CS214737B2 - Zařízení k navařování pomocí plazmového oblouku - Google Patents

Abstract

Zařízení k navařování s plazmovým hořákem připojeným ke zdroji plynu vytvářejícího plazma, ke zdroji ochranného plynu, ke zdroji nosného plynu pro návarový materiál a k vodnímu chladicímu systému. Hořák je napájen z jediného zdroje stejnosměrného proudu, který je jedním pólem připojen ke katodě a druhým pólem jednak k obrobku a jednak přes chlazený odpor k trysce hořáku. Napájecí obvod obsahuje bezpečnostní ústrojí, které dovoluje zapálení hořáku pouze při přívodu plynu vytvářejícího plazma a přívodu chladicí vody. Vlastní hořák sestává z několika vzájemně sešroubovaných bloků a dílů, jeho katoda je výškově nastavitelná zvnějšku, je opatřen alespoň dvěma chladicími okruhy a spojen s dávkovači návarového materiálu.

Description

Vynález se týká zařízení pro navařování pomocí plazmového oblouku, které obsahuje plazmový hořák připojený ke zdroji plynu k vytváření plazmatu, ke zdroji nosného plynu pro práškový návarový materiál a k vodnímu chladicímu systému, a dále obsahuje ovládací a napájecí ústrojí k vytváření přímého oblouku mezi katodou hořáku a navařovaným obrobkem a nepřímého oblouku mezi katodou a tryskou hořáku.

V takovém zařízení se nejprve zapálí nepřímý oblouk mezi katodou, obvykle wolframovou, a tryskou hořáku tvořící anodu a potom se oblouk přenese z anody na navařovaný obrobek, přičemž se současně zúží a sevře průchodem tryskou. Návarový materiál je dopravován: ve formě prášku proudem plynu, obvykle argonu, až do místa, kde oblouk vychází z trysky. Materiál se roztavuje a přivádí na plochu navařovaného obrobku přímým plazmovým obloukem. K vytvoření obou uvedených oblouků se používá ve známých zařízeních dvou zdrojů stejnosměrného proudu, což má za následek nákladnou a složitou konstrukci.

Vynález má za úkol odstranit tuto nevýhodu a jeho podstata spočívá v tom, že v ovládacím a napájecím ústrojí je zapojen jediný zdroj stejnosměrného proudu, jehož jeden pól je připojen ke katodě hořáku a druhý pól je připojen jednak k navařovanému obrobku a jednak k trysce hořáku přes odpor umístěný v přívodním potrubí chladicí vody plazmového hořáku.

Zařízení podle vynálezu je oproti známým zařízením podstatně jednodušší a levnější, přičemž zdroj stejníosměrného proudu může být jakýkoli běžný zdroj používaný obvykle ke svařování.

Význaky a další výhody vynálezu budou vysvětleny v souvislosti s příklady provedení znázorněnými na výkrese, kde představuje obr. 1 schéma zařízení podle vynálezu, obr. 2 osový řez plazmovým hořákem použitelným v zařízení podle vynálezu a obr. 3 schéma chladicích a napájecích okruhů v zařízení podle vynálezu.

Obr. 1 znázorňuje schematicky hlavní části zařízení podle vynálezu, které slouží k navařování, a spojení mezi nimi.

Plazmový hořák 1 obsahuje wolframovou katodu 2 umístěnou uvnitř trubky, jejíž dolní kuželový konec tvoří trysku 3. Tryska 3 je obklopena ochrannou trubkou 4, jejíž dolní konec má kuželový tvar a tvoří vnější trysku hořáku 1. Vnější tryska je obklopena děrovaným kotoučem 5, který uzavírá prstencovou komoru mezi ochrannou trubkou 4 a souosou trubkou 8.

Mezi katodu 2 a trysku 3 se zavádí plyn, který slouží k vytvoření plazmatu v oblouku mezi katodou 2 a obrobkem 7. Směr proudění tohoto plynu je znázorněn šipkou 8 a přerušovanou čárou znázorňující přívodní potrubí, v němž je zapojen měřicí přístroj 9 množství plynu. Hořák 1 dále obsahuje přívodní trubku 10 návarového materiálu, který má formu prášku a je dopravován proudem nosného plynu, například argonu. Zavádění práškového materiálu do nosného plynu se provádí v dávkovači 11, který sestává především z nádoby na prášek a z regulačního ústrojí pro regulaci množství prášku, jak bude popsáno ještě v dalším.

Hořák 1 je kromě toho opatřen přívodním potrubím 12 ochranného plynu a chladicím potrubím 13, kterým se přivádí chladicí voda. Chladicí okruh není podrobně znázorněn a chladicí potrubí 13 je zakresleno schematicky přerušovanými čarami. Množství vody protékající chladicím okruhem se měří měřičem 14. Katoda 2 je spojena elektricky prostřednictvím vodiče 15 se záporným pólem zdroje 16 stejnosměrného proudu. Kladný pól zdroje 16 je spojen vodičem 17 s obrobkem 7 a vodičem 18 přes odpor 19 a vodič 20 s tryskou 3. Odpor 19, jehož hodnota je například 3 ohmy a který může být tvořen drátem stočeným do šroubovice, je umístěn přímo v chladicím potrubí 13, které přivádí chladicí vodu do hořáku 1. Mezi vodiči 15, 18 je zapojen vysokofrekvenční zapalovač 21 k zapálení oblouku mezi katodou 2 a tryskou 3.

V zařízení podle vynálezu se napájení nepřímého oblouku mezi katodou 2 a tryskou 3 i napájení přímého oblouku mezi katodou 2 a obrobkem 7 provádí z jediného zdroje 16 stejnosměrného proudu, a to pomocí uvedených spojů a zejména v důsledku existence odporu 19. Odpor 19 je chlazen přímo chladicí vodou hořáku 1 a může být samozřejmě vytvořen jako proměnlivý odpor. Elektrický obvod umožňuje tedy ušetřit náklady na druhý zdroj stejnosměrného proudu a přitom vytváří potřebný poměr mezi proudem nepřímého oblouku a proudem procházejícím přímým obloukem.

Zařízení podle obr. 1 obsahuje ještě blok 22, ohraničený přerušovanou čarou, který sestává z bezpečnostního ústrojí 23 hořáku 1 a zastavovacího ústrojí 24. Bezpečnostní ústrojí 23 je připojeno jednak vodičem 25 k zapalovači 21 a jednak vodiči 26, 27 k měřicímu přístroji 9 množství plynu a k měřiči 14 množství chladicí vody. Zastavovací ústrojí 24 je připojeno vodičem 28 ke zdroji 16 stejnosměrného proudu a vodičem 29 k regulátoru dávkovače 11 návarového práškového materiálu.

Bezpečnostní ústrojí 23 a zastavovací ústrojí 24 pracují tímto způsobem: Když se zařízení podle vynálezu uvede do provozu, detekuje bezpečnostní ústrojí 23 jednak přítomnost a dostatečné množství plynu vytvářejícího plazmový výboj, a to pomocí měřicího přístroje 9, s nímž je spojeno vodičem 26, a jednak přítomnost a dostatečné množství chladicí vody, a to přes měřič 14 a vodič 27. Teprve když obě tyto veličiny dosáhnou požadované hodnoty, vyšle bezpečnostní ústrojí 23 vodičem 25 impuls do za214737 palovače 21. Zapálení oblouku je tedy zablokováno do té doby, dokud nevzniknou podmínky nezbytné pro ochranu plazmového hořáku 1.

Zastavovací ústrojí 24 ovládá přes vodiče 28, 29 současné snižování proudu přiváděného ze zdroje 16 a množství materiálu dodávaného dávkovačem 11. Tím, že se postupně a současně snižuje proud a přívod materiálu, zabrání se vzniku kráteru v obrobku 7 na konci navařování a vznikne svarová housenka s přesně definovaným hladkým koncem.

K regulaci množství práškového materiálu zaváděného do nosného plynu obsahuje s výhodou dávkovač 11 vzduchotěsně uzavřenou nádobu na prášek, která má kruhový otvor ústící do přívodní trubky 10. Otvor nádoby na práškový materiál je uzavírán regulovatelně šoupátkem, jehož část má tvar klínu a spolupracuje s tímto otvorem ve střední poloze mezi úplným otevřením a úplným uzavřením otvoru.

Otvor pro průchod práškového materiálu je tedy omezen ve střední poloze částí kruhové hrany otvoru a přímkovými hranami šoupátka tvořící klín, který uzavírá více nebo méně kruhový otvor. Tím lze realizovat dávkování, při kterém množství práškového materiálu se mění lineárně s posouváním závěru nádoby. Mimoto se do nádoby na práškový materiál zavádí dávkované množství nosného plynu, čímž se kompenzuje pokles tlaku v nádobě při postupném zmenšování množství prášku. Plyn se zavádí neznázorněným pomocným potrubím, které odvádí část proudu plynu z přívodní trubky 10 a vede jej do nádoby na práškový materiál. Neznázorněným ventilem se reguluje tlak plynu v pomocném potrubí, aby zůstal konstantní při změně množství prášku obsaženého v nádobě.

Zařízení podle vynálezu má nejenom tu výhodu, že přináší podstatné zjednodušení z hlediska napájení elektrickým proudem, poněvadž používá pouze jediného zdroje svařovacího proudu, kterým může být jakýkoliv běžně používaný zdroj, nýbrž přináší i velké zjednodušení a zlepšení, pokud jde o využití a funkci zařízení.

Obr. 2 ukazuje v podélném řezu podrobně plazmový hořák 1, který lze použít v zařízení podle vynálezu. Wolframová katoda 2 hořáku 1 je zašroubována závitovým koncem 2‘ s regulační hlavou do nosného katodového bloku 30 z kovu. Nosný katodový blok 30 má protáhlou válcovou část, která obklopuje katodu 2 a zajišťuje její středění. Katoda 2 je výškově nastavitelná natáčením závitového konce 2‘ přístupného z vnějšku. Nosný katodový blok 30 je přišroubován šrouby 31 k vloženému dílu 32 z izolačního materiálu. Vložený díl 32 je upevněn šrouby, které nejsou v řezu na obr. 2 viditelné, k rozváděcímu bloku 33, jenž má rovněž prstencový tvar. Rozváděči blok 33 nese dvě souosé soustavy, a to anodovou soustavu sestávající z trysky 3 a vnějšího anodového prstence 3‘ a přišroubovanou šrouby 34 k rozváděcímu bloku 33, a ochrannou soustavu sestávající z ochranné trubky 4 a vnější ochranné trubky 4* a připevněnou k rozváděcímu bloku 33 šrouby 35. Těchto pět funkčních částí plazmového hořáku 1, tedy nosný katodový blok 38, vložený díl 32 z izolačního materiálu, rozváděči blok 33, anodová soustava 3, 3‘ a ochranná soustava 4, 4'¹ jsou tedy spolu spojeny šrouby, což umožňuje rychlou montáž a demontáž hořáku 1.

Nosný katodový blok 30 obsahuje prstencovou chladicí komoru 36, která je uzavřena prstencovou deskou 37. Chladicí komora 36 tvoří součást prvního chladicího okruhu plazmového hořáku 1 a má vstupní potrubí 131 a výstupní potrubí 13Γ procházející prstencovou deskou 37. Chladicí komora 36 je mimoto propojena s dutinou 38 katody 2, jak je znázorněno přerušovanou čarou na obr. 2, což umožňuje chlazení katody 2 nejen z vnějšku přes nosný katodový blok 30, nýbrž i z vnitřku.

Nosný katodový blok 30 obsahuje dále kanál 39, který spojuje přiváděči trubku 8 plynu vytvářejícího plazma s prstencovou komorou 40, která je vytvořena kolem protáhlé válcové části nosného katodového bloku 30, a vývrt, kterým prochází přívodní trubka 10 návarového materiálu. Přívodní trubka 10 sahá až do souosého vývrtu ve vloženém dílu 32.

Vložený díl 32 a rozváděči blok 33 leží nad sebou a mají souosé středové vývrty, které tvoří kolem protáhlé vodicí části nosného katodového bloku 30 zmíněnou prstencovou komoru 40. Prstencová komora 40 je prodloužena kolem hrotu katody 2 do tvaru nálevky omezené tryskou 3.

Tryska 3 obsahuje alespoň dva anodové kanály 41, 42, z nichž jeden je spojen vývrtem v rozváděcím bloku 33 s přívodní trubkou 10 a druhý s druhou přívodní trubkou 10‘, kterou se přivádí druhý návarový materiál přes rozváděči blok 33, jak ukazuje schematicky obr. 2.

Mimoto tvoří tryska 3 s vnějším anodovým prstencem 3‘ a s válcovým koncem rozváděcího bloku 33 chladicí prstencovou komoru 43, která je spojena s chladicím systémem plazmového hořáku 1 vstupním chladicím potrubím 132 a výstupním chladicím potrubím 132‘. Na obr, 2 je znázorněno pounze jedno z těchto chladicích potrubí a spojovací kanál 44, který prochází rozváděcím blokem 33.

Ochranná soustava trysky 3, která obklopuje dolní konec hořáku 1, je tvořena dvěma souosými ochrannými trubkami 4, 4‘, které mezi sebou tvoří ochrannou chladicí komoru 45, která je rovněž protékána chladicí vodou přiváděnou vstupním chladicím potrubím 133 a odváděnou výstupním chla214737

T dicím potrubím 133‘; na obr. 2 je znázorněno pouze jedno z těchto potrubí.

Mezi vnitřní plochou vnější ochranné trubky 4 a vnější plochou vnějšího anodového prstence 3‘ a dolní částí rozváděcího bloku 33 je prstencový prostor, který je spojen kanálem 46 ochranného plynu, znázorněným schematicky přerušovanými čarami, v rozváděcím bloku 33 s přívodním potrubím 12 ochranného plynu.

Takto vytvořený plazmový hořák 1 má nejenom obzvláště výhodnou konstrukci, pokud jde o údržbu, protože jeho jednotlivé části jsou spojeny šrouby a katoda je samočinně vystředěna a dá se regulovat zvenčí, nýbrž přináší značné výhody pokud jde o použití. Tak například v důsledku toho, že má hořák chlazenou ochrannou soustavu pro trysku 3, může pracovat v prostředí s velmi vysokou teplotou, například při navařování uvnitř dílů zahřátých na velice vysoké teploty. Oddělené přívodní trubky 10, 10‘ pro návarový materiál mohou mimoto umožňovat vytváření různých povlaků například tak, že se tvoří omezené oblasti, jež mají odlišné složení od ostatního navařovaného povlaku.

Na obr. 3 je znázorněna část zařízení podle vynálezu, které obsahuje plazmový hořák 1 podle obr. 2, jehož schematicky naznačené spoje jsou označeny stejnými vztahovými značkami jako na obr. 2. Schéma na obr. 3 ukazuje chladicí soustavu hořáku 1 a jeho napájení práškovým návarovým materiálem. Neznázorněná část zařízení je analogická s provedením podle obr. 1, jehož chladicí potrubí 13 odpovídá chladicímu potrubí 13 znázorněnému na obr. 3 přerušovanými čarami.

Mezi tímto vstupním chladicím potrubím 13 a odpovídajícím výstupním chladicím potrubím 13* jsou zapojeny přes rozváděč 47 tři oddělené chladící okruhy plazmového hořáku 1, a to katodový chladicí okruh se vstupním a výstupním chladicím potrubím 131, 131*, anodový chladicí okruh se vstupním a výstupním chladicím potrubím 132,

132* a chladící okruh ochranné soustavy se vstupním a výstupním chladicím potrubím 133, 133*. Rozváděč 47, ohraničený čerchovanou čarou, obsahuje soustavu rozváděčích ventilů 48 až 51, jež jsou zakresleny jako elektrické přepínače a jejichž spoje jsou znázorněny schematicky plnými čaralmi. Rozváděči ventily 48, 49, 50, 51 jsou ovládány buď ručně nebo automaticky přes detektor 52 teploty, který je uložen ve výstupním chladicím potrubí 13* a zjišťuje teplotu chladicí vody na výstupu chladicí soustavy. Toto automatické ovládání lze realizovat známými prostředky, takže na obr. 3 je znázorněno zjednodušeně spojkou 53 mezi rozváděčem 47 a detektorem 52 teploty.

Schéma rozváděče 47 ukazuje, že katodový chladicí okruh je neustále v činnosti a druhé dva chladicí okruhy k němu mohou být připojeny jednotlivě do série nebo paralelně v závislosti na vnějším zásahu, zejména v závislosti na teplotě chladicí vody za chladicím systémem nebo například v závislosti na spotřebě elektrické energie v plazmovém hořáku 1.

Obr. 3 ukazuje rovněž schematicky přívod práškových návarových materiálů do plazmového hořáku 1. Plazmový hořák 1 má dvě přívodní trubky 10, 10* návarového materiálu, odpovídající provedení na obr. 2, které jsou napájeny přes rozdělovač 54 alespoň ze dvou dávkovačů 11, 11‘, jež jsou vytvořeny analogicky jako dávkovač 11 z obr.

1. Rozdělovač 54 a dávkovače 11, 11* práškového návarového materiálu mohou být ovládány ručně nebo automaticky, například v závislosti na vzájemné poloze plazmového hořáku 1 a neznázorněného obrobku na stroji vybaveném zařízením podle vynálezu, aby bylo možno zavádět práškový materiál z jednoho a/nebo druhého dávkovače 11, 11*, do jedné a/nebo druhé přívodní trubky 10, 10*. Tímto způsobem je možné vytvářet navařovanou vrstvu proměnlivého složení a závislou v případě potřeby na místě, kde se nanáší.

Claims (9)

1. Zařízení k navařování pomocí plazmového oblouku, které obsahuje plazmový hořák připojený ke zdroji plynu k vytváření plazmatu, ke zdroji ochranného plynu a ke zdroji nosného plynu pro práškový návarový materiál a k vodnímu chladicímu systému, a dále obsahuje ovládací a napájecí ústrojí k vytváření přímého oblouku mezi katodou hořáku a navařovaným obrobkem a nepřímého oblouku mezi katodou a tryskou hořáku, vyznačené tím, že v ovládacím a napájecím ústrojí je zapojen jediný zdroj (16] stejnosměrného proudu, jehož jeden pól je připojen ke katodě (2) hořáku (1) a druhý pól je připojen jednak k navařovanému obrobku (7) a jednak k trysce (3) hořáku (1] přes odpor (19), umístěný v příVYNÁLEZU vodním ipoitrubí (13) chladicí vody plazmového hořáku (1).

2. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že k plazmovému hořáku (1) je připojen zapalovač (21) spojený se zdrojem (16) stejnosměrného proudu a s bezpečnostním ústrojím (23), jehož vstup je spojen s měřicím přístrojem (9) množství plynu vytvářejícího plazma a s měřičem (14) množství chladicí vody pro zapálení nepřímého oblouku po dosažení předem stanovené hodnoty obou měřených veličin.

3. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že ke zdroji (16) stejnosměrného proudu je připojen výstup zastavovacího ústrojí (24) navařovacího procesu, jehož druhý výstup je spojen s dávkovačem (lij návarového materiálu pro postupné snižování proudu dodávaného zdrojem (16) a současné zmenšování přívodu práškového návarového materiálu do hořáku (1) na zásah obsluhy.

4. Zařízení podle bodu 3 vyznačené tím, že dávkovač (lij práškového návarového materiálu ústí do přívodní trubky (10) práškového návarového materiálu spojené se zdrojem nosného plynu a jeho nádoba je připojena k přívodní trubce (10) pomocným potrubím a opatřena regulačním ústrojím tlaku plynu uvnitř nádoby.

5. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že v plazmovém hořáku (1) jsou vytvořeny alespoň dva chladicí okruhy (131, 131‘, 132, 132‘, 133, 133‘j spojené s rozváděčem (47), přičemž alespoň jeden z nich je připojitelný k chladicímu systému plazmového hořáku (lj v sérii nebo paralelně s druhým chladicím okruhem (131, 131‘, 132, 132', 133, 133‘j.

6. Zařízení podle bodu 5 vyznačené tím, že s rozváděčem (47) je spojen detektor (52) teploty chladicí vody, který je umístěn ve výstupním chladicím potrubí (13‘).

7. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že plazmový hořák (1) sestává z katodového nosného bloku (30) nesoucího katodu (2) a z izolačního vloženého dílu (32), na který navazuje rozváděči blok (33) pro tekutiny, a z anodové soustavy (3, 3‘) obklopené ochrannou trubkou (4, 4'), přičemž tyto funkční části jsou spojeny šrouby (31, 34, 35).

8. Zařízení podle bodu 7 vyznačené tím, že katoda (2) je uložena závitovou částí (2‘) uprostřed katodového nosného bloku (30) pro výškové nastavení z vnějšku hořáku (lj.

9. Zařízení podle bodu 1 vyznačené tím, že plazmový hořák (1) je opatřen nejméně dvěma přívodními trubkami (10, 10') pro přívod práškového návarového materiálu, které jsou napájeny alespoň ze dvou dávkovačů (11, 11') přes rozdělovač (54) pro zavádění nejméně jednoho práškového materiálu do přívodních trubek (10, 10') v závislosti na vnějším povelu.