ПАРОВОДЯНОЙ ПЛАЗМОРТОН Российский патент 2005 года по МПК B23K10/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к плазменной технике, и может быть использовано в различных технологических операциях: плазменной резке, сварке, наплавке, металлургии, плазмохимии.

При конструировании плазмотронов наиболее важными являются две проблемы: обеспечение стойкости элементов, контактирующих с высокотемпературной плазмой, и уменьшение вредных выбросов, возникающих в процессе работы плазмотрона при одновременном сохранении высоких технологических параметров, например скорости резки металла.

Известен плазмотрон с водяным охлаждением ПВР - 402 [ТУ 16-739.083-76] для воздушно-плазменной резки, включающий корпус с установленными в нем системой водяного охлаждения с каналами подвода и отвода воды, электрододержателем с катодом и соплом с защитным кожухом и резиновыми уплотнительными кольцами между защитным кожухом и соплом.

Несмотря на наличие водяного охлаждения, стойкость сопла и электрода у этого плазмотрона незначительна (порядка двух часов) ввиду их малоэффективного охлаждения по причине образования пленочного кипения из-за больших тепловых потоков (порядка 10 Вт/м²) и, как следствие, снижение теплообмена из-за образования паровой пленки.

Кроме того, при работе плазмотрона возникает большое количество выбросов, в частности вредных окислов азота, генерация которых происходит в низкотемпературной зоне плазмы. Сократить низкотемпературную зону плазмы за счет повышения плотности тока (за счет увеличения обжатия плазмы) не удается по причине плохого охлаждения сопла и быстрого выхода его из строя.

Недостатком конструкции известного плазмотрона является также практически мгновенный выход из строя уплотнительных резинок под воздействием высоких температур, что приводит к выходу из строя и самого плазмотрона.

В воздушном плазмотроне ПМР-74 [Г.Н.Ширшов, В.Н.Котиков "Плазменная резка", Ленинград, 1987], включающем корпус с размещенными в нем системой водяного охлаждения с каналами подвода и отвода воды соплом с защитным кожухом, расположенным с зазором относительно последнего, и электрододержателем с электродом и вставкой с тангенциальными каналами для закручивания воды, в зазоре между соплом и защитным кожухом.

В этом плазмотроне выбросы в атмосферу существенно уменьшаются за счет создания защитной водяной завесы, которая улавливает окислы азота и одновременно более интенсивно охлаждает сопло. Конструкция не содержит уплотнительных колец между соплом и защитным кожухом, что повышает его надежность в работе

Но, несмотря на наличие водяной завесы рабочей зоны плазмотрона, экологическая чистота при работе плазмотрона не обеспечивается, требуются значительные предохранительные мероприятия (интенсивная вентиляция рабочей зоны, улавливание и нейтрализация выбросов).

Кроме того, охлаждение сопла и электрода тоже недостаточно эффективно по причине образования паровых пленок в области охлаждения сопла и электрода.

Для работы плазмотрона требуется большое количество воды.

Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является пароводяной плазмотрон (патент РФ №2041039), использующий водяной пар в качестве рабочего тела. Пароводяной плазмотрон содержит корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе с зазором относительно электрода, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов, патрубков и рубашки охлаждения сопла в корпусе, патрубка подачи воды с регулирующим устройством, а также парогенератор с минимальным тепловым воздействием на канал сопла, так как он закреплен на нерабочем торце плазмотрона и нагревательным элементом, закрепленным на парогенераторе. Нагревательный элемент снабжен источником питания с регулятором тока. На камере формирования дуги установлен датчик температуры, связанный с регулятором тока.

Закрепление парогенератора на нерабочем торце плазмотрона (за пределами камеры формирования дуги), соединение его последовательно с системой охлаждения плазмотрона, снабжение регулятором подачи воды и регулятором тока позволило получить плазмообразующее тело в виде осушенного пара, в котором исключено наличие капелек воды в камере формирования дуги при всех уровнях мощности плазмотрона.

Однако в известной конструкции плазмотрона недостаточно эффективно охлаждаются его наиболее теплонагруженные зоны: канал сопла и термохимическая вставка из-за того, что они расположены далеко от своих зон охлаждения, в результате, несмотря на хорошую теплопроводность меди, не обеспечивается достаточно интенсивный теплоотвод от них.

Все это в известной степени ограничивает плотность тока плазменной дуги и тем самым не позволяет достичь высоких технологических параметров, например, высокой скорости плазменной резки и не обеспечивает достаточной стойкости сопла и электрода.

В основу изобретения положена задача увеличения стойкости сопла и электрода и увеличения скорости резки путем интенсификации теплоотвода от них при сохранении экологической чистоты процесса резки.

Поставленная задача решается тем, что, в пароводяном плазмотроне, включающем корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе относительно электрода с зазором, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубок для подачи воды с регулирующим устройством, а также парогенератор с нагревательным элементом, закрепленный на нерабочем торце плазмотрона и связанный с камерой формирования дуги и с системой охлаждения, сопло снабжено защитным чехлом, установленным с теплоотводящим зазором относительно сопла, при этом величина теплоотводящего зазора на рабочем конце сопла достаточна для охлаждения в режиме парообразования, выход теплоотводящего зазора обращен в рабочую зону плазмотрона, а на его входе установлена капиллярно-пористая структура с водоподводящим и пароотводным каналами, связанная с теплоотводящим зазором на рабочем конце сопла, а электрод снабжен капиллярно-пористой структурой с водоподводящим и пароотводным каналами, расположенной внутри него.

При этом:

- в теплоотводящем зазоре на рабочем конце сопла наружная поверхность сопла и обращенная к нему внутренняя поверхность чехла выполнены шероховатыми;

- капиллярно-пористая система выполнена в виде медной сетки;

- корпус плазмотрона заземлен.

Снабжение сопла защитным чехлом, установленным с теплоотводящим зазором относительно сопла так, что величина этого зазора на рабочем конце сопла достаточна для его охлаждения в режиме парообразования, и обращение выхода зазора в рабочую зону плазмотрона позволило максимально интенсифицировать теплоотвод от рабочей зоны сопла посредством снижения термического сопротивления теплоотводящего участка за счет уменьшения его длины и использования скрытой теплоты парообразования (при условии охлаждения его в режиме парообразования)

Введение капиллярно-пористой структуры с водоподводящими и пароотводными каналами, связанной с теплоотводящим зазором на рабочем конце сопла, позволило с одной стороны интенсифицировать теплоотвод с боковой поверхности сопла и внутренней поверхности кожуха, а с другой - обеспечить бесперебойную подачу охлаждающей жидкости в теплоотводящий зазор, непосредственно примыкающий к наиболее теплонагруженному участку сопла, обращенному к рабочей зоне плазмотрона. Кроме того, кольцевая паровая рубашка, возникающая на выходе из теплоотводящего зазора, защищает пароводяную плазму от контакта с воздухом, предотвращая тем самым образование окислов азота при работе плазмотрона.

Выполнение наружной поверхности сопла, расположенной в теплоотводящем зазоре на его рабочем конце и обращенной к нему внутренней поверхности чехла шероховатыми, позволило интенсифицировать процесс охлаждения за счет увеличения фактической поверхности контакта в системе жидкость - твердое тело, улучшения смачиваемости поверхностей теплоотводящего зазора по сравнению с гладкой поверхностью исключая пленочное кипение.

Выполнение капиллярно-пористой структуры в виде медной сетки обеспечило интенсивный теплоотвод за счет высокой теплопроводности меди при отсутствии коррозии.

Заземление корпуса плазмотрона обеспечило с одной стороны безопасность рабочего от поражения электрическим током, а с другой обеспечило возможность автоматизации процесса плазменной обработки за счет создания режима дежурной дуги.

На фиг.1 представлен пароводяной плазмотрон в разрезе;

на фиг.2 - участок плазмотрона с теплоотводящим зазором, примыкающий к рабочей зоне, в разрезе.

Пароводяной плазмотрон включает корпус 1, патрубок 2 подачи дистиллированной воды в плазмотрон со встроенным в него клапаном 3, регулирующим подачу воды в плазмотрон, и токоподвод 4, соединенный с электрододержателем 5, установленным в корпусе 1. Электрододержатель 5 электрически соединен с медным электродом 6 посредством гайки 7 и в него запрессована термохимическая вставка 8. Внутри электрододержателя 5 установлена с зазором трубка 9 подачи воды для охлаждения электрода 6 и водяной и паровой коллекторы (на чертеже не показаны). Снаружи электрода 6 укреплены завихритель 10 плазмообразующего газа и изолирующая втулка 11, которая вместе с изолирующей втулкой 12 центрирует электрод 6 относительно медного сопла 13 с плазмоформирующим каналом 14. В корпусе 1 выполнены каналы 15 и 16 для подвода воды и отвода двухфазной смеси соответственно. Плазмоформирующий канал 14 выполнен в виде центрального сквозного отверстия.

Имеющаяся в пароводяном плазмотроне система охлаждения электрода 6 включает в себя установленные по ходу движения воды и последовательно соединенные патрубок 2 подачи воды в плазмотрон, клапан 3, регулирующий подачу воды, трубку 9 подачи воды, капиллярно-пористую структуру 17 с каналами 18 и 19 водоподводящими и пароотводными соответственно, установленными внутри электрода 6, и систему каналов электрододержателя 5, связанную с парогенератором 20.

Парогенератор 20 снабжен нагревательным элементом 21 и капиллярно-пористой структурой 22, расположенной на внутренней поверхности парогенератора 20, с водоподводящими и пароотводными каналами 23 и 24 соответственно. Нагревательный элемент 21 выполнен, например, в виде спирали из нихрома, выводы которой подключены к цепи 25 электропитания с регулятором 26 тока. Снаружи нагревательный элемент 21 закрыт кожухом 27

Система охлаждения сопла 13 включает патрубок 2 подачи воды в плазмотрон, клапан 3, регулирующий подачу воды, канал 15 подачи воды, капиллярно-пористую структуру 28 с каналами 29 и 30 водоподводящим и пароотводным соответственно, установленную на входе теплоотводящего зазора 31 между соплом 13 и защитным чехлом 32, и канал отвода двухфазной смеси 16 в парогенератор 20. Защитный чехол 32 установлен на корпусе 1 с герметизирующим элементом 33.

На нерабочем конце парогенератора 20 закреплена кнопка 34 пуска плазмотрона с герметизирующим элементом 35 и закрыта крышкой 36. При использовании контактного зажигания парогенератор 20 подпружинен пружиной 37. (В случае осцилляторного варианта позиции 34 и 35 отсутствуют).

Завихритель 10 соединен с камерой 38 формирования дуги, образованной в зазоре между электродом 6 и соплом 13. На корпусе 1 установлен датчик 39 температуры, выполненный в виде термопары, соединенной с системой 40 управления электропитания нагревательного элемента 21. Корпус 1 плазмотрона снабжен заземляющим проводом 41.

Пароводяной плазмотрон работает следующим образом.

По цепи 25 нагревательного элемента 21 подается электрический ток. За счет тепла, выделяющегося на спирали, плазмотрон нагревается до температуры 120-180°С. По достижении этой температуры, измеряемой датчиком 39, клапан 3 открывается, по патрубку 2 начинают подавать дистиллированную воду в систему охлаждения плазмотрона. Вода поступает в системы охлаждения сопла 13 и электрода 6, включающие патрубок 2, трубку 9, канал 15 подвода воды и канал 16 отвода двухфазной смеси, капиллярно-пористую структуру 17 охлаждения электрода 6 с каналами 18 и 19, капиллярно-пористую структуру 28 охлаждения сопла 13 с каналами 29 и 30 и в коллекторы пара и воды, расположенные внутри электрододержателя 5 (на чертеже не показаны).

В капиллярно-пористых структурах 17 и 28 вода частично испаряется и в виде двухфазной смеси поступает в парогенератор 20. Кроме того, часть воды из капиллярно-пористой структуры 28 поступает в теплоотводящий зазор 31, где испаряется и выбрасывается в рабочую зону плазмотрона, одновременно охлаждая наиболее теплонагруженную горловину сопла 13 и защищая пароводяную плазму от контакта с воздухом в рабочей зоне плазмотрона. В парогенераторе 20 двухфазная смесь осушается и в виде осушенного пара через коллектор пара электрододержателя 5 и через завихритель 10 поступает в камеру 38 формирования дуги на плазмообразование.

При контакте дежурной дуги с обрабатываемой деталью 42 включается силовой режим рабочей дуги и начинается рабочий цикл технологического процесса.

При этом обеспечивается стойкость сопла и электрода за счет интенсификации теплоотвода от них при сохранении экологической чистоты процесса резки. Кроме того, за счет увеличения плотности тока (что можно обеспечить при интенсификации теплоотвода) увеличивается скорость резки деталей.

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при плазменной резке, сварке, наплавке, металлургии, плазмохимии. Пароводяной плазмотрон содержит корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе относительно электрода с зазором, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубок для подачи воды с регулирующим устройством, а также парогенератор с нагревательным элементом, закрепленный на нерабочем торце плазмотрона и связанный с камерой формирования дуги и с системой охлаждения. Для увеличения стойкости сопла и электрода и увеличения скорости резки путем интенсификации теплоотвода от них сопло снабжено защитным чехлом, установленным с теплоотводящим зазором относительно сопла, при этом величина этого зазора на рабочем конце сопла достаточна для охлаждения в режиме парообразования, выход зазора обращен в рабочую зону плазмотрона, а на его входе установлена капиллярно-пористая структура с водоподводящими и пароотводными каналами, связанная с теплоотводящим зазором на рабочем конце сопла, а электрод снабжен капиллярно-пористой структурой с водоподводящим и пароотводным каналами, расположенной внутри него. 3 з.п. ф-лы, 2 ил.

1. Пароводяной плазмотрон, включающий корпус, установленный в нем электрододержатель с закрепленным в нем электродом, сопло, закрепленное на корпусе относительно электрода с зазором, образующим камеру формирования дуги, систему охлаждения в виде каналов и патрубков в корпусе, патрубок для подачи воды с регулирующим устройством, а также парогенератор с нагревательным элементом, закрепленный на нерабочем торце плазмотрона и связанный с камерой формирования дуги и с системой охлаждения, отличающийся тем, что сопло снабжено защитным чехлом, установленным с теплоотводящим зазором относительно сопла, при этом величина этого зазора на рабочем конце сопла достаточна для охлаждения в режиме парообразования, выход зазора обращен в рабочую зону плазмотрона, а на его входе установлена капиллярно-пористая структура с водоподводящими и пароотводными каналами, связанная с теплоотводящим зазором на рабочем конце сопла, а электрод снабжен капиллярно-пористой структурой с водоподводящим и пароотводным каналами, расположенной внутри него.2. Пароводяной плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что в теплоотводящем зазоре на рабочем конце сопла наружная поверхность сопла и обращенная к нему внутренняя поверхность чехла выполнены шероховатыми.3. Пароводяной плазмотрон по п.1 или 2, отличающийся тем, что капиллярно-пористая структура выполнена в виде медной сетки.4. Пароводяной плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что корпус плазмотрона заземлен.