Настоящее изобретение, главным образом, имеет отношение к созданию плазменных горелок для газоэлектрической сварки, в частности к конструкциям соединения для осуществления электрического соединения электрода в плазменной горелке с катодом горелки.
Плазменные горелки, известные также как горелки для газоэлектрической сварки дугой, обычно используют для резки и сварки металлических заготовок, когда на заготовку направляют плазму, которая состоит из частиц ионизированного газа. В типичной плазменной горелке подлежащий ионизации газ поступает к нижнему концу горелки и протекает позади электрода, а затем выходит через отверстие в наконечнике горелки. Электрод, который представляет собой расходуемую деталь, имеет относительно отрицательный потенциал и работает в качестве катода. Наконечник (мундштук) горелки охватывает электрод у нижнего конца горелки со смещением (с промежутком) от электрода и образует анод с относительно положительным потенциалом. При приложении к электроду относительно высокого напряжения в зазоре между электродом и наконечником горелки образуется дуга, которая нагревает газ и вызывает его ионизацию. Ионизированный газ в зазоре выдувается из горелки и имеет вид дуги, которая выходит наружу из наконечника. Когда головку горелки или нижний конец горелки перемещают в положение вблизи от заготовки, происходит перескок или перенос дуги от наконечника горелки на заготовку, потому что потенциал заготовки относительно земли ниже, чем потенциал наконечника горелки относительно земли. В ходе работы "с перенесенной дугой" сама заготовка служит в качестве анода.
В обычной плазменной горелке электрод, имеющий внешнюю резьбу, ввинчивают во внутреннее резьбовое отверстие корпуса катода для крепления электрода к наконечнику горелки. Однако производство электродов и катодов с резьбой является дорогим. Кроме того, часто требуется длительное время для осуществления операции ввинчивания расходуемых деталей, таких как электроды, в частности, потому, что требуется отдельный инструмент, такой как ключ для установки электрода или для его удаления из катода. В другой конструкции горелки поддерживают электрический контакт электрода с катодом за счет использования насадки и экранирующего колпачка. При затягивании экранирующего колпачка на корпусе горелки электрод и насадка закрепляются в фиксированном положении на горелке, причем электрод удерживается в электрическом контакте с катодом. Однако сборка горелки такого типа, которая требуется после замены расходуемого электрода или насадки, часто является трудоемкой, так как, если горелку не удерживать при сборке в вертикальном положении, то электрод просто будет выпадать из горелки или создавать вибрации при работе. Это создает особые проблемы в том случае, когда сварщик производит сборку горелки в таком месте, как стремянка или строительные леса, когда выпавший электрод нельзя подобрать, что может приводить к его потере.
В связи с изложенным существует необходимость создания плазменной горелки с нерезьбовым соединением для электрического подключения электрода к катоду в горелке, обеспечивающим предотвращение осевого перемещения электрода наружу из горелки в ходе сборки горелки.
Среди прочих задач и характеристик настоящего изобретения в нем предлагается плазменная горелка, которая имеет соединение без резьбы для электрического подключения электрода к катоду в горелке, в которой электрод взаимосвязан с горелкой для предотвращения осевого перемещения электрода наружу из горелки в ходе сборки и разборки горелки и в которой может быть произведена замена электрода, а также в которой электрод и катод в процессе эксплуатации легко могут быть соединены и разъединены, и предлагается такая плазменная горелка, которая не требует использования инструмента для соединения электрода с горелкой.
Плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит катод и электрод, имеющие соединительные концы, позволяющие создать коаксиальное телескопическое соединение друг с другом указанных элементов на центральной продольной оси горелки. Входящие во взаимозацепление фиксаторы установлены на соединительных концах катода и электрода. По меньшей мере один из фиксаторов является подвижным главным образом в радиальном направлении относительно центральной продольной оси горелки между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. По меньшей мере один фиксатор выполнен с возможностью перемещения из неизогнутого состояния в изогнутое состояние, когда катод и электрод вдвигают один в другой, и выполнен с возможностью перемещения из изогнутого состояния назад в неизогнутое состояние, когда катод и электрод дополнительно вдвигают один в другой до точки, в которой фиксаторы на катоде и электроде главным образом совмещены по оси. В этом положении по меньшей мере один фиксатор входит в зацепление с другим фиксатором для соединения катода с электродом и предотвращения осевого перемещения электрода наружу из катода.
В другом варианте плазменная горелка содержит катод и электрод, имеющие соединительные концы, позволяющие создать коаксиальное телескопическое перемещение друг относительно друга на центральной продольной оси горелки, причем катод и электрод выполнены с возможностью создания электрического соединения друг с другом в горелке. Предусмотрен фиксатор на соединительном конце электрода, причем соответствующий фиксатор в плазменной горелке выполнен с возможностью взаимозацепления с фиксатором на соединительном конце электрода после вставки (введения) электрода в горелку. Фиксатор на соединительном конце электрода выполнен с возможностью перемещения главным образом в радиальном направлении относительно центральной продольной оси горелки между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. Такое перемещение позволяет производить вставку электрода в горелку в положении, в котором электрод имеет электрическое соединение с катодом, при этом фиксатор на соединительном конце электрода входит во взаимозацепление с фиксатором в плазменной горелке для предотвращения осевого перемещения электрода наружу из горелки.
Как правило, катод плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением имеет соединительный конец, обеспечивающий электрическое соединение с электродом в горелке, причем фиксатор выходит радиально из указанного соединительного конца для обеспечения соединения электрода и катода в горелке. Фиксатор выполнен с возможностью перемещения главным образом в радиальном направлении относительно центральной продольной оси катода между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием, что позволяет производить относительное телескопическое перемещение катода и электрода для соединения катода и электрода. Фиксатор препятствует осевому перемещению электрода из горелки за счет взаимного соединения катода и электрода.
Электрод плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением главным образом имеет соединительный конец, приспособленный для соединения с плазменной горелкой. Указанный соединительный конец является упругоперемещаемым относительно центральной продольной оси электрода между нормальным, неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием, в котором диаметр соединительного конца электрода существенно изменен по сравнению с нормальным неизогнутым состоянием. Радиальное перемещение позволяет производить вставку электрода и его соединение с горелкой.
В другом варианте электрод плазменной горелки имеет соединительный конец и фиксатор на соединительном конце, выходящий из него радиально для обеспечения соединения с катодом плазменной горелки и для предотвращения осевого перемещения электрода из горелки.
Указанные ранее и другие характеристики изобретения будут более ясны из последующего детального описания, данного в качестве примера, не имеющего ограничительного характера и приведенного со ссылкой на сопроводительные чертежи.
На фиг.1 показано вертикальное сечение наконечника плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, причем электрод показан полностью.
На фиг.2 показано вертикальное сечение наконечника плазменной горелки фиг.1 в разобранном виде.
На фиг.3 показан вид в перспективе наконечника плазменной горелки фиг.1 в разобранном виде.
На фиг.4 приведено горизонтальное сечение по линии 4-4 фиг.1.
На фиг.5 показано вертикальное сечение в увеличенном масштабе участка наконечника плазменной горелки фиг.1, где можно видеть соответствующие соединительные концы электрода и катода.
На фиг.6 показано вертикальное сечение наконечника плазменной горелки в соответствии со вторым вариантом настоящего изобретения.
На фиг.7 показано вертикальное сечение наконечника плазменной горелки фиг.6 в разобранном виде.
На фиг.8 показан вид в перспективе наконечника плазменной горелки фиг.6 в разобранном виде.
На фиг.9 показано вертикальное сечение в увеличенном масштабе участка наконечника плазменной горелки фиг.6, где можно видеть соответствующие соединительные концы электрода и катода.
Обратимся теперь к рассмотрению фиг.1, на которой показана головка плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, обозначенная в целом позицией 31. Головка горелки 31 содержит катод 33, закрепленный в корпусе горелки 35 у верхнего конца наконечника, и электрод 37, электрически соединенный с катодом. Центральный изолятор 39 из соответствующего электроизоляционного материала, такого как полиамид, охватывает существенную часть как катода 33, так и электрода 37, чтобы электрически изолировать катод и электрод от главным образом трубчатого анода 41, который охватывает один из участков изолятора.
В соответствии с настоящим изобретением катод 33 и электрод 37 выполнены с возможностью создания коаксиального телескопического соединения друг с другом на центральной продольной оси Х горелки. Для обеспечения такого соединения катод 33 и электрод 37 снабжены расположенными напротив друг друга фиксаторами 43 и 45. Как это будет описано ниже, указанные фиксаторы 43, 45 входят во взаимозацепление друг с другом, когда электрод 37 соединяют с катодом 33, для предотвращения осевого перемещения электрода из катода.
Катод 33, выполненный в соответствии с настоящим изобретением, обычно является трубчатым и имеет головку 51, корпус 53 и нижний соединительный конец 55, приспособленный для коаксиального межсоединения с электродом 37 на продольной оси Х горелки. Центральное отверстие 57, выполненное главным образом по всей длине катода 33, служит для пропускания рабочего газа через катод. Отверстие 59 в головке катода 51 имеет связь с источником рабочего газа (не показан) и служит для подачи рабочего газа в головку горелки 31. Основание катода 33 открыто для выпуска отработанного газа. Катод 33 в показанном варианте изготовлен из латуни, причем головка 51, корпус 53 и нижний соединительный конец 55 катода преимущественно выполнены в виде единой конструкции. Однако следует иметь в виду, что головка 51 может быть изготовлена отдельно от корпуса 53 и затем закреплена на корпусе катода, что не выходит за рамки настоящего изобретения.
На фиг.1 и 3 показан соединительный конец 55 катода 33, который содержит набор упругих продольных зубцов 61, образованных вертикальными щелями 63 катода, идущими вверх от основания катода. Зубцы 61 имеют верхние концы 65, объединенные (выполненные как единое целое) с корпусом 53 катода 33, и свободные нижние концы 67, которые смещены радиально наружу таким образом, что каждый зубец имеет верхний радиальный заплечик 69 и нижний радиальный заплечик 71. Зубцы 61 являются достаточно упругими для того, чтобы позволить главным образом радиальное перемещение зубцов между нормальным неизогнутым состоянием (фиг.2 и 5) и изогнутым состоянием (фиг.1), в котором зубцы изогнуты наружу с удалением от центральной продольной оси Х горелки, что позволяет увеличить внутренний диаметр соединительного конца катода 55, чтобы позволить вставлять электрод 37 в катод, как это будет описано ниже. Радиальное перемещение наружу зубцов 61 допускается за счет кольцевого зазора 73, образованного между соединительным концом 61 катода 33 и центральным изолятором 39.
В соответствии с предпочтительным вариантом фиксатор 43 катода 33 имеет колпачок 75 из электроизоляционного материала, выполненный на нижнем конце 67 каждого зубца 61. Таким образом можно видеть, что фиксатор 43 на соединительном конце 61 катода 33 служит для совместного радиального перемещения с зубцами между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. Как это лучше всего показано на фиг.5, колпачок 75, который имеет главным образом J-образную форму в вертикальном сечении, имеет внешнюю стенку 77, внутреннюю стенку 79 и нижнюю стенку 81, которые ограничивают выемку 83 для приема смещенного нижнего конца 67 зубца 61. Внешняя стенка 77 колпачка 75 и нижний конец 67 зубца 61 имеют соединение в шип для надежного удержания колпачка на зубце. Толщина внутренней стенки 79 ниже нижнего радиального заплечика 71 зубца 61 существенно тоньше, чем ширина нижнего радиального заплечика зубца, так что участок внутренний стенки выступает радиально наружу за пределами нижнего заплечика и образует главным образом радиальную фиксирующую поверхность 85 фиксатора катода 43. Втулка 87 из электроизоляционного материала установлена внутри катода 33 в местоположении со смещением над радиальной фиксирующей поверхностью 85, оставляя открытым участок внутренней стенки металлического катода для его использования в качестве поверхности электрического контакта 89 для электрода 37. Внутренняя кромка 91 основания катода 33, например изоляционных концевых колпачков 75, имеет наклон (скос) наружу для создания кулачковой поверхности, в которую упирается электрод 37 при введении электрода в катод, для того, чтобы вызвать смещение наружу зубцов 61 в их изогнутое состояние. Величина силы введения, которая необходима для изгиба зубцов 61, может варьировать, но нашли, что достаточно приложение направленной по оси силы, которая ориентировочно равна 5 фунтам.
Внутренний диаметр D1 (фиг.5) катода 37 у поверхности контакта 89 преимущественно составляет около 0.208 дюйма (0,53 см), а внутренний диаметр D2 катода у изоляционных концевых колпачков 75 преимущественно составляет около 0.188 дюйма (0,48 см), и каждая радиальная фиксирующая поверхность 85 преимущественно выступает радиально внутрь от поверхности контакта ориентировочно на 0.01 дюйма (0,025 см). Однако следует иметь в виду, что указанные размеры могут варьировать. Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом соединительный конец 55 катода 33 содержит четыре упругих зубца 61, однако это число может варьировать от одного зубца до множества зубцов, что не выходит за рамки изобретения. Более того, радиальные фиксирующие поверхности 85 могут быть образованы иным путем, без колпачков 75. Например, колпачки 75 могут быть полностью исключены, а фиксирующие поверхности 85 могут быть образованы за счет выполненных при помощи механической обработки радиальных канавок или выемок (не показаны) на зубцах 61 или за счет образованных иным образом выступающих радиально внутрь поверхностей (не показаны) на зубцах.
На фиг.1 и 3 также показан электрод 37, который является главным образом цилиндрическим и имеет сплошной нижний конец 101, верхний соединительный конец 105, приспособленный для коаксиального телескопического соединения с нижним соединительным концом 55 катода 33 на продольной оси X, и газораспределительное кольцо 103, расположенное между верхним и нижним концами электрода. Электрод 37 в показанном варианте изготовлен из меди и имеет вставку 107 из эмиссионного материала (например, из гафния), закрепленную обычным образом в выемке 109 на основании электрода. Газораспределительное кольцо 103, которое выступает радиально наружу относительно верхнего и нижнего концов 105, 101 электрода 37, образует заплечик 111 между газораспределительным кольцом и верхним соединительным концом электрода. Центральная проточка 113 электрода 37 идет продольно внутри верхнего соединительного конца 105, главным образом от верхней части электрода вниз, при радиальном совмещении с газораспределительным кольцом 103. Следует иметь в виду, что может быть использовано и иное, негазораспределительное кольцо 103, которое, например, может быть сплошным, причем в таком случае распределение газа производят иным образом, что не выходит за рамки изобретения.
Центральный изолятор 39 имеет кольцевое седло 115, которое идет радиально внутрь до внутреннего диаметра центрального изолятора, который главным образом меньше, чем внешний диаметр газораспределительного кольца 103, при этом заплечик 111 газораспределительного кольца упирается в кольцевое седло 115 для ограничения ввода электрода 37 в катод 33 и для выбора осевого положения электрода в головке горелки 31. Верхняя часть электрода 37 является открытой для обеспечения сообщения между центральной проточкой катода 57 и центральной проточкой электрода 113 после коаксиального соединения электрода и катода 33. Отверстия 117 идут радиально в газораспределительном кольце 103 и сообщаются с центральной проточкой 113 соединительного конца электрода 105 для выпуска рабочего газа из электрода 37.
На фиг.5 показано, что внешний диаметр соединительного конца электрода 105 существенно меньше, чем внутренний диаметр D2 соединительного конца 55 катода 33 у изоляционных концевых колпачков 75 (например, у фиксатора катода 43). Однако фиксатор 45 на электроде 37 имеет кольцевой выступ 119, который выступает главным образом радиально наружу из соединительного конца 105 электрода таким образом, что внешний диаметр соединительного конца электрода у фиксатора главным образом больше, чем диаметр внутренней поверхности катода, имеющий внутренние диаметры катода D2 и D1 соответственно у фиксатора катода 43 и у поверхности контакта 89 над фиксатором катода. Например, соединительный конец электрода 105 в показанном варианте преимущественно имеет внешний диаметр, который составляет ориентировочно 0.182 дюйма (0,48 см), и внешний диаметр соединительного конца электрода у фиксатора, который преимущественно составляет около 0.228 дюйма (0,53 см).
Кольцевой выступ 119, который образует фиксатор электрода 45, преимущественно закруглен для создания верхней кулачковой поверхности 121, которая входит в контакт с наклонной внутренней кромкой 91 основания катода 33, что облегчает введение соединительного конца электрода 105 в соединительный конец катода 55. Закругленный выступ 119 также имеет нижнюю радиальную поверхность фиксации 123, которая входит в контакт с радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43 для предотвращения осевого перемещения соединительного конца электрода 105 наружу из соединительного конца катода 55. Следует иметь в виду, что фиксатор электрода 45 не обязательно имеет кольцевую форму, причем он может быть, например, сегментированным и не обязательно является закругленным, так что он может быть, например, квадратным или фланцевым, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что фиксатор имеет радиальную фиксирующую поверхность, которая входит в контакт с радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43. Следует также иметь в виду, что фиксатор может быть изготовлен отдельно от электрода и закреплен соответствующим образом на электроде, причем указанный фиксатор может быть упругим, что также не выходит за рамки настоящего изобретения. Осевое положение фиксатора 45 на соединительном конце 105 электрода 37 также может варьировать, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что длина соединительного конца электрода 105 является достаточной, таким образом, что когда заплечик 111 газораспределительного кольца 103 входит в контакт с кольцевым седлом 115 центрального изолятора 39, то фиксатор электрода расположен в катоде 33 над фиксатором катода 43 и имеет электрический контакт с поверхностью контакта 89 катода.
Как это показано на фиг.1-3, металлический наконечник 131, также называемый мундштуком, который расположен в головке горелки 31, охватывает нижний конец электрода 37 со смещением (с промежутком) от него, так что создается зазор, образующий газовый канал 133 между наконечником 131 и электродом. Газовый канал 133 дополнительно ограничен при помощи трубчатого газораспределителя 135, идущего продольно между наконечником 131 и газораспределительным кольцом 103 электрода 37 вокруг нижнего конца электрода, радиально со смещением от него. Газораспределитель 135 регулирует поток рабочего газа через газовый канал 133. Наконечник 131, электрод 37 и газораспределитель 135 закреплены в фиксированном положении на оси в ходе работы горелки при помощи экранирующего колпачка 137, который имеет внешний кожух 139 из теплоизоляционного материала, такого как фиберглас, и металлическую экранирующую вставку 141, закрепленную на внутренней поверхности кожуха. Внешний кожух 139 имеет внутреннюю резьбу (не показана) для резьбового соединения с соответствующей внутренней резьбой (не показана) на корпусе горелки 35.
Нижний конец центрального изолятора 39 радиально смещен от газораспределителя 135 и от газораспределительного кольца электрода 103 для направления газа, протекающего через отверстия 117 кольца, в камеру 143, которая образована при помощи центрального изолятора, газораспределителя, наконечника 131 и вставки экранирующего колпачка 141. Газораспределитель 135 имеет по меньшей мере одно отверстие (не показано), которое сообщается как с газовым каналом 133, так и с камерой 143, что позволяет некоторой порции газа из камеры протекать в газовый канал и выходить из горелки через выходное отверстие 145 в наконечнике для использования при образовании плазменной дуги. Остающийся в камере газ протекает через отверстие 147 во вставке экранирующего колпачка 141 во второй канал 149, образованный между внешним кожухом экранирующего колпачка 139 и металлической вставкой, для выхода из горелки через выпускное отверстие 151 в экранирующем колпачке. Экранирующий колпачок 137, наконечник 131, газораспределитель 135 и электрод 37 обычно именуют расходуемыми деталями горелки, потому что период нормальной эксплуатации этих деталей существенно ниже, чем собственно горелки, поэтому указанные детали требуют периодической замены. Использование плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением для осуществления операций резки и сварки хорошо известно и не будет описано здесь более подробно.
Для сборки плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, например, когда требуется замена расходуемого электрода 37, вставляют электрод в соответствии с настоящим изобретением, верхним соединительным концом 105 вперед, в головку газовой горелки 31 через центральный изолятор 39. При проталкивании соединительного конца электрода 105 вверх за кольцевое седло 115 центрального изолятора кулачковая поверхность 121 фиксатора 45 на электроде входит в зацепление с наклонными внутренними кромками 91 изоляционных концевых колпачков 75 на нижних концах 67 зубцов 61. Кулачковая поверхность 121 фиксатора электрода 45 толкает зубцы катода 61 наружу, при этом фиксатор катода 43 движется радиально наружу в свое изогнутое состояние с преодолением направленного внутрь смещения зубцов, что приводит к увеличению внутреннего диаметра D2 соединительного конца катода 55 у фиксатора катода и позволяет дальнейшее телескопическое движение соединительного конца электрода 105 в катод до положения, в котором радиальная фиксирующая поверхность 123 фиксатора электрода 45 находится над радиальными фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43.
После проталкивания фиксатора электрода 45 вверх за фиксатор катода 43 фиксатор электрода становится радиально совмещенным с поверхностью контакта 89 соединительного конца катода 55 над фиксирующими поверхностями 85, где внутренний диаметр D1 соединительного конца катода больше, чем внутренний диаметр D2 у фиксатора катода. Зубцы катода 61, которые находятся в своем изогнутом состоянии, создают направленные внутрь силы смещения, которые побуждают зубцы пружинить или защелкиваться внутрь для перемещения фиксатора катода 43 в его неизогнутое состояние. Металлическая поверхность контакта 89 соединительного конца катода 55 прижимается к фиксатору электрода 45 для электрического соединения катода 33 и электрода 37. Движение внутрь фиксатора катода 43 в целом совмещает по оси (например, обычно при перекрытии (наложении) или нависании) фиксирующую поверхность 123 соединительного конца электрода 105 с фиксирующими поверхностями 85 соединительного конца катода 55. Другими словами, радиальная фиксирующая поверхность электрода 123 совмещается с радиальными фиксирующими поверхностями катода 85 таким образом, что в случае осевого скольжения электрода 37 наружу из катода 33 в ходе сборки или демонтажа радиальная фиксирующая поверхность электрода 123 входит в зацепление с радиальными фиксирующими поверхностями фиксатора 85 для предотвращения выпадения электрода из головки горелки 31. Так как внешний диаметр D2 соединительного конца электрода 105 у фиксатора электрода 45 больше, чем внутренний диаметр соединительного конца катода 55 у поверхности контакта 89, то зубцы катода 61 остаются в изогнутом состоянии после соединения электрода 37 и катода 33, что позволяет сохранять силы смещения, толкающие зубцы вперед с прижимом к фиксатору электрода 45 для обеспечения хорошего электрического контакта между катодом и электродом.
Для завершения сборки газораспределитель 135 помещают на электроде 37, наконечник 131 располагают поверх электрода с посадкой на газораспределителе, после чего устанавливают экранирующий колпачок 137 поверх наконечника и газораспределителя и соединяют его на резьбе с корпусом горелки 35 для осевой фиксации расходуемых компонентов в головке горелки 31. После крепления экранирующего колпачка 137 к корпусу горелки 35 заплечик 111 газораспределительного кольца 103 электрода 37 входит в зацепление с кольцевым седлом 115 центрального изолятора 39 для обеспечения надлежащего осевого положения электрода в головке горелки.
Для демонтажа (разборки) горелки удаляют экранирующий колпачок 137 из корпуса горелки 35 и со скольжением извлекают наконечник 131 и газораспределитель 135 из горелки. Электрод 37 разъединяют от катода 33 за счет вытягивания по оси наружу за нижний конец 101 электрода. Фиксирующая поверхность электрода 123 входит в зацепление с фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43, причем при приложении достаточной силы вытягивания по оси фиксирующая поверхность электрода толкает зубцы катода 61 наружу для перемещения фиксатора катода 43 далее в его изогнутое состояние, что позволяет произвести извлечение соединительного конца электрода 105 из соединительного конца 55 катода 33. Закругленная фиксирующая поверхность 123 кольцевого выступа 119 облегчает движение наружу зубцов 61 после ее входа в зацепление с фиксирующими поверхностями 85 фиксатора катода 43.
Как это показано на фиг.1-5 и описано ранее, плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением включает в себя взаимосоединяемые катод 33 и электрод 37, причем электрод вставляют в катод. Альтернативно, электрод 37 может иметь такую конструкцию и размеры, что он охватывает катод 33, причем фиксатор электрода 45 идет радиально внутрь от соединительного конца электрода 105, а фиксатор катода 43 выступает радиально наружу из соединительного конца катода 55 таким образом, что зубцы катода 61 изгибаются внутрь при относительном телескопическом движении катода и электрода.
На фиг.6-9 показан второй вариант плазменной горелки в соответствии с настоящим изобретением, в которой электрод 237 (в отличие от катода 33 первого варианта) имеет соединительный конец 305, который содержит упругие идущие продольно зубцы 361. Как и в описанном ранее первом варианте, горелка в соответствии со вторым вариантом имеет катод 233, электрод 237, центральный изолятор 239, газораспределитель 335, наконечник 331 и экранирующий колпачок 337. Электрод 237 выполнен с возможностью коаксиального телескопического введения в катод 233 по продольной оси Х горелки для электрического соединения с катодом.
В соответствии с этим вторым вариантом центральный изолятор 239 и электрод 237 имеют расположенные радиально напротив друг друга соответствующие фиксаторы 243 и 245. Эти фиксаторы 243, 245 входят во взаимозацепление друг с другом, когда электрод 237 введен в головку горелки 231, для предотвращения осевого перемещения электрода относительно центрального изолятора и наружу из горелки.
Как это показано на фиг.6, катод 233, который главным образом аналогичен катоду 33 первого варианта, имеет головку 251, корпус 253 и нижний соединительный конец 255. Центральная проточка 257, которая идет продольно главным образом по всей длине катода 233, служит для пропускания рабочего газа через катод. Соединительный конец 255 катода 233 имеет главным образом жесткую конструкцию и изготовлен из латуни, причем он не имеет втулки 87 из электроизоляционного материала и концевых колпачков 75, которые были использованы в первом варианте. Диаметр внутренней поверхности соединительного конца катода 255 расширяется наружу и образует заплечик 256 (фиг.9) для пробки 351 на соединительном конце. Пробка 351 является главным образом цилиндрической и имеет головку 353, размер которой позволяет вводить в нее соединительный конец 255 катода 233 до заплечика 256 при фрикционном контакте с внутренней поверхностью соединительного конца катода для крепления пробки в катоде. Корпус 355 пробки 351 идет вниз от головки и имеет существенно меньший диаметр, чем головка, так что внешняя поверхность корпуса смещена радиально внутрь от соединительного конца катода 255. Внутренняя поверхность соединительного конца 255 дополнительно расширяется наружу ниже заплечика 256 и головки 353 пробки 351 и образует поверхность контакта 289 соединительного конца катода для создания электрического контакта с электродом. Радиальное смещение между поверхностью контакта 289 и корпусом пробки 351 служит для создания кольцевого зазора (или выемки) 357, размер которого позволяет ввести в него соединительный конец электрода 305, при электрическом контакте с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255. Нижний конец 359 корпуса пробки 351 скошен внутрь и образует кулачковую поверхность, направляющую соединительный конец электрода 305 в выемку 357 при электрическом контакте с поверхностью контакта 289.
Электрод 237 в соответствии с этим вторым вариантом является главным образом цилиндрическим и имеет сплошной нижний конец 301, верхний соединительный конец 305, приспособленный для коаксиального телескопического введения в соединительный конец катода 255 и для соединения с центральным изолятором 239 у продольной оси X, а также кольцо 303, расположенное между верхним и нижним концами электрода. Электрод 237 в показанном варианте изготовлен из меди и имеет вставку (не показана, но является аналогичной вставке 107 первого варианта) из эмиссионного материала (например, из гафния), закрепленную обычным образом в выемке (не показана, но аналогична выемке 109 первого варианта) на основании электрода. Кольцо 303, которое выступает радиально наружу относительно верхнего и нижнего концов 305, 301 электрода 237, образует заплечик 311 между кольцом и верхним соединительным концом электрода. Центральная проточка 313 электрода 237 идет продольно внутри верхнего соединительного конца 305, главным образом от верхней части электрода вниз, при радиальном совмещении с кольцом 303 электрода. Верхняя часть электрода 237 является открытой для обеспечения сообщения между центральной проточкой катода 257 и центральной проточкой электрода 313 после введения электрода 237 в катод 233.
На фиг.6 и 7 показано, что верхний соединительный конец 305 электрода 237 имеет набор упругих продольных зубцов 361, образованных вертикальными щелями 363 на соединительном конце электрода, идущими главным образом по длине центральной проточки 313 электрода. Эти вертикальные щели 363 также служат для выпуска рабочего газа из соединительного конца электрода 305, главным образом аналогично отверстиям 117 газораспределительного кольца 103 описанного выше первого варианта. Зубцы 361 имеют нижние концы 365, выполненные как единое целое с кольцом 303 электрода 237, и свободные верхние концы 367. Зубцы 361 являются достаточно упругими для того, чтобы позволять главным образом радиальное перемещение между нормальным неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием, в котором зубцы изогнуты внутрь друг к другу и к центральной продольной оси Х горелки для уменьшения диаметра соединительного конца электрода 305, чтобы позволить ввести соединительный конец электрода в соединительный конец катода 255, как это будет описано ниже.
В соответствии с предпочтительным вариантом фиксатор электрода 245 имеет радиальный выступ 369, образованный как единое целое с каждым зубцом 361, выступающий радиально наружу из свободного верхнего конца 367 каждого зубца. Таким образом можно видеть, что фиксатор 245 на соединительном конце 305 электрода 237 служит для совместного радиального перемещения с зубцами 361 между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. Каждый выступ 369 имеет главным образом квадратное или прямоугольное поперечное сечение (фиг.9) и образует верхнюю поверхность 371, нижнюю радиальную фиксирующую поверхность 373 и внешнюю поверхность контакта 375, предназначенную для электрического контакта с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255. Однако следует иметь в виду, что форма фиксатора 245 может варьировать, что не выходит за рамки изобретения, при условии, что фиксатор имеет нижнюю радиальную фиксирующую поверхность 373, которая идет главным образом радиально наружу от соединительного конца 305 электрода 237, а электрод может иметь электрическое соединение с катодом 239. Кроме того, в соответствии с предпочтительным вариантом соединительный конец 305 электрода 237 имеет 4 упругих зубца 361, однако это число может варьировать, что не выходит за рамки изобретения.
Центральный изолятор 239 в соответствии с этим вторым вариантом содержит кольцевое седло 315, которое идет радиально внутрь до диаметра, главным образом меньшего, чем внешний диаметр кольца электрода 303, так что заплечик 311, образованный указанным кольцом, входит в зацепление с кольцевым седлом для ограничения глубины ввода электрода 237 в катод 233 и для осевой установки электрода в головке горелки 231. Фиксатор 243 на центральном изоляторе 239 образован при помощи кольцевого, идущего радиально внутрь выступа 381, расположенного между основанием катода 239 и кольцевым седлом 315 центрального изолятора. Как это показано на чертежах для данного варианта, фиксатор 243 преимущественно расположен рядом с основанием катода 233. У нижнего конца выступа 381 внутренний диаметр центрального изолятора сужается внутрь и образует кулачковую поверхность 383, предназначенную для начала изгиба внутрь зубцов электрода 361 в их изогнутое состояние после введения электрода через центральный изолятор 239. Внутренний диаметр центрального изолятора 239 вновь расширяется наружу у верхнего конца фиксатора 243 и образует радиальную фиксирующую поверхность 385 центрального изолятора, которая радиально и по оси расположена напротив фиксирующей поверхности электрода 373. Наклонная фиксирующая поверхность 385 фиксатора центрального изолятора 243 также образует кулачковую поверхность для изгиба внутрь зубцов электрода 361, что позволяет облегчить извлечение электрода 237 из катода 233 при демонтаже горелки. Фиксирующая поверхность 385 центрального изолятора 239 преимущественно имеет наклон наружу до диаметра, равного или немного меньшего, чем внутренний диаметр поверхности контакта 289 соединительного конца катода 255, что позволяет направлять ввод соединительного конца электрода 305 в соединительный конец катода, когда производят вставку электрода 237 в горелку.
Как это лучше всего показано на фиг.9, фиксатор электрода 245 имеет диаметр, превышающий внутренний диаметр поверхности контакта 289 соединительного конца катода 255, так что после введения электрода 237 через центральный изолятор 239 в соединительный конец катода зубцы 261 и фиксатор электрода будут оставаться в изогнутом внутрь состоянии. Изогнутые внутрь зубцы 361 создают силу смещения, которая толкает зубцы наружу, за счет чего фиксатор электрода 245 движется радиально наружу и входит в электрический контакт с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255, что приводит к электрическому соединению электрода 237 и катода 233.
Для сборки плазменной горелки в соответствии со вторым вариантом вводят электрод 237, верхним соединительным концом 305 вперед, в головку газовой горелки через центральный изолятор 239. После проталкивания соединительного конца электрода 305 за кольцевое седло 315 центрального изолятора 239 верхние поверхности 371 радиальных выступов 369 на зубцах 361 электрода 237 входят в зацепление с наклонной нижней кулачковой поверхностью 383 центрального изолятора фиксатора 243. Кулачковая поверхность 383 толкает зубцы электрода 361 внутрь с преодолением направленного наружу смещения зубцов, что радиально перемещает фиксатор электрода 245 внутрь в его изогнутое состояние, за счет чего уменьшается внешний диаметр соединительного конца электрода 305 у фиксатора электрода, что позволяет произвести дальнейшее введение соединительного конца электрода через центральный изолятор 239 в соединительный конец катод 255 до положения, в котором радиальные фиксирующие поверхности 373 фиксатора электрода 245 находятся над радиальной фиксирующей поверхностью 385 фиксатора центрального изолятора 243.
Как только фиксатор электрода 245 проталкивают вверх за фиксатор центрального изолятора 243 и в соединительный конец катода 255, фиксатор электрода 243 приходит в положение радиального совмещения с поверхностью контакта 289 соединительного конца катода 255, в котором внутренний диаметр соединительного конца катода больше, чем внутренний диаметр у фиксатора центрального изолятора. Зубцы электрода 361, которые находятся в их изогнутом состоянии, создают направленные наружу силы смещения, которые толкают зубцы наружу и перемещают фиксатор электрода 243 в его неизогнутое состояние. Внешние поверхности контакта 375 радиальных выступов зубцов 369 принудительно смещаются наружу и прижимаются к поверхности контакта соединительного конца катода 289 для электрического соединения катода 233 и электрода 237. Движение наружу фиксатора электрода 243 в целом совмещает по оси (например, при перекрытии или нависании) фиксирующие поверхности 373 соединительного конца электрода 305 с фиксирующей поверхностью 385 центрального изолятора 289. Другими словами, радиальные фиксирующие поверхности электрода 373 совмещаются с фиксирующей поверхностью центрального изолятора 385, так что в случае осевого скольжения электрода 237 наружу из головки горелки 231 в ходе сборки или демонтажа радиальные фиксирующие поверхности электрода 373 входят в зацепление с радиальной фиксирующей поверхностью 385 центрального изолятора 239 для предотвращения выпадения электрода из головки горелки 231.
Так как внешний диаметр соединительного конца электрода 305 у фиксатора 243 больше, чем внутренний диаметр соединительного конца катода 255 у поверхности контакта 289, то зубцы электрода 361 остаются в изогнутом внутрь состоянии после вставки электрода 237 в катод 233 и продолжают создавать силы смещения, прижимающие фиксатор электрода 245 наружу к поверхности контакта катода для обеспечения хорошего электрического соединения между катодом 233 и электродом. Когда имеется небольшая постоянная деформация внутрь зубца электрода 361, тогда смещение наружу зубца может быть недостаточным для создания хорошего электрического контакта фиксатора электрода 245 с поверхностью контакта катода 289. В таком случае верхняя поверхность 371 радиального выступа 369 на деформированном зубце 361 будет входить в зацепление с наклонным нижним концом 359 корпуса пробки 355 после введения соединительного конца электрода 305 в соединительный конец катода 255. Наклонный нижний конец 359 образует кулачковую поверхность, которая толкает зубец электрода 361 наружу, за счет чего происходит перемещение фиксатора электрода радиально наружу с посадкой в выемку 357 между корпусом пробки 355 и поверхностью контакта 289, при этом выступы зубцов 369 будут находиться в электрическом контакте с поверхностью контакта.
Для завершения сборки газораспределитель 235 помещают на электроде 237, наконечник 231 располагают поверх электрода с посадкой на газораспределителе, после чего устанавливают экранирующий колпачок 237 поверх наконечника и газораспределителя и соединяют его на резьбе с корпусом горелки 235 для осевой фиксации расходуемых компонентов в головке горелки 231. После крепления экранирующего колпачка 237 в корпусе горелки 235 заплечик 311 кольца 303 электрода 237 входит в зацепление с кольцевым седлом 315 центрального изолятора 239 для обеспечения надлежащего осевого положения электрода в головке горелки.
Для демонтажа горелки удаляют экранирующий колпачок 237 из корпуса горелки 235 и со скольжением извлекают наконечник 231 и газораспределитель 235 из горелки. Электрод 237 удаляют из горелки за счет его вытягивания по оси наружу за нижний конец 301 электрода. Фиксирующая поверхность электрода 373 входит в зацепление с наклонной фиксирующей поверхностью 385 фиксатора центрального изолятора 243, причем при приложении достаточной силы вытягивания по оси указанная наклонная фиксирующая поверхность толкает зубцы электрода 361 далее внутрь для перемещения фиксатора электрода 245 далее в его изогнутое состояние, что позволяет произвести извлечение соединительного конца электрода 305 из центрального изолятора 239.
В соответствии с указанным вторым вариантом плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением содержит электрод 237 и центральный изолятор 239, которые имеют входящие во взаимозацепление фиксаторы 245, 243, предотвращающие осевое перемещение электрода наружу из горелки в процессе сборки горелки. Однако следует иметь в виду, что вместо фиксатора 243, который выходит радиально из центрального изолятора 239, фиксатор может выходить радиально из внутренней поверхности соединительного конца катода 255 аналогично описанному выше для первого варианта, что не выходит за рамки настоящего изобретения. Кроме того, размеры и конструкция электрода 237 могут быть выбраны таким образом, что он охватывает катод 233, при этом фиксатор электрода 245 идет радиально внутрь от соединительного конца электрода 305, а соответствующий фиксатор катода идет радиально наружу из соединительного конца катода 255, так что зубцы электрода 361 изгибаются наружу при относительном телескопическом движении катода и электрода.
Из приведенного описания можно сделать вывод о том, что плазменная горелка в соответствии с настоящим изобретением имеет электрически соединенные катод и электрод, причем катод 33 и электрод 37 имеют также и механическое взаимное соединение, или же электрод 237 и другая часть горелки, такая как центральный изолятор 239 во втором варианте, имеют также и механическое взаимное соединение, что является усовершенствованием обычных конструкций плазменных горелок. Расположенные напротив друг друга фиксаторы 43, 45 соединительных концов 55, 105 катода и электрода или фиксаторы 243, 245 центрального изолятора 239 и соединительного конца электрода 305 во втором варианте входят во взаимозацепление для предотвращения ослабления контакта при вибрации или выпадения электрода из горелки в процессе сборки горелки. Следовательно, риск выпадения и/или ослабления контакта электрода 37, 237 существенно снижается. Более того, наличие упругих зубцов 61, 361 позволяет производить быстрое телескопическое соединение (и разъединение) электрода 37, 237 с катодом 33 или с центральным изолятором 239, в результате чего сборка горелки упрощается и требует меньше времени. В соответствии с первым вариантом, который описан со ссылкой на фиг.1-5, предусмотрены электроизоляционные концевые колпачки 75 на зубцах 61, которые образуют фиксатор катода 43, препятствующий использованию электрода, не имеющего соединительного конца 105 с фиксатором электрода 45 в соответствии с настоящим изобретением. Например, если соединительный конец электрода 105 не имеет фиксатора, только изоляционный концевой колпачок 75 входит в контакт с соединительным концом электрода после введения электрода 37 в катод 33, что не позволяет получить необходимый электрический контакт между катодом и электродом. Таким образом, фиксатор электрода 45 в соответствии с настоящим изобретением должен иметь электрический контакт с поверхностью контакта 89 катода 33 над фиксатором катода 43.
Несмотря на то, что был описан предпочтительный вариант осуществления изобретения, совершенно ясно, что в него специалистами в данной области могут быть внесены изменения и дополнения, которые не выходят однако за рамки приведенной далее формулы изобретения.
Изобретения относятся к области сварки, в частности к плазменным горелкам и используемым в них катодам и электродам, и может найти применение в различных отраслях машиностроения. Плазменная горелка имеет катод и электрод, имеющие соединительные концы, приспособленные для коаксиального телескопического соединения друг с другом на центральной продольной оси горелки. На соединительных концах катода и электрода предусмотрены входящие во взаимное зацепление фиксаторы. По меньшей мере один из фиксаторов выполнен с возможностью перемещения, главным образом, в радиальном направлении относительно центральной продольной оси горелки между неизогнутым состоянием и изогнутым состоянием. По меньшей мере один из фиксаторов совершает перемещение из неизогнутого состояния в изогнутое состояние, когда указанные катод и электрод вдвигают один в другой, и совершает перемещение из изогнутого состояния назад в неизогнутое состояние, когда катод и электрод дополнительно вдвигают до точки, в которой фиксаторы на катоде и электроде главным образом совмещаются по оси. В этом положении, по меньшей мере, один фиксатор входит в зацепление с другим фиксатором для обеспечения окончательного соединения катода и электрода и для предотвращения осевого перемещения электрода наружу из катода. Такое выполнение позволяет обеспечить надежное соединение в плазменной горелке катода и электрода. 5 н. и 18 з.п. ф-лы, 9 ил.
| US 4914271 A, 03.04.1990.SU 1473930 A1, 23.04.1989.ЕР 0896850 А1, 17.02.1999.US 4914271 A, 03.04.1990.EP 0056421 A1, 28.07.1982.SU 765528 A, 02.10.1980.SU 1707312 А, 23.01.1992.SU 1325210 А1, 23.07.1987.SU 889917 А, 15.12.1981. |
