Плазмотрон Советский патент 1993 года по МПК B23K10/00 

Известна конструкция плазмотрона прямого действия PR104, применяемого для поверхностной закалки. Конструкция данного плазмотрона позволяет осуществить быстрый нагрев закаливаемой поверхности материала и образование упрочненного слоя определенной глубины с более высокой твердостью по сравнению с исходным состоянием. Недостатком данного плазмотрона является оплавление поверхности материала, что обусловлено наличием на поверхности активного пятна плазменной дуги при нагреве плазмотроном прямого

действия (положительный потенциал подается на изделие). Данный недостаток ограничивает применение плазменной обработки плазмотронами прямого действия для изделий с высокими требованиями к качеству поверхности.

Известна также конструкция плазмотрона ИМЕТ-103, Данный плазмотрон косвенного действия (положительный потенциал подается на сопло плазмотрона) позволяет осуществлять поверхностную обработку материала без оплавления поверхности в широком диапазоне режимов обработки, т.к.

00 СП

о о 1

активное пятно плазменной дуги находится не на поверхности обрабатываемого материала. Недостатком данного плазмотрона является мощность (до 10 кВт) и низкий ресурс работы в связи с быстрым выходом из строя сопла и катодного узла, а также низкая стабильность работы.

Наиболее близким по технической сути и достигаемому результату является выбранный в качестве прототипа плазмотрон кос- венного действия с секционированной межэлёктродной вставкой йтбтношением диаметра канала вставки d к диаметру отверстия сопла dc, равным dic/dc 1(3). Данный плазмотрон характеризуется высокой ста- бильностью работы, высоким КПД (до 75%), высокой мощностью (до 50 кВт), высокой энтальпией нагреваемого газа плазменной струи (благодаря протяженного дугового столба, что увеличивает время пребывания нагреваемого газа в канале), высоким ресурсом работы; (благодаря автономному охлаждению отдельных элементов - катода, анода, секционных вставок) (чертеж).

Недостатком данного плазмотрона в случае применения для поверхностной закалки является низкая концентрация, ввода .тепла (концентрация.Теплового потока) и в результате этого, низкие значения скорости охлаждения поверхностных и подло- верхностных слоев нагребаемого металла, что не обеспечивает получение требуемой твердости закаленной структуры упрочнен- ного слоя.

Целью изобретения является повыше- ние качества закалки за счет повышения плотности тепловой мощности плазмотрона и скорости охлаждения материала.

Поставленная цель достигается тем, что конструкция плазмотрона включает сопло с входным сужающимся конусным и выходным цилиндрическим участками, отношение диаметра канала-к диаметру выходного отверстия сопла изменяется в пределах dK/dc 2.0-4,0, а отношение высоты цилинд- рического участка канала сопла Iц к высоте канала сопла Ic - в пределах ,25-0,50 (фиг. 2).

Нагрев материалов плазменной струей плазмотрона осуществляется путем пере- дачи эффективной тепловой мощности струи q3 ijn Q через плоЩадь пятна нагрева SH. которую с достаточной для Нрактй- ческих целей точностью при малых расстояниях от среза сопла до обрабатыва- емой поверхности Можно представить как ппощздь сечения выходного отверстия сопла 5н Д-СЙ/4. Здесь /п - КПД плазмотрона, rjc - КПД струи, Q - полная тепловая

мощность, подводимая к плазмотрону. Для плазмотронов с секционированной межэлектродной вставкой - плазмотрона - прототипа и разработанного КПД плазмотрона ,45-0,50, что обусловлено долей полной подводимой тепловой мощности (определяемой режимом электропитания), уносимой водой, охлаждающей отдельные конструктивные элементы - анодный и катодный узлы, секционированную межэлектродную вставку. КПД плазменной струи определяется потерями энергии на излучение и нагрев окружающего струю атмосферного воздуха, Установлено, что при малых расстояниях от среза сопла до нагреваемой поверхности (4-6 мм) для плазмотрона-прототипа (при dc dK 15-20 мм) ,65, а для разработанного (при мм и йк 15-20 мм) - ,98. Следовательно, при одинаковой полной подводимой тепловой мощности 0 30000 Вт эффективная тепловая мощность плазменной струи составит: для плазмотрона - прототипа - Вт, для разработанного - рэ-14700Вт.

Плотность тепловой мощности qi q3/SH составит:

для плазмотрона - прототипа ,1 103 Вт/см2;

для разработанного-qi 0,8-105 Вт/См2.

Повышение плотности тепловой мощности на два порядка для разработанного плазмотрона изменяет тепловые свойства плазменной струй как источника нагрева материалов и позволяет Считать ее высококон- центрированным источником нагрева (4) с реализацией в нагреваемом металле сверхбыстрых процессов закалки с более высоким уровнем твердости, недостижимым при нагреве обычными источниками тепла (печным, дуговым, тбками высокой частоты).

Выбор указанных интервалов изменения конструктивных параметров плазмотрона обусловлен следующим. Повышение соотношения dx/dc выше верхнего предела (dK/dc 4,0) вызовет-сильный разогрев соплового анодного узла, что приводит к снижению ресурса работы плазмотрона из-за снижения теплостойкости сопла. Снижение соотношения dK/dc ниже нижнего предела (dK/dc 2,0) не обеспечит достижение требуемой высокой плотности тепловой мощности струи из-за увеличения площади пятна нагрева и снижения КПД струи (в связи с потерями тепловой мощности на излучение и нагрев атмосферного воздуха). Повышение соотношения выше верхнего предела (1.,50) также снизит ресурс работы сбШа его перегрева. Снижениесоотношения 1Ц/1С ниже нижнего предела (1ц/1с 0,25) приведет к нарушению Стабильности работы из-за ухудшения газодинамических параметров плазменной струи.

Предложенная совокупность признаков по предлагаемой конструкции плазмотрона способствует повышению плотности тепловой мощности струи, и, кроме того, проявлению нового технического свойства - сверхвысокой скорости охлаждения, обус- ловленной высокой концентрацией теплового потока по взаимосвязи с несколькими признаками - выходным сужающимся отверстием сопла и высотой его цилиндрического участка и отличающуюся по достигаемому ре- зультату предложенную конструкцию как от прототипа, так и от аналогов. Следовательно, данное техническое решение соответствует критериям новизны и существенные отличия.

Пример (конкретное выполнение). Плазмотронами двух конструкций - по кон- струкцмй-прбтотйпу и предлагаемой конструкции выполнялась поверхностная обработка пластин размером 200x100 мм толщиной 40 мм из стали 45. Режимы обработки плазмотронами для сопоставления выбирались одинаковыми: ток 400 А, напряжение 80 В. скорость перемещения плазмотрона (скорость обработки) 3.0 м/ч, расход плазмообрабатывающего газа (аргона) 2.3 м3/ч, расход охлаждающей воды 2,0 м/ч, расстояние от среза сопла до об рабатываемой поверхности 5 мм. Значения плотности тепловой мощности для сравни- ваемых плазмотронов приведены выше (изменение плотности тепловой мощности для разработанной конструкции плазмотрона при изменении указанных конструктивных параметров в установленных пределах со- ставляет сохраняется недостигнутом высоком уровне qi(0.65-0,95) 105 Вт/см2). Эффективность плазменного нагрела е целью поверхностного упрочнения (

ки) оценивались определением экспериментальных значений скорости охлаждения поверхности, а также твердости поверхности по Виккерсу. Результаты экспериментов в зависимости от конструктивных параметров плазмотронов приведены в таблице. Там же приведены данные по ресурсу работы плазмотронов (время непрерывной работы до выхода из строя).

Как видно из таблицы, плазмотрон предлагаемой конструкции при изменении его конструктивных параметров в установленных пределах по сравнению с прототипом, обеспечивает на два порядка большую плотность тепловой мощности, и, тем самым, обуславливает повышение скорости охлаждения нагреваемой поверхности материала также на два порядка. Обработка таким высококонцентрированным источником нагрева обеспечивает получение очень высоких значений твердости, недостижимых при традиционных методах термической обработки (максимальная твердость стали 45 при печной закалке и закалке токами высокой частоты составляет HV 610-650).

Ф о р му л а и з о б р е т е н и я Плазмотрон, содержащий секционированную межэлектродную вставку и сопло с цилиндрическим выходным участком канала, о г л мчающийся тем, что, с целью повышений качества закалки путем повышения плотности тепловой мощности и скорости Охлаждения материала, канал сопла выполнен с входным конусообразным участком, сужающимся в направлении к цилиндрической поверхности выходного участка Канала, при этом отношение диаметра канала мёжэлектродиой вставки к диаметру цилиндрического участка канала находится в пределах 2,0...4,0, а отношение высоты цилиндрического участка канала сопла к высоте канала сопла - в пределах 0,25-0,50.

V////////M

У/////////Л-о -

Использование: металлургия, поверхностная закалка материалов. Сущность изобретения: плазмотрон косвенного действия для поверхности закалки материалов с секционированной межэлектродной вставкой и соплом содержит сужающуюся входную конусную и выходную цилиндрическую части, отношение диаметра канала к диаметру выходного отверстия орпла выполнено в пределах dK/dc 2,0...4,0, а отношение длины цилиндрической части к длине отверстия сопла выполнено в пределах 1к/1с 0,25..0,50. Конструкция плазмотрона повышает плотность тепловой мощности и скорость охлаждения обрабатываемого материала. 1 ил., 1 табл. w е