-завихрителя 10 и выходит через канал анода 16 и вставку 17. Для нормальной работы плазмотрона важным является установление зазора между термохимическим катодом 6 и анодом 16, который регулируется перемещением катодного корпуса 1 с последующей фиксацией винтами 13. Величина зазора составляет 1,8-2,0 мм. При включении выпрямителя срабатывает осциллятор и вспыхивает дуга между циркониевой вставкой термохимического катода и внутренней поверхностью анода, причем анодное пятно вращается равномерно по поверхности конуса благодаря завихрению воздуха. Далее через специальный клапан подается пропан-бутан или метан, устанавливаются параметры режима напыления - сила тока, напряжение, расходы воздуха и пропан-бутана, расход напыляемого порошка.

Результаты испытания заявляемого плазмотрона с использованием выпрямителя с падающей вольтамперной характеристикой приведены в таблице.

При работе на указанных режимах зона привязки опорного пятна дуги располагается только на поверхности конуса, работа плазмотрона отличается высокой стабильностью, благодаря чему заявленным плазмотроном в ручном исполнении в режиме сверхзвукового истечения напылялись высокоплотные покрытия из цинка и цинкоалюминиевого сплава на металлоконструкции при производительности до 6-7 кг/час и коэффициенте использования Ким 85-90%, при напылении сплава ПН70ЮЗО (для повышения жаростойкости сталей) Ким достигал 80%.

Источники информации
1. С. В. Петров, И.Н. Карп. Плазменное газовоздушное напыление. Киев: Наукова Думка, 1993, с.96-100.

2. С. В. Петров, А.Г. Сааков. Плазма продуктов сгорания в инженерии поверхности. Киев: ТОПАК, 2000, с.193.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано для напыления покрытий, плазменной сварки и др. Закрученный газовоздушный поток из катодного узла входит в анодный узел, в зону привязки дуги. Зона привязки анодного пятна выполнена в виде конуса между двумя цилиндрическими каналами - входным и выходным, причем в выходной канал входит вставка с формирующим каналом, диаметр которого меньше выходного канала анода в 1,2-6 раз. Технический результат: удалось снизить рабочее напряжение до 100-120 В на дуге при высоких расходах газовоздушной смеси (до 9 м³/ч) и силе тока до 120-200 А. Напыленные покрытия в сверхзвуковом режиме плазмотроном в ручном исполнении отличаются высокой плотностью - пористость меньше 1% при коэффициенте использования до 80%. 1 з.п. ф-лы, 3 ил., 1 табл.

1. Плазмотрон газовоздушный низковольтный, включающий катодный узел, входящий внутрь анода, изолятор-завихритель, отличающийся тем, что, дуговая камера анода состоит из двух цилиндрических каналов - входного и выходного, диаметр которого превышает диаметр входного канала, между которыми имеется поверхность привязки анодного опорного пятна в виде усеченного конуса с углом при вершине от 30 до 120^o, причем в выходной канал помещена вставка с формирующим плазменную струю каналом, диаметр которого меньше диаметра выходного канала дуговой камеры анода в 1,2-6 раз. 2. Плазмотрон по п. 1, отличающийся тем, что корпус плазмотрона выполнен разъемным, в верхней части его размещен катодный узел с изолятором-завихрителем, в нижней - составной анод, причем уплотнение системы водяного охлаждения анода осуществляется свинчиванием обеих частей, при этом изолятор вдавливает анод в его корпус, уплотняя имеющиеся в нем резиновые прокладки.