CN212413499U - 等离子发生器 - Google Patents

Abstract

本公开涉及等离子发生装置领域，提供了一种等离子发生器。该等离子发生器包括阴极组件、阳极和进气环，阴极组件包括阴极、壳体和进给杆；壳体的第一端与阳极之间形成放电室，进气环用于向放电室输送工质气体；进给杆由壳体的第二端插入到壳体的内部，进给杆和壳体的第一端分别设有安装部和通孔，进给杆能够沿壳体的长度方向移动。本申请通过进给杆将阴极朝向阳极方向推进，补偿被烧蚀掉的阴极，从而达到维持阴、阳极间的间隙稳定，使等离子炬能持续稳定的长时间运行工作，从根本上解决了等离子炬的运行工作寿命短的问题，且补偿阴极的过程不需要重新起弧，使得等离子炬连续工作，增加工作效率，并具有结构简单，制造成本低的优点。

Description

等离子发生器

技术领域

本公开涉及等离子发生装置领域，尤其涉及一种等离子发生器。

背景技术

电弧等离子体发生器又称电弧等离子体炬，或称等离子体喷枪，有时也称电弧加热器。它是一种能够产生定向“低温”等离子体射流的放电装置，已在等离子体化工、冶金、喷涂、喷焊、机械加工和气动热模拟实验等领域中得到广泛应用。电弧等离子体炬主要包括阴、阳两极(阳极可用工件代替)、一个放电室以及等离子体工作气供给系统。等离子体炬按电弧等离子体的形式可分成非转移弧炬和转移弧炬。非转移弧炬中，阳极兼作炬的喷嘴；而在转移弧炬中，阳极是指电弧离开炬转移到的被加工工件。

目前，国内外等离子体发生器多为单独阴极组件、外面单独阳极的结构，此类单电极发生器可正常稳定运行的工作时间较短，需经常手动更换部件。而针对等离子体发生器寿命提升的方法主要是提升电极冷却效率、电极采用侵蚀速率更慢的贵金属合金、磁场约束等，但是这些处理措施基本还是仅能将等离子体炬寿命维持在1500小时以内。相对于普通工厂年工作时间8000小时来说还是太短，按照最好情况计，每个工厂使用等离子体发生器的系统最少停机更换8次，不但增加了更换操作的风险，同时停机带来的经济损失也较大，不利于等离子体发生设备的大规模推广。

其中，阴极组件寿命是整个等离子体发生器寿命的短板，可以说等离子体发生器连续运行时间即为阴极组件寿命，而普通阴极组件如无外加措施，寿命仅为数十小时至数百小时。因此，如何增加等离子体发生器的阴极组件寿命，是等离子体发生器行业急需解决的难题。

为了解决上述问题，现有技术中的等离子发生器采用多阴极组件的设置方式，即阳极采用中轴圆柱结构，多个阴极组件均匀分布在阳极柱的外周，使得单个阴极组件的电流减小，降低阴极组件损耗速度，增加整体阴极组件的使用寿命。但是该种等离子发生器在工作时，阴极依然会持续烧蚀，从而增加了阴阳极件的距离，导致运行工作时的电流、电压升高，甚至出现断弧、停止工作等现象。

实用新型内容

为了解决上述技术问题或者至少部分地解决上述技术问题，本实用新型提供了一种等离子发生器。

上述等离子发生器包括同轴设置的阴极组件、阳极和进气环，阴极组件包括：

阴极；

中空的壳体，壳体的第一端与阳极之间形成放电室，进气环用于向放电室输送工质气体，阳极上设有与放电室连通的弧焰出口；

进给杆，进给杆的第一端由壳体的第二端插入到壳体的内部，进给杆的第一端设有用于安装阴极的安装部，壳体的第一端设有可供阴极插入的通孔，进给杆相对于壳体沿着所述壳体的长度方向移动。

可选的，阳极朝向壳体的一侧具有扩展部，壳体的第一端伸入扩展部并与扩展部之间形成放电室，壳体的外周与扩展部之间形成间隙，进气环用于向间隙输送工质气体。

可选的，扩展部沿着朝向壳体的方向内径逐渐增加，弧焰出口与扩展部远离壳体的一端连通，且弧焰出口与阳极同轴设置。

可选的，还包括驱动设备，驱动设备与进给杆的第二端连接，驱动设备用于带动进给杆沿着壳体的长度方向移动。

可选的，驱动设备包括步进电机，步进电机的输出轴与进给杆的第二端连接，进给杆与壳体的第二端螺纹配合，步进电机相对于等离子发生器的基座沿着壳体的长度方向移动。

可选的，驱动设备包括步进电机，步进电机的输出轴与进给杆的第二端连接，进给杆与壳体的第二端螺纹配合，步进电机的输出轴的端部设有第一连接部，进给杆的第二端设有第二连接部，第一连接部和第二连接部沿着壳体的周向方向限位配合且沿着壳体的长度方向滑动配合。

可选的，驱动设备包括电动推杆，电动推杆的输出轴与进给杆的第二端连接，进给杆与壳体的第二端滑动配合，电动推杆固定设置在等离子发生器的基座上。

可选的，壳体的内部呈阶梯孔状，阶梯孔的大孔部靠近壳体的第一端，阶梯孔的小孔部靠近壳体的第二端，阶梯孔的台阶部朝向大孔部的一侧延伸设有分水筒，分水筒与壳体的第一端之间形成间隙，分水筒与进给杆之间形成进水通道，壳体上设有与进水通道连通的进水管，分水筒与大孔部之间形成出水通道，壳体上设有与出水通道连通的出水管。

可选的，壳体的内壁与进给杆之间设有第一密封圈，第一密封圈设置在进水管与进水通道的接口处朝向壳体的第二端的一侧。

可选的，壳体的内壁设有可供阴极插入的第二密封圈。

本公开实施例提供的技术方案与现有技术相比具有如下优点：

本申请使用时，将阴极安装在安装部上，且阴极的自由端插入到通孔内，使得阴极与阳极之间产生电场。使用过程中，通过进给杆将阴极朝向阳极方向推进，补偿被烧蚀掉的阴极，从而达到维持阴、阳极间的间隙稳定，无需频繁更换阴极，使等离子炬能持续稳定的长时间运行工作，从根本上解决了等离子炬的运行工作寿命短的问题。且补偿阴极的过程不需要重新起弧，使得等离子炬连续工作，增加工作效率，并具有结构简单，制造成本低的优点。

附图说明

此处的附图被并入说明书中并构成本说明书的一部分，示出了符合本公开的实施例，并与说明书一起用于解释本公开的原理。

为了更清楚地说明本公开实施例或现有技术中的技术方案，下面将对实施例或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，对于本领域普通技术人员而言，在不付出创造性劳动性的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。

图1为本公开实施例所述等离子发生器的示意图；

图2为本公开实施例所述等离子发生器的阴极组件的示意图；

图3为本公开实施例所述进给杆与阴极之间采用镶嵌方式连接的示意图；

图4为本公开实施例所述进给杆与阴极之间采用螺纹方式连接的示意图；

图5为本公开实施例所述进给杆与阴极之间采用焊接方式连接的示意图。

附图标记：

1、阴极组件；10、壳体；11、推进基座；12、冷却水筒；13、阴极基座；14、分水筒；15、进水管；16、出水管；17、第一密封圈；18、第二密封圈；20、进给杆；30、阴极；40、驱动设备；50、阳极；51、弧焰出口；52、扩展部；60、进气环；70、放电室。

具体实施方式

为了能够更清楚地理解本公开的上述目的、特征和优点，下面将对本公开的方案进行进一步描述。需要说明的是，在不冲突的情况下，本公开的实施例及实施例中的特征可以相互组合。

在下面的描述中阐述了很多具体细节以便于充分理解本公开，但本公开还可以采用其他不同于在此描述的方式来实施；显然，说明书中的实施例只是本公开的一部分实施例，而不是全部的实施例。

结合图1和图2所示，本申请实施例提供的等离子发生器包括同轴设置的阴极组件1、阳极50和进气环60，阴极组件1和阳极50相对设置，但两者并不直接接触。阴极组件1包括壳体10、进给杆20、阴极30和驱动设备40。

如图2所示，壳体10采用中空结构，且壳体10的第一端与阳极50之间形成放电室70，进气环60用于向放电室70输送工质气体，其中，工质气体为氮气、氩气、空气等。阳极50上设有与放电室70连通的弧焰出口51，在气流的作用下，放电室70内产生的气体通过弧焰出口51喷出。

进给杆20的第一端由壳体10的第二端插入到壳体10的内部，即进给杆20的第二端伸出壳体10的外侧，而进给杆20的第一端则处于壳体10的内部。优选的，进给杆20与壳体10同轴设置。进给杆20的第一端设有用于安装阴极30的安装部，可见，安装在安装部上的阴极30也处于壳体10的内部。壳体10的第一端设有可供阴极30插入的通孔，且进给杆20相对于壳体10沿着壳体10的长度方向(即壳体的轴向)移动。值得注意的是，该处进给杆20沿着壳体10的长度方向并非指壳体10的绝对长度方向，即进给杆20与壳体10的轴线可以存在小角度的偏差。使用时，将阴极30安装在安装部上，且阴极30的自由端插入到通孔内。其中，阴极30可相对于通孔移动，并可相对于通孔转动。在壳体10上设置通孔，可使得阴极30的端部与阳极50之间无遮挡，便于阳极50与阴极30的端部之间形成电场。阴极30插设于通孔内，可通过进给杆20的移动改变阴极30在通孔内的位置，进而改变阴极30与阳极50之间的距离。

阴极30的一端与进给杆20的安装部连接，另一端插设于通孔。具体地，安装部为设置在进给杆20的第一端的安装孔。如图3所示，阴极30可镶嵌插入到安装孔内，完成连接；如图4所示，可在安装孔的内壁上设置内螺纹，阴极30的端部设置外螺纹，安装孔与阴极30之间螺纹连接；如图5所示，可将阴极30插入到安装孔内，再将阴极30与进给杆20的连接处焊接在一起，完成连接。可见，阴极30与进给杆20之间的连接方式不受限制，只要确保阴极30与进给杆20同步运动即可。

本申请壳体10的第一端是指壳体10朝向阳极50的一端，壳体10的第二端则是指壳体10远离阳极50的一端。而进给杆20的第一端则与阳极50的第一端的方向相同，进给杆20的第二端则与壳体10的第二端的方向相同。

本申请的工作原理如下：

工作前，将阴极30安装在安装部上，且阴极30的自由端插入到通孔内，等离子发生器的阳极50与电源的阳极连接，阴极组件与电源的阴极连接，且阴极30的端部与壳体10的第一端的端部平齐，使得阴极30与阳极50之间的距离满足设计要求。当等离子发生器工作时，通过进气环60朝向放电室70输送工质气体，在阳极50和阴极30之间的电场作用下，工质气体在放电室70内放电产生等离子体，等离子体在气流的作用下通过弧焰出口51喷出，以便弧焰散射到目标工作件上。且等离子发生器在工作过程中，阴极30持续烧蚀，增加阴极30与阳极50之间的距离，此时，可通过进给杆20带动阴极30朝向阳极50的方向移动，补偿被烧蚀掉的阴极30，使得阳极50与阴极30之间的距离满足设计要求。

本申请通过进给杆20将阴极30朝向阳极50方向推进，补偿被烧蚀掉的阴极30，从而达到维持阴阳两极间的间隙稳定，无需频繁更换阴极30，使等离子炬能持续稳定的长时间运行工作，从根本上解决了等离子炬的运行工作寿命短的问题。且补偿阴极30的过程不需要重新起弧，使得等离子炬连续工作，增加工作效率，并具有结构简单，制造成本低的优点。

如图1所示，阳极50朝向壳体10的一侧具有扩展部52，壳体10的第一端伸入扩展部52并与扩展部52之间形成放电室70，且壳体10的外周与扩展部52之间形成间隙，进气环60用于朝向间隙输送工质气体。具体地，扩展部52的内部呈圆台状，且扩展部52沿着朝向壳体的方向内径逐渐增加，壳体10的第一端伸入到扩展部52的扩口端内。

进一步优化地，弧焰出口51与扩展部52远离壳体10的一端连通，且弧焰出口51与阳极50同轴设置。工质气体在放电室70内产生等离子体，气流带动等离子体朝向扩展部52的缩口端方向流动，因此，将弧焰出口51与扩展部52远离壳体10的一端连通，便于弧焰通过弧焰出口51平缓喷出。具体地，扩展部52的缩口端连通有弧焰通道，放电室70通过弧焰通道与弧焰出口51连通。

在另一些实施例中，也可将扩展部52的缩口端设置成封闭状，则将弧焰出口51设置在扩展部52的侧壁上。

如图1所示，阴极30与弧焰出口51同轴设置。该种设计方式使得阴极30与阳极50相对，电场分布均匀，同时，便于气体吹送等离子体流向弧焰出口51。

结合图1和图2所示，本申请的等离子发生器还包括驱动设备40，驱动设备40与进给杆20的第二端连接，驱动设备40用于带动进给杆20沿着壳体10的长度方向移动。该种设计方式可通过驱动设备40改变进给杆20在壳体10内部的位置，进而改变阴极30在通孔内的位置。其中，驱动设备40主要用于带动进给杆20和阴极30朝向阳极50的方向移动。

在一些实施例中，驱动设备40包括步进电机，步进电机的输出轴与进给杆20的第二端连接，进给杆20与壳体10的第二端螺纹配合，即在进给杆20的外周设置外螺纹，壳体10的第二端设有开孔，且开孔的内壁上设有内螺纹，外螺纹与内螺纹相匹配，通过外螺纹和内螺纹将进给杆20的转动转化成沿自身长度方向上的移动。其中，驱动设备40的输出轴与阴极30之间可采用螺纹连接的方式，增加拆装的便利性。步进电机相对于等离子发生器的基座沿着壳体10的长度方向移动。具体地，可在等离子发生器的基座上设置滑道，滑道沿着壳体10的长度方向设置，步进电机沿着壳体10的长度方向上设有滑板，滑板可在滑道内滑动。步进电机通过滑板和滑道沿着壳体10的长度方向移动，同时，通过滑板和滑道限制了步进电机的周向自由度，使得进给杆20可相对于步进电机转动。

使用时，壳体10固定在等离子发生器的基座上，步进电机的输出轴带动进给杆20和阴极30转动，由于壳体10不动，因此，在螺纹的作用下，进给杆20将沿着自身长度方向移动，同时，步进电机跟随进给杆20移动，以此改变阴极30与阳极50之间的距离。步进电机的精度高，锁定力矩大，因此，可实现准确定位。

在另一些实施例中，驱动设备40包括步进电机，步进电机的输出轴与进给杆20的第二端连接，且进给杆20与壳体10的第二端螺纹配合，即壳体10的第二端设有开孔，开孔的内壁上设有内螺纹，外螺纹与内螺纹相匹配，通过外螺纹和内螺纹将进给杆20的转动转化成沿自身长度方向上的移动。步进电机设置在等离子发生器的基座上，步进电机的输出轴的端部设有第一连接部，进给杆20的第二端设有第二连接部，第一连接部和第二连接部沿着壳体10的周向方向限位配合且沿着壳体10的长度方向滑动配合。采用该种设计方式使得进给杆20跟随步进电机的输出轴同步转动，同时，进给杆20可相对于步进电机的输出轴沿着壳体10的长度方向移动。

具体地，步进电机的输出轴的端部设有套筒，套筒的内壁沿着壳体10的长度方向设有多边限位槽，进给杆20的第二端设有与多边限位槽相匹配的多边限位块，并且，限位块和限位槽具有一定的长度，且其长度应大于阴极30的进给量，使得进给杆20在移动过程中始终处于套筒内。

使用时，步进电机和壳体10均设置在等离子发生器的基座上，步进电机的输出轴带动进给杆20和阴极30转动，由于壳体10不动，因此，在螺纹的作用下，进给杆20将沿着自身长度方向移动，以此改变阴极30与阳极50之间的距离。此过程中，步进电机不动，进给杆20逐渐远离步进电机的输出轴，但进给杆20不会脱离步进电机的套筒，使得步进电机能够始终带动进给杆20转动。

在另一些实施例中，驱动设备40包括电动推杆，电动推杆的输出轴与进给杆20的第二端连接，进给杆20与壳体10的第二端滑动配合，电动推杆固定设置在等离子发生器的基座上。

使用时，由于电动推杆固定在等离子发生器的基座上，因此，电动推杆的位置不发生变化。当需要调节阴极30与阳极50之间的位置时，电动推杆的输出轴朝向阳极50方向伸出，进而带动进给杆20和阴极30朝向阳极50方向移动，定位精度高，便于实现自动化控制。

结合图1和图2所示，壳体10的内部呈阶梯孔状，阶梯孔的大孔部靠近壳体10的第一端，阶梯孔的小孔部靠近壳体10的第二端。阶梯孔的台阶部朝向大孔部的一侧延伸设有分水筒14，分水筒14与壳体10的第一端之间形成间隙，使得分水筒14的内侧和外侧连通。分水筒14与进给杆20之间形成进水通道，壳体10上设有与进水通道连通的进水管15，分水筒14与大孔部之间形成出水通道，壳体10上设有与出水通道连通的出水管16。使用状态下，冷却水通过进水管15进入到进水通道，冷却水与进给杆20和阴极30接触后，再通过出水通道和出水管16流出，起到冷却阴极30的作用，增加阴极30的使用寿命。其中，进水管15和出水管16均远离阳极50设置，增加冷却水流过的路径。

进一步优化地，壳体10的内壁与进给杆20之间设有第一密封圈17，第一密封圈17设置在进水管15与进水通道的接口处朝向壳体10的第二端的一侧。壳体10的内壁与阴极30之间设有第二密封圈18。通过设置第一密封圈17和第二密封圈18将冷却水限定在一定区间内，且由于进给杆20和阴极30的移动速度较慢，因此，第一密封圈17和第二密封圈18不会影响进给杆20和阴极30的转动和移动。

在一些实施例中，如图2所示，壳体10包括依次连接的推进基座11、冷却水筒12和阴极基座13，具体地，推进基座11、冷却水筒12和阴极基座13沿着壳体10的长度方向依次设置，且推进基座11、冷却水筒12和阴极基座13之间彼此同轴。进给杆20穿设于推进基座11的端部，通孔设置于阴极基座13上。其中，为了增加对于进给杆20和阴极30的导向效果，推进基座11和阴极基座13均应具备一定的厚度。

其中，冷却水筒12的内壁直径大于推进基座11的内壁直径，使得冷却水筒12与推进基座11的内部形成阶梯孔状，便于形成出水通道。冷却水筒12的外壁直径、推进基座11的外壁直径和阴极基座13的外壁直径应相同或相近，便于壳体10的安装。

分水筒14设置在推进基座11朝向阴极基座13的一端，分水筒14的端部与阴极基座13之间间隔设置。具体地，分水筒14的内壁直径与推进基座11的内壁直径相同，且分水筒14与推进基座11同轴设置。分水筒14的内壁与进给杆20之间形成进水通道，其中，推进基座11的内部与进水通道连通，进水管15设置在推进基座11上。分水筒14与冷却水筒12的内壁之间形成出水通道，出水管16设置在冷却水筒12上。

其中，第一密封圈17设置在推进基座11的内壁与进给杆20之间。第二密封圈18设置在阴极基座13与阴极30之间。

需要说明的是，在本文中，诸如“第一”和“第二”等之类的关系术语仅仅用来将一个实体或者操作与另一个实体或操作区分开来，而不一定要求或者暗示这些实体或操作之间存在任何这种实际的关系或者顺序。而且，术语“包括”、“包含”或者其任何其他变体意在涵盖非排他性的包含，从而使得包括一系列要素的过程、方法、物品或者设备不仅包括那些要素，而且还包括没有明确列出的其他要素，或者是还包括为这种过程、方法、物品或者设备所固有的要素。在没有更多限制的情况下，由语句“包括一个……”限定的要素，并不排除在包括所述要素的过程、方法、物品或者设备中还存在另外的相同要素。

以上所述仅是本公开的具体实施方式，使本领域技术人员能够理解或实现本公开。对这些实施例的多种修改对本领域的技术人员来说将是显而易见的，本文中所定义的一般原理可以在不脱离本公开的精神或范围的情况下，在其它实施例中实现。因此，本公开将不会被限制于本文所述的这些实施例，而是要符合与本文所公开的原理和新颖特点相一致的最宽的范围。

Claims (10)

1.一种等离子发生器，其特征在于，包括同轴设置的阴极组件(1)、阳极(50)和进气环(60)，所述阴极组件(1)包括：

阴极(30)；

中空的壳体(10)，所述壳体(10)的第一端与所述阳极(50)之间形成放电室(70)，所述进气环(60)用于向所述放电室(70)输送工质气体，所述阳极(50)上设有与所述放电室(70)连通的弧焰出口(51)；

进给杆(20)，所述进给杆(20)的第一端由所述壳体(10)的第二端插入到所述壳体(10)的内部，所述进给杆(20)的第一端设有用于安装所述阴极(30)的安装部，所述壳体(10)的第一端设有可供所述阴极(30)插入的通孔，所述进给杆(20)能够沿着所述壳体(10)的长度方向移动。

2.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征在于，所述阳极(50)朝向所述壳体(10)的一侧具有扩展部(52)，所述壳体(10)的第一端伸入所述扩展部(52)并与所述扩展部(52)之间形成所述放电室(70)，所述壳体(10)的外周与所述扩展部(52)之间形成间隙，所述进气环(60)用于向所述间隙输送所述工质气体。

3.根据权利要求2所述的等离子发生器，其特征在于，所述扩展部(52)沿着朝向所述壳体(10)的方向内径逐渐增加，所述弧焰出口(51)与所述扩展部(52)的远离所述壳体(10)的一端连通，且所述弧焰出口(51)与所述阳极(50)同轴设置。

4.根据权利要求1所述的等离子发生器，其特征在于，还包括驱动设备(40)，所述驱动设备与所述进给杆(20)的第二端连接，所述驱动设备(40)用于带动所述进给杆(20)沿着所述壳体(10)的长度方向移动。

5.根据权利要求4所述的等离子发生器，其特征在于，所述驱动设备(40)包括步进电机，所述步进电机的输出轴与所述进给杆(20)的第二端连接，所述进给杆(20)与所述壳体(10)的第二端螺纹配合，所述步进电机相对于所述等离子发生器的基座沿着所述壳体(10)的长度方向移动。

6.根据权利要求4所述的等离子发生器，其特征在于，所述驱动设备(40)包括步进电机，所述步进电机的输出轴与所述进给杆(20)的第二端连接，所述进给杆(20)与所述壳体(10)的第二端螺纹配合，所述步进电机的输出轴的端部设有第一连接部，所述进给杆(20)的第二端设有第二连接部，所述第一连接部和所述第二连接部沿着所述壳体(10)的周向方向限位配合且沿着所述壳体(10)的长度方向滑动配合。

7.根据权利要求4所述的等离子发生器，其特征在于，所述驱动设备(40)包括电动推杆，所述电动推杆的输出轴与所述进给杆(20)的第二端连接，所述进给杆(20)与所述壳体(10)的第二端滑动配合，所述电动推杆固定设置在所述等离子发生器的基座上。

8.根据权利要求1至7任一项所述的等离子发生器，其特征在于，所述壳体(10)的内部呈阶梯孔状，所述阶梯孔的大孔部靠近所述壳体(10)的第一端，所述阶梯孔的小孔部靠近所述壳体(10)的第二端，所述阶梯孔的台阶部朝向所述大孔部的一侧延伸设有分水筒(14)，所述分水筒(14)与所述壳体(10)的第一端之间形成间隙，所述分水筒(14)与所述进给杆(20)之间形成进水通道，所述壳体(10)上设有与所述进水通道连通的进水管(15)，所述分水筒(14)与所述大孔部之间形成出水通道，所述壳体(10)上设有与所述出水通道连通的出水管(16)。

9.根据权利要求8所述的等离子发生器，其特征在于，所述壳体(10)的内壁与所述进给杆(20)之间设有第一密封圈(17)，所述第一密封圈(17)设置在所述进水管(15)与所述进水通道的接口处朝向所述壳体(10)的第二端的一侧。

10.根据权利要求8所述的等离子发生器，其特征在于，所述壳体(10)的内壁设有可供所述阴极(30)插入的第二密封圈(18)。

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