Плазмотрон для воздушно-плазменной резки Советский патент 1982 года по МПК B23K9/16 B23K31/10 

(54) ПЛАЗМОТРОН ДЛЯ ВОЗДУШНО-ПЛАЗМЕННОЙ РЕЗКИ

Изобретение относится к устройствам для воздушно-плазменной резки металлов, преимущественно для микроплазменной резки, а акже резки токами не свыше 15О А. Известен плазмотрон для воздушноплазменной резки металлов, содержащий катододержатель, сопло и завихритель с винтовыми канавками, В плазмотроне при менен катододержатель с плоской торцево поверхностью. Плоская торцевая поверхность катододержателя отстоит от внешней плоской торцевой поверхности сопла на расстоянии примерно равном 1,5 диа метра. Сопло в этом плазмотроне имеет два участка : конфузорный, в котором рас полагается катододержатель и шшкндрический (канал) fl 1 Недостатками этого плазмотрона являются то, что устойчивое горение дежурной и рабочей дуги происходит лишь при относительно больших величинах токов ( 15 5О А), что не позволяет его использовать для микроплазменной резки на рабочих токах 1 - 15 А. Кроме того, низкое качество стабилизации электрической дуги в канале сопла допускает его надежную работу лишь при относительно низкю; плотностях тока в канале. Наиболее близким к изобрютению по технической сущности и достигаемому эффекту является плазмотрон, у которого сопло также имеет внутреннюю поверхность, состоящую из цилиндрического и конфузорного участков. Наружная поверхность катододержателя выполнена в виде поверхности усеченного конуса эквидистантного конфузорному участку сопла с плоским торцом, расстояние от которого до внешнего торца сопла значительно меньше, чем в ij . Этот плазмотрон может устойчиво работать на несколько меньших токах, но задача обеспечения качественной стабилизации здесь также не решена 2j . Наиболее существенными недостатками указанного плазмотрона являйтся ненадежное зажигание электрической дуги; невоэможность работы на малых токах; надежная работа канала сопла лишь при относи тельно низких плотностях тока в канале. Цель изобретения - повьппение надежности зажигания электрической дуги, обес печение устойчивой работы на малых токах, а также повышение плотности тока в канале сопла с сохранением надезкиости его работы. Поставленная цель достигается тем, что в плазмотроне для воздушной, преиму щественно микроплазменной резки металлов, содержащем катододержатель, завихритель с винтовыми канавками, сопло с коническим конфузором, эквидистантным наружной поверхности катод од ержа теля, угол подъема винтовой линии канавок завихритёля равен 3 - , отношение площадей проходного сечения канала сопла и канавок завихрителя находится в пределах 3 - 10, а расстояние между внешними торцами катода и сопла находится в пределах 1,5 -de+ 0,8 Ь 1й 2 -de +0,8, где dc - диаметр канала сопла, мм; а также тем, что коническая поверхность катод од ержа теля снабжена спиральными канавками с острой кромкой, имеющими одинаковое направление и шаг нарезки с винтовыми канавками завихрителя. На фиг. 1 приведен общий вид предлагаемого плазмотрона с оптимальными соотношениями конструктивно-геометрических характеристик; на фиг. 2 - катододержатель, снабженный фасонной спиральной канавкой с острой кромкой, обес печивающей повышение надежности зажигания дежурной дуги, с разрезами и Б-Б. Плазмотрон (фиг. 1) содержит катодо держатель 1 из вые око теплопроводного материала с запрессованным в него термохимическим катодом 2, сопло 3 с кон- фузорной частью А , которая эквидистант на конической поверхности катода В. Катододержатель 1 закреплен завихрителем 4 на корпусе 5, Коллектор 6 установлен внутри катододержателя для подач охлаждающей жидкости. На фиг. 1 показано расстояние между внешними торцами катода и сопла, а также геометрические параметры, характеризующие суммарную площадь проходного сечения канавок завихрителя 2Рц-VBt-i где В - ширина, {, - глубина и И - чи ло канавок, угол подъема винтовой линии и плошадь проходного сечения канала соп ла FC 0,7850 с (где dc- диаметр канала). Вид спиральной канавки с острой кромкой показан на фиг. 2, Глубина канавки на периферии катододержителя составляет несколько десятых долей миллиметра и плавно уменьшается по направлению к его центру ( Ь) ДО нуля при диаметре, равном двум диаметрам канала сопла. С позиципи управления газодинамическими показателями закрученного воздушного потока в электродуговой камере и канале сопла плазмотрона, обеспечивающими качественную стабилизацию электрической дуги, две конструктивно-геометрических характеристики плазмотрона (при прочих постоянных) выступают в роли регулятора: первая - угол подъема винтовой линии канавок завихрителя ( В), вторая - отношение площади проходного сечения канала сопла FC к суммарной площади проходных сечений винтовых канавок F|( завихрителя (Рс/тР ). Изменение отношения меняет давление в электродуговой камере, скорость истечения воздуха в нее, расход воздуха, изменяя следовательно, диаметр зоны разряжения. Варьирование угла )% также приводит к изменению отношения между осевой и тангенциальной скоростями воздушного потока, а также к изменению размера зоны разряжения. Следовательно, тольлсо при оптимальных значениях | 3- 10° и Fc/lFk 3 - 10, можно получить качественную стабилизацию электрической дуги в канале сопла и обеспечить устойчивое горение малоамперных рабочих и дежурных дуг. Выбор оптимального расстояния между внешними торцами катода и сопла имеет особо существенное значение для устройств плазмотронов, предназначенных для воздушной микроплазменной резки тонколистового металла, когда по условиям получения качественного реза или возможности осуществления ручной резки с небольшими скоростями (раскрой деталей сложной конфигурации) требуются токи величиной менее 1О А. Обеспечить устойчивое горение малоамперной дежурной дуги можно путем сокращения ее длины, так как при этом уменьшаются тепловые потери от столба дуги. Конструктивно это реализуется сокращением расстояния между внешними торцами катода и сопла. Известно, что из условия получения качественного реза длина канала сопла должна составлять 1,5 - 2 его калибра. Минимальный осевой зазор между эквидистантными коническими поверхностями сопла и катододержателя, как показьюает практика, трудно обеспечить менее 0,8 м ибо при этом появляется опасность замы кания промежутка катод - сопло и тре буется повышенная точность изготовлени деталей плазмотрона. Учитьшая нецелесообразность исполнения вставки термохимического катода диаметром больше диаметра канала сопла можно легко расчита оптимальное минимальное расстояние L между внешними торцами катода и сопла обеспечивающее плазмотрону устойчивую работу на минимальном токе дежурной дуги, в виде соотношения 1,5 dc +0.8 L « 2 dc+0,8. где dc- диаметр канала сопла, мм. Снабжение внешней поверхности катододержателя спиральными фасонными канавками с острой кромкой, имеющими одинаковое направление и шаг нарезки с винтовыми канавками завихрителя позволяет облегчить зажигание дежурной дуги и способствует более плавному (мягкому и устойчивому горению дежурной дуги пр ее движений с периферии катододержателя и каналу сопла. Как показывают экспериментальные исследования с уменьшением диаметра канала сопла требуется более высокое давление подводимого воздуха для обеспечения надежной работы сопловы узлов. В связи с чем при очень малых. диаметрах канала сопла (dc О,1-0,2 мм) возникают трудности обеспечения надежно го зажигания дежурной дуги. Известно, что острые кромки инициируют электрический разряд. Плазмотрон работает следующим образом. По винтовым спиральным канавкам завихрителя 4 в электродуговую камеру плазмотрона, ограниченную поверхностями сопла и катода В , подается закрученный воздушный поток. У поверхности катода В ив центре канала сопла образуется зона разряжения. При включении . осциллятора электрический пробой возникает на периферии катододержателя {здесь меньше скорость воздуха). При этом от источника постоянного тока между соплом и катододержателем зажигается дежурная дуга, которая под действием воздушного потока по спиральной траектории перемещается к каналу сопла и далее по его стенке выходит наружу, где обрывается. Вследствие постоянной работы осциллятора с высокой частотой подачи импульсов цикл зажигания дежурной дуги непрерывно по)аторяется. Малое расстояние между внешними торцами сопла и катода, мгшый зазор между конфузором соппв и катода, а также низкое давление в зоне разряжения обусловленное оптимальным выбором конструктивно-геометричесь ких характеристик плазмотрона, создают возможность надежного зажигания и устойчивого горения малоамперной дежурной дуги. При поднесении сопла плазмотрона с горящей дежурной дугой к поверхности металла вследствие электрической проводимости вытекакшей плазмы замыкается цепь катод - металл, сопротивление в которой меньше, чем в цепи сопло - катод, и возбуждается рабочая электрическая дуга. Оптимальные конструктивногеометрические характеристики плазмотрона обеспечивают качественную стабилизацию рабочей электрической дуги в канале сопла, допускающую работу с большой плотностью тока, а также вследствие низкого абсолютного давления на оси канала, обеспечивают устойчивую работу плазмотрона на малых токах. Как показывают проведенные испытания оптимизания конструктивно-геометрических характеристик плазмотрона позволяет по сравнению с базовым объектом, которым является прототип, обеспечить надежное зажигание и устойчивое горение дежурной дуги на токах 1,5-2,5 А, устойчивую работу плазмотрона на токах рабочей дуги 10 А и ниже, а также достигнуть плотности тока в канале сопла более 15О А/мм, что в 2 -3 раза превьпиает ранее достигнутые результаты.; Формула изобретения 1. Плазмотрон для воздушно-плазменной резки, содержащий катододержатель, завихритель с винтовыми канавками, сопло с коническим конфузором, эквидистантным наружной поверхности катододержателя, отличающийся тем, что, с целью обеспечения надежного зажигания электрической дуги, устойчивости работы на малых токах и повьппения плотности тсаш в канале сопла, угол подъема винтовой линии канавок завихрителя равен 3 , отношение площадей проходного сечения канала сопла и канавок завихрителя находится в пределах 3 - 10, а расстояние между диешними торцами катода и сопла находится в пределах 1, +О,8 «U « 2 Эс+О,8, где 3с - диаметр канала сопла.

щими одинаковое направление и шаг нарезки с винтовыми канавками завихрителя.

95О5078

Источники информации, принятые во внимание при экспертизе

№ 339365, кл. В 23 К 31/1О, 1970 (прототип).

А-А

SS