Плазменная горелка

 

СОЮЗ СОВЕТСКИХ

СОЦИАЛИСТИЧЕСКИХ

РЕСПУБЛИК (191 411) др 4 В 23 К 9/16

ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССР

ПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ аср

ОПИСАНИЕ ИЗОБРЕТЕНИЯ

К АВТОРСКОМУ СВИДЕТЕЛЬСТВУ - " "- . л., Р "у т.

1 (54) (57) 1. ПЛАЗИЕННАЯ ГОРЕЛКА для обработки металлов, преимущественно (21) 3536389/25-27 (22) 10.01.83 (46) 30 ° 05.86. Бюл.¹ 20 (71) Всесоюзный научно-исследовательский проектно-конструкторский и технологический институт электросварочного оборудования (72) Д.Г.Быховский, А.Я.Медведев и В.Г.Соболев (53) 621.791.947(088.8) (56) Патент Англии № 1435998, кл. В 23 К 9/ 16, 1976.

Авторское свидетельство СССР № 749594, кл. В 23 К 9/16, 1978. для ручной сварки, содержащая плазмообразующее сопло с центральным соосным каналом и двумя рядами концентрично расположенных дополнительных каналов, один из рядов которых выполнен в торце сопла, о т л и ч аю щ а я с я тем, что, с целью повышения производительности, качества обработки .и уменьшения габаритов горелки, она снабжена защитной насадкой, концентрично установленной на сопле, каналы, расположенные в торце сопла, выполнены параллельно центральному каналу, а каналы другого ряда выполнены перпендикулярными внутренней поверхности защитной насадки.

1234104

2. Горелка по и.1, о т и и ч, а ю m, а я .с я тем, что, с целью равномерного и оптимального распределения газовых потоков, входы дополнительных каналов расположены на окружности одного диаметра.

Изобретение относится к плазменной обработке электропроводных материалов и может быть использовано для плазменной сварки черных и цвет.ных металлов на постоянном токе прямой и обратной полярности, преимущественно для ручной плазменной сварки.

Известна горелка для плазменной обработки электропроводных материалов, содержащая электрод, плазмообразующее сопло с осевым центральным каналом и рядом дополнительных каналов, расположенных равномерно по окружности. При этом внутренняя полость плазмообразующего сопла известной горелки соединена с атмосферой с помощью осевого центрального канала и дополнительных каналов. Известная горелка обеспечивает эффективный процесс резки металлов за счет улучшения стабилизации дуги потоком газа, вытекающего из дополнительных каналов.

Однако при снижении расхода плазмообразующего газа до величины, соответствующей режиму сварки, поток .газа из дополнительных каналов не обеспечивает необходимую защиту металла сварочной ванны и процесс сварки становится невозможным.

Наиболее близкой по техничес-, кой сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является плазменная горелка для обработки металлов, преимущественно для сварки, содержащая плазмообразующее сопло с центральным соосным каналом и двумя рядами концентрично расположенных дополнительных каналов, один из рядов которых выполнен в торце сопла.

Недостатком данной горелки является незначительнав производитель-3. Горелка по пн.l и 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем, что,с целью опти— мального охлажденияплазмообразующего сопла, входыдополнительных каналов одного рядасовпадают свходами дополнительных каналовдругого ряда. ность, низкое качество обработки, значительные ее габариты, неравномерное распределение газовых потоков и плохое охлаждение сопла.

5 Цель изобретения — повышение производительности, качества обработки, уменьшение габаритов горелки, обеспечение равномерного газового потока и улучшение охлаждения сопла.

Поставленная цель достигается тем, что плазменная горелка для обработки металлов, преимущественно для ручной сварки, содержащая плаз15 мообразующее сопло с центральным соосным каналом и двумя рядами концентрично расположенных дополнительных каналов, один из рядов которых выполнен в торце сопла, снабжена

20 защитной насадкой, концентрично установленной на сопле, каналы, расположенные в торце сопла, выполнены параллельно центральному каналу, а каналы другого ряда: выполнены пер 5 пендикулярными внутренней поверхности защитной насадки, при этом входы дополнительных каналов расположены по окружности одного диаметра и входы дополнительных каналов

30 одного ряда совпадают с входами дополнительных каналов другого ряда.

На фиг.1 представлена горелка, в которой входы первого и второго дополнительных каналов расположены на разных диаметрах; на фиг.2 — сечение А-А на фиг.1; на фиг.3 — горелка, в которой входы дополнительных каналов одного ряда расположены на окружности одного диаметра; на фиг.

40 4 — сечение Б-Б на фиг.3; на фиг.5— горелка, входы дополнительных кана-, лов одного ряда совпадают с входами дополнительных каналов другого ряда; на фиг.б — сечение В-В на фиг.5.

Горелка содержит медный электрод

1, в который при работе на постоянном токе прямой полярности помещена заподлицо цилиндрическая вставка 2 из циркония, гафния или графита. 5

При работе на обратной пог ярности электрод 1 выполнен из меди, а в некоторых случаях электрод 1 может содержать вставку 2 из вольфрама.

Через изолятор 3 электрод 1 соединен !О с плаэмообразующим соплом 4. В плазмообраэующем сопле 4 выполнены осевой центральный канал 5, внутренний ряд 6 дополнительных каналов 7 и внешний ряд 8 дополнительных каналов

9. Число каналов 7. и 9 в, каждом из рядов 6 и 8 составляет не менее трех и не более двенадцати. Число каналов одного ряда меньше, больше или равно числу каналов другого ряда. Октималь- 2б ным является одинаковое число каналов в каждом из рядов. Во всех случаях суммарное сечение каналов 7 из ряда

6 и суммарное сечение каналов 9 из ряда 8 удовлетворяет соотношению д

0,8 S где б;—

S,=$25S суммарное сечение каналов 7 внутреннего ряда 6; суммарное сечение каналов

9 внешнего ряда 81 сечение осевого центрального канала. казали опыты, оптимальным соотношение

Во

Как по является

На фиг.3 и 4 изображена горелка, у которой входные отверстия каналов

7 и,9 на внутренней поверхности плаз- 4О мообразующего сопла 4 размещены концентрично осевому центральному каналу 5 на окружности одного диаметра.

На фиг.4,5 изображена горелка, у которой каналы 7 и 9 выполнены так же, как у горелки, показанной на фиг.3 и 4, кроме того входные отверстия каналов 7 и 9 совпадают.

Предлагаемая горелка работает следующим образом. 50

Первоначально во внутреннюю полость 10 от источника ll по трубопро-, воду 12 подается газ, являющийся одновременно плазмообразующим, стабилизирующим и защитным. Часть об- 55 щего потока газа, являющаяся плазмообразующим, вытекает из полости 10 в атмосферу через осевой центральный з 1234104 4 канал 5 плазмообразующего сопла 4, часть общего потока газа, являющаяся стабилизирующим, — через внутренний ряд 6 каналов 7, часть общего потока, являющаяся защитным, — через внешний ряд 8 каналов 9 и зазор защитного сопла 13. Расходы плазмообразующего, стабилизирующего и защитного газа автоматически устанавливаются обратно пропорционально гидравлическим сопротивлениям соответствующих каналов. В отсутствии дуги гидравлические сопротивления главным образом определяются проходным сечением и количеством соответствующих каналов.

После того как установится стациою нарный расход газа через все каналы, между электродом 1 и соплом 4 возбуждается иалоамперная дежурная дуга, опорные пятна которой располагаются на торцовой поверхности электрода 1, в частности на торцовой поверхности вставки 2 и на внешней поверхности сопла 4. Столб дежурной дуги проходит в потоке плазмообразующего газа через канал 5, образуя на выходе из канала. 5 плазменную струю. При касании плазменной струи изделия 14 между электродом 1, в

ЗО частности между вставкой 2 и изделием, автоматически возбуждается рабочая плазменная дуга, столб которой проходит в потоке плазмообразующего газа через осевой центральный канал 5. После возбуждения рабочей плазменной дуги расходы плазмообразующего, стабилизирующего газа автоматически перераспределяются в соответствии с новым гидравлическим сопротивлением канала 5, через который проходит столб дуги. !

Положительный эффект предложенной горелки основан на следующем явлении.

Измерения радиального распределения массового р расхода плазмообразующего газа и температуры Т на выходном- срезе осевого центрального канала 5 при горении рабочей плазменной дуги в известных горелках показали, что для данного диаметра канала

5 и соответствующего этому диаметру рабочего тока существует минимально допустимый расход g плазмообразующего газа, при котором большая часть газа инжектируется B центральную часть столба дуги 15. В этом случае тепловая энергия плазменной дуги используется наиболее эффективно.

1234104

Кроме того, малый массовый расход плазмообразующего газа на периферий-, ной части столба дуги снижает механическое взаимодействие плазменной дуги с окружающей атмосферой и сварочной ванной, что обеспечивает хорошую защиту и формирование сварочной ванны. Однако данный режим является критичным, так как малейшее снижение расхода плазмообразующего газа, вызванное нестабильностью системы подачи и регулировки расхода газа или флюктациями в- столбе дуги, являющимися органическим свойством электрической дуги, приводит к тепловому разрушению канала 5 и возник- новению аварийного режима двойной дуги.

Поэтому в известных горелках эа счет снижения эффективности процесса вынуждены увеличивать в несколько раз в сравнении с оптимальным расход плазмообразующего газа через канал 5.

При увеличении расхода плазмообразующего газа до значения столб дуги ведет себя как почти газонепроницаемое тело. В связи с этим избыток rаза 6g = Qz — Q< сбрасывается в кольцевой зазор между столбами дуги и поверхностью канала 5. В этом случае большая часть плазмообразующего газа b(} Я, проходит вне высокотемпературной зоны столба дуги и тепловая энергия плазменной дуги используется крайне неэффективно.

Кроме того, повышенный расход rasa на периферийной части столба дуги способствует интенсивному перемешиванию плазмообразующего газа с окружающей атмосферой, что нарушает .защиту и деформирует сварочную ванну, Увеличение тока не приводит к качественным изменениям в .поведении столба дуги в канале 5 известных горелок.

В предложенной горелке дополнительные каналы 7 и 9, а также защитное сопло 11 выполнены таким образом, что они создают условия для одновременного и автоматического поддержания режима оптимального использования тепловой энергии плаз-. менной дуги и режима наилучшего формирования и защиты сварочной ванны.

Измерения радиального распределения массового расхода о и температуры Т на срезе канала 5 в предлагаемой горелке показали, что двухкрат10

15 ти регулирования и стабилизации обще20

25, в плазменной дуге, что сводит к мини30

55 ное и четырехкратное увеличение общего расхода газа во внутренней полости 10 приводит лишь к незначительному увеличению расхода плазмо— образующего rasa на периферийной области столба дуги в канале 5. Таким образом, с одной стороны, созда-: ются условия, обеспечивающие надежную тепловую защиту канала 5 при одновременном сохранении высокой эффективности использования тепловой энергии дуги. С другой стороны, резко снижаются тербования к точносro расхода газа во внутренней полости

10, Оптимальным является расположение каналов 7 внутреннего ряда 6 параллельно центральному каналу 5. В этом случае посредством внутреннего ряда каналов 7 за срезом сопла 4 создается поток стабилизирующего газа спутный с потоком плаэмообразующего газа муму турбулизацию плазменной дуги и создает оптимальные условия для формирования сварочной ванны на изделии 14.

Поскольку увеличение общего расхода газа во внутренней полости не приводит к ухудшению рабочих свойств плазменной дуги, поток газа через внешний ряд 8 каналов 9, направляясь по зазору, образованному плазмообразующим соплом 4 и защитным соплом

11, создает. надежную защиту сварочной ванны.

Для образования равномерного потока защитного газа в зазоре необходимо и достаточно, чтобы каналы 9 были перпендикулярны внутренней поверхности защитного сопла 13.

Установлено, что при числе дополнительных каналов в ряду менее трех не удается создать равномерного концентричного потока rasa. При числе дополнительных каналов в ряду более двенадцати резко ухудшаются условия теплоотвода от центрального канала

5. Наибольший положительный эффект достигается, когда число дополнительных каналов s каждом из рядов совпадает.

Для равномерного распределения потоков стабилизирующего и защитного газа необходимо и достаточно, чтобы входные отверстия каналов 7 и 9

1234104 на внутренней поверхности плазмообразующего сопла 4 были размещены чередуясь концентрично осевому центральному каналу 5 на окружности одного диаметра.

Наилучшие условия охлаждения канала 5 при равномерном распределении потоков защитного и стабилизирующего газа создаются, если входные отверстия каналов 7 и 9 выполнены на окружности одного диаметра и совпадают.

В сравнении с известными предлагаемая горелка кроме повышения производительности и качества процесса за счет максимального использования тепловой энергии плазменной дуги и одновременного улучшения условий стабилизации и защиты сварочной ванны ,позволяет значительно сократить габариты горелки, так как указанные выше положительные эффекты достигаются за счет одного общего потока газа, подводимого по одному трубопроводу.

Эксплуатационные испытания предложенной горелки показали ее надежную и эффективную работу при ручной плазменной сварке сталей, алюминия и сплавов на основе алюминия на постоянном токе прямой и обратной по-лярности в среде инертных газов, в углекислом газе, а также в смесях

10 углекислого газа с газообразными углеводородами (мешаи, пропан, природный газ).

Экономический. эффект от предло15 женной горелки обеспечивается за счет повышения производительности и качества ручной сварки в диапазоне толщин до 20 мм. Кроме того, применение предлагаемой плазменной уО горелки позволяет в сравнении с базовым объектом, за который принята горелка в среде аргона для дуговой сварки.,снизить стоимость 1 п.м. сварного шва на 507, в сравнении со

25 сваркой плавящимся электродом в срег де углекислого газа — на 25Х.

1234104

Фиг. 3

1234104 авиа. 5

Составитель В.Шаров

РеДактоР М. НедолУженко ТехРед Р.Гортвай Корректор Т.Колб

Тираж 1001 Подписное

ВНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий

113035, Москва, Ж-35, Раушская наб., д.4/5

Заказ 2935/15

Производственно-полиграфическое предприятие, г.Ужгород, ул.Проектная,4