CN104284503A - 一种用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体 - Google Patents

Abstract

一种用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于枪体由阳极部分、阴极部分和中间级部分组成，其中阳极喷嘴和阳极外壳采用螺纹连接构成阳极部分；中间绝缘壳、陶瓷隔离环和气体分配环组成中间级部分；阴极头、阴极头座、引水端盖和阴极外壳共同组成阴极部分；三大部分紧固后构成等离子体枪体。本发明的层流等离子体枪体结构简单，具有很好的结构互换性和参数可变性；枪体能够产生稳定的层流等离子体射流；阳极和阴极使用寿命长；其整体尺寸可以很小，特别适用于尺寸较小管道内壁的等离子体表面热处理。

Description

一种用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体

技术领域

本发明属于热等离子体技术领域，具体涉及一种用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体。

背景技术

热等离子体是通过利用外加电场或高频感应电场，使气体导电并电离而产生的。热等离子体由电子、离子、中性粒子和光子四种粒子组成，其主要通过受压缩效应后高温高速的等离子射流来进行各种加工。热等离子体比通常燃烧体系所能达到的气体温度高得多，其能量密度仅次于激光和电子束。热等离子技术具有设备简单，设备成本低，连续生产能力强，安全性高等优点，更适合投入大规模的工业生产运用。

但是目前等离子的各种发生设备多为紊流形式，即等离子射流从等离子体枪体喷口喷出时稳定性比较低，外在表现为射流形状杂乱，噪声比较大，射流长度短，温度变动较大且不易控制。相比紊流形式而言，层流等离子体射流相对稳定，外在表现为噪声小，射流形状细长且温度梯度小，可以通过控制影响射流的电流、气流等参数调节射流长度和温度。层流等离子体在数值模拟和诊断技术等理论研究方面成果显著，在有重要意义的实际应用方面研究比较少。

虽然层流等离子体的产生过程比较复杂，相对紊流等离子体较难，但是层流等离子体具有可控性好，能量集中程度高，加工精度高等很多紊流等离子体难以达到的优点。

现有的多数等离子体枪体尺寸较大，不适合对较小孔径孔类零件的内表面处理，或是等离子体枪体产生的等离子体射流为紊流状态，射流加热不均匀，难以满足管道内表面的表面性能需求。

发明内容

本发明的目的是：设计一种电极不易烧蚀、易损件更换方便、枪体物理参数可调且可产生层流等离子体射流的小尺寸等离子体枪体，并可用于孔径小至70mm的管道内表面处理。

一种用于孔道壁处理的层流等离子体枪体，所述等离子等离子体枪体整体由阳极部分、阴极部分和中间级部分三大部分组成，其特征在于：所述枪体采用O型圈密封的密封方式，其中阳极喷嘴（2）和阳极外壳（3）采用螺纹连接构成阳极；中间绝缘壳（8）和气体分配环（9）组成中间级部分；阴极头（6）、阴极头座（7）、阴极外壳（11）、引水端盖（13）共同组成阴极部分；三大部分紧固后构成等离子体枪体。

根据上述的用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述阴极头（6）镶嵌在阴极头座（7）的圆柱孔构成阴极，阴极头座（7）小径部分加工有与气体分配环（9）配合的外螺纹，大径部分加工有与阴极外壳（11）配合的径向密封沟槽。阴极头（6）的材料为钨或钨合金，阴极头座（7）的材料为紫铜。

上述阴极结构在保证冷却水密封和冷却良好的前提下，可以调节阴极头座（7）和气体分配环（9）的螺纹旋合长度来调整等离子体枪体阴极和阳极之间的距离，并且整个阴极采用螺纹连接，更换时操作简单方便。

根据上述的用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述气体分配环（9）加工与阴极配合的内螺纹；气体分配环为台阶结构，头部尺寸较大，与中间绝缘壳配合；尾部尺寸较小并有斜角。

气体分配环（9）与阴极头座（7）的螺纹连接一方面可以定位配气环；另一方面可以通过螺纹联接进行热交换，通过气冷方式，对阴极进行间接冷却。尾部的斜角在不增加等离子体枪体的整体尺寸的情况下，极大的延长了枪体气体分配环上进气孔道的长度，使工作气体按照预期方向形成气流。

根据上述的气体分配环，其特征在于：所述气体分配环上有斜孔，斜孔所在平面与气体分配环端面垂直，斜孔轴线与气体分配环端面夹角为0°-30°，且斜孔以气体分配环轴线为中心均匀布置，斜孔数目大于2个。

采用斜孔使等离子工作气体具有切向分量，切向气流能够吹动等离子弧在阳极的弧根着落点做圆周运动，减小阳极的烧蚀情况，有利于延长阳极的使用寿命。 

根据上述的用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述阴极部分冷却通道采用的引水端盖形状为弧形。弧形引水端盖能够减小枪体冷却水通道的水阻，并可以保证冷却水充分冲刷阴极头，实现阴极良好的冷却。

根据上述的用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体三部分之间加工相配合的凸台和凹槽，凸台凹槽配合加工装配简单。

本发明的有益效果是：发明在氮气作保护气体时，等离子体射流呈现层流形态，射流外观为明亮细长、温度梯度小、稳定程度高且具有一定刚性，对进行处理的工件表面加热良好均匀；等离子体枪体结构简单，整体尺寸可以达到很小，能够用于孔径小至70mm的管道内壁的处理；其枪体各部分结构互换性程度高，且枪体物理参数可调性好。

附图说明

图1是本发明小孔内壁处理的层流等离子体枪体结构示意图；

图2是本发明阴极头座的结构图；

图3是本发明配气环的结构三视图 ；

其中：1-等离子体射流，2-阳极喷嘴，3-阳极外壳，4-冷却水通道，5-等离子弧，6-阴极头，7-阴极头座，8-中间绝缘壳，9-气体分配环，10-工作气体通道，11-阴极外壳，12-冷却水通道，13-引水端盖。

具体实施方式

为更好的解释和说明本发明，下面结合附图和实施例对本发明做进一步的描述。应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

结合附图1，对本发明的用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体进行说明，枪体工作原理及步骤如下：

枪体工作前，分别在阳极冷却水道和阴极冷却水道通入冷却水，冷却水循环流经冷却水道实现枪体的冷却，阳极采用直接冷却方式，冷却水直接冲刷阳极喷嘴带走热量；阴极采用间接冷却，冷却水在引水端盖的引流作用下冲刷阴极头座，通过紫铜阴极座对阴极头冷却。

通过工作气体通道送入工作气体，工作气体流经气体分配环上的倾斜气孔时，按照气孔的引导，形成具有轴向和切向两个速度分量的气流；气体分配环与阴极头是螺纹连接，工作气体间接冷却了阴极头，改善了阴极头的烧蚀情况。 

枪体工作时，对枪体进行高频引弧，阴极和阳极之间会产生等离子弧，等离子弧的弧根在工作气体的吹动下落在阳极冷却良好的位置，并且具有切向速度分量的工作气体会吹动弧根，使弧根绕阳极喷嘴内壁转动，从而减少阳极烧蚀。

工作气体在等离子弧作用下形成等离子体射流从阳极喷嘴喷出，其等离子体射流呈现层流形态，射流外观为明亮细长、温度梯度小、稳定程度高且具有一定刚性，对进行处理的工件表面加热良好均匀。

用于孔道内壁处理的层流等离子体枪体结构简单，整体尺寸可以达到很小，能够用于孔径小至70mm的管道内壁的处理,其枪体各部分结构互换性程度高，且枪体物理参数可调性好。

以上所述仅为本发明实施例，并不用以限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内所作的任何修改、等同替换和改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。

Claims (5)

1.一种用于小孔内壁处理的层流等离子体枪体，所述等离子等离子体枪体整体由阳极部分、阴极部分和中间级部分三大部分组成，其特征在于：所述枪体采用O型圈密封的密封方式，其中阳极喷嘴（2）和阳极外壳（3）采用螺纹连接构成阳极；中间绝缘壳（8）和气体分配环（9）组成中间级部分；阴极头（6）、阴极头座（7）、阴极外壳（11）、引水端盖（13）共同组成阴极部分；三大部分紧固后构成等离子体枪体；所述阴极头（6）镶嵌在阴极头座（7）的圆柱孔构成阴极，阴极头座（7）加工有外螺纹和径向密封沟槽。

2.根据上述的用于小孔内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述气体分配环加工有螺纹；气体分配环为台阶结构并有斜角。

3.根据上述的气体分配环，其特征在于：所述气体分配环上有斜孔，斜孔所在平面与气体分配环端面垂直，斜孔轴线与气体分配环端面夹角为0°-30°，且斜孔以气体分配环轴线为中心均匀布置，斜孔数目大于2个。

4.根据上述的用于小孔内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述阴极部分冷却通道采用形状为弧形的引水端盖（13）。

5.根据上述的用于小孔内壁处理的层流等离子体枪体，其特征在于：所述阴极头的材料为钨或钨合金，阴极头座的材料为紫铜。