CS427790A3 - Method of plasma arc torch start-up - Google Patents

Description

2

Vynález se týká způsobu nastartování plazmovéhoobloukového hořáku. Vynález se zejmená týká způsobu na-startování plazmového obloukového hořáku, který obsahujekovovou elektrodu a vícedílnou trysku, umístěnou v blíz-kosti výbojového konce uvedené elektrody.

Jak je známo, obsahují plazmové obloukové hořákykovovou elektrodu a vícedílnou trysku , uspořádanou vblízkosti výbojového konce uvedené elektrody. Tyto plazmo-vé obloukové hořáky pracují^v režimu převedeného plazmo-vého oblouku, coř znamená,fuveděný plazmový oblouk vybíház výbojového konce elektrody skrze uvedenou vícedílnoutrysku směrem k obrobku, který je tímto plazmovým oblouko-vým hořákem opracováván. Za účelem vytvoření plazmy aumožnění rychlejšího a účinějšího opracování uvedené obrob·ku se v hořáku obvykle používá oxidační plyn.

Avšak vzhledem k vysokému elektrickému napětí, kte-ré je nezbytné pro nastartování a převedení plazmovéhooblouku z elektrody na opracovávaný obrobek, se některédosud používané plazmové obloukové hořáky startují za po-užití neoxidačního plynu tak, že se mezi výbojovým koncemelektrody a vícedílnou tryskou vytvoří pilotní plazmovýoblouk.

Jestliže se však při nastartování plazmového oblou- - 3 - kového hořáku používá oxidační plyn, dochází v důsledkupoužitého vysokého elektrického napětí ke vzniku velmiagresivních oxidačních podmínek, které mají za následeksnížení doby účinné životnosti elektrody. Tento vytvořenýplazmový oblouk je potom převeden směrem k obrobku, kterýje plazmovým obloukovým hořákem opracováván. V okamžiku, kdy došlo k převedení uvedeného plazmo-vého oblouku, omezí se přívod neoxidačního plynu, přičemžse současně do proudu omezeného neoxidačního plynu přidáváoxidační plyn, jakým je například kyslík.

Je samozřejmé, že výše uvedený známý způsob nastar-tování plazmového obloukového hořáku vyžaduje pečlivý re-gulační režim přívodu jak uvedeného neoxidačního plynu,tak i uvedeného oxidačního plynu, přičemž je k tomu v ně-kterých případech zapotřebí i speciální konstrukce hořáku.Tak například v jednom z provedení dosud známých plazmo-vých obloukových hořáků se do hořáku skrze násobný prsten-cový vstup, umístěný mezi jednotlivými díly trysky, zavádív průběhu počátku nastartování plazmového oblouku argon.Když došlo k převedení plazmového obloukového hořáku smě-rem k obrobku, který má být hořákem opracován, omezí sepřívod argonu a ubylé množství argonu se nahradí oxidačnímplynem tak, že se do přiváděného argonu přidává v průběhupřevádění plazmového oblouku oxidační plyn. - 4 -

Použití uvedené kombinace argonu a kyslíku nebovzduchu v plazmovém obloukovém hořáku však vyžaduje současnou a komplexní regulaci průtoků obou uvedených plynů zaúčelem zachování správného směšovacího poměru těchto ply-nů v průběhu startovací operace. Kromě toho má použitíneoxidačního plynu, jakým je například argon za následekzvýšenou tvorbu okují v případě, že se v průběhu obráběníopracovávaného obrobku uvedeným plazmovým obloukovým ho-řákem přivádí společně s kyslíkem nebo vzduchem také uve-dený neoxidační plyn. Cílem vynálezu proto je vyvinout způso^nastartováníplazmového obloukového hořáku popsaného typu, který byomezoval na minimálně možnou míru oxidaci elektrody vytvo-řením proudu neoxidačního plynu v průběhu tvorby pilotní-ho plazmového oblouku; dalším cílem vynálezu tedy je ipracovní režim, při kterém by se oxidační plyn používalpouze při vlastní operaci obrábění uvedeného obrobku plaz-movým obloukovým hořákem. Výše uvedené nedostatky se odstraní způsobem nastartování plazmového obloukové hořáku, který má kovovou elek-trodu a vícedílnou trysku, uspořádanou v blízkosti výbojo-vého konce elektrody, podle vynálezu, při kterém se omezína minimálně možnou míru oxidace elektrody, čímž se výraz-ně prodlouží doba životnosti této elektrody. - 5 - Při způsobu podle vynálezu se mezi výbojový konecelektrody a vícedílnou trysku nejprve zavádí proud neoxi-dují čího plynu. Potom se mezi výbojovým končen elektrodya vícedílnou tryskou vytvoří pilotní plazmový oblouk. Ten-to pilotní plazmový oblouk se potom převede za vzniku pře-vedeného plazmového oblouku, který vybíhá z výbojového konce elektrody směrem k obrobku, který má být uvedeným plaz-movým obloukovým hořákem opracován, a který se nachází naté straně vícedílné trysky, která je odvrácena od elektro-dy. Současně s tím, když se ukončí přívod neoxidačního plynu, začně se mezi výbojový konec elektrody a vícedílnoutrysku zavádět proud oxidačního plynu tak, aby převedenýplazmový oblouk a oxidační plyn vytvořily tok plazmovéhoplynu mezi výhojovým koncem elektrody a obrobkem, kterýmá být uvedeným plazmovým obloukovým hořákem opracován. Při výhodném provedení způsobu podle vynálezu jeneoxidační plyn v podstatě tvořen dusíkem, zatímco oxidač-ní plyn je v podstatě tvořen kyslíkem.

Po ukončení obráběcí operace se převedený plazmovýoblouk ukončí současně s přerušením přívodu oxidačníhoplynu. Současně se mezi výbojovým koncem elektrody a ví-cedílnou tryskou obnoví průtok neoxidačního plynu. V následující části popisu bude způsob nastartování - 6 - plazmového obloukového hořáku podle vynálezu detailnějipopsán pomocí odkazů na připojené výkresy, na kterých : - obrázek 1 znázorňuje zvětšený podélný řez plazmovým obloukovým ho-řákem, použitelným při způso-bu podle vynálezu; - obrázek 2 znázorňuje grafy zobrazující jednak závislost průtoků obouplynů plazmovým obloukovým ho-řákem použitelným při způsobupodle vynálezu na Sase a jed-nak průběh plazmového obloukuv závislosti na čase v průbě-hu provozu plazmového oblouko-vého hořáku použitelného přizpůsobu podle vynálezu; - obrázek 3 znázorňuje velmi zjednodušený schematický diagram zapojeníjednotlivých základních slo-.žek pro provoz plazmového obloukového hořáku použitelného přizpůsobu podle vynálezu. - 7 -

Na připojených obrázcích a zejména na obrázku 1je zobrazeno jedno z možných provedení plazmového oblou-kového hořáku podle vynálezu, který může být použit přivýše popsaném způsobu nastartování hořáku. Uvedený plaz-mový obloukový hořák zahrnuje /tento hořák je obrázku označen vztahovou značkou 1 0/ vícedílnou trysku 1_2 a válcovouelektrodu 14. Uvedená elektroda je s výhodou vyrobena změdi nebo z měděné slitiny a je tvořena hornin válcovitýmčlenem 1 5 a spodním miskoví tým držákem T 6. Horní válcovi-tý člen 15 má zpravidla tvar podélného otevřeného válcea vymezuje podélnou osu plazmového obloukového hořáku 1 0.Tento horní vácovitý člen 15 rovněž zahrnuje spodní kon-covou část II opatřenou vnitřním závitem. Držák 16 márovněž válcovitý tvar a zahrnuje spodní čelní konec a hor-ní zadní konec. Příčná stěna 18 uzavírá čelní konec držá-ku 1 6, přičemž tato příčná stěna 18 rovněž vymezuje vnějšíčelní stranu 20.. Na zadním konci držáku 16 je provedenvnější závit, kterým je tento zadní konec držáku 16 spojense spodní koncovou částí 17 horního válcovitého členu 1 5elektrody 14«

Ve vnější čelní straně 20 vnfrjšípříčné stěny 18 jeprovedeno vybráni 24, které vybíhá směrem dozadu podélpodélné osy plazmového obloukového hořáku 1 0. V uvedenémvybrání 24 je uspořádán vložený komplexní člen 26, kterýzahrnuje válcovitý emisní člen 28, uspořádaný souose s po- 8 dálnou osou plazmového obloukového hořáku 1 0. Tento válco-vitý emisní člen 28 je vytvořen z kovového materiálu, kte-rý má relativně nízkou výstupní práci, takže snadno emi-tuje elektrony potom, co na něj bylo vloženo elektrickénapětí. Vhodnými příklady těchto kovových materiálů jsouhafnium, zirkonium, wolfram a jejich slitiny. V uvedeném vybrání 24 je souose s válcovitým emis-ním členem 28 uspořádán relativně neemisni obal 32, tvořenýobvodovou stěnou a uzavřenou příčnou stěnou 34, které jsoumetalurgicky spojené se stěnami vybrání 24« Kromě tohoobal 32 zahrnuje prstencovitou přírubu 35 vymezující vnějšíprstencovitý povrch, který leží v rovině vnější čelní stra-ny 20 držáku 16. Další popis tohoto obalu 32 může být zís-kán ze související patentové přihlášky 07/466,205, podané17 ledna 1990.

Ve zobrazeném provedení je elektroda 14 uložena vtěle 38 plazmového obloukového hořáku 1 0, který- vymezujeprůchod 40 plynu a průchod 42 kapaliny. Tělo 38 plazmové-ho obloukového hořáku 1 0 je obklopeno vnějším izolačnímpláštěm 44.

Trubka 46 má centrální vrtání 48 sloužící pro cirku- laci kapalného média, jakým je například voda, skrze elektro du 14. Uvedená trubka 46 má vnější průměr menší než vnitřní - 9 - průměr horního válcovitého členu 1 5 > takže mezi uvedenýmvnějším povrchem trubky 46 a vnitřním povrchem horníhoválcovitého členu 1 5 vzniká prostor 49 pro odvádění vodypo jejím průtoku trubkou 46. Uvedené voda je do trubky 46přiváděna ze zdroje vody, který není na obrázku znázorněn,prochází trubkou 46 a posléze prostorem 49 < odkud je pomo-cí otvorů 52 provedených v těle 38 plazmového obloukovéhohořáku 10 odváděna odvodňovací hadici /není na obrázkuzobrazena/.

Průchod 42 usměrňuje vstřikovanou vodu do vícedíl-né trysky 1_2, ve které je tato voda konvertována na vodnívír obklopující plazmový oblouk. Průchod 40 plynu přijímáze zdroje plynu /není na obrázku zobrazen/ plyn, který jev souladu s vynálezem tvořen neoxidačním plynem, jakým jevýhodně dusík, a oxidačním plynem, jakým je výhodně kyslík.Jako oxidující plyn může být také použit vzduch.

Plazmový obloukový hořák 10 rovněž zahrnuje prostře-dek /není na obrázku znázorněn/, který reguluje průtokyneoxidujícího plynu a oxidačního plynu do uvedeného průcho-du £2) který usměrňuje plyn tak, že prochází konvenčnímusměrňovacím prostředkem 54» vytvořeným z libovolnéhovhodného žárovzdorného keramického materiálu, do přetlako-vé komůrky 56 tak, že zde tento plyn víří. Tento plyn potomvytéká z přetlakové komůrky 56 zkrze vrtání 60 a 62, která jsou souosá s podélnou osou plazmového obloukového hořáku10 a která zužují plazmový oblouk.

Elektroda 14 je uložena v usměrňovacím prostředku54 a izolačním členu 55, vytvořeném z plastického materiáluodolávajícího vysokým teplotám. Tento izolační člen 55elektricky izoluje vícedílnou trysku 12 od elektrody 14. Vícedílná tryska 12 zahrnuje horní člen 63 a spod-ní člen 64, přičemž tento horní člen 63 a spodní člen 64vymezují vrtání 60 resp. vrtání 62. I když uvedení horníčlen 63 a uvedený spodní Čelen 64 mohou být oba zhotovenyz kovu, je výhodné zhotovit uvedený spodní člen 64 z kera-mického materiálu, jakým je například alumina /AlgO^/. Uve-dený spodní člen 64 je od uvedeného horního členu 63 oddě-den plastickým distančním prvkem 65 a prstencem 66 zviřují-cím vodu. Prostor vytvořený mezi horním členem 63 a spod-ním členem 64 tvoří vodní komůrku 67. Vrtání 60 horníhočlenu 63 je souosé s podélnou osou elektrodz^c? 14 plazmo-vého obloukového hořáku 10. Rovněž vrtáni 60 je válcovéa má horní zkosený konec, který je přilehlý k přetlakovékomůrce 56, přičemž úhel zkosení uvedeného horního zkose-ného konce je roven asi 45°·

Uvedený spodní člen 64 obsahuje válcovitou Část 70, která vymezuje přední /nebo spodní/ koncovou část a zadní /nebo horní/ koncovou část, přičemž vrtání 62 probíhá sou-ose skrze uvedený spodní člen 64.. Na uvedené zadní konco-vé Části spodního členu 64 je uspořádána prstencová příru-ba 2JL> zatímco na vnějšku předná koncové části uvedenéhospodního členu 64 je vymezen komokuželý povrch 72, který jsouosý s uvedeným vrtáním 62. Uvedená prstencová příruba71 je zespodu nesena dovnitř vybíhající přírubou 73. pro-vedenou ve spodní části čepičky 74. přičemž^ uvedená če-pička 74 je odpojitelně spojená pomocí závitu s vnějšímizolačním pláštěm 44. Rovněž mezi oběmi přírubami 71 a 73je uspořádáno těsnění ΙΣ·

Vrtání 62 provedené ve spodním členu 64 je válcovi-té a souosé s vrtáním 60 provedeným v horním členu 63, přičemž souosost obou uvedených vrtání 60 a 62 je zajištěnacentrující objímkou 78, zhotovenou z libovolného vhodnéhoplastického materiálu. Tato centrující objímka 78 má vesvé horní části osazení, které odpojitelně zapadá do kruhového zářezu, provedeného v horním dílu 63 vícedílné trysky 12. Prstenec 66 a distanční prvek 65 se zkompletují ještěpřed vložením spodního členu 64 do centrující objímky 78.

Voda proudí z průchodu 42 skrze otvory 85 provedenév uvedené centrující objímce 78 do injekčních vstupů 87,provedených v prstenci 66 a injikujících vodu do vodní ko- 12 můrky 67. Uvedené injekční vstupy 87 jsou v prstenci 66provedeny tangenciálně, takže voda vstupující do vodníkomůrky 67 vytváří?· v této komůrce vír. Tato voda potomopíiští uvedenou vodní komůrku 67 vrtáním 62 provedenýmve spodním dílu 64 vícedílné trysky 12.

Jak je to schematicky zobrazeno na obrázku 3> jeproudový zdroj pilotního plazmového oblouku /tento proudo-vý zdroj je na obrázku označen vztahovou značkou 90/ sério-vě spojen s elektrodou 14.. Iniciační pilotní plazmový obloukmůže být kontrolován spínačovým prostředkem /není na obráz-ku zobrazen/, kterým může být například páčkový přepínač,umístěný na plazmovém obloukovém hořáku v poloze, kteráje vhodná pro snadnou obsluhu tohoto plazmového hořáku.Hlavní proudový zdroj 91 je sériově spojen s elektrodou14 a obrobkem z kovu W, který je zpravidla uzemněn.

Za účelem nastartovárí plazmového obloukového hořákuzpůsobem podle vynálezu se do průchodu 40 začne zavádětproud neoxidujícího plynu, kterým je s výhodou dusík.

Uvedený průchod 40 zavádí neoxidující plyn ke konvenčnímuusměrňovacímu prostředku 54, kterým neoxidující plyn pro-chází a vstupuje vířivým způsobem do přetlakové komůrky56, odkud dále postupuje vrtáními 60 a 62 vícedílné trysky1 2. Mezi výbojovým koncem elektrody a vícedílnou tryskou 12 13 - se potom bezprostředně vytvoří pilotní plazmový oblouk/obrázek 2/. Proudem neoxidujícího plynu se tento pilotníplazmový oblouk převede skrze vrtání 60 a 62 k obrobku,kterým má být plazmovým obloukovým hořákem opracován.Jakmile se dosáhne uvedeného převedení pilotního plazmo-vého oblouku, přívod neoxidujícího plynu se přeruší a místotohoto neoxidujícího plynu se do průchodu 40 zavádí proudoxidačního plynu. Tento oxidační plyn postupuje uvedeným v průchodem 40 a uvedeným usměrnovacím prostředkem 54 dopřetlakové komůrky 56, kterou opouští koaxiálními vedení-mi ve formě vrtání 60 a 62 vícedílné trysky 1 2. Výše uve-dený převedený oblouk a tento oxidační plyn vytváří mezielektrodou 14 a obrobkem W tok plynné plazmy. Obě vrtání60 a 62 vícedílné trysky 12 přispívají k intenzifikaci akolimaci plazmového oblouku.

Voda, která se zavádí do průchodu 42 je tímtoprůchodem 42 vedena do vícedílné trysky 1_2, kde je kon-vertována na vír obklopující plazmový oblouk.

Za účelem ukončení provozu plazmového obloukového _za současného hořáku se převedený plazmový oblouk ukončí /přerušení)#přívodu oxidačního plynu. Současně se mezi výbojovým koncemelektrody 14 a vícedílnou tryskou 12 vytvoří proud neoxi-dují čího plynu tím, že se tento neoxidující plyn zavádído průchodu 40, který plazmovým obloukovým hořákem postu- - 14 puje až k vícedílné trysce 12. Tento neoxidující plynhořák opouští uvedenými vrtáními 60 a 62 vícedílné trysky 12. Jako neoxidující plyn se zde s výhodou použije dusík.

Způsob nastartování plazmového obloukového hořákupodle vynálezu má následující výhody. Nastartování plazmo-vého obloukového hořáku za použití pouze neoxidujícíhoplynu eliminuje problém spojený s oxidačním hořením v hořá-ku, ke kterému jinak dojde při startování hořáku. V pří-padě, že k tomuto hoření přecejen dojde, potom následnézavádění neoxidujícího plynu slouží k uhašení takového ho-ření. U plazmových obloukových hořáků, které mají tryskuzhotovenou z mědi, se způsobem podle vynálezu dosáhne pod-statného snížení oxidace a eroze měděného materiálu. Oxi-dace trysky jinak nepříznivě ovlivňuje jak nastartováníhořáku, tak i kvalitu obrábění, například kvalitu rezultu-jícího řezu. Způsobem podle vynálezu se rovněž dosáhnepodstatného snížení oxidace všech měděných částí elektrody.Vzhledem k výše uvedenému umožňuje způsob podle vynálezuvětší počet startů plazmového obloukového hořáku, nebotse jeho používáním prodlouží doba životnosti jak elektrody,tak i trysky plazmového obloukového hořáku. V předcházející části popisu byl způsob podlevynálezu popsán pomocí zobrazeného plazmového obloukovéhohořáku. Je třeba zdůraznit, že toto popsané příkladné pro- 15 vedení vynálezu má pouze ilustrativní charakter a nikterak neomezuje vlastní rozsah vynálezu, který je vymezendefinicí předmětu vynálezu.

Claims (6)

16 PATENTOVÉ N Á R ( Ífž¥MoF=

1. Způsob nastartování plazmového obloukového hořáku, majícího kovovou elektrodu a vícedílnou trysku uspořáda-nou v blízkosti výbojového konce uvedené elektrody, ome-zující na minimum oxidaci uvedené elektrody a tím prodlu-žující její životnost, vyznačený tím, že se mezi výbojovým koncem

načež se mezi výbojovým koncem elektrody a vícedílnoutryskou vytvoří pilotní oblouk, který se potom převedetak, že dojde ke vzniku převedeného pilotního oblouku,který vybíhá od výbojového konce elektrody směrem k obrob-ku, nacházejícímu se na té straně vícedílné trysky, kteráje protilehlá vůči uvedené elektrodě, načež se současněukončí proud neoxidujíčího plynu a vytvoří mezi výbojovýmkoncem elektrody a vícedílnou tryskou proud oxidačníhoplynu, přičemž uvedený převedený oblouk a oxidační plynvytvóří proud plazmového plynu mezi výbojovým koncem elek-trody a uvedeným obrobkem.

2. Způsob podle bodu 1, vyznačený tím, že dále zahrnu- je ukončení převedeného oblouku a v podstatě současné úkon- - 17 čení proudu oxidačního plynu a v podstatě současné vytvoření proudu neoxidujíčího plynu mezi výbojovým koncemelektrody a vícedílnou tryskou.

3. Způsob podle bodu 2, vyznačený tím, že neoxidujícíplyn je v podstatě tvořen dusíkem, zatímco oxidační plynje v podstatě tvořen kyslíkem.

4. Způsob podle bodu 3, vyznačený tím, že vícedílnátryska obsahuje horní člen, který je přilehlý k uvedenémuvýbojovému konci elektrody, a spodní člen, přilehlý k uve-denému hornímu členu na té jeho straně, která je odvrácenaod uvedené elektrody, přičemž horní a dolní člem má vrtánípro průchod toku plazmového plynu a obě tato vrtání jsousouosá a způsob dále zahrnuje zavádění proudu kapalinymezi uvedený horní a spodní člen vícedílné trysky v pod-statě současně s převedením pilotního pblouku tak, že uve-dená kapalina obklopuje tok plazmového plynu.

5. Způsob podle bodu 4, vyznačený tím, že uvedenoukapalinou je voda.

6. Způsob podle bodu 5, vyznačený tím, že elektroda zahrnuje v podstatě válcový emisní člen uspořádaný na vý- bojovém konci elektrody. Zastupuje :