RU1483779C - Плазменный резак - Google Patents

Abstract

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к плазменным резакам. Цель изобретения - повышение качества резки путем снижения насыщения кромок реза азотом. Плазменный резак имеет сопло, состоящее из вкладышей 7 и 8, образующих выходной канал 9, в стенках которого выполнены выходные отверстия каналов 17 для подачи воды. Эти отверстия расположены между входным отверстием канала 9 и критическим сечением 10 сопла. При таком расположении выходных отверстий каналов 17 вода, поступающая в канал 9, испаряется, смешивается с воздушным вихревым потоком, диффундирует в область дуги и ионизируется. При этом происходит снижение концентрации ионов азота вследствие их замещения на ионы водорода. Доля отрицательных ионов азота в ионном потоке, падающем на кромку реза, существенно снижается. 2 ил.

Description

Изобретение относится к сварочной технике, в частности к плазменным резакам.

Целью изобретения является повышение качества резки путем снижения насыщения кромок реза азотом.

На фиг.1 представлена конструкция плазменного резака, разрез; на фиг.2 - узел I на фиг.1.

Плазменный резак содержит стержневой медный катод 1 с цилиндрической катодной вставкой 2, выполненной, например, из гафния, запрессованной в его торец. Катод имеет полость 3, в которую входит трубка 4 водяного охлаждения катода, закрепленного в катододержателе 5. В последнем выполнен канал 6 подачи плазмообразующего газа в виде спиральной канавки на наружной цилиндрической поверхности катододержателя.

Резак имеет сопло, состоящее из входного 7 и выходного 8 сопловых вкладышей, формирующих выходной канал 9 сопла (см.фиг.2). При этом вкладыш 8 имеет цилиндрический внутренний канал с диаметром d, не превышающим диаметра D отверстия вкладыша 7. Это условие соответствует тому, что критическое сечение 10 сопла, т.е. сечение, где скорость плазмы достигает местной скорости звука, располагается в выходном сечении выходного вкладыша 8 сопла.

Резак имеет корпус 11 и колпак 12 (см.фиг.1), который прижимает сопловые вкладыши 7 и 8 один к другому и к корпусу 11 так, что между катодом и сопловым вкладышем образуется полость 13.

В корпусе 11 имеется канал 14 водяного охлаждения сопла, соединенный с полостью 15 между колпаком 12 и соплом. Полости 15 и 13 разделены резиновым уплотнением 16. Сопряженные поверхности сопловых вкладышей 7 и 8 образуют систему каналов 17, соединяющих канал 9 с полостью 15.

Работает плазменный резак следующим образом.

Перед началом работы сжатый воздух подается по каналу 6 подачи плазмообразующего газа в полость 13 между катодом 1 и соплом и истекает из сопла. При этом благодаря спиралевидности канала 6 в полости 13 между катодом 1 и соплом создается вращательное движение воздуха. Затем подается вода в каналы 3 и 14 охлаждения катода 1 и сопла. По каналам 17 между сопловыми вкладышами 7 и 8 вода подается в канал 9 сопла между входным отверстием канала 9 и критическим сечением 10 сопла. При этом расход воды определяется гидросопротивлением каналов 17 между сопловыми вкладышами 7 и 8. После этого подается напряжение на катод 1 и в воздушном вихре поджигается электрическая дуга между катодом 1 и разрезаемым листом 18 металла. Соотношение между диаметрами d и D отверстий определяет положение критического сечения 10 сопла в канале выходного вкладыша 8.

Вода, поступившая в канал 9 сопла, испаряется, смешивается с воздушным вихревым потоком, диффундирует в область дуги и ионизируется. При этом происходит значительное снижение концентрации ионов азота вследствие их замещения на ионы водорода. Доля отрицательных ионов азота в ионном потоке, падающем на кромку реза, существенно снижается, что улучшает качество последующей сварки. При этом время перемешивания паров воды с плазмой воздуха больше на величину времени τ пребывания паров воды в докритической части сопла.

Оценим величины времен перемешивания в закритической и докритической частях сопла.

Пусть m - расход пламообразующей среды через сопло резака, тогда τ - время пребывания частицы плазмы или газа в проточном объеме V с плотностью среды ρ определится следующим образом:
τ =

Тогда увеличение времени перемешивания в предложенном плазменном резаке в сравнении с плазменным резаком - прототипом будет равно:
n =

=

=

= 1 +

;
Объем V₂ плазмы за критическим сечением сопла определяется технологией резки и значительно изменен быть не может.

Плотность, давление и температура связаны соотношением Р=ρ RТ, поэтому
n = 1 +

Дадим численную оценку последнему соотношению.

Давлению Р₂= 1 атм, давление подачи газа в плазмотроне примерно равно давлению в дозвуковой части сопла, т.е. Р₁=5 атм. Принимая, что Т₁=Т₂ и выбирая геометрию дозвуковой части смешения сопла такой, что V

V₂ получим n=6.

В предложенном устройстве время перемешивания паров воды с плазмой воздуха больше, чем в прототипе примерно в 6 раз.

Такое увеличение времени перемешивания воды гарантирует практически равномерное распределение ее концентрации по сечению столба дуги. Из сопла при этом истекает равновесная плазма. Соотношение расхода воды и воздуха может задаваться произвольно так, чтобы ионы азота были полностью вытеснены из плазмы ионами водорода в соответствии с условием термодинамического равновесия - уравнением Саха.

Предложенное устройство может быть использовано для резки листового металла в условиях серийного и массового производства на плазморезательных машинах типа "Кристалл", "Гранат" и т.д.

Эффективность использования предложенного устройства определяется освобождением от необходимости использовать дорогостоящий кислород в качестве плазмообразующей среды при резке листового металла, а также снижением расхода дорогостоящих катодов и сопл.

Claims (1)

1. ПЛАЗМЕННЫЙ РЕЗАК, содержащий катод и кольцевое сопло с выходным каналом, канал подачи плазмообразующего газа и канал подачи воды с выходными отверстиями, расположенными на поверхности выходного канала сопла, отличающийся тем, что, с целью повышения качества резки путем снижения насыщения кромок реза азотом, выходные отверстия каналов для подачи воды расположены между входным отверстием выходного канала сопла и критическим сечением сопла.

Images