ЭЛЕКТРОД ДЛЯ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ Российский патент 2004 года по МПК B23K35/02 H05H1/34 

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.

Из уровня техники известен электрод для плазменной обработки, содержащий держатель в виде тела вращения, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в глухое отверстие на торце держателя по его оси биметаллическую цилиндрическую катодную вставку, содержащую сердечник и оболочку, охватывающую сердечник и выполненную из того же материала, что держатель (см., например, авторское свидетельство СССР 1193916, МПК В 23 К 35/04, 1985 г.).

В известном источнике информации отсутствуют рекомендации по конкретному выбору материала, из которого должен быть выполнен сердечник вставки. В связи с этим, хотя с точки зрения обеспечения эффективной тепло- и электропроводности идентичность материала оболочки с материалом держателя представляется весьма целесообразной, остаются открытыми вопросы обеспечения надлежащего ресурса работы и термической устойчивости катодной вставки, ее эмиссионных свойств. При этом выбор оптимального материала сердечника по условиям технологии получения биметаллической вставки должен быть увязан с выбором материала оболочки, с учетом удовлетворения последним указанных выше эксплуатационных требований.

Известно, что в качестве материала сердечника с точки зрения эксплуатационных требований предпочтительно использовать гафний, цирконий или сплавы этих металлов (см., например, М.Ф.Жуков и др. Термохимические катоды. Новосибирск, 1985, с.5). При этом наличие гафния в материале сердечника обеспечивает хорошие эмиссионные свойства вставки, а наличие циркония обеспечивает необходимую пластичность материала сердечника при его обработке давлением в процессе получения биметаллической пары сердечник-оболочка и позволяет удешевить этот элемент электрода.

Проблема выбора оптимального соотношения содержания гафния и циркония в материале сердечника и соответствующего выбора материала оболочки решена в патенте РФ №2172662, МПК В 23 К 35/02, 2001 г., где описан электрод для плазменной обработки, содержащий держатель в виде тела вращения, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в глухое отверстие на торце держателя по его оси биметаллическую цилиндрическую катодную вставку, содержащую сердечник, изготовленный из сплава гафния и циркония, и оболочку, охватывающую сердечник. Данный патент может быть выбран в качестве ближайшего аналога (прототипа) изобретения.

Как уже указано выше, входящая в состав электрода катодная вставка должна обладать достаточным ресурсом работы, определяемым ее термической устойчивостью и “пленкозащитными” свойствами, особенно в окислительных средах, высокой теплопроводностью, хорошими эмиссионными характеристиками.

При этом, поскольку вставка крепится в электроде с помощью держателя, одним из направлений повышения ресурса работы катодов является улучшение теплового контакта в паре “вставка-держатель”. Поскольку держатель, в который запрессована вставка, выполнен из высокотеплопроводного материала, как правило, меди, качество теплового контакта зависит от состояния границы контакта и степени схватывания материалов вставки и держателя. Степень схватывания зависит от сродства материалов оболочки и держателя. Конечно, идеальным являлось бы выполнение оболочки из меди, однако необходимо учитывать при выборе этого материала и технологические требования к нему, связанные с изготовлением биметаллической вставки. В указанном прототипе найден компромисс между этими противоречивыми требованиями, благодаря выполнению оболочки из сплава на основе меди, содержащего цирконий. Тем самым между вставкой и держателем обеспечивается качественный тепловой контакт и одновременно максимально сближены не только пластические свойства (характеристики сопротивления деформации) материалов соединяемых элементов вставки, но и характеристики деформируемости в целом соединяемых элементов конструкции биметаллической вставки. Сближение этих характеристик существенно зависит и от соотношения диаметров вставки и сердечника, а если точнее, от соотношения площадей их поперечных сечений. Экспериментальным (или расчетным) подбором этих соотношений можно способствовать оптимизации этих характеристик, и тем самым получению качественного биметалла с максимально надежным схватыванием слоев.

В прототипе рекомендуемое соотношение диаметров элементов вставки указано в весьма широком диапазоне, а рекомендации по выбору оптимальных соотношений в пределах этого диапазона отсутствуют, что является недостатком известного технического решения. Отсутствуют и рекомендации по выбору оптимальных соотношений длины вставки и ее наружного диаметра. Все эти рекомендации могли быть выработаны и найдены только в процессе дальнейших экспериментальных исследований и опытной эксплуатации электродов, и они составляют часть настоящего изобретения.

Важное значение для эффективной работы плазмотрона имеет соосность вставки относительно держателя. Дело в том, что надлежащая соосность самого держателя относительно сопла-анода плазмотрона при достаточно жестких допусках без особых проблем обеспечивается при механической обработке этих элементов плазмотрона с помощью современного высокоточного станочного оборудования. Следовательно, строгая соосность эмиттирующей вставки относительно сопла-анода в свою очередь зависит от соосности вставки относительно держателя, которую обеспечить сложнее, поскольку изготовление самого электрода (катода) включает в себя последовательные операции прессования. А обеспечить ее крайне желательно, поскольку возникающая при эмиссии вставки плазменная дуга направлена на центральное сопло-анод, и даже незначительное отклонение от их соосности может привести к попаданию дуги на края сопла, что повлечет за собой повышенную эрозию сопла и резкое уменьшение его ресурса. Стабильность ресурса электродов является важным требованием при эксплуатации плазмотрона. Однако конкретных рекомендаций по предельно допустимым величинам отклонений от соосности известный патент не содержит.

В условиях работы электрода в максимально агрессивной окислительной среде, например, при кислородной резке, необходимо предусмотреть дополнительные мероприятия по обеспечению необходимого ресурса работы вставки. Такие мероприятия не предусмотрены в прототипе и рекомендованы в настоящем изобретении.

Еще одним недостатком прототипа является отсутствие рекомендаций по решению задачи дальнейшего повышения эффективности охлаждения держателя, находящегося в непосредственной близости от плазменной дуги и подвергаемого действию высоких температур. Внесение определенных конструктивных усовершенствований в конструкцию держателя позволяет в описываемом ниже электроде решать и эту задачу.

Наконец, в прототипе не оговорено, каким именно конкретным образом запрессована вставка в держатель. Рекомендации в отношении этого будут даны ниже.

Таким образом, задачами изобретения являются оптимальный выбор конструктивных параметров вставки электрода с точки зрения дальнейшего повышения ресурса электрода и стабильности этого ресурса, в частности, за счет дальнейшего повышения эффективности теплового контакта между оболочкой и сердечником вставки и за счет обеспечения точности изготовления; сохранение стойкости электрода при работе в кислородной среде; улучшение условий охлаждения нагреваемых при работе электрода элементов; обеспечение надежного и плотного схватывания вставки с держателем.

Указанные задачи решаются тем, что в электроде для плазменной обработки, содержащем держатель в виде тела вращения, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в глухое отверстие на торце держателя по его оси биметаллическую цилиндрическую катодную вставку, содержащую сердечник, изготовленный из сплава гафния и циркония, и оболочку, охватывающую сердечник, согласно изобретению соотношение площадей поперечных сечений оболочки и сердечника составляет (0,5-0,7):1.

Кроме того, соотношение длины вставки и ее наружного диаметра составляет 0,75-4,5.

Кроме того, эксцентриситет катодной вставки относительно держателя, определенный как среднее арифметическое из трех эксцентриситетов, замеренных в трех различных направлениях, составляет не более 0,1 мм.

Кроме того, электрод снабжен алюминиевой прослойкой, размещенной между сердечником и оболочкой вставки.

Кроме того, толщина прослойки составляет 5-10% толщины оболочки.

Кроме того, держатель может быть выполнен с центральным внутренним утолщением и с внутренним кольцевым пазом между этим утолщением и его стенками, причем глубина паза примерно равна длине катодной вставки.

Кроме того, вставка с держателем соединена объемной штамповкой.

Оптимальные соотношения размеров элементов катодной вставки, а именно: соотношений площадей поперечных сечений оболочки и сердечника, найдены на основе экспериментальных исследований и учитывают как требования к эксплуатационным характеристикам вставки и электрода, так и зачастую противоречащие им технологические требования, устанавливаемые при изготовлении биметаллической вставки. При этом данные рекомендации удовлетворяют условиям изготовления и работы всей гаммы используемых в настоящее время электродов, работающих при величинах тока дуги от 100 до 630 А.

Оптимальные соотношения длины и наружного диаметра вставки найдены, исходя из следующих условий. При слишком короткой вставке (соотношение длины к диаметру меньше 0,75) ресурс работы вставки недостаточен, вставка расходуется слишком быстро. С другой стороны, слишком длинная вставка (указанное соотношение больше 4,5) создает проблемы при ее запрессовке в держатель, т.к. она имеет недостаточное сопротивление продольному изгибу. Кроме того, при относительно длинной вставке существенно меняется расстояние в процессе ее расхода от эмиттирующего торца вставки (кратера) до сопла, что ведет к нарушению нормальных условий формирования плазменной дуги.

Установленное экспериментами ограничение на максимально допустимый эксцентриситет вставки относительно держателя направлено на предотвращение интенсивной эрозии сопла держателя, которая может возникать при контакте плазменной дуги с краями сопла. Обеспечение рекомендуемых жестких допусков на соосность указанных элементов достигается разработанной и опробованной технологией изготовления электрода, подробное раскрытие всех особенностей которой выходит за рамки описания настоящего изобретения и составляет его ноу-хау.

Наличие дополнительной алюминиевой прослойки между сердечником и оболочкой вставки обеспечивает повышение ресурса работы вставки в условиях работы с кислородной плазмой, например, при кислородной резке. В кислородной среде алюминиевая прослойка интенсивно образует тугоплавкий окисел алюминия, препятствующий диффузии медной составляющей из оболочки в сердечник. Тем самым сохраняется стабильность расплавленной пленки и, как следствие, эмиттирующая способность кратера вставки. Благодаря эмиссии пленка окиси алюминия образуется и на поверхности сопла, и высокая температура плавления этой пленки дополнительно препятствует эрозии сопла. Известно из уровня техники (см., например, Я.В.Россомахо. Разработка термохимического катода на основе гафния для плазменной резки в среде кислорода, автореферат кандидатской диссертации, Ленинград, 1984 г.) выполнение из алюминия оболочки вставки, в настоящем же изобретении алюминиевая прослойка дополнительно введена между сердечником и оболочкой вставки. При этом установлено, что технический результат и при таком решении может быть сохранен.

Рекомендуемый выбор размеров прослойки, используемой в виде фольги, учитывает также технологические требования при изготовлении биметаллической вставки.

Вариант конструктивного выполнения держателя с внутренним кольцевым пазом улучшает условия охлаждения держателя, а значит, дополнительно повышает его ресурс.

Наконец, использование объемной штамповки при соединении вставки с держателем позволяет надежно и плотно запрессовать вставку и обеспечить надлежащий тепловой и электрический контакт между ними.

Изобретение далее поясняется на конкретном примере выполнения и иллюстрируется чертежами, где:

на фиг.1 показан общий вид (в продольном разрезе) плазмотрона, содержащего электрод (катод), выполненный в соответствии с настоящим изобретением;

на фиг.2 показан вариант выполнения держателя плазмотрона в катодной вставкой.

Плазмотрон (фиг.1) имеет корпус 1, в который ввинчена втулка 2, обеспечивающая завихрение воздушного потока, охлаждающего изнутри электрод 3 (катод), также ввинченный в корпус 1. Изолятор 4 с радиальными пазами для прохода воздуха обеспечивает совместно с изоляционной втулкой 5 фиксацию сопла 6 (анода) 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 (на чертежах не показан) к электроду 3 через корпус 1. Воздух от токогазопровода проходит через корпус 1, внутренний канал 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 10 для образования плазменной дуги, расположенную между электродом 3 и соплом 6. Остальная часть воздуха из кольцевой полости проходит в 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 11 и 12 обеспечивают изоляцию стакана 8 и мундштука 7, предотвращая возможность их прожогов при касании с изделием во время работы плазмотрона.

Электрод 3 (катод) имеет медный держатель 13, в глухое отверстие на торце которого по его оси запрессована биметаллическая вставка 14, состоящая из термоэмиссионного сердечника 15 и оболочки 16. Сердечник выполнен из циркониево-гафниевого сплава, а оболочка - из материала на основе меди, в ряде случаев, из циркониевой или хромциркониевой бронзы. Количественный состав обоих материалов может взаимозависимо изменяться в зависимости от условий эксплуатации плазмотрона. Этот вопрос является предметом изобретения-прототипа и здесь более подробно не рассматривается.

В конкретном примере для катодной вставки ВКБЦГ, выполненной из циркониевой бронзы и работающей при токе дуги 630 А, диаметр сердечника равен 3,11 мм, наружный диаметр оболочки равен 4,00 мм, а соотношение площадей поперечных сечений этих элементов равно 0,65.

Длина вставки в этом же примере равна 4,5 мм, а соотношение длины вставки и ее наружного диаметра составляет 1,125. Расчетная масса такой вставки - 0,418 г.

Эксцентриситет вставки относительно держателя не превышает 0,1 мм (в конкретном примере он равен 0,08 мм).

В варианте выполнения (фиг.2) держатель 13, имеющий во всех случаях в целом форму стакана, выполнен с центральным внутренним утолщением 17 по его оси и с внутренним кольцевым пазом 18 между этим утолщением и стенками держателя, причем глубина паза 18 соизмерима с длиной катодной вставки. Такой вариант выполнения держателя позволяет улучшить условия его охлаждения за счет удаления материала из сравнительно более массивных его зон. Здесь же показана алюминиевая прослойка 19, размещенная между сердечником 15 и оболочкой 16 вставки. Прослойка 19 выполнена в виде алюминиевой фольги, толщина которой составляет от 5 до 10% (в конкретном случае, например, 7%) от толщины оболочки 16. Указанная оптимальная величина толщины прослойки установлена опытным путем. Она должна быть достаточной, чтобы количество алюминия во вставке могло влиять на экранирование держателя и сопла, и в то же время она не должна быть излишней по технологическим условиям изготовления биметаллической вставки обработкой давлением. Последнее ограничение означает, что наличие алюминиевой прослойки не должно ухудшать качество физического и теплового контакта, возникающего между элементами вставки при ее изготовлении.

Электрод 3 (катод) работает следующим образом. После начала подачи плазмообразующего и охлаждающего газа 20 - на электрод 3 (катод) и сопло 6 (анод) подводится напряжение, и между катодом и анодом возникает газоразрядная дуга, приводящая к ионизации газа и его переходу в состояние плазмы. Плазменная струя через сопло 6 направляется в зону обработки и, в зависимости от назначения плазмотрона, идет процесс резки, сварки, напыления, наплавки и т.д. При этом материал сердечника 15 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.

Оптимальная технология изготовления электрода заключается в следующем.

Вначале изготавливается заготовка для вставок: биметаллическая проволока. Ее изготовление включает в себя (после раздельного изготовления составляющих ее элементов холодной деформацией) последовательные операции совместного горячего прессования и волочения. При этом режимы деформации выбирают, исходя из условия сближения и минимизации сопротивлений деформации элементов вставки в состоянии горячего прессования, с учетом температуры, скорости и длительности деформации. Методика выбора этих режимов здесь не описывается, поскольку она выходит за рамки предмета данного изобретения и составляет его ноу-хау.

В дальнейшем проволока режется на станке на отдельные куски мерной длины.

Изготавливается держатель горячей объемной штамповкой. При этом важно обеспечить достаточную толщину его торцевой стенки, куда затем будет запрессована вставка. В процессе горячей объемной штамповки держателя выполняют зацентровку. Затем по этой зацентровке сверлят глухое отверстие для размещения вставки на высокоточном станке.

Последняя операция - запрессовка холодной объемной штамповкой вставки в глухое отверстие держателя. Выбранные размеры вставки позволяют надежно провести эту операцию, исключая продольный изгиб вставки и обеспечивая плотный контакт оболочки вставки с держателем.

Исследованиями показано, что электрод описанной конструкции, изготовленный по описанной технологической схеме, допускает более 140 включений, при суммарном времени горения дуги более часа. При этом указанный ресурс остается достаточно стабильным при последовательном использовании серии таких электродов.

Изобретение может быть использовано в конструкции катода плазмотрона, применяемого при термической и термохимической обработке металлов, а именно при плазменно-дуговых процессах резки, сварки, напыления, наплавки. В глухое отверстие на торце медного держателя по его оси вмонтирована биметаллическая цилиндрическая катодная вставка, содержащая сердечник из сплава гафния и циркония и оболочку. Соотношение площадей поперечных сечений оболочки и сердечника составляет (0,5-0,7):1. Соотношение длины вставки и ее наружного диаметра составляет 0,75-4,5. Эксцентриситет катодной вставки относительно держателя составляет не более 0,1 мм. Между сердечником и оболочкой может быть размещена алюминиевая прослойка. Вставка с держателем соединена объемной штамповкой. Конструктивные параметры вставки электрода выбраны с точки зрения повышения ресурса электрода и за счет повышения эффективности теплового контакта и точности изготовления, а также улучшения условий охлаждения элементов. 6 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Электрод для плазменной обработки, содержащий держатель в виде тела вращения, выполненный из материала на основе меди, вмонтированную в глухое отверстие на торце держателя по его оси биметаллическую цилиндрическую катодную вставку, содержащую сердечник, изготовленный из сплава гафния и циркония, и оболочку, охватывающую сердечник, отличающийся тем, что соотношение площадей поперечных сечений оболочки и сердечника составляет (0,5-0,7):1.2. Электрод по п.1, отличающийся тем, что соотношение длины вставки и ее наружного диаметра составляет 0,75-4,5.3. Электрод по любому из пп.1 и 2, отличающийся тем, что эксцентриситет катодной вставки относительно держателя, определенный как среднее арифметическое из трех эксцентриситетов, замеренных в трех различных направлениях, составляет не более 0,1 мм.4. Электрод по любому из пп.1-3, отличающийся тем, что он снабжен алюминиевой прослойкой, размещенной между сердечником и оболочкой вставки.5. Электрод по п.4, отличающийся тем, что толщина прослойки составляет 5-10% толщины оболочки.6. Электрод по любому из пп.1-5, отличающийся тем, что держатель выполнен с центральным внутренним утолщением и с внутренним кольцевым пазом между этим утолщением и его стенками, причем глубина паза соизмерима с длиной катодной вставки.7. Электрод по любому из пп.1-6, отличающийся тем, что вставка с держателем соединена объемной штамповкой.