Плазмотрон

 

(57) Использование: в плазменной технике, в частности, в плазменно-дуговых устройствах, для сварки, резки, наплавки металлов и др. Сущность изобретения: плазмотрон содержит катодный узел 1 с тугоплавкой вставкой 2 и сопло-анод 3, системы последовательного охлаждения анодного и катодного узлов. При подаче напряжения постоянного тока в межэлектродном зазоре возникает электрическая дуга. Под действием поступающего в завихритель 20 под давлением плазмообразующего газа образуется струя плазмы, выходящая по отверстию 11 из сопла 12. Поток хладагента подается под давлением в штуцер 24 и тангенциально в подводящую канавку 23, откуда через отверстия 27 - в винтовой канал 1 3, окружающий сопло-анод 3. В нижней части анодного узла хладагент огибает гильзу 14 и движется в обратном направлении по кольцевой полости 18 в отводящую канавку 25 и по тангенциальному каналу штуцера 26 выводится из анодного узла в систему охлаждения катодного узла 1. Охлаждение катодного узла осуществляется путем подачи хладагента в центральную трубку 4, где происходит охлаждение катодной тугоплавкой вставки 2 и головки катода 10, затем поток хладагента поступает в диффузорную кольцевую полость 7 и выводится через штуцер 8. 4 з.п. ф-лы. 2 ил.

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменно-дуговым устройствам, применяемым при сварке, резке, наплавке металлов и в других технологических процессах.

Известна установка для плазменной сварки, содержащая плазмотрон, включающий катодный и анодный узлы, изолятор, расположенный между ними, систему охлаждения горячей зоны и узел подвода плазмообразующего газа [1] Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является плазмотрон, содержащий охлаждаемый водой катодный узел с тугоплавкой вставкой, узел подвода плазмообразующего газа с завихрителем, охлаждаемый водой анодный узел с центральным каналом для выхода плазмы, корпус анода с кольцевой полостью охлаждения, разделенной продольными пластинами на подводящий и отводящий каналы, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами [2] Недостатком этого устройства является неравномерность охлаждения анода по окружности и по длине в результате разделения окружающей анод кольцевой полости разделительными пластинами на охлаждаемые и неохлаждаемые секторы. Недостаточное охлаждение отдельных частей анода вызывает их перегрев, а также снижение ресурса работы плазмотрона.

Изобретение направлено на повышение ресурса плазмотрона путем исключения перегрева горячих зон и концентрации температурных напряжений в металле.

Это достигается тем, что в плазмотроне, содержащем катодный узел, включающий головку катода с тугоплавкой вставкой и систему охлаждения головки катода со штуцерами подвода и отвода хладагента, анодный узел, включающий сопло-анод, установленный в корпусе анода с образованием кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода, и систему охлаждения анодного узла с патрубками подвода и отвода хладагента, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами и узел подвода плазмообразующего газа, согласно изобретению система охлаждения анода содержит выполненные в верхней части корпуса анода подводящую и отводящую кольцевые канавки, сообщенные с патрубками подвода и отвода хладагента, соответственно, при этом в кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода установлена продольная разделительная гильза с зазором относительно корпуса анода, а на внешней поверхности сопла-анода выполнен винтовой канал, сообщенный с одной стороны с подводящей канавкой, а с противоположной стороны с зазором между гильзой и корпусом анода, причем отводящая кольцевая канавка сообщена с зазором между гильзой и корпусом анода, а патрубок отвода хладагента соединен со штуцером подвода хладагента катодного узла.

Такое выполнение системы охлаждения анодного узла позволяет организовать движение хладагента вдоль всей длины и окружности сопла-анода в направлении движения плазмы, причем в первую очередь хладагент подводят к самой горячей части в винтовой канал, окружающий центральный плазменный канал. Форма винтового канала создает оребрение сопла-анода, увеличивающее площадь теплоотдачи. Разделительная гильза обеспечивает поворот потока хладагента в обратном направлении. Таким образом, данная система обеспечивает равномерное эффективное охлаждение сопла-анода.

Винтовой канал на сопле-аноде может быть выполнен в виде многозаходной резьбы. Площадь профиля винтового канала и количество заходов резьбы влияет на скорость теплоотдачи, т. е. облегчает экспериментальную доводку конструкции.

Канал подвода охлаждающей жидкости и канал отвода хладагента из отводящей канавки выполнены тангенциальными, причем направление закрутки на входе совпадает с направлением винтового канала, а на выходе с направлением потока в отводящей канавке. Это обеспечивает плавное движение охлаждающей жидкости и повышает эффективность теплоотдачи, т.е. охлаждения анодного узла.

Система охлаждения катодного узла также имеет отличия: содержит соединенную с подводящим штуцером центральную трубку, соосную тугоплавкой вставке, окружающую ее с образованием равномерного кольцевого зазора между ними, снаружи трубка окружена кольцевой диффузорной (расширяющейся к выходу) полостью, сообщенной с отводящим штуцером.

Расположение подводящей хладагент трубки соосно катодной тугоплавкой вставке обеспечивает равномерное эффективное охлаждение наиболее нагревающейся части вставки и прилегающих деталей, что позволяет повысить эффективность охлаждения и ресурс работы катодного узла, улучшает ремонтопригодность плазмотрона за счет возможности удлинения конца катодной тугоплавкой вставки посредством перепрессовки ее в головке катода после износа активного конца. Выполнение кольцевой полости диффузорной в направлении выхода потока позволяет снизить скорость выхода хладагента, что увеличивает теплоотбор от наружных деталей катодного узла.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен плазмотрон, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1.

Предлагаемый плазмотрон содержит катодный узел 1, включающий катодную тугоплавкую вставку 2 и анодный узел, содержащий сопло-анод 3, между которыми имеется межэлектродный зазор А.

Катодная тугоплавкая вставка 2 размещена соосно центральной трубке 4, сообщенной с подводящим штуцером 5. В катододержателе 6 имеется охлаждающая полость 7, соединенная со штуцером 8 отвода хладагента (воды).

Между катодным узлом 1 и соплом-анодом 3 установлен изолятор 9. Тугоплавкая вставка 2 выполнена в виде удлиненного стержня, запрессованного в медной головке катода 10 так, что один его конец расположен в охлаждающей полости 7, а другой в межэлектродном зазоре А.

Сопло-анод 3 представляет собой медный стержень, в котором выполнено центральное отверстие 11, переходящее в выходное сопло 12, которое может иметь цилиндрическую или какую-либо иную форму. На наружной поверхности сопла-анода 3 имеется винтовой канал 13, который может быть выполнен в виде многозаходной резьбы.

Снаружи сопло-анод 3 охвачен продольной разделительной гильзой 14, открытой со стороны торцов, закрывающей винтовой канал 13, соединенный в центральной части плазмотрона с канавкой 15, а в концевой части с канавкой 16.

Между корпусом 17, в котором размещен сопло-анод 3, и гильзой 14 образована кольцевая полость 18. Сопло-анод 3 закреплен в корпусе 17 в нижней его части гайкой 19, а в верхней части завихрителем 20 с помощью резьбового соединения. На завихритель 20 опирается изолятор 9, зажимаемый накидной гайкой 21. Полость завихрителя 20 соединена со штуцером 22, подводящим плазмообразующий газ (воздух).

На внутренней поверхности корпуса 17 в его верхней части выполнены две кольцевые канавки подводящая канавка 23 со штуцером 24 и отводящая канавка 25 со штуцером 26. Канавка 23 сообщается с винтовым каналом 13 через отверстия 27 в распорной втулке 28, а отводящая канавка 25 сообщается с полостью 18. Штуцеры 24 и 26 имеют тангенциальные подводящий и отводящий каналы, причем их направление совпадает с направлением закрутки потоков.

Подвод электроэнергии к плазмотрону осуществляется посредством клемм 29 и 30. При этом клемма 29 закреплена на штуцере 24 анодного узла, а клемма 30 на катододержателе 6.

В процессе работы плазмотрона между соплом-анодом 32 и катодным узлом 1 подается напряжение постоянного электрического тока: на сопло-анод 3 подается плюс, на катодный узел 1 минус.

При наличии напряжения между соплом-анодом 3 и катодной тугоплавкой вставкой 2 в межэлектродном зазоре А возбуждается электрическая дуга. При подаче в завихритель 20 плазмообразующего газа (воздуха) под давлением, обдувающего электрическую дугу вихревым потоком, возникает интенсивный факел плазмы, вытекающий по отверстию 11 из выходного сопла 12. При этом зона горения дуги и движения плазмы сильно нагревается. Горячая зона плазмотрона охлаждается путем последовательного прокачивания хладагента (воды, антифриза) через каналы анодного и катодного узлов.

Охлаждение сопла-анода 3 производится потоком хладагента, поступающего через штуцер 24 тангенциально в подводящую канавку 23, затем через отверстия 27 хладагент подается по винтовому каналу 13 в направлении движения плазмы. При этом хладагент частично нагревается, отбирая тепло сопла-анода 3, затем поток из канала 13 выходит в канавку 16, поворачивается на 180^oC. огибая стенку гильзы 14, движется в обратном направлении по кольцевой полости 18, поступает в отводящую канавку 25 и через штуцер 26 выходит из корпуса анода 17. Затем хладагент поступает в штуцер 5 на охлаждение катодного узла 1.

Тангенциальное расположение входящего и выходящего каналов штуцеров 24 и 26, совпадающее с направлением закрутки винтового канала 13, обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений при движении хладагента, т.е. повышает эффективность охлаждения сопла-анода 3.

Охлаждение головки катода 10 производится через центральную трубку 4, которая направляет поток жидкости на катодную тугоплавкую вставку 2, обеспечивая сначала охлаждение вставки 2 и прилегающей центральной зоны головки катода 10. При этом вставка 2 служит рассекателем охлаждающего потока, обеспечивая равномерное охлаждение головки катода 10, а сферическая поверхность последнего обеспечивает плавный поворот струи хладагента в обратном направлении к полости 7 и отводящему штуцеру 8 в охладитель (не показан), где хладагент регенерируется и возвращается в систему охлаждения плазмотрона.

Расход хладагента рассчитывается в зависимости от величины необходимого теплоотбора. Соответственно, в зависимости от мощности плазмотрона подбирается площадь сечения охлаждающих каналов, количество заходов резьбы винтового канала 13, скорость потока хладагента и другие параметры.

Предложенная конструкция плазмотрона позволяет организовать равномерное охлаждение горячих зон за счет закрутки охлаждающего потока и двойного прохождения хладагента вдоль анодного и катодного узлов, а также увеличить площадь охлаждения за счет применения винтового оребрения канала 13.

Следовательно, предложенное устройство позволяет исключить перегрев горячих зон плазмотрона и концентрацию температурных напряжений в металле, т.е. повышается ресурс работы плазмотрона.

Организация эффективного охлаждения позволяет снизить габариты плазмотрона в 1,5 2 раза.

Выполнение катодной тугоплавкой вставки 2 в виде удлиненного стержня позволяет производить ее перепрессовку в головке катода 10 при выгорании активного конца, что также повышает ресурс плазмотрона.

Формула изобретения

1. Плазмотрон, содержащий катодный узел, включающий головку катода с тугоплавкой вставкой и систему охлаждения катодного узла с штуцерами подвода и отвода хладагента, анодный узел, включающий сопло-анод, установленный в корпусе анода с образованием кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода, и систему охлаждения анодного узла с патрубками подвода и отвода хладагента, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами, и узел подвода плазмообразующего газа, отличающийся тем, что в корпусе анода выполнены подводящая и отводящая кольцевые канавки, сообщенные с патрубками подвода и отвода хладагента соответственно, при этом в кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода установлена продольная разделительная гильза с зазором относительно корпуса анода, а на внешней поверхности сопла-анода выполнен винтовой канал, сообщенный с одной стороны с подводящей канавкой и с противоположной стороны с зазором между гильзой и корпусом анода, причем отводящая кольцевая канавка сообщена с зазором между гильзой и корпусом анода, а патрубок отвода хладагента соединен с штуцером подвода хладагента катодного узла.

2. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что винтовой канал выполнен в виде многозаходной резьбы.

3. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что патрубок подвода хладагента установлен тангенциально с возможностью закрутки хладагента на входе в подводящую кольцевую канавку в направлении, совпадающем с направлением закрутки винтового канала, а патрубок отвода установлен тангенциально в направлении, совпадающем с направлением потока хладагента в отводящей канавке.

4. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что система охлаждения головки катода содержит дополнительно центральную трубку, соединенную с штуцером подвода хладагента, установленную коаксиально и с зазором относительно тугоплавкой вставки и торцевой вогнутой внутренней поверхности головки катода, причем зазор между центральной трубкой и головкой катода сообщен с каналом в штуцере отвода хладагента.

5. Плазмотрон по п.1, отличающийся тем, что катодная тугоплавкая вставка выполнена в виде удлиненного стержня, запрессованного в головке катода так, что один его конец расположен в полости, омываемой хладагентом, а другой в межэлектродном зазоре.

РИСУНКИ

Рисунок 1, Рисунок 2