FI101672B - Vesijäähdytetty plasmapoltin - Google Patents

Description

Vesi jäähdytetty plasmapoltin 1 0 1 672 Tämän keksinnön kohteena on patenttivaatimuksen X johdannon 5 mukainen vesijäähdytetty plasmapoltin erityisesti jauhemaisella lisäaineella tapahtuvaa hitsausta varten.

Plasmakaaripolttimessa hitsaukseen käytettävä ns. päävalo-kaari palaa polttimen elektrodin ja työkappaleen välillä.

10 Polttimen suutinosa koostuu kahdesta sisäkkäin olevasta kammiosta. Sisemmän kammion keskellä on volframielektrodi, ja kammion päässä on reikä elektrodin kärjen kohdalla. Plasmakaasu syötetään tähän kammioon. Sisemmän kammion ympärillä on toinen kammio, joka avautuu sisemmän kammion 15 reiän ympärille. Tähän ulompaan kammioon syötetään valo-kaarta ympäröivä suojakaasu.

Koska plasmakaaripolttimen valokaari palaa työkappaleen ja elektrodin välillä olevassa kaasussa, on kaasua ionisoitava 20 ennen päävalokaaren sytyttämistä jotta kaasu johtaisi sähköä. Ionisointi tapahtuu sisemmän kammion muodostaman suut-timen ja elektrodin välillä palavan apuvalokaaren avulla. Apuvalokaari ionisoi plasmakaasua, jolloin työkappaleen ja elektrodin välille muodostuu sähköä johtava ionisilta ja 25 päävalokaari voi syttyä.

Päävalokaari saa palaa ainoastaan elektrodin ja työkappaleen välillä, koska elektrodin ja suuttimen välillä palava suuritehoinen valokaari tuhoaa nopeasti suuttimen. Normaa-30 listi suuttimen jäähdytys ja polttimessa vallitsevat sähköiset ja magneettiset voimat estävät päävalokaaren syttymisen elektrodin ja suuttimen välille. Tällöin kuitenkin elektrodin kärjen on sijaittava tarkasti suuttimen sähköisessä keskiössä. Jos suuttimen reikä ja elektrodin kärki 35 ovat symmetrisiä, sähköinen keskiö on yleensä myös geometrinen keskiö.

2 101672

Plasmakaarihitsauksessa käytetään pienissäkin polttimissa melko suurta virtaa, jolloin virtatiheys polttimen sähköisissä osissa on suuri. Suuri virtatiheys aiheuttaa sähköisten osien kuumenemista. Polttimen suutinosan kärkeä ja 5 suojakaasukupua taas kuumentaa voimakkaasti plasmakaari.

Voimakkaan kuumenemisen takia plasmapolttimia jäähdytetään tavallisesti vedellä, joka kiertää polttimen ylärungossa ja jäähdyttää sen sähköisiä osia ja niiden välityksellä suo-jakaasukupua, ja kiertää polttimen suuttimen kärjen kautta 10 mahdollisimman läheltä kärkeä. Suuttimen kärjen jäähdytyksen tarkoituksena on estää plasmakaarta kuumentamasta kärkeä liikaa, joten veden olisi kierrettävä mahdollisimman lähellä suuttimen kärkeä. Tämä on luonnollisesti sitä vaikeampaa toteuttaa mitä pienemmästä suuttimesta on kyse.

15

Yhdysvaltalaisessa patentissa 5 208 442 on kuvattu vesijäähdytteinen plasmapoltin, jossa jäähdytys on toteutettu johtamalla jäähdytysvesi letkuilla polttimen jäähdytyskam-mioihin. Polttimen rungon kuoriosa on epoksimuovia ja se 20 jatkuu kahvaksi, jonka sisällä kulkevat tarvittavat sähkö-, kaasu-, ja vesijohdot. Kuoriosan sisällä on vesijäähdytetty poltinpään ylärunko, jossa on laakeripesä polttimen elektrodin säätämiseen käytettävää pallo-osaa varten. Kes-kielektrodille tuleva sähkövirta johdetaan elektrodille 25 ylärungon kautta ja tuodaan ylärungolle johdolla. Ylärungon laakeripesän puoleiseen päähän tukeutuu välieriste, jonka toisella puolella on vesijäähdytteinen alarunko. Alarunkoon johdetaan sähkövirtaa johdolla ja virta kulkee alarungon kautta sen päähän kiinnitettyyn plasmasuuttimeen. Edellä 30 mainitut osat muodostavat suuttimen ja elektrodin välille apukaaren virtapiirin. Plasmasuutinta ympäröi poltinrungon päässä keraaminen suojakaasukupu, joka on kiinnitetty polttimen kuoriosaan kiinnitysmuhvilla. Suojakaasukuvun ja ala-rungon väliin jäävään kaasutilaan voidaan sijoittaa suoja-35 kaasun virtauksen laminarisointivastus.

3 101672 Jäähdytysvesi tuodaan ylärunkoon letkulla ja se kiertää ensin ylärungon vesitilassa ja jatkaa sitten muovista tai muusta sähköä johtamattomasta aineesta polttimen alarunkoon, kiertää alarungon vesitilassa ja poistuu letkua pitkin.

5 Siten tässä ratkaisussa on neljä letkuliitosta, joiden valmistaminen vuotamattomiksi vaatii suurta huolellisuutta. Syynä tähän rakenteeseen on se, että polttimen ylärunko on eristettävä sähköisesti alarungosta ja plasmasuuttimesta. Plasmasuutin on kiinnitetty alarunkoon, joten sen jäähdytys 10 tapahtuu epäsuorasti siten, että lämpö johtuu suuttimesta alarunkoon ja sieltä kiertävään veteen. Plasmasuuttimen kärki saattaa siten kuumentua liikaa koska lämmönsiirron tehokkuus riippuu lämpöä siirtävästä poikkipinnasta. Tämä rakenne on suhteellisen vaikea ja kallis valmistaa koska 15 osien ja liitosten lukumäärä on suuri ja hyvää lämmönjohta-vuutta vaadittaessa osien liitokset on toteutettava tarkasti koneistamalla, jotta saataisiin aikaan mahdollisimman laajat ja hyvät lämpöä johtavat pinnat.

20 Erilaisten poltinten jäähdytysratkaisut poikkeavat luonnollisesti toisistaan, mutta yhteistä niille on edellä kuvatun kaltaiset erilliset vesitilat ja veden kiertoa varten tarvittavat monet vesikanavien liitokset. Monimutkaisen rakenteen takia polttimet ovat kalliita ja niiden kokoonpano 25 vaatii paljon huolellista käsityötä, jotta vesikanavista saataisiin vuotamattomia. Hyvin toimivaa plasmasuuttimen jäähdytystä ei myöskään ole toteutettu, koska vesikanavan johtaminen lähelle suuttimen kärkeä on vaikeaa erityisesti pienissä polttimissa.

30 Tämän keksinnön tarkoituksena on saada aikaan plasmapoltin, jossa plasmasuuttimen kärki saadaan jäähdytettyä tehokkaasti ja polttimen vesikierto on siten järjestetty, että polttimen rakennetta voidaan yksinkertaistaa.

Keksintö perustuu siihen, että alarungon kärkeen muodoste- 35 4 101672 taan vesikanava puristamalla elektrodinpidintä ympäröivän alarungon päälle vaippaosa, joka kiinnittyy alarunkoon kärjestään ja on painettu yläosastaan ainakin kahdesta kohdasta alarunkoa vasten siten, että vaipan yläosaan muo-5 dostuu kaksi kanavaa, jotka johtavat vaippaosan sulkemaan kärkiosaan.

Keksinnön edullisimman suoritusmuodon mukaan jäähdytysvesi johdetaan toiseen vaippaosan muodostamista kanavista, jolio loin se poistuu vastakkaisesta kanavasta polttimen rungon ja rungon ympärille sovitetun kuoriosan väliin ja kulkee tässä kanavassa polttimen ylärungossa olevaan kanavaan ja poistuu ylärunkoon kiinnitettyä putkea pitkin.

15 Edelleen runkoa ympäröivä vaippa on hyvin lämpöä johtavaa materiaalia ja siinä on kiinnityselimet suojakaasukupua varten, joten kiertävä vesi jäähdyttää tehokkaasti myös suoj akaasukupua.

20 Täsmällisemmin sanottuna keksinnön mukaiselle plasmapoltti-melle on tunnusomaista se, mitä on esitetty patenttivaatimuksen 1 tunnusmerkkiosassa.

Keksinnön avulla saavutetaan huomattavia etuja.

25

Polttimen jäähdytys saadaan huomattavasti tehokkaammaksi kuin aikaisemmilla järjestelmillä. Polttimen alarungon kärkeen muodostuu pakkovirtaus, joka kierrättää jatkuvasti vaihtuvaa kylmää vettä kärjen kautta ja vesi ei pääse ohit-30 tamaan kärkeä, kuten aiemmissa alarunkoon muovatuissa vaip-pamaisissa jäähdytyskanavissa. Keskielektrodin ja ylärungon vaatima sähköinen eristys voidaan toteuttaa ilman ylä- ja alarungon välistä eristetystä materiaalista valmistettua vesiliitäntää, joten rakenne on huomattavasti yksinkertai-35 sempi. Vesikanavien liitokset poltinrunkoon voidaan valmistaa elektronisuihkuhitsaamalla, koska vesikanava voidaan 5 101672 johtaa kahvaosan sisään kuparisella tai muulla metallisella putkella. Mahdollisesti vuotavia joustavien vesiletkujen liitoksia ei tarvita lainkaan, joten polttimesta tulee huomattavasti luotettavampi. Polttimeen muodostetut jääh-5 dyttävät veden kanssa koskettavat pinnat ovat suuret. Erityisesti polttimen runkoa ympäröivä vaippa jäähtyy tehokkaasti, koska se muodostaa osan polttimen yläosan vesi-kanavistosta. Koska ylärungon vaippa on sähköisesti eristetty polttimen sähköisistä osista, se voidaan valmistaa 10 esimerkiksi kuparista, jolloin se siirtää tehokkaasti lämpöä siihen kiinnitetystä suojakaasukuvusta.

Keksintöä selitetään seuraavassa tarkemmin oheisten piirustusten avulla.

15

Kuvio 1 esittää osittaisena leikkauksena keksinnön mukaista poltinta.

Kuvio 2 esittää kuvion 1 poltinta, kuvantona josta on jä-20 tetty selvyyden vuoksi esittämättä joitain kuviossa 1 esitettyjä osia.

Polttimen keskiosan muodostaa ylärunko 1 ja elektrodinpidin 2. Elektrodinpidin 2 kulkee ylärungon 1 läpi ja ulottuu 25 lähelle polttimen suutinosan kärkeä. Elektrodinpitimessä 2 on ulkopinnalla kierre, johon on ensin kierretty ylärunko 1 ja sen jälkeen eristeholkki 3. Eristeholkissa 3 on olake 4 ja hoikin 3 ulkopinnalle on sovitettu alarunko 5, jonka yläpää on olaketta 4 vasten. Alarungossa 5 on puolestaan 30 olake 6, joka on sovitettu eristeholkin 3 alapäätä vasten ja jonka kohdalla alarunko 5 kapenee.

Alarungon 5 päälle on sovitettu vaippaosa 7. Vaippaosa 7 on alaosastaan kartiomainen kappale, jonka kartion kärjen 35 sisämitta vastaa alarungon 5 kapeamman osan ulkomittaa.

Vaippaosan 7 kärki on sovitettu likimain alarungon 5 kärjen 6 101672 kohdalle siten, että alarunko 5 pistää hieman ulos vaippa-osasta 7. Tällä tavoin alarungon 5 ja vaippaosan 7 kärjet muodostavat pienaliitoksen 8, joka on helppo hitsata tiiviisti kiinni esimerkiksi elektronisuikulla. Vaippaosan 7 5 yläosa on puristettu kahdelta sivulta alarungon 5 leveämmän osan pintaa vasten siten, että puristetut osat ovat kuvioissa katsojaa kohti ja katsojasta poispäin, jolloin sen puristamattomille sivuille muodostuu vesikanavat 9, 10. Siten vaippaosa 7 on kiinnitetty alarunkoon 5 rungon kär-10 jestä ja kahdelta kohdalta alarungon 5 paksummalla osalla. Vesikanavien 9 ja 10 sekä alarungon 5 kapeammalla kohdalla vaippaosa 7 on irti alarungosta ja muodostaa siten vesiti-lan 11 alarungon ympärille. Vesitila 11 ulottuu hyvin lähelle alarungon 5 kärkeä ja koska vaippaosa 7 on kahdelta 15 sivultaan kiinni alarungon 5 yläosassa, vesitilaan 11 syntyy tehokas kierto kun vesi syötetään sisään kanavasta 9 ja poistetaan kanavasta 10.

Poltinrungon yläosaa ympäröi kuori 12, jonka yläosa on ylä-20 rungon 1 yläreunan kohdalla ja alareuna ulottuu vaippaosan 7 vesikanavien 9, 10 alapuolelle. Kuori 12 on kiinnitetty ylärunkoon 1 ja vaippaosaan 7 silikonimassalla 13, joten kuori 12 on sähköisesti eristetty polttimen sähköisistä osista. Koska kuori 12 on kiinnitetty polttimen sisäosiin 25 ainoastaan reunoiltaan, se muodostaa polttimen sisäosien ympärille vesitilan 14. Vesi tulee tähän vesitilaan 14 alarungon 7 vesitilan poistokanavasta 10. Ylärunko 1 muodostuu sisäholkista 15, joka on sovitettu elektrodinpitimen 2 päälle, ja sisäholkkia 15 ympäröivästä vaipasta 16. Tässä 30 vaipassa 16 on kaksi aukkoa 17, 18. Ensimmäinen aukoista on samalla puolella kuin alarungon 5 poistokanava 10 ja toinen sen vastakkaisella puolella.

Vesi tuodaan poltinrunkoon tuloputkella 19, joka on kiinni-35 tetty hitsaamalla alarungon 5 ja vaippaosan 7 muodostamaan vesikanavaan 9, joka on siten koko rakenteen tulokanava.

7 101672

Vesi poistetaan polttimesta ylärungon l vaippaan 16 muodostettuun toiseen aukkoon 18 kiinnitettyä poistoputkea 20 pitkin. Näiden putkien lisäksi kuviossa 1 on esitetty plas-makaasuputki 21, joka on kiinnitetty eristeholkkiin 3. Nämä 5 putket 10, 20, 21 tulevat poltinrunkoon kuoreen 12 muodostetun muhvin kautta. Muhvi suljetaan sähköä eristävällä massalla siten, että kuoren vesitila 14 on täysin suljettu. Vesi kiertää tässä rakenteessa ensin alarungon vesitilassa 11 edellä kuvatulla tavalla ja tulee sitten kuoren 12 vesi-10 tilaan 14. Vesi jäähdyttää tehokkaasti laajalta alueelta kuorta 12, jolloin se pystyy johtamaan hyvin lämpöä kuoren kiinnityselimiin 22 kiinnitetystä suojakaasukuvusta (ei esitetty). Kuoren vesitilasta 14 vesi kulkee ylärungon sisään ensimmäisestä aukosta 17 ja poistuu toisesta aukosta 15 18 poistoputkeen 20. Virtakaapelissa vettä voidaan tarvit taessa käyttää kaapelin jäähdyttämiseen.

Polttimeen kuuluu luonnollisesti muun muassa elektrodi, plasmasuutin ja tarvittavat sähköiset liitännät, mutta nämä 20 rakenteet eivät ole keksinnön kannalta oleellisia,joten niitä ei ole tässä kuvattu. Polttimen elektrodia voidaan säätää nupilla 23 ja laitteen säätömekanismi voisi olla esimerkiksi Yhdysvaltalaisessa patentissa 5 208 442 kuvatulla mekanismilla. Kuviossa 1 on lisäksi kuvattu lisäaine-25 jauheensyöttöputket 24, jotka on edullisesti sovitettu vaippaosan 7 päälle siten, että putket 24 kulkevat vaippa-osan 7 alarunkoa vasten puristettujen osien reunoilla, joihin muodostuu automaattisesti sopivat urat. Poltinta ja keksinnön mukaista rakennetta voidaan käyttää myös muussa 30 plasmahitsauksessa kuin jauhemaisen lisäaineen kanssa, ; jolloin lisäaineen syöttökanavia ei tarvita.

Edellä esitetyn lisäksi tällä keksinnöllä on muitakin suoritusmuotoja. Sähkö ja lämpöä johtavien osien materiaalina 35 voidaan käyttää edullisesti kuparia ja messinkiä niiden hyvän johtavuuden ja korroosionkestävyyden takia, mutta 8 101672 keksinnön sovellusalue ei luonnollisestikaan rajoitu mihinkään määrättyyn materiaalivalintaan. Tämä sama pätee luonnollisesti myös käytettäviin eristemateriaaleihin. Alarun-gossa voi olla useampiakin vesikanavia, mutta tällöin ra-5 kenteesta tulee monimutkaisempi eikä parempaa jäähdytystä todennäköisesti saavutettaisi. Kuvioissa esitetty poltin on tarkoitettu käsipolttimeksi, jolloin putket 19, 20, 21 tulevat kahvan sisälle. Polttimen rakenteesta tulee luonnollisestikin hieman erilainen jos se on tarkoitettu esi-10 merkiksi robottihitsaukseen. Polttimen mekaaniset liitokset kuten vesiputkien ja alarungon ja vaippaosan liitokset on edullisinta tehdä elektronisuihkuhitsauksella, jolloin saadaan tiiviit ja hyvälaatuiset saumat. Poltin voidaan tosin koota juottamalla tai muilla hitsausmenetelmillä, 15 mutta tällöin sen valmistaminen on vaikeampaa koska joudutaan käyttämään eri lämpötiloissa sulavia juotteita tai rakenteeseen paljon lämpöä tuovia hitsausmenetelmiä. Saumoista ei myöskään muilla menetelmillä saada yhtä mitta-tarkkoja.

t t

Claims (4)

9 101672

1. Vesijäähdytetty plasmapoltin, joka käsittää: 5. ensimmäisen runko-osan eli ylärungon (1), - ensimmäisen runko-osan (1) sisään sovitetun elektrodinpitimen (2), 10. elektrodinpitimen (2) ympärille sovitetun toisen runko-osan eli alarungon (5), joka on sähköisesti eristetty ensimmäisestä runko-osasta (l) , - liitännät ainakin sähkövirran, plasmakaasun (21) 15 ja jäähdytinveden (19, 20) johtamiseksi polttimeen ja polttimesta, - polttimen sähköisistä osista sähköisesti eristetyn kuorirakenteen (12), ja 20 - ainakin yhden alarungon (5) yhteyteen sovitetun jäähdytysveden tulokanavan (9) ja ainakin yhden poistokanavan (10) alarungon (5) jäähdyttämiseksi 25. ainakin yhteen tulokanavaan (9) liitetyn veden tuloputken (19), ja - ainakin yhteen poistokanavaan (10) liitetyn veden poistoputken (20) , 30 tunnettu siitä, että - alarungon (5) kärkeen muodostetaan ainakin kaksi vesikanavaa (9, 10), tulokanava ja poistokanava, - 35 sovittamalla elektrodinpidintä (2) ympäröivän ala- rungon (7) päälle vaippaosa siten että se kiinnit- 101672 10 tyy alarunkoon (5) kärjestään ja on painettu yläosastaan ainakin kahdesta kohdasta alarunkoa (5) vasten siten, että vaippaosan (7) ja alarungon välille muodostuu kaksi vesikanavaa (9, 10), jotka 5 johtavat vaippaosan (7) ja alarungon (5) välissä olevaan niiden kärkiliitoksen sulkemaan vesitilaan (11), joka koko ympäröi alarungon (5) kärkeä.

2. Patenttivaatimuksen l mukainen poltin, tunnettu 10 kuoresta (12), jonka yläosa on ensimmäisen runko-osan (1) yläreunan kohdalla ja alareuna ulottuu vaippaosan (7) vesi-kanavien (9, 10) alapuolelle ja joka on kiinnitetty näistä reunoistaan ylärunkoon (1) ja vaippaosaan (7) eristävällä massalla (13) siten, että kuoren (12) ja polttimen sähköä 15 johtavien osien välille muodostuu vesitila (14).

3. Patenttivaatimuksen 2 mukainen poltin, tunnettu ensimmäiseen runko-osaan (1) muodostetusta vesitilasta ja siihen kuoren (12) muodostamasta vesitilasta (14) johtavas- 20 ta ensimmäisestä aukosta (17) ja toisesta aukosta (18), johon on kiinnitetty veden poistoputki, jolloin jäähdytysvesi johdetaan toiseen (9) vaippaosan (7) muodostamista kanavista, jolloin se poistuu vastakkaisesta kanavasta (10) : polttimen rungon ja rungon ympärille sovitetun kuoren (12) 25 väliseen vesitilaan (14) ja kulkee tästä vesitilasta (14) ensimmäisessä runko-osassa (1) olevaan vesitilaan ja poistuu ensimmäiseen runko-osaan (1) kiinnitettyä putkea (20) pitkin.

4. Jonkin edellä olevan patenttivaatimuksen mukainen pol tin, tunnettu siitä, että kuori (12) on hyvin lämpöä johtavaa materiaalia ja siinä on kiinnityselimet (22) suojakaasukupua varten, joten kuoren (12) vesitilassa kiertävä vesi jäähdyttää tehokkaasti myös suojakaasukupua. 35 101672 11