ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ РЕЗКИ МЕТАЛЛОВ Российский патент 2009 года по МПК B23K10/00 

Плазмотрон для резки металлов относится к устройствам для плазменной автоматизированной и полуавтоматизированной резки металлов.

Из уровня техники известны аналогичные устройства, защищенные патентами РФ на изобретения и полезные модели: №1223533, №2198772, №2036059, №2138375, №2192338, №2193955, №7359, №2145536, №944839, №2032507, №37334, №20871, №18664, №8917.

Принцип работы всех вышеперечисленных устройств-аналогов состоит в использовании потока воздуха или иного плазмообразующего газа частично для охлаждения нагревающихся деталей и узлов плазмотрона, частично для создания закрученной плазменной дуги, непосредственно участвующей в процессе резки металла.

Существенными признаками перечисленных выше устройств - аналогов являются наличие катода с плазмогенерирующей вставкой, катододержателя, корпуса, изолятора, предназначенного для изоляции корпуса от катододержателя, завихрительной системы, сопла, соплодержателя и других необходимых конструктивных элементов.

Характерными недостатками всех вышеперечисленных плазмотронов воздушного охлаждения являются конструктивные ограничения на получение плазменной дуги с минимально возможным диаметром выходного канала и максимальной мощностью плазменной дуги, препятствующие удовлетворению следующих требований:

1) Максимально возможного сохранения концентричной формы выходного канала сопла в процессе работы, что предусматривает равномерное и незначительное увеличение ширины реза по мере износа расходных материалов - сопел и катодов, не увод реза по ГОСТ 14792-80 «Детали и заготовки, вырезаемые кислородной и плазменно-дуговой резкой» и удобство работы оператора, избавленного от необходимости постоянно контролировать качество плазменной дуги.

2) К охлаждению катода с целью недопустимости превышения критического значения температуры катода и плазмогенерирующей вставки, которое приводит к моментальному перегреву плазмогенерирующей вставки, околовставочной зоны и развитию не плазменной, а обширной сварочной дуги между катодом и соплом, которая мощностью источника за доли секунды разрушает катод и сопла, далее - завихрительную систему, катододержатель, прожигает изолятор и корпус.

3) К охлаждению катода при его работе на пределе допустимого значения температуры, что приводит к потере физического контакта вставки с катодом, что в свою очередь приводит к подкалке циркония и потере омического контакта с катодом. Сопротивление току, проходящему через плазмогенерирующую вставку, растет, ток уменьшается, мощность резко падает и возможно выключение плазменной дуги вовсе.

4) К надежности изолятора, конструкция которого должна обеспечить защиту от электрического пробоя между катодом и корпусом, как в момент высоковольтного поджига, так и в режиме низковольтной рабочей дуги, соответственно, для обеспечения целостности и изолятора, и плазмотрона в целом.

5) К эффективности отвода тепла от плазменной струи, передаваемого каналообразующему отверстию сопла. Необходима эффективная, за счет большей скорости истечения воздуха из тангенциальных завихрительных каналов, система закручивания плазменной струи. В противном случае сопло получает тепло, достаточное для расплавления выходного канала. Практика показывает, что в случае неэффективного закручивания дуги отверстие выходного канала круглой формы деформируется в овал, либо какое угодно отверстие некруглой формы, последствия которого для резки становятся необратимыми: разрезаемая деталь становится браком, а стоимость ущерба в ряде случаев несоизмеримо больше стоимости разрезаемой заготовки.

6) К конструкции завихрителя, обеспечивающей защиту изолирующей втулки от прямого и отраженного от внутренней конусной поверхности сопла плазменного излучения.

7) Обеспечению целостности несменяемых деталей плазмотрона, при штатном прогнозируемом износе и разрушении катодов, сопел и изолирующих втулок. Конструкция плазмотрона для резки металла должна гарантировать, что любое изменение состояния катода, сопла или изолирующей втулки не приведет к необратимым изменениям параметров системы охлаждения катода, катододержателя, корпуса, изолятора и соплодержателя.

8) К конструкции плазмотрона для резки металла, которая должна гарантировать, что критическое состояние катода или сопла, которое предположительно может вызвать неплазменный и/или сварочно-плазменный дуговой разряд без моментального ухудшения качества реза (увода, не прореза и т.д.) должна обеспечивать самопроизвольное выключение плазменной дуги, что визуально и акустически определяется оператором, который штатно прекращает резку. Такая же ситуация должна происходить и при критически выработанной изолирующей втулке завихрителя: после ее штатного прогнозируемого выгорания плазмотрон не должен включаться без замены расходных материалов.

Вышеперечисленные требования выполнимы лишь при решении сложных технических и конструкторских задач преимущественно на основе использования новых элементов, а также за счет использования материалов с определенными свойствами и характеристиками.

Наиболее близким по достигаемому результату к заявляемому изобретению является защищенное патентом РФ №2193955 «Плазмотрон для резки и установка для плазменно-дуговой резки» устройство, состоящее из электрода с плазмогенерирующей вставкой, электрододержателя, сопла, рассекателя, корпуса и других конструктивных элементов, соединенных между собой каналами и полостями.

Недостатком данного плазмотрона для резки металлов является недостаточное охлаждение катода, сопла и неэффективная завихрительная система. Эти факторы суммарно приводят к ограничению возможностей устройства для получения с его помощью мощной и узкой плазменной струи.

Задачей заявляемого изобретения является создание конструкции плазмотрона для резки металлов, предназначенной для обеспечения максимальной защиты нагреваемых частей и деталей плазмотрона от прямого и косвенного плазменного излучения, а также теплового нагрева, при одновременном обеспечении минимального диаметра, эффективной закрученности и увеличения мощности плазменной струи с соблюдением в процессе работы формы геометрии сопла, увеличения ресурса активной вставки катода, увеличения надежности несменяемых частей плазмотрона в не зависимости от штатных и нештатных состояний катода, сопла и изолирующей втулки завихрителя.

Техническим результатом изобретения является повышение мощности плазменной струи с одновременным уменьшением диаметра ее сечения и улучшением рабочей геометрии выходного канала сопла.

Для достижения этого результата разработана конструкция плазмотрона для резки металлов, в состав которого входят корпус, изолятор, сопло, соплодержатель, катододержатель, рассекатель, катод с плазмогенерирующей вставкой, завихритель, состоящий из экрана, изолирующей втулки с тангенциальными отверстиями и обечайки, и контргайка. В плазмотроне для резки металлов сопло закреплено и прижато соплодержателем к обечайке завихрителя. Обечайка опирается на центральную втулку, снабженную шлицевыми каналами, запрессованными в корпус на уровне выступа между средней и выходной полостями корпуса, разделяющих его воздушным промежутком, от изолятора, в котором выполнены противоканалы. Противоканалы соединяют среднюю полость корпуса и выходную распределительную полость катододержателя, снабженного винтовыми радиаторными каналами, соединяющими выходную и входную распределительные полости катододержателя, причем входная распределительная полость соединена радиальными каналами с внутренней полостью катододержателя. Плазмотрон дополнительно содержит группу фиксирующих штифтов, установленных в глухих парных равноуглубленных соосных отверстиях торцевого выступа катододержателя и внутреннего уступа изолятора, и в торцевом выступе изолятора и внутреннего уступа корпуса, при этом контргайка, сжимающая и фиксирующая изолятор, корпус и катододержатель, внутренним уступом прижата к изолятору, а выступом - к торцевой части корпуса.

Диаметр фиксирующих штифтов равен 0.2-0.5 диаметра отверстия входного канала, а длина штифтов составляет 0.5-0.9 диаметра отверстия входного канала катододержателя.

Угол наклона противоканалов изолятора к центральной оси плазмотрона лежит в пределах от 12 град. до 18 град.

Суммарная площадь сечения противоканалов составляет 1.1-1.6 площади сечения входного канала.

Радиальные каналы катододержателя, соединяющие его внутреннюю кольцевую полость с входной распределительной полостью, выполнены на уровне уступа катододержателя, в основание которого вкручивается рассекатель.

Ширина входной и выходной распределительных кольцевых полостей равна 0.2-0.6 диаметра отверстия входного канала.

Суммарная площадь сечения трапецеидальных винтовых радиаторных каналов катододержателя равна 1.2-1.7 площади сечения входного канала.

Длина торцевого фронтального выступа катододержателя равна 0.3-0.6 диаметра отверстия входного канала.

Площадь сечения кольцевой средней полости корпуса равна 1.3-1.6 площади сечения входного канала.

Площадь сечения выходной полости корпуса равна 1.7-2.1 площади сечения выходного канала.

Центральная втулка корпуса имеет параллельные сквозные отверстия суммарной площадью 1.1-1.4 площади сечения входного канала.

Обечайка завихрителя опирается на центральную втулку корпуса.

Экран завихрителя запрессован между выступом изолирующей втулки, обращенным к соплу, и внутренним уступом обечайки.

В завихрителе выполнены сквозные через обечайку и изолирующую втулку тангенциальные завихрительные отверстия.

Суммарная площадь сечений тангенциальных отверстий изолирующей втулки равна 0.2-0.4 площади сечения входного канала.

Экран завихрителя выполнен из материала, обладающего свойствами повышенной жаропрочности и низкой теплопроводности.

Дистанция между внутренней поверхностью изолирующей втулки завихрителя и внешней поверхностью катода равна 1.0-1.5 диаметра тангенциальных отверстий завихрителя.

Предлагаемый плазмотрон для резки металла иллюстрируется чертежом в виде продольного сечения, представленным на фиг.1.

Плазмотрон для резки металла (фиг.1) содержит корпус 1, к которому посредством резьбы присоединен соплодержатель 2 с форсунками 3, закрепляющий и фиксирующий сопло 4 в обечайке 5 в соосном с катодом 6 положении и обеспечивающий заданный зазор между внутренним конусом сопла 4 и катодом 6 с плазмогенерирующей вставкой. В корпус 1 запрессован изолятор 7, снабженный противоканалами 8, соединяющими среднюю полость 9 корпуса 1 и выходную распределительную полость 10 катододержателя 11. Фронтальный выступ изолятора 7 ближе к соплу 4 соединен изолирующей втулкой, снабженной сквозными через нее и через обечайку 5 тангенциальными отверстиями 12 (на фиг.1 показаны оси отверстий). Экран 13 прижат внутренним уступом обечайки 5 к изолирующей втулке 14. Обечайка 5 опирается на центральную втулку 15 корпуса 1, в которой выполнены сквозные отверстия, соединяющие среднюю 9 и выходную 16 полости корпуса 1.

Катододержатель содержит винтовые трапецеидальные радиаторные каналы 17 (изображены в виде резьбы на фиг.1), соединяющие выходную 10 и входную 18 распределительные полости катододержателя 11. Радиальные каналы 19 соединяют входную распределительную полость 10 с внутренней щелевой полостью 20 катододержателя 11, сообщающейся на границе торцевой части рассекателя 21 с входным каналом 22 катододержателя 1.

Изолятор 7 снабжен группой фиксирующих штифтов 23, расположенных в глухих равноуглубленных парных соосных отверстиях торцевой части катододержателя 11 ближе к хвостовой части 24 и внутреннего уступа изолятора 7. Аналогичные фиксирующие штифты 23 расположены в равноуглубленных парных соосных отверстиях выступа изолятора 7 ближе к хвостовой части и внутреннего уступа корпуса 1.

Хвостовая часть 24 катододержателя 11 имеет резьбу, посредством которой плазмотрон для резки металлов крепится в патроне держателя (патрон не показан на фиг.1), на которой закреплена также контргайка 25, внутренним уступом прижатая к изолятору 7, а внешним выступом к корпусу 1. На поверхности корпуса 1 и соплодержателя 2 выполнена накатка 26.

Работа плазмотрона осуществляется следующим образом.

Плазмообразующий газ (в дальнейшем воздух) поступает через входной канал 22 в рассекатель 21, который направляет поток воздуха на внутреннюю поверхность нагретого катода 6, охлаждая его. Далее поток воздуха движется по полости, образованной рассекателем 21 и внутренними поверхностями катода 6 и катододержателя 11, дополнительно охлаждая катод 6 и катододержатель 11. Поступая через радиальные отверстия 19 катододержателя 11, воздух распределяется во входной распределительной полости 18 и затем идет через радиаторные винтовые каналы 17 к выходной распределительной полости 10, максимально эффективно охлаждая катододержатель 11.

Далее воздух по противоканалам 8 поступает в среднюю полость 9 корпуса 1, охлаждая изолятор 7, принимающий избыточное тепло от ближайшего к катоду 6 выступа катододержателя 11. Проходя через среднюю полость 9, воздух дополнительно охлаждает корпус 1. Далее, проходя через центральную втулку 15 корпуса 1, воздух охлаждает ее. Минимальная площадь контакта обечайки 5 и центральной втулки 15 препятствует распространению зоны нагрева от сопла 4 к обечайке 5, центральной втулке 15 и корпусу 1.

В выходной полости 16 корпуса 1 воздух частично распределяется на два потока. Один поток поступает через сквозные завихрительные каналы обечайки 5 и изолирующей втулки 14, образуя завихрительный поток в пространстве между катодом 6 и внутренним конусом сопла 4. Другой поток, охлаждая торцевую часть корпуса 1 ближе к соплу 4, соплодержатель 2, обечайку 5 и сопло 4 выходит в атмосферу через форсунки 3, дополнительно охлаждая соплодержатель 2.

Форсунки 3 создают кольцевой поток воздуха вокруг сопла 4, эффективно защищая его от продуктов горения плазменной дуги.

Достигаемый эффект обеспечивается применением:

- прогрессивной системы охлаждения катододержателя и катода, что препятствует скоротечному разрушению плазмогенерирующей вставки и самого катода на больших, свыше 170А, токах плазменной дуги;

- эффективным охлаждением изолятора в месте его контакта с катододержателем;

- наличием кольцевых полостей в ближней к соплу части корпуса, разделяющих его от непосредственного теплового контакта с изолятором, что обеспечивает дополнительное охлаждение изолятора и корпуса проходящим по этим полостям воздухом;

- завихрителя новой конструкции, состоящей из экрана, изолирующей втулки и обечайки, в которой максимально возможно исключена передача избыточного тепла от сопла к обечайке и далее к изолятору и корпусу;

- экранирования частей завихрителя от прямого и отраженного излучения плазменной струи.

К особенностям катододержателя относятся:

- геометрическая форма, позволяющая максимально эффективно использовать радиаторный эффект винтовых каналов по всей внешней поверхности катододержателя для преимущественного охлаждения максимально нагретой околовставочной зоны катода;

- наличие входной и выходных уравнительных кольцевых полостей, предназначенных для предотвращения турбулентных торможений потока воздуха за счет равномерного их распределения от каналов разной геометрии.

К особенностям изолятора относятся:

- наличие противоканалов особой геометрии для охлаждения изолятора в месте соприкосновения с максимально нагретым выступом катододержателя;

- геометрия противоканалов обеспечивает защиту от пробоя между катододержателем и корпусом при включении дежурной высоковольтной и рабочей низковольтной плазменной дуги;

- применение фиксирующих штифтов, предотвращающих проворачивание изолятора относительно катододержателя и корпуса, обеспечивающих жесткость конструкции и передачу необходимого вращательного усилия от корпуса к изолятору, и далее - от изолятора к катододержателю для вкручивания/выкручивания плазмотрона из патрона держателя.

К особенностям корпуса относятся:

- кольцевые полости, средняя и выходная, которые выполняют задачу создания воздушной прослойки между изолятором и нагретым корпусом;

- наличие центральной втулки со сквозными отверстиями, которая охлаждает основание завихрителя, что препятствует передаче избыточного тепла от обечайки завихрителя к корпусу и изолятору.

К особенностям завихрителя относятся:

- наличие трех элементов - обечайки, экрана и изолирующей втулки с тангенциальными завихрительными каналами;

- конструкция, обеспечивающая центрирование и фиксацию сопла по отношению к оси катододержателя и одновременно установку заданной дистанции между катодом и соплом;

- наличие экрана, защищающего изолирующую втулку от избыточного контактного тепловыделения сопла, а также прямого и отраженного от внутреннего конуса сопла излучения плазменной дуги;

- особые свойства экрана завихрителя, к которым относятся высокая огнестойкость и жаропрочность, а также низкая теплопроводность.

В совокупности все перечисленные особенности обеспечивают выполнение требований по созданию плазменной струи повышенной мощности и минимального диаметра сечения, что позволяет более эффективно использовать энергию плазменной дуги:

а) обеспечивать большую скорость реза при прочих равных значениях тока на аналогичных плазмотронах для резки металлов;

б) обеспечивать меньшую ширину и большую глубину реза при прочих равных условиях по мощности источника питания плазмотрона;

в) получать лучшую геометрию реза при прочих равных условиях по мощности аналогичных плазмотронов для резки металлов;

г) увеличивать ресурс катодов и сопел при прочих равных условиях по геометрии реза, скорости реза и мощности плазменной струи.

Благодаря применению фиксирующих штифтов, полностью исключающих проворачивание изолятора относительно катододержателя и корпуса, плазмотрон для резки металлов получает дополнительное преимущество, связанное с удобством установки плазмотрона для резки металлов в патроне держателя и обеспечением жесткости закрепления деталей и узлов внутри корпуса.

Изобретение относится к плазмотрону для резки металлов, в частности для плазменной автоматизированной и полуавтоматизированной резки металлов. Сопло плазмотрона закреплено и прижато соплодержателем к обечайке завихрителя. Обечайка опирается на центральную втулку со шлицевыми каналами, запрессованными в корпус на уровне выступа между средней и выходной полостями корпуса, разделяющих его воздушным промежутком от изолятора, в котором выполнены противоканалы. Противоканалы соединяют среднюю полость корпуса и выходную распределительную полость катододержателя с винтовыми радиаторными каналами, соединяющими выходную и входную распределительные полости катододержателя. Входная распределительная полость соединена радиальными каналами с внутренней полостью катододержателя. Группа фиксирующих штифтов установлена в глухих парных равноуглубленных соосных отверстиях торцевого выступа катододержателя и внутреннего уступа изолятора и в торцевом выступе изолятора и внутреннего уступа корпуса. Контргайка, сжимающая и фиксирующая изолятор, корпус и катододержатель, внутренним уступом прижата к изолятору, а выступом - к торцевой части корпуса. Техническим результатом изобретения является повышение мощности плазменной струи с одновременным уменьшением диаметра ее сечения и улучшением рабочей геометрии выходного канала сопла, надежность конструкции и простота обслуживания. 16 з.п. ф-лы, 1 ил.

1. Плазмотрон для резки металлов, содержащий корпус, изолятор, сопло, соплодержатель, катододержатель, рассекатель, катод с плазмогенерирующей вставкой, завихритель и контргайку, отличающийся тем, что сопло закреплено и прижато соплодержателем к завихрителю, состоящему из экрана, изоляторной втулки с тангенциальными отверстиями и обечайки, которая опирается на центральную втулку со шлицевыми каналами, запрессованную в корпус на уровне выступа между средней и выходной полостями корпуса, разделяющих его воздушным промежутком от изолятора, в котором выполнены противоканалы, соединяющие среднюю полость корпуса и выходную распределительную полость катододержателя, снабженного винтовыми радиаторными каналами, соединяющими выходную и входную распределительные полости катододержателя, причем входная распределительная полость соединена радиальными каналами с внутренней полостью катододержателя, плазмотрон дополнительно содержит группу фиксирующих штифтов, установленных в глухих отверстиях торцевого выступа катододержателя и внутреннего уступа изолятора, и в торцевом выступе изолятора и внутреннего уступа корпуса, при этом контргайка, сжимающая и фиксирующая изолятор, корпус и катододержатель, внутренним уступом прижата к изолятору, а выступом - к торцевой части корпуса.

2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что диаметр фиксирующих штифтов равен 0,2-0,5 диаметра отверстия входного канала, а длина штифтов составляет 0,5-0,9 диаметра отверстия входного канала катододержателя.

3. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что угол наклона противоканалов изолятора к центральной оси плазмотрона лежит в пределах от 12 до 18°.

4. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь сечения противоканалов составляет 1,1-1,6 площади сечения входного канала.

5. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что радиальные каналы катододержателя, соединяющие его внутреннюю кольцевую полость с входной распределительной полостью, выполнены на уровне уступа катододержателя, в основание которого вкручивается рассекатель.

6. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что ширина входной и выходной распределительных кольцевых полостей равна 0,2-0,6 диаметра отверстия входного канала.

7. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь сечения трапециидальных винтовых радиаторных каналов катододержателя равна 1,2-1,7 площади сечения входного канала.

8. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что длина торцевого фронтального выступа катододержателя равна 0,3-0,6 диаметра отверстия входного канала.

9. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что площадь сечения кольцевой средней полости корпуса равна 1,3-1,6 площади сечения входного канала.

10. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что площадь сечения выходной полости корпуса равна 1,7-2,1 площади сечения выходного канала.

11. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что в центральной втулке корпуса выполнены параллельные сквозные отверстия суммарной площадью 1,1-1,4 площади сечения входного канала.

12. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что обечайка завихрителя опирается на центральную втулку корпуса.

13. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что экран завихрителя запрессован между выступом изолирующей втулки, обращенным к соплу, и внутренним уступом обечайки.

14. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что в завихрителе выполнены сквозные через обечайку и изолирующую втулку тангенциальные завихрительные отверстия.

15. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что суммарная площадь сечений тангенциальных отверстий завихрителя равна 0,2-0,4 площади сечения входного канала.

16. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что экран завихрителя выполнен из материала, обладающего свойствами повышенной жаропрочности и низкой теплопроводности.

17. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что расстояние между внутренней поверхностью изолирующей втулки завихрителя и внешней поверхностью катода равно 1,0-1,5 диаметра тангенциальных отверстий завихрителя.