ЭЛЕКТРОДУГОВОЙ ПЛАЗМОТРОН Российский патент 2008 года по МПК H05B7/20 H05H1/32 B23K10/00 

Изобретение относится к машиностроению, в частности к плазменной технике, и может быть использовано в установках для плазменно-дуговой резки металла.

Известен электродуговой плазмотрон, включающий корпус, выполненный из диэлектрика, с установленным в нем полым медным катодом, водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, в которой выполнены сквозные каналы, цилиндрический кожух с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, с помощью которого закреплены в диэлектрическом корпусе электрод и сопло, диэлектрическую прокладку, расположенную между электродом и соплом, в конусной части которого выполнены тангенциальные канавки (Патент Украины №66919, кл. H05B 7/22, B23K 9/16, заявл. 01.11.2001, опубл. бюл. №6, 2004).

Недостатком известного плазмотрона является недостаточная надежность его работы из-за выхода из строя теплонагруженных элементов - электрода и сопла по причине низкой эффективности системы охлаждения.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят электродуговой плазмотрон, который включает диэлектрический корпус, в котором установлены полый медный электрод, сопло и водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, в которой выполнены сквозные каналы, при этом электрод и сопло закреплены в диэлектрическом корпусе с помощью диэлектрического кожуха с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, с расположенной между электродом и соплом диэлектрической уплотнительной прокладкой, с выполненными в конусной части сопла тангенциальными отверстиями, согласно изобретению, в торце электрода герметично укреплена втулка, на поверхности которой выполнены резьбовые канавки, соединяющие через герметичную диэлектрическую вставку канал подачи газа с внутренней полостью электрода, при этом в зазоре между соплом и кожухом установлена цилиндрическая втулка, в которой выполнена полость, соединяющая коллектор подачи газа с кольцевой щелью, образованной поверхностью сопла и поверхностью конически сужающегося кожуха (Патент Украины №68449, кл.7 H05B 7/22, B23K 9/16, заявл. 18.03.2002, опубл. бюл. №8, 2004).

Существующая в прототипе электрическая связь соленоида с электродом, при одинаковой намотке соленоида, осуществлялась в одной точке, что приводило к прогару полого катода из-за нарушения топографии магнитного поля в месте пайки, что снижает стойкость плазмотрона и, следовательно, надежность работы.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электродугового плазмотрона, в котором путем модификации конструкции основных узлов увеличивается стойкость сопла и полого электрода, обеспечивается стабильность геометрических и энергетических параметров плазменной дуги, увеличивается интенсивность теплосъема с теплонагруженных узлов и за счет этого обеспечивается повышение ресурса работы плазмотрона и его надежность.

Поставленная задача решается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем диэлектрический корпус, в котором установлены полый медный электрод, сопло и водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, каналы подвода воды и газа, при этом электрод и сопло закреплены в диэлектрическом корпусе с помощью цилиндрического кожуха с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, а в торце медного электрода установлен торцевой завихритель, выполненный в виде втулки, согласно изобретению, между полым медным электродом и соплом установлен кольцевой изолятор, к которому герметично примыкают основной завихритель, выполненный в виде кольца с тангенциальными отверстиями, и кольцевой водяной коллектор, причем основной и торцевой завихрители связаны через золотники перераспределения расхода газа с каналом подачи газа, а соленоид расположен внутри стальной цилиндрической гильзы, один торец которой примыкает к клемме-вставке, установленной в зоне стыка полого медного электрода и кольцевого водяного коллектора, при этом клемма-вставка выполнена со сквозными отверстиями, соединяющими кольцевой водяной коллектор с полостью, образованной стенками электрода и цилиндрической гильзы, причем оси смежных сквозных отверстий расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона, а другой торец гильзы примыкает к диэлектрическому корпусу, при этом соленоид выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода одинакового сечения, выходные концы соленоида, каждый в отдельности, припаяны равномерно по окружности к клемме-вставке, а в торцевом завихрителе выполнены сквозные тангенциальные отверстия, соединяющие канал подачи газа с полостью электрода.

Перераспределение расхода газа с помощью золотников позволяет настроить режим горения дуги с привязкой внутри полости электрода. Увеличение расхода газа через торцевой завихритель передвигает привязку дуги к выходному сечению полого электрода. Уменьшение расхода - передвигает привязку к торцевому завихрителю. Ресурс полого медного электрода зависит от места привязки дуги. Перемещение места привязки дуги по внутренней поверхности электрода вдоль его оси позволяет увеличить ресурс работы этого электрода и всего плазмотрона в целом.

Припайка равномерно по окружности клеммы-вставки отдельных проводов соленоида позволяет выровнять топографию магнитного поля внутри полости полого медного электрода, ликвидировать локальную внутреннюю привязку дуги, распределив эту привязку по всей внутренней поверхности электрода, что позволяет увеличить ресурс работы плазмотрона.

Расположение соленоида внутри стальной цилиндрической гильзы позволяет сформировать поток жидкости, охлаждающей соленоид и полый медный электрод, усилить магнитное поле внутри электрода, а следовательно, увеличить скорость вращения дуги и ресурс электрода.

Подача воды через сквозные отверстия в клемме-вставке увеличивает теплоотдачу от стенки электрода в зоне шунтирования дуги, поскольку максимальный тепловой поток со стенки снимается в зоне торможения струи. Выполнение сквозных отверстий в клемме-вставке таким образом, что угол между осями смежных отверстий в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона, составляет α=60-70°, при одинаковом количестве отверстий, увеличивает поверхность контакта электрода с охлаждающей жидкостью и позволяет охватить активным охлаждением максимальную площадь электрода. При значении угла α<60° эффективность охлаждения уменьшается. Верхний предел значения угла α=70° ограничен конструктивными возможностями выполнения отверстий в клемме-вставке, предназначенных для перетока охлаждающей жидкости из кольцевого водяного коллектора в полость, образованную стенками электрода и цилиндрической гильзы. Выбранные рациональные значения угла α=60-70° расширяют зону интенсивного охлаждения и обеспечивают возрастание ресурса электрода.

Выполнение сквозных тангенциальных отверстий в торцевом и основном завихрителях позволяет осуществить вихревую стабилизацию дуги при подаче плазмообразующего газа путем интенсивного ее обжатия, что увеличивает теплоизоляцию стенок электрода и сопла от дуги.

Сущность изобретения поясняется чертежами,

где на фиг.1 представлен продольный разрез электродугового плазмотрона с узлами газораспределения;

на фиг.2 - продольный разрез электродугового плазмотрона с узлами водоохлаждения;

на фиг.3 - разрез А-А фиг.2;

на фиг.4 - продольный разрез клеммы-вставки.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, выполненного из диэлектрика, внутри которого расположен полый медный электрод 2, на наружной поверхности которого выполнены канавки 3. Электрод 2 размещен внутри водоохлаждаемого соленоида 4. Соленоид 4 расположен внутри стальной цилиндрической гильзы 5, один торец которой примыкает к клемме-вставке 6, в которой выполнены сквозные отверстия 7, связывающие полость 8, образованную наружными стенками электрода 2 и внутренними стенками гильзы 5, с кольцевым водяным коллектором 9. Оси смежных сквозных отверстий 7 расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона. Другой торец гильзы 5 сопряжен с диэлектрическим корпусом 1. Соленоид 4 выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода одинакового сечения и связан, с одной стороны, совместной скруткой с токопроводом 10, а с другой - с электродом 2 через клемму-вставку 6, причем каждый отдельный провод соленоида припаян через равные расстояния по окружности клеммы-вставки 6.

Полый электрод 2 и сопло 11 закреплены в диэлектрическом корпусе 1 с помощью цилиндрического кожуха 12 с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части. В диэлектрическом корпусе выполнены канал 13 для подвода, канал 14 для отвода охлаждающей жидкости и канал 15 подачи газа.

В верхней части полого электрода 2 установлен торцевой завихритель 16, выполненный в виде втулки с тангенциальными отверстиями, соединяющими канал 15 подачи газа с внутренней полостью электрода 2. Между полым электродом 2 и соплом 11 установлен кольцевой изолятор 17, к которому герметично примыкает основной завихритель 18, выполненный в виде кольца с тангенциальными отверстиями, соединяющими канал 15 подачи газа с полостью сопла 11.

Основной завихритель 18 и торцевой завихритель 16 связаны через золотники 19 и 20 перераспределения расхода газа с каналом 15 подачи газа.

Плазмотрон работает следующим образом.

Через канал 15 подачи газа плазмообразующий газ проходит золотники 19 и 20 перераспределения расхода газа и поступает на основной завихритель 18 и торцевой завихритель 16. Газовый поток, проходя через тангенциальные отверстия основного завихрителя 18, поступает в сопло 11. Одновременно газ через торцевой завихритель 16 поступает во внутреннюю полость медного электрода 2. В результате смешения воздушных потоков в полости медного электрода образуется зона только с тангенциальным направлением движения газа. В этой зоне формируется минимальное давление газа и именно в этой зоне осуществляется привязка дуги. Путем изменения соотношений расходов газа через торцевой и основной завихрители можно перемещать эту зону по длине электрода, управляя процессом износа его внутренней поверхности.

Охлаждающая жидкость, например вода, подается в плазмотрон по каналу 13, поступает в круговую полость сопла 11 и далее - в кольцевой водяной коллектор 9, из которого через отверстия 7 в клемме-вставке 6 направляется в полость 8, образованную наружными стенками электрода 2 и внутренними стенками цилиндрической гильзы 5, охлаждая при этом соленоид 4 и одновременно электрод 2. Из полости 8 вода направляется в канал 14 отвода.

Золотники 19 и 20 устанавливают необходимый расход газа, подаваемого на основной и торцевой завихрители. На плазмотрон подают напряжение от источника электропитания и одновременно с помощью осциллятора возбуждают дуговой разряд в промежутке между полым электродом и стенкой сопла. Дуговой разряд выдувают газовым вихрем через канал сопла 11, который, перемещаясь вдоль стенки сопла, обеспечивает тепловую изоляцию столба дуги от стенки канала сопла и не допускает местного перегрева. После шунтирования дугового разряда на разрезаемое изделие, отключают систему возбуждения. Выводят плазмотрон на рабочий режим, устанавливают необходимую скорость перемещения плазмотрона и осуществляют резку изделия.

Перераспределение газа с помощью золотников и управление столбом дуги с помощью соленоида, а также интенсивный теплосъем позволяют более сильно обжать плазменную дугу и обеспечить тем самым большую производительность устройства для плазменной резки при повышенной стойкости сопла и электрода.

Электродуговой плазмотрон предназначен для плазменно-дуговой резки металлов. К кольцевому изолятору, установленному между полым медным электродом (2) и соплом (11), герметично примыкают основной завихритель (18) и кольцевой водяной коллектор (9). Основной (18) и торцевой (16) завихрители через золотники (19, 20) перераспределения расхода газа связаны с каналом подачи газа (15). Соленоид (4) расположен внутри стальной цилиндрической гильзы, один торец которой герметично примыкает к клемме-вставке (6), а другой торец гильзы - к диэлектрическому корпусу (1). В клемме-вставке (6) выполнены сквозные отверстия, связанные с полостью, образованной стенками электрода (2) и цилиндрической гильзы (5). Оси смежных сквозных отверстий клеммы-вставки (6) расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона. Соленоид (4) выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода, выходные концы которого припаяны равномерно по окружности к клемме-вставке (6). За счет конструктивного выполнения повышается производительность, надежность и экономичность устройства для плазменной резки. 1 з.п. ф-лы, 4 ил.

1. Электродуговой плазмотрон, содержащий диэлектрический корпус, в котором установлены полый медный электрод, сопло и водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, каналы подвода воды и газа, при этом электрод и сопло закреплены в диэлектрическом корпусе с помощью цилиндрического кожуха с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, а в торце медного электрода установлен торцевой завихритель, выполненный в виде втулки, отличающийся тем, что между полым медным электродом и соплом установлен кольцевой изолятор, к которому герметично примыкают основной завихритель, выполненный в виде кольца с тангенциальными отверстиями, и кольцевой водяной коллектор, причем основной и торцевой завихрители связаны через золотники перераспределения расхода газа с каналом подачи газа, а соленоид расположен внутри стальной цилиндрической гильзы, один торец которой примыкает к клемме-вставке, установленной в зоне стыка полого медного электрода и кольцевого водяного коллектора, при этом клемма-вставка выполнена со сквозными отверстиями, соединяющими кольцевой водяной коллектор с полостью, образованной стенками электрода и цилиндрической гильзы, а другой торец гильзы примыкает к диэлектрическому корпусу, при этом соленоид выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода одинакового сечения, выходные концы соленоида, каждый в отдельности, припаяны равномерно по окружности к клемме-вставке, а в торцевом завихрителе выполнены сквозные тангенциальные отверстия, соединяющие канал подачи газа с полостью электрода.2. Электродуговой плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что оси смежных сквозных отверстий клеммы-вставки расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона.