CZ35530U1

CZ35530U1 - Ochranný štít trysky plazmového hořáku

Info

Publication number: CZ35530U1
Application number: CZ202138462U
Authority: CZ
Inventors: Roman Chumchal
Original assignee: B&Bartoni, spol. s r.o.
Priority date: 2021-01-15
Filing date: 2021-01-15
Publication date: 2021-11-16
Also published as: WO2022152340A1

Description

Ochranný štít trysky plazmového hořáku

Oblast techniky

Technické řešení se týká ochranného štítu pro ochranu trysky plazmového hořáku proti zásahu odstřikujícím roztaveným materiálem během propalování a řezání.

Dosavadní stav techniky

Ochranný štít trysky plazmového hořáku se používá při plazmovém obloukovém řezání kovových materiálů. Při plazmovém řezání, a zejména při propalování řezaného materiálu, dochází k zpětnému rozstřiku roztaveného materiálu směrem k plazmové trysce. Ochranný štít chrání trysku hořáku před rozstřikovaným roztaveným materiálem, a tím zabraňuje jejímu poškození. Dále ochranný štít usměrňuje proud ochranného plynu, který proudí pod tlakem v prostoru mezi plazmovou tryskou a ochranným štítem. Při tomto proudění je ochranný plyn rozdělen na dvě části. První část ochranného plynu opouští prostor mezi plazmovou tryskou a ochranným štítem v místě otvorů v boční stěně ochranného štítu. Druhá část ochranného plynu proudí prostorem mezi plazmovou tryskou a ochranným štítem ke středovému otvoru v ochranném štítu, kterým dále prochází společně s proudem plazmy vystupujícím z plazmové trysky směrem k propalovanému, respektive řezanému materiálu.

Účelem první části ochranného plynu je vytvoření plynového polštáře, který chrání boční stěnu ochranného štítu před rozstřikovaným roztaveným materiálem a před sálajícím teplem z místa propalu a řezu materiálu. Účelem druhé části ochranného plynuje zabránit vniknutí rozstřikujícího roztaveného řezaného materiálu středovým otvorem směrem k trysce, a dále odfukovat roztavený kov z místa řezu, a tím odstraňovat roztavený kov z řezu, a zajištovat, aby plochy na uřezaném materiálu byly bez zbytků ztuhlého roztaveného kovu a okují.

Při propalování a řezání materiálu se ochranný štít zahřívá. Primárním zdrojem tepla je proud plazmy. Sekundárním zdrojem teplaje zahřátý řezaný materiál a rozstřikující se roztavený řezaný materiál. Pro řezání materiálu o větší tloušťce, větší než například 32 mm, plazmovým obloukem o vysoké amperáži, vyšší než například 260 A, bývá proto ochranný štít opatřen přímým chlazením chladící kapalinou.

Při propalování materiálu je plazmový hořák umístěn kolmo k materiálu ve vzdálenosti Lp od čela štítu. Velikost vzdálenosti Lp je závislá na druhu a tloušťce propalovaného materiálu. Při postupném propalování materiálu se prohlubuje propalovaný otvor. Přitom dochází k roztavení materiálu, který odstřikuje směrem k čelu štítu. Hlavní směr odstřiku se mění v závislosti na vzdálenosti Lp. Na začátku propalování odstřikuje roztavený materiál především do oblasti přední části čela štítu a středového otvoru, kterým prochází proud plazmy. S rostoucí hloubkou propalu se míra rozstřiku roztaveného materiálu zvětšuje a dochází k intenzivnějšímu zásahu oblasti, ve které jsou umístěny otvory boční stěny pro odvod části ochranného plynu, a dále pak až i místa, kde se ochranný štít upíná k držáku štítu. Dojde-li k zásahu středového otvoru, kterým prochází proud plazmy, roztaveným materiálem, dojde k změně proudění plazmy, a zpravidla dojde i k poškození trysky hořáku. Dojde-li k zásahu otvoru boční stěny, kterým se odvádí část ochranného plynu, dojde k ucpání tohoto otvoru a tím i ke změně v proudění ochranného plynu. V důsledku změny v proudění ochranného plynu dochází k negativnímu ovlivnění parametrů proudu plazmy a tím i ke snížení efektivity propalování. Při dalším propalování dochází k opakovanému usazování odstřikujícího roztaveného materiálu v oblasti ucpaných otvorů. Tím se zvyšuje tloušťka vrstvy usazeného materiálu a dochází k ovlivnění odstřiku roztaveného materiálu směrem ke středovému otvoru, kterým prochází proud plazmy, v důsledku čehož může dojít až k poškození trysky i štítu.

-1 CZ 35530 UI

Po úplném propálení materiálu se vzdálenost Lp upraví na vzdálenost Lc a z této vzdálenosti se dále provede řez. Ulpí-li obráběný materiál během propalování na ochranném štítu, pak při kontaktu vrstvy materiálu usazeného na štítu s řezaným materiálem dochází k přeskoku elektrického oblouku mimo požadovaný směr. Tím může dojít buď k přerušení řezu, nebo i k poškození trysky a štítu. V průběhu řezání se v materiálu vytváří řezná spára, kterou je většina roztaveného materiálu odfúkována z dosahu ochranného štítu a trysky hořáku. Přesto však dochází k zásahu ochranného štítu a případně trysky roztaveným materiálem, i když v menším rozsahu, než je tomu v případě propalování. Vzdálenost Lc během řezání zůstává konstantní.

Mimo kolmého propalování a řezu se během opracování materiálu může provádět také úkosové tvarové řezání. Při tomto řezu se mění úhel sklonu, který svírá hořák s řezaným materiálem z hodnoty 90° na hodnotu až 45°. I v tomto případě dochází k zásahu trysky roztaveným materiálem, i když v opět menším rozsahu, než je tomu v případě propalování.

Jeden ze způsobů, jak řešit výše uvedené problémy s odstřikujícím roztaveným materiálem, je popsán v dokumentu US 5132512. Podle tohoto dokumentu jsou otvory pro odvod části ochranného plynu, směřující radiálně ven, vytvořeny v boční ploše, která je skloněná v úhlu vzhledem k čelní ploše ochranného štítu, která je kolmá k ose hořáku.

Řešení, které má otvory pro odvod části ochranného plynu, vytvořené v ochranném štítu trysky hořáku popisuje také EP 2236015. Podle tohoto dokumentu jsou otvory pro odvod části ochranného plynu, směřující radiálně ven, v ochranném štítu hořáku vytvořeny v boční ploše, která je skloněná v úhlu vzhledem k podélné ose hořáku.

Z dosavadního stavu techniky je známé také komerčně dostupné vytvoření ochranného štítu trysky hořáku, které má rovné čelo štítu skloněné tak, že tvoří přesah zakrývající otvory boční stěny.

Řešení známá z dosavadního stavu techniky řeší problémy s odstřikujícím roztaveným materiálem jen částečně. Při použití běžných trysek se štíty, které mají rovné čelo, ulpívá odstřikující tavený materiál na čele štítu, a i po jeho vychladnutí zde zůstává a obtížně se odstraňuje.

Podstata technického řešení

Ochranný štít trysky hořáku pro řezání plazmou podle předloženého technického řešení j e vytvořen ve tvaru dutého tělesa symetrického kolem osy, která v namontované poloze souhlasí s podélnou osou hořáku. Má otevřenou zadní stranu uzpůsobenou pro připojení k plazmovému hořáku, boční stěnu a čelo, přičemž boční stěna se zužuje ve směru od otevřené zadní strany k čelu, přičemž ve středu čela je vytvořen axiální středový otvor pro průchod proudu plazmy a v boční stěně v sousedství čela jsou pro odvod části ochranného plynu vytvořeny otvory boční stěny.

Podle předkládaného technického řešení je čelo štítu na vnější straně zakřivené a vlivem zakřiveného tvaru a rozdílu v tepelné roztažnosti materiálu štítu a řezaného materiálu neulpívá po vychladnutí na čele štítu prakticky žádný řezaný materiál. Zakřivením čela štítu podle tohoto technického řešení je myšlen zpravidla vypouklý tvar.

Zakřivené čelo podle tohoto technického řešení je dále opatřeno přesahem na vnějším okraji čelní plochy v místech, kde se k čelu napojují otvory boční stěny pro odvod části ochranného plynu. Tento přesah čela, viděno v průmětu do roviny kolmé k podélné ose, alespoň částečně překrývá otvory boční stěny. Při pohledu z místa propalu resp. místa řezání na povrchu materiálu jsou otvory boční stěny zcela překryté přesahem na vnějším okraji čelní plochy. Díky tomuto přesahu tak dochází k zastínění prostoru otvorů boční stěny ve směru, kterým odstřikuje roztavený materiál. Tím je zabráněno zanášení uvedených otvorů boční stěny při propalování, resp. řezání materiálu.

- 2 CZ 35530 UI

Také boční stěna štítu podle technického řešení může být s výhodou zakřivená, a to buď vypouklá, nebo vydutá. Díky tomuto technickému řešení neulpívá na boční stěně štítu prakticky žádný tavený materiál. Navíc vlivem vypouklého tvaru dochází i k nepřímému zastínění směru, kterým odstřikuje roztavený materiál. Tím je zabráněno zanášení místa, kde se ochranný štítupínák držáku štítu.

Zakřivení boční stěny může být na straně odvrácené od čela ukončeno přesahem boční stěny, který představuje radiálně nej vzdálenější oblast zakřivené plochy boční stěny. Díky tomuto přesahu boční stěny je zabráněno odstřikování roztaveného materiálu do místa, kde se ochranný štít upíná k držáku štítu.

Boční stěna a čelo s výhodou svírají s podélnou osou a tedy, za použití hořáku, se směrem proudu plazmy, úhel o velikosti 40 až 60°.

Ochranný štít může být dále opatřen přímým chlazením kapalinou. Chlazení může být uspořádáno na vnitřní i vnější ploše ochranného štítu nebo může být realizováno kanálky uvnitř tělesa ochranného štítu.

Poloměr zakřivení čela ochranného štítu pro kolmé řezání je s výhodou v rozmezí od 6 do 20 mm. Poloměr zakřivení čela ochranného štítu pro úkosové tvarové řezání se zpravidla ve směru od středového otvoru zvětšuje, například od 1,5 do 20 mm. Poloměr zakřivení boční stěny pro kolmé i pro úkosové tvarové řezání je s výhodou v rozmezí od 20 do 80 mm.

Dle stávajícího stavu techniky se ochranné štíty zpravidla vyrábějí z mědi a její slitiny. Nejčastěji ze slitiny mědi ateluru CuTe. Nevýhodou tohoto materiálu je jeho vysoká cena a jeho nízká tvrdost. Původci předloženého technického řešení použili materiály tvrdší a levnější než CuTe, jejichž tepelná odolnost je srovnatelná s CuTe. Po praktických testech se jako nej lepší ukázaly mosaz Ms 5 8 galvanicky pokovená vrstvou niklu nebo chrómu a chrom-niklová austenitická nerezová ocel 1.4305.

Byla provedena řada testů, při kterých byla propalována a řezána uhlíková ocel, nerezová ocel, hliník a měď, přičemž byly použity ochranné štíty vyrobené z mědi, slitin mědi, a austenitické oceli. Použité materiály ochranného štítu byly voleny tak, aby bylo dosaženo optimálního rozdílu v tepelné roztažnosti mezi propalovaným a řezaným materiálem a materiálem, ze kterého byl vyroben ochranný štít. Díky rozdílné tepelné roztažnosti materiálu a řezaného materiálu a vlivem zakřivení čela a boční stěny nedochází k usazování rozstřikovaného roztaveného materiálu na čele a boční stěně štítu podle tohoto technického řešení, popřípadě se usazený roztavený kov po ztuhnutí samovolně odlupuje a odpadá.

Se štítem podle tohoto technického řešení je možno propalovat materiály, které jsou až o cca 20 % tlustší, než jaké je možné propalovat se štítem podle dosavadního stavu techniky, tedy při zatížení do 260 A lze propalovat např. uhlíkovou ocel až do tloušťky asi 44 mm, při zatížení do 400 A lze propalovat uhlíkovou ocel až do tloušťky 60 mm.

Objasnění výkresů

Technické řešení je blíže osvětleno s pomocí výkresů, kde:

na OBR. 1 je znázorněn ochranný štít pro kolmé řezání s přesahem čela a s přesahem boční stěny, s vypouklou boční stěnou a čelem, na OBR. 2 je znázorněno připojení ochranného štítu podle OBR. 1 na plazmový hořák,

-3CZ 35530 UI na OBR. 3 je znázorněn ochranný štít pro kolmé i úkosové řezání s přídavným kapalinovým chlazením, s přesahem čela a s přesahem boční stěny, s vydutou boční stěnou a vypouklým čelem, a na OBR. 4 je znázorněn ochranný štít určený pro použití na hořáku pro kolmé řezání s kontaktním startem, s přídavným kapalinovým chlazením a vypouklou boční stěnou a čelem.

Příklady uskutečnění technického řešení

Příklad 1

Ochranný štít 1 plazmového hořáku podle OBR. 1 pro kolmé řezání plazmou při zatížení na 260 A je vyroben z austenitické oceli.

Ochranný štít 1 má čelo 5 a boční stěnu 6. Ve středu čela 5 se nachází středový otvor 4, kterým při činnosti (neznázoměného) hořáku prochází proud plazmy. Ochranný štít 1 je opatřen otvory 2 boční stěny pro odvod části ochranného plynu. Otvory 2 boční stěny se rozbíhají vzhledem k podélné ose hořáku, na kterém je štít v pracovní poloze koaxiálně nasazen, ve směru 8 proudu plazmy, pod úhlem 48°. Celo 5 je opatřeno přesahem 3 čela, který částečně překrývá otvory 2 boční stěny tak, že otvory 2 boční stěny jsou zastíněny proti směru 9 rozstřiku materiálu. Přesah 3 čela vystupuje nad boční stěnu 6 o výšku h = 0,88 mm. Boční stěna 6 je na straně odvrácené od čela 5 ukončena přesahem 13 boční stěny. Boční stěna 6 a čelo 5 jsou vypouklé. Boční stěna 6 a čelo 5 svírají se směrem 8 proudu plazmy úhel A o velikosti 57°. Tento úhel A je měřen jako úhel, který svírá povrchová přímka myšleného kužele s vrcholem ve vzdálenosti Lc od středového otvoru 4, do kterého je ochranný štít 1 vepsán, s osou tohoto myšleného kužele. Poloměr zakřivení čela 5 ochranného štítu činí 10,4 mm a poloměr zakřivení boční stěny 6 činí 40 mm.

Na OBR. 2 je znázorněno připojení ochranného štítu 1 podle OBR. 1 na plazmový hořák. Ochranný štít 1 je umístěn mezi tryskou 16 plazmového hořáku a řezaným materiálem 10. Při propalování materiálu 10 je hořák s ochranným štítem 1 umístěn kolmo k materiálu 10 ve vzdálenosti Lp od čela 5 ochranného štítu. Postupným propalováním materiálu 10 se prohlubuje propalovaný otvor 11. Přitom dochází k roztavení materiálu 10, který odstřikuje směrem 9 rozstřiku materiálu k čelu 5 a k bočním stěnám 6. Směr 9 rozstřiku materiálu, znázorněný na obrázcích šipkami, se mění v závislosti na vzdálenosti Lp. Na začátku propalování odstřikuje roztavený materiál 10 do oblasti přední části čela 5 a středového otvoru 4. S rostoucí hloubkou propalu se míra rozstřiku roztaveného materiálu 10 zvětšuje, avšak díky přítomnosti přesahu 3 čela nedochází k zásahu v oblasti umístění otvorů 2 boční stěny.

Příklad 2

Ochranný štít 1 podle OBR. 3 pro kolmé a úkosové tvarové řezání plazmou při zatížení na 260 A je vyroben z austenitické oceli. Ochranný štít 1 je tvořen čelem 5, boční stěnou 6 a chlazením 7. Chlazení 7 je umístěno na vnitřní a vnější ploše ochranného štítu a je ohraničené těsněním 12. Ve středu čela 5 se nachází středový otvor 4, kterým prochází proud plazmy. Celo 5 je opatřeno přesahem 3 čela a boční stěna 6 je opatřena přesahem 13 boční stěny. Přesah 3 čela vystupuje nad boční stěnu 6 o výšku h = 0,59 mm. Boční stěna 6 je vydutá a čelo 5 je vypouklé. Obdobně jako v příkladu 1, ochranný štítí je dále opatřen otvory 2 boční stěny pro odvod části ochranného plynu. Otvory 2 boční stěny jsou vedeny vzhledem k podélné ose hořáku, na kterém je štít koaxiálně nasazen, a tedy také vzhledem ke směru 8 proudu plazmy, pod úhlem 45°. Boční stěna 6 a čelo 5 svírají se směrem 8 proudu plazmy úhel A o velikosti 43°. Poloměr zakřivení čela 5 ochranného štítu se pohybuje v rozmezí od 1,5 mm v blízkosti středového otvoru 4 do 20 mm v oblasti v blízkosti přesahu 3 čela. Poloměr zakřivení boční stěny 6 činí 80 mm.

-4CZ 35530 UI

Funkce při zapojení ochranného štítu 1 podle OBR. 3 na plazmový hořák je obdobná jako je popsáno v příkladu 1. Směr 9 rozstřiku materiálu usměrňovaného ochranným štítem 1 podle příkladu 2 je na OBR. 3 rovněž znázorněn šipkami 9.

Příklad 3

Ochranný štít 1 podle OBR. 4 pro kolmé řezání plazmou při zatížení na 45 A až 105 A je vyroben z mosazi. Ochranný štít 1 je tvořen čelem 5, boční stěnou 6 a chlazením 7. Ve středu čela 5 se nachází středový otvor 4, kterým prochází proud plazmy. Celo 5 je opatřeno přesahem 3 čela. Přesah 3 čela vystupuje nad boční stěnu 6 o výšku h = 0,82 mm. Boční stěna 6 a čelo 5 jsou vypouklé. Ochranný štít 1 je opatřen otvory 2 boční stěny pro odvod části ochranného plynu. Otvory 2 boční stěny jsou vedeny pod úhlem 35° vzhledem ke směru 8 proudu plazmy. Ochranný štít 1 znázorněný na OBR. 4 je určen pro použití na hořáku s kontaktním startem. Pro správnou funkci plazmového hořáku s kontaktním startem je nezbytný konstrukční díl, přes který při startu plazmového oblouku prochází elektrický proud. Ochranný štít 1 podle tohoto příkladu je proto opatřen pružným dílem 15. který dosedá na opěrnou plochu 14. Pružný díl 15 tlačí na trysku 16 hořáku (na obr. 4 neznázoměnou) a zajišťuje elektrický kontakt s ne znázorněnou elektrodou při iniciaci plazmového oblouku. Boční stěna 6 a čelo 5 svírají se směrem 8 proudu plazmy úhel A o velikosti 55°. Poloměr zakřivení čela 5 ochranného štítu 1 činí 6 mm a poloměr zakřivení boční stěny 6 činí 23 mm.

Směr 9 rozstřiku materiálu usměrňovaného ochranným štítem 1 podle příkladu 3 je na OBR. 4 rovněž znázorněn šipkami 9.

Claims

NÁROKY NA OCHRANU

1. Ochranný štít (1) trysky hořáku pro řezání plazmou, který má otevřenou zadní stranu uzpůsobenou pro připojení k plazmovému hořáku, boční stěnu (6) a čelo (5), přičemž boční stěna (6) se zužuje ve směru od otevřené zadní strany k čelu (5), přičemž ve středu čela (5) je vytvořen axiální středový otvor (4) pro průchod proudu plazmy a v boční stěně (6) v sousedství čela (5) jsou vytvořeny otvory (2) boční stěny pro odvod části ochranného plynu, vyznačující se tím, že čelo (5) je konvexně zakřivené, přičemž jeho okraj vzdálený od středového otvoru (4) tvoří přesah (3), který alespoň částečně překrývá otvory (2) boční stěny.
2. Ochranný štít (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že boční stěna (6) je konvexně zakřivená.
3. Ochranný štít (1) podle nároku 1, vyznačující se tím, že boční stěna (6) je konkávně zakřivená.
4. Ochranný štít (1) podle nároku 2 nebo 3, vyznačující se tím, že zakřivení boční stěny (6) je na straně odvrácené od čela (5) ukončeno přesahem (13) boční stěny.
5. Ochranný štít (1) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 4, vyznačující se tím, že boční stěna (6) a čelo (5) svírají se směrem (8) proudu plazmy úhel (A) o velikosti 40° až 60°.
6. Ochranný štít (1) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 5, vyznačující se tím, že ochranný štít (1) je opatřen chlazením (7).
7. Ochranný štít (1) podle kteréhokoliv z nároků 2 až 6, vyznačující se tím, že poloměr zakřivení boční stěny (6) činí 20 až 80 mm.
8. Ochranný štít (1) podle kteréhokoliv z předcházejících nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že poloměr zakřivení čela (5) činí 6 až 20 mm.
9. Ochranný štít (1) podle kteréhokoli z nároků 1 až 7, vyznačující se tím, že ochranný štít (1) pro použití s plazmovým hořákem pro úkosové řezání má poloměr zakřivení čela (5) od 1,5 mm v blízkosti středového otvoru (4) do 20 mm v oblasti v blízkosti přesahu (3) čela.
10. Ochranný štít (1) podle kteréhokoli z předcházejících nároků 1 až 8, vyznačující se tím, že ochranný štít (1) je vyroben ze slitiny mědi nebo z austenitické oceli.
11. Ochranný štít (1) podle nároku 10, vyznačující se tím, že ochranný štít (1) je galvanicky pokoven vrstvou chrómu nebo niklu.