MX2011005715A - Electrodo para una antorcha de plasma. - Google Patents

Abstract

La invención se refiere a un electrodo para una antorcha de plasma, que comprende un sostenedor de electrodo alargado con una superficie frontal en la punta del electrodo, y un agujero dispuesto en la punta del electrodo a lo largo de un eje central a través del sostenedor de electrodo, y un inserto de emisión dispuesto en el agujero de tal manera que una superficie de emisión se separe del inserto de emisión. La invención se caracterizada además porque la superficie de emisión es puesta atrás con respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo. La invención se refiere también a un electrodo para una antorcha de plasma, que comprende un receptáculo de electrodo y un sostenedor de electrodo, el receptáculo de electrodo tiene una rosca interna, y el sostenedor de electrodo tiene una rosca externa y una junta tórica en una ranura en la superficie exterior cilíndrica. El sostenedor de electrodo se atornilla en el receptáculo de electrodo a través de la rosca externa y la rosca interna y se sella por medio de la junta tórica. La invención se refiere también a una antorcha de plasma que comprende estos electrodos.

Description

ELECTRODO PARA UNA ANTORCHA DE PLASMA Descripción de la invención La presente invención se refiere a un electrodo para una antorcha de plasma y a una cabeza de antorcha de plasma con la antorcha de plasma.

Plasma es el término usado para un gas eléctricamente conductor que consiste en iones positivos y negativos, electrones y átomos y moléculas excitados y neutros, que se calienta térmicamente a una alta temperatura.

Varios gases se utilizan como gases de plasma, tales como argón mono-atómico y/o los gases biatómicos hidrógeno, nitrógeno, oxígeno o aire. Estos gases son ionizados y disociados por la energía de un arco eléctrico. El arco eléctrico es constreñido por una boquilla y luego se conoce como un chorro de plasma.

Los parámetros del chorro de plasma pueden ser fuertemente influenciados por el diseño de la boquilla y el electrodo. Estos parámetros del chorro de plasma son, por ejemplo, el diámetro del chorro, la temperatura, la densidad de energía y la velocidad de flujo del gas.

En el corte por plasma, por ejemplo, el plasma es constreñido por una boquilla, que puede ser enfriada por gas o de agua. De esta forma, densidades de energía de hasta 2xl06 W/cm2 se pueden lograr. Temperaturas de hasta 30,000°C REF.: 218909 se presentan en el chorro de plasma, que, en combinación con la alta velocidad de flujo del gas, hacen que sea posible alcanzar velocidades de corte muy altas en los materiales.

Debido a la alta tensión térmica en la boquilla, por lo general es hecha de un material metálico, preferentemente de cobre, debido a su alta conductividad eléctrica y conductividad térmica. Lo mismo ocurre con el sostenedor del electrodo, aunque también puede ser de plata. La boquilla se inserta después en una antorcha de plasma, los principales elementos de la cuales son una cabeza de antorcha de plasma, una tapa de boquilla, un elemento conductor de gas de plasma, una boquilla, un soporte de boquilla, un árbol de electrodos, un sostenedor de electrodo con un inserto de electrodo y, en los quemadores de plasma modernos, un soporte para una tapa de protección de boquilla y una tapa de protección de boquilla. El sostenedor de electrodo fija un inserto de electrodo en punta, conocida como un inserto de emisión, hecho a partir de tungsteno, que es adecuada cuando se usan gases no oxidantes como el gas de plasma, tal como una mezcla de argón e hidrógeno. Un electrodo de punta plana, el inserto de electrodo del cual se hace de hafnio, también es adecuado cuando los gases oxidantes se utilizan como el gas de plasma, tales como aire u oxígeno.

Con el fin de lograr una larga vida útil de la boquilla y el electrodo, a menudo se enfría con un líquido, como agua, aunque también se puede enfriar con un gas.

Por esta razón, se hace una distinción entre antorchas de plasma enfriadas por líquidos y enfriadas por gases.

En el estado de la técnica, el electrodo consiste en su sostenedor de electrodo, que se hace de un material con buena conductividad térmica y eléctrica, por ejemplo, cobre y plata o sus aleaciones, y un inserto de emisión consiste en un material resistente a la temperatura, por ejemplo, tungsteno, zirconio o hafnio. Para los gases de plasma que contienen oxígeno, zirconio puede ser utilizado, a pesar de que el hafnio es más adecuado debido a su mejor comportamiento térmico, ya que su óxido es más resistente a la temperatura.

Con el fin de lograr una larga vida útil de los electrodos, el material resistente a la temperatura se introduce en el sostenedor como un inserto de emisión, que se enfría después. La forma más efectiva de refrigeración es refrigeración con líquidos.

DD. 87361 Bl describe un electrodo (cátodo) de este tipo para gases oxidantes. El cátodo (inserto de emisión) se compone de un material, por ejemplo, zirconio, el óxido del cual es resistente a la temperatura y que se inserta en un sostenedor de cátodo hecho de cobre . El sostenedor del cátodo se enfría desde dentro por un canal de agua de refrigeración. También se describe el problema de la limitada resistencia (vida útil corta) del cátodo, que es causada por la rotación del gas de plasma, que es necesaria para una buena calidad de corte. El sostenedor del cátodo tiene un collar con un anillo conductor de gas dispuesto a su alrededor, que tiene canales de gas incorporados en éste para dividir el gas de plasma en una corriente parcial y una corriente principal, que forman la corriente principal en el lado que mira a la boquilla y hacen que gire, y la corriente parcial en el lado que da al sostenedor del cátodo, girando en la dirección opuesta, o bien el collar del sostenedor del cátodo tiene hendiduras que sirven para formar y desviar una corriente de gas parcial. La intención es de este modo crear una zona de gas calmado corriente arriba del inserto de emisión para reducir su desgaste. Con este método, sin embargo, las cualidades de corte obtenidas no son tan buenas como con gas de plasma que gira poderosamente.

Además, en el documento DE 690 14 289 T3 y en el documento DE 699 37 323 T2 , se describen disposiciones de electrodos en las que una manga (separador) se une en torno al inserto de emisión, que separa el inserto de emisión del sostenedor de los electrodos. El separador de aquí se compone principalmente de plata y el sostenedor de electrodo, principalmente de cobre . La plata asegura una larga vida útil, especialmente cuando se corta con oxígeno puro, porque la plata reacciona con el oxígeno en forma más inerte de lo que lo hace el cobre. Sin embargo, la fabricación de estas disposiciones de electrodos es compleja.

Se sabe de DE 695 12 247 T2 que la superficie de emisión del inserto de emisión es un principio configurada de tal manera que determine una cavidad en el inserto de emisión, que tiene una profundidad inicial en el eje central que es proporcional a la corriente de corte y el diámetro del inserto de emisión. Esta cavidad causa que los depósitos del material de emisión en la superficie interior de la boquilla como resultado de la ignición y el funcionamiento del arco de plasma sean reducidos. Los estudios han demostrado, sin embargo, que la vida útil no se puede ampliar de esta manera.

La invención se basa en el problema de aumentar la vida útil de un electrodo, especialmente el inserto de emisión, por una antorcha de plasma y, en el proceso, de reducir el esfuerzo de producción al mismo tiempo.

Este problema se resuelve de acuerdo con la invención por un electrodo para una antorcha de plasma, que comprende: un sostenedor de electrodo alargado con una superficie frontal en la punta del electrodo y un agujero dispuesto en la punta del electrodo a lo largo de un eje central a través del sostenedor de electrodo, y un inserto de emisión dispuesto en el agujero de tal manera que una superficie de emisión del inserto de emisión sea expuesta, caracterizado porque la superficie de emisión es puesta atrás con respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo.

De acuerdo con un segundo aspecto, este problema se resuelve por un electrodo para una antorcha de plasma, que comprende : un receptáculo de electrodo y un sostenedor de electrodo, el receptáculo de electrodo tiene una rosca interna, y el sostenedor de electrodo tiene una rosca externa y una ranura en la superficie exterior cilindrica, y el sostenedor de electrodo se atornilla en el receptáculo de electrodo a través de la rosca externa y la rosca interna y se sella por medio de una junta tórica. La junta tórica se puede disponer en la ranura para propósitos de sellado.

Las diferentes reivindicaciones dependientes definen modalidades adecuadas adicionales de la invención.

La invención se basa en el descubrimiento sorprendente de que, al colocar detrás la superficie de emisión con respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo, la vida útil del electrodo es incrementada.

Otras características y ventajas de la invención se desprenderán de las reivindicaciones adjuntas y la siguiente descripción, en las que se ilustra una serie de modalidades de muestra de la invención en detalle con referencia a las figuras esquemáticas, en los que La figura 1 muestra una sección longitudinal a través de una cabeza de antorcha de plasma de acuerdo con una primera modalidad particular de la invención, en la que se proporcionan tanto un mejor centrado y/o sellado del -electrodo como un inserto de emisión especial, con el fin de prolongar la vida útil y mejorar la seguridad de funcionamiento de la antorcha de plasma.

La figura 2 muestra los detalles de la mejora de centrado y sellado del electrodo mostrado en la figura 1.

La figura 3 muestra un sostenedor de electrodo antes de la introducción de un inserto de emisión.

Las figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10 muestran modalidades especiales del electrodo de la invención en una sección longitudinal y detalles de los insertos de emisión en una sección longitudinal y en una vista de frente, y La figura 11 muestra las formas superficiales de modalidades particulares del inserto de emisión desde el frente .

La figura 1 muestra una cabeza de antorcha de plasma 1 de acuerdo con una modalidad particular de la invención, los componentes principales de la cual son al menos una boquilla 4, un electrodo 7, o, para ser precisos, un electrodo de punta plana, que tiene un sostenedor de electrodo 7.5 con una rosca externa 7.4 y un inserto de emisión 7.1, y un conductor de gas 3.

En el caso aquí descrito, la boquilla 4 se fija en posición por un sostenedor de boquilla 5 y una tapa de boquilla 2. Un receptáculo de electrodo 6 recibe el sostenedor de electrodo 7.5 por medio de una rosca interna 6.4. El conductor de gas 3 se encuentra entre el electrodo 7 y la boquilla 4 y causa que un gas de plasma PG gire. La cabeza de antorcha de plasma 1 tiene refrigeración por agua, que fluye a través del interior del electrodo por medio de un tubo de enfriamiento 10 desde el suministro de refrigerante (WV1) hasta el retorno de refrigerante ( R1) y la boquilla 4 en el espacio entre la boquilla 4 y la tapa de boquilla 2 desde el suministro de refrigerante V2 hasta el retorno de refrigerante WR2. Además, la cabeza de antorcha de plasma 1 tiene una tapa protectora de boquilla 9, que en esta modalidad se enrosca en un sostenedor de tapa protectora de boquilla 8. El gas secundario, que protege a la boquilla, en especial la punta de la boquilla, fluye entre la tapa protectora de boquilla 9 y la tapa de boquilla 2.

La figura 2 muestra el centrado y sellado mejorados del electrodo 7 frente al sostenedor de electrodo 7.5. En el lado que mira al receptáculo de electrodo 6, el electrodo 7 tiene la rosca externa 7.4, una ranura 7.3 para recibir una junta tórica 7.2 y una superficie exterior cilindrica 7.6 (la superficie de centrado) . Esta superficie exterior cilindrica 7.6 tiene una tolerancia estrecha con la superficie cilindrica interna 6.6 (superficie de centrado) del receptáculo de electrodo 6. Esto se logra, por ejemplo, por medio de un ajuste holgado H7/h6 según la norma DIN ISO 286 del tipo comúnmente utilizado para el centrado. Gracias a la combinación de estas características, se logran una adecuada centralidad entre el electrodo 7 y el receptáculo de electrodo 6, y por lo tanto, la antorcha de plasma, y un sellado confiable.

La figura 3 muestra un electrodo 7 antes de la introducción del inserto de emisión 7.1 en el sostenedor de electrodo 7.5.

Las figuras 4, 5, 6, 7, 8, 9 y 10 muestran modalidades especiales del electrodo 7 de la invención, que tiene un sostenedor de electrodo 7,5 y un inserto de emisión 7.1.

Para la distancia a entre la superficie 7.7 del sostenedor de electrodo 7.5 y la superficie 7.11 del inserto de emisión 7.1 y la distancia b entre la superficie 7.7 del sostenedor de electrodo 7.5 y la superficie 7.12 del inserto de emisión 7.1, se aplican las siguientes relaciones: a > b a = 0.15 mm a 0.5 mm b = 0.1 mm a 0.45 mm a > 1.3 x b a 3 x b.

El ángulo ? en la superficie del inserto de emisión 7.1 está adecuadamente en el intervalo de 0o a 120°.

El diámetro el del agujero para el inserto de emisión 7.1 en el sostenedor de electrodo 7.5 está adecuadamente en el intervalo de 0.5 mm a 2.9„.??p?. Además, es adecuado que lo siguiente aplique para el inserto de emisión 7.1: diámetro c2 : c2 = 0.5 mm a 2.9 mm diámetro d de la superficie 7.11: c2 = 0.3 mm a 2.7 mm.

Por lo demás, se aplica lo siguiente a la anchura g de la superficie anular A2: g > 0.1 mm = (c2 - d)/2.

El ángulo ß del inserto de emisión 7.1 está adecuadamente en el intervalo de 10° a 90°, mientras que el ángulo a del agujero en el sostenedor de electrodo 7.5 está adecuadamente en el intervalo de 80° a 160° , donde a > ß.

La figura 11 muestra diferentes formas de superficie del inserto de emisión 7.1. El área A2 de la superficie del inserto de emisión 7.1 junto al sostenedor de electrodo 7.5 es al menos tan grande como el área A2 mínima posible del anillo circular que resulta en el caso de un diseño circular, dependiendo del diámetro c2. Entre la superficie periférica 7.12 y la superficie central 7.11, también es posible proporcionar una superficie de transición 7.13 (por ejemplo, inclinada) con un área A3. Los contornos exteriores de las superficies 7.11 y 7.13 pueden ser, por ejemplo, triangulares, poligonales o en forma de estrella o similares .

Las características de la invención divulgada en la descripción anterior, en los dibujos y en las reivindicaciones pueden ser esenciales para la aplicación de la invención en sus diferentes modalidades tanto individualmente como en cualquier combinación.

Lista de los números de referencia 1 Cabeza de antorcha de plasma 2 Tapa de boquilla 3 Conductor de gas 4 Boquilla 5 Sostenedor de boquilla 6 Receptáculo de electrodo 6. .4 Rosca interior 6. .6 Superficie interior cilindrica 7 Electrodo 7 , .1 Inserto de emisión 7. .2 Junta tórica 7. .3 Ranura 7 , .4 Rosca exterior 7 , .5 Sostenedor de electrodo 7 , .6 Superficie exterior cilindrica 7 , .7 Superficie del sostenedor de electrodo en la punta del electrodo 7.11 Superficie central del inserto de emisión 7.12 Superficie periférica del inserto de emisión 7.13 Superficie de transición 7.14 Agujero en el sostenedor de electrodo 7.5 7.15 Extremo del inserto de emisión 7.1 7.16 Fondo del agujero 7.14 8 Sostenedor de tapa protectora de boquilla 9 Tapa protectora de boquilla Al Área de la superficie 7.11 A2 Área de la superficie 7.12 a Espacio entre la superficie 7.7 del sostenedor de electrodo 7.5 y la superficie central 7.11 del inserto de emisión 7.1 b Espacio entre la superficie 7.7 del sostenedor de electrodo 7.5 y la superficie periférica 7.12 del inserto de emisión 7.1 el Diámetro del agujero para el inserto de emisión 7.1 en el sostenedor de electrodo 7.5 c2 Diámetro del inserto de emisión 7.1 d Diámetro de la superficie 7.11 del inserto de emisión 7.1 e Longitud del inserto de emisión 7.1 f Longitud de la parte cilindrica del agujero para el inserto de emisión 7.1 en el sostenedor de electrodo 7.5 g Ancho de lá superficie anular A2 a Ángulo del agujero en el sostenedor de electrodo 7.5 ß Ángulo del inserto de emisión 7.1 ? Ángulo en la superficie del inserto de emisión 7 r Radio .

Se hace constar que con relación a esta fecha, el mejor método conocido por la solicitante para llevar a la práctica la citada invención, es el que resulta claro de la presente descripción de la invención.

Claims (19)

REIVINDICACIONES Habiéndose descrito la invención como antecede, se reclama como propiedad lo contenido en las siguientes reivindicaciones:

1. Un electrodo para una antorcha de plasma, caracterizado porque comprende: un sostenedor de electrodo alargado con una superficie frontal en la punta del electrodo y un agujero dispuesto en la punta del electrodo a lo largo de un eje central a través del sostenedor de electrodo, y un inserto de emisión dispuesto en el agujero de tal manera que una superficie de emisión del inserto de emisión sea expuesta, en donde la superficie de emisión es puesta atrás con respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo y comprende una superficie central y una superficie periférica, y la distancia a entre la superficie central del inserto de emisión y la superficie frontal del sostenedor de electrodo es mayor que la distancia b entre la superficie periférica del inserto de emisión y la superficie frontal del sostenedor de electrodo.

2. Un electrodo para una antorcha de plasma, caracterizado porque comprende: un sostenedor de electrodo alargado con una superficie frontal en la punta del electrodo y un agujero dispuesto en la punta del electrodo a lo largo de un eje central a través del sostenedor de electrodo, y un inserto de emisión dispuesto en el agujero de tal manera que una superficie de emisión del inserto de emisión sea expuesta, en donde la superficie de emisión se pone atrás respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo y comprende una superficie central y una superficie periférica, en donde la superficie periférica está inclinada.

3. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 1 a 2, caracterizado porque el extremo del inserto de emisión que da lejos de la punta del electrodo es troncocónico .

4. El electrodo de conformidad con la reivindicación 3, caracterizado porque el extremo que da lejos de la punta del electrodo corre en forma troncocónica a un ángulo ß en el intervalo de 10° a 90°.

5. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque el agujero tiene un fondo cónico.

6. El electrodo de conformidad con la reivindicación 5, caracterizado porque el fondo cónico tiene un ángulo a en el intervalo de 80° a 160°.

7. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores, caracterizado porque tiene un receptáculo de electrodo con una rosca interna, y el sostenedor de electrodo tiene una rosca externa y una ranura que corre radialmente en el exterior, y el sostenedor de electrodo se atornilla junto con el receptáculo de electrodo a través de la rosca externa y la rosca interna y es sellado.

8. El electrodo de conformidad con la reivindicación 7, caracterizado porque una junta tórica se dispone en la ranura para el sellado.

9. Un electrodo para una antorcha de plasma, caracterizado porque comprende: un sostenedor de electrodo con un extremo provisto para ser recibido en un receptáculo de electrodo, una rosca exterior en el extremo, una ranura que corre radialmente en el exterior y una superficie cilindrica de centraje al lado de la ranura en el lado opuesto al extremo para centrar al electrodo en relación a un receptáculo de electrodo.

10. El electrodo de conformidad con la reivindicación 9, caracterizado porque el sostenedor de electrodo es alargado y tiene una superficie frontal en la punta del electrodo y un agujero perforado dispuesto en la punta del electrodo a lo largo de un eje central a través del sostenedor de electrodo, y se proporciona un inserto de emisión que se dispone en el agujero de tal manera que una superficie de emisión del inserto de emisión sea expuesta, en donde la superficie de emisión es puesta atrás respecto a la superficie frontal del sostenedor de electrodo.

11. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 ó 10, caracterizado porque la superficie de emis,ión comprende una superficie central y una superficie periférica.

12. El electrodo de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la distancia a entre la superficie central del inserto de emisión y la superficie frontal del sostenedor de electrodo es mayor que la distancia b entre la superficie periférica del inserto de emisión y la superficie frontal del sostenedor de electrodo.

13. El electrodo de conformidad con la reivindicación 11, caracterizado porque la superficie periférica está inclinada.

1 . El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 13, caracterizado porque el extremo del inserto de emisión que da lejos de la punta del electrodo es troncocónico .

15. El electrodo de conformidad con la reivindicación 14, caracterizado porque el extremo que da lejos de la punta del electrodo corre en forma troncocónica a un ángulo ß en el intervalo de 10° a 90°.

16. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 10 a 15, caracterizado porque el agujero tiene un fondo cónico.

17. El electrodo de conformidad con la reivindicación 16, caracterizado porque el fondo cónico tiene un ángulo a en el intervalo de 80° a 160°.

18. El electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones 9 a 17, caracterizado porque comprende un receptáculo de electrodo, el receptáculo de electrodo tiene una rosca interna, y el sostenedor de electrodo se atornilla junto con el receptáculo de electrodo a través de la rosca externa y la rosca interna y es sellado por medio de una junta tórica dispuesta en la ranura.

19. Una cabeza de antorcha de plasma, caracterizada porque tiene el electrodo de conformidad con cualquiera de las reivindicaciones anteriores.