RU159626U1

RU159626U1 - SPRAY PLASMOTRON

Info

Publication number: RU159626U1
Application number: RU2015146941/07U
Authority: RU
Inventors: Анвар Минирович Кадырметов; Алексей Сергеевич Пустовалов; Евгений Вячеславович Снятков; Вадим Олегович Никонов
Priority date: 2015-10-30
Filing date: 2015-10-30
Publication date: 2016-02-20

Abstract

Плазмотрон для напыления, включающий корпус, катодный узел с острийным катодом, водоохлаждаемый анод, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анода, отличающийся тем, что катодный узел и секция межэлектродной вставки, расположенная ближе к катоду, имеют наружные винтовые канавки с шагом 5-9 мм, объём которых заполнен металлическими шариками с высокой теплопроводностью, причем винтовая канавка секции межэлектродной вставки сообщается с конусообразным каналом дополнительной подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство по направлению к аноду, а канал подачи транспортирующего газа с порошком расположен в секции межэлектродной вставки, находящейся ближе к аноду.A plasma torch for spraying, comprising a housing, a cathode assembly with a pointed cathode, a water-cooled anode, a sectioned interelectrode insert, consisting of at least two sections that are electrically insulated from the electrodes, a plasma-forming channel formed by the walls of the interelectrode insert and the anode, characterized in that the cathode assembly and the section of the interelectrode insert located closer to the cathode has external helical grooves with a pitch of 5-9 mm, the volume of which is filled with metal balls with high thermal conductivity, and the helical the wound section of the interelectrode insert communicates with a cone-shaped channel for additional supply of plasma-forming gas into the interelectrode space towards the anode, and the channel for supplying transporting gas with powder is located in the section of the interelectrode insert closer to the anode.

Description

Полезная модель относится к области машиностроения, в частности к дуговым плазмотронам для напыления порошковыми материалами металлических и неметаллических покрытий на изделия.The utility model relates to the field of engineering, in particular to arc plasmatrons for spraying powder materials of metal and nonmetallic coatings on products.

Известен плазмотрон с рекуперативным охлаждением неплавящегося электрода и электродный узел этого плазмотрона (Патент РФ №2469517, Н05Н 1/28, опубл. 10.12.2012). Данный плазмотрон включает в себя подвод к электроду в зону опорного пятна дугового разряда вращающегося потока плазмообразующего газа, создающего микрозавихрения газа вблизи поверхности электрода и отвод тепла от электрода в аксиальный поток плазмы микровихрями, причем электрод с электрододержателем выполнен таким образом, что направление его вращения противоположно вращению вихревого потока плазмообразующего газа.Known plasmatron with regenerative cooling non-consumable electrode and the electrode assembly of this plasma torch (RF Patent No. 2469517, H05H 1/28, publ. 10.12.2012). This plasmatron includes the introduction of a rotating plasma-forming gas stream to the reference spot of the arc discharge zone, creating micro-eddies of gas near the electrode surface and heat removal from the electrode to the axial plasma flow by micro vortices, the electrode with the electrode holder being made in such a way that its rotation direction is opposite to the rotation vortex flow of plasma-forming gas.

Недостатками плазмотрона является наличие сложной динамической системы подвода электрической энергии с помощью графитовой щетки и управление плазмотроном, а также сложность работы на малых расходах плазмообразующего газа из-за возможности перегрева стенок плазмотрона.The disadvantages of the plasma torch are the presence of a complex dynamic system for supplying electric energy using a graphite brush and control of the plasma torch, as well as the difficulty of operating at low plasma-forming gas flow rates due to the possibility of overheating of the plasma torch walls.

Известен электродуговой плазмотрон (Патент РФ №2222121, Н05Н 1/26, С23С 4/12, опубл. 20.01.2004), который включает последовательно установленные водоохлаждаемый катод, электрически изолированную с обеих сторон полую межэлектродную вставку (МЭВ) с кольцевым каналом, который сообщается с источником плазмообразующего газа, полый водоохлаждаемый анод, штуцера для подвода плазмообразующего газа в зазоры МЭВ - анод, МЭВ - катод, причем штуцер для подвода всего плазмообразующего газа непосредственно подключен к кольцевому каналу в межэлектродной вставке, а дополнительно установленные завихрители делят поток плазмообразующего газа на две части и выполнены на межэлектродной вставке в виде каналов, образованных многозаходной резьбой, имеющей выходы по обе стороны межэлектродной вставки в зазоры межэлектродная вставка - катод и межэлектродная вставка - анод, при этом указанные зазоры открываются в осевой (дуговой) канал плазмотрона.Known electric arc plasmatron (RF Patent No. 2222121, H05H 1/26, C23C 4/12, publ. 20.01.2004), which includes sequentially installed water-cooled cathode, a hollow interelectrode insert (MEV) electrically isolated on both sides with an annular channel that communicates with a source of plasma-forming gas, a hollow water-cooled anode, a nozzle for supplying a plasma-forming gas into the gaps of the MEA - anode, MEW - the cathode, and the fitting for supplying the entire plasma-forming gas is directly connected to the annular channel in the interelectrode insert, and d additionally installed swirls divide the plasma-forming gas stream into two parts and are made on the interelectrode insert in the form of channels formed by a multiple start thread having exits on both sides of the interelectrode insert into the gaps, the interelectrode insert - the cathode and the interelectrode insert - the anode, while these gaps open in the axial ( arc) channel of the plasma torch.

Недостатком данного технического решения является то, что в нем подача напыляемого материала реализована под срез сопла плазмотрона, что, в свою очередь, затрудняет прогрев тугоплавких материалов для напыления и требует значительного тока (250А) для обеспечения качественных покрытий.The disadvantage of this technical solution is that in it the supply of the sprayed material is realized under the nozzle of the plasma torch, which, in turn, complicates the heating of refractory materials for spraying and requires significant current (250A) to ensure high-quality coatings.

Наиболее близким аналогом заявленного устройства является плазмотрон (Патент РФ №2225084, Н05В 7/20, Н05Н 1/42, В05В 7/22, опубл. 27.02.2004), который включает корпус, катодный узел с острийным катодом, анодный узел, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анодного узла, узел подвода охлаждающей среды, по меньшей мере, к одному из электродов, узел подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство, узел подачи потока транспортирующего газа с порошком через канал, образованный между секциями межэлектродной вставки, выходная часть которого удалена от острийного катода вдоль оси симметрии плазмообразующего канала на расстояние не более чем на 3d, но не менее чем на 0,5d, где d - диаметр проходного сечения ближайшей к катоду секции межэлектродной вставки, при этом канал сообщается с узлом подачи транспортирующего газа с порошком через кольцевую промежуточную камеру, а узел подачи транспортирующего газа с порошком содержит, по меньшей мере, один канал, обеспечивающий тангенциальную подачу потока транспортирующего газа с порошком в кольцевую промежуточную камеру.The closest analogue of the claimed device is a plasmatron (RF Patent No. 2225084, Н05В 7/20, Н05Н 1/42, В05В 7/22, publ. 02.27.2004), which includes a housing, a cathode assembly with a pointed cathode, an anode assembly, a sectioned interelectrode an insert consisting of at least two sections that are electrically insulated from the electrodes, a plasma-forming channel formed by the walls of the interelectrode insert and the anode assembly, a cooling medium supply unit to at least one of the electrodes, a plasma-forming gas supply unit to the interelectrode space, a unit for supplying a flow of transporting gas with powder through a channel formed between sections of the interelectrode insert, the outlet of which is removed from the tip cathode along the axis of symmetry of the plasma forming channel by a distance of no more than 3d, but no less than 0.5d, where d is the diameter of the passage cross-sections of the interelectrode insert section closest to the cathode, while the channel communicates with the conveying gas supply unit with the powder through the annular intermediate chamber, and the conveying gas supply unit with the powder contains at least e, one channel, which provides a tangential flow of the carrier gas with powder into the annular intermediate chamber.

В данном прототипе охлаждение электродов и секций межэлектродной вставки, соприкасающихся в процессе работы плазмотрона с плазменным потоком, производится за счет теплопроводности деталей, непосредственно контактирующих с трактом прокачки охлаждающей жидкости. Для обеспечения необходимого теплового контакта катододержателя и втулки катодного узла, детали катодного узла устанавливаются с минимальными радиальными зазорами. При этом данные поверхности дополнительно охлаждаются плазмообразующим газом, и не имеют развитого рельефа для увеличения теплосъема, что особенно увеличивает эрозию катода при малых расходах плазмообразующего газа и уменьшает тепловой КПД.In this prototype, the cooling of the electrodes and sections of the interelectrode insert in contact with the plasma stream during operation of the plasma torch is carried out due to the thermal conductivity of the parts directly in contact with the coolant pumping path. To ensure the necessary thermal contact of the cathode holder and the sleeve of the cathode assembly, the details of the cathode assembly are installed with minimal radial clearances. At the same time, these surfaces are additionally cooled by a plasma-forming gas, and do not have a developed relief to increase heat removal, which especially increases cathode erosion at low plasma-forming gas consumption and reduces thermal efficiency.

Задача, на решение которой направлено заявленное техническое решение, заключается в уменьшении тепловых потерь, повышении надежности работы, применении различных плазмообразующих газов для достижения требуемой величины энтальпии струи.The problem to which the claimed technical solution is directed is to reduce heat loss, increase reliability, use various plasma-forming gases to achieve the desired value of the jet enthalpy.

Данная задача решается за счет того, что плазмотрон для напыления включает в себя корпус, катодный узел с острийным катодом, водоохлаждаемый анод, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секций, плазмообразующий канал, образованный стенками межэлектродной вставки и анода, согласно полезной модели, катодный узел и секция межэлектродной вставки, расположенная ближе к катоду, имеют наружные винтовые канавки с шагом 5-9 мм, объем которых заполнен металлическими шариками с высокой теплопроводностью, причем винтовая канавка секции межэлектродной вставки сообщается с конусообразным каналом дополнительной подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство по направлению к аноду, а канал подачи транспортирующего газа с порошком расположен в секции межэлектродной вставки, находящейся ближе к аноду.This problem is solved due to the fact that the plasma torch for spraying includes a housing, a cathode assembly with a tip cathode, a water-cooled anode, a sectioned interelectrode insert, consisting of at least two sections electrically insulated from the electrodes, a plasma-forming channel formed by the walls of the interelectrode insert and of the anode, according to a utility model, the cathode assembly and the interelectrode insert section located closer to the cathode have external helical grooves with a pitch of 5-9 mm, the volume of which is filled with metal balls with high thermal conductivity, and the helical groove of the section of the interelectrode insert communicates with a cone-shaped channel for additional supply of plasma-forming gas into the interelectrode space towards the anode, and the channel for supplying transporting gas with powder is located in the section of the interelectrode insert located closer to the anode.

Техническим результатом, обеспечиваемым приведенной совокупностью признаков, является рекуперация тепловой энергии охладителя катодного узла (плазмообразующего газа) и охладителя секции межэлектродной вставки (дополнительного газа) за счет нагрева данных охладителей в винтовых канавках с шаровой засыпкой и возврата этой энергии в плазменный поток, что повышает тепловой и общий КПД процесса плазменного напыления, обеспечивает достаточное охлаждение электродов при малых расходах плазмообразующего газа, увеличивает энтальпию струи путем подмешивания многоатомных газов в виде дополнительного плазмообразующего газа.The technical result provided by the given set of features is the recovery of thermal energy of the cooler of the cathode assembly (plasma-forming gas) and the cooler of the section of the interelectrode insert (additional gas) by heating these coolers in screw grooves with ball filling and returning this energy to the plasma stream, which increases the heat and the overall efficiency of the plasma spraying process, provides sufficient cooling of the electrodes at low flow rates of the plasma-forming gas, increases the enthalpy of the jet by mixing polyatomic gases in the form of an additional plasma-forming gas.

На фигуре 1 изображен плазмотрон для напыления, включающий корпус 1, катодный узел 2 с острийным катодом 3, водоохлаждаемый анод 4, секционированную межэлектродную вставку, состоящую, по меньшей мере, из двух электроизолированных от электродов секции 5 и секции 6, плазмообразующий канал 7, образованный стенками межэлектродной вставки и анода, отличающийся тем, что катодный узел 2 и секция 5 межэлектродной вставки, расположенная ближе к катоду, имеют наружные винтовые канавки 8 и 9 с шагом 5-9 мм, объем которых заполнен металлическими шариками 10 с высокой теплопроводностью, причем винтовая канавка 9 на секции 5 межэлектродной вставки сообщается с конусообразным каналом 11 дополнительной подачи плазмообразующего газа в межэлектродное пространство по направлению к аноду, а канал 12 подачи транспортирующего газа с порошком расположен в секции 6 межэлектродной вставки, находящейся ближе к аноду.The figure 1 shows a plasma torch for spraying, comprising a housing 1, a cathode assembly 2 with a pointed cathode 3, a water-cooled anode 4, a sectioned interelectrode insert, consisting of at least two section 5 and section 6 electrically insulated from the electrodes, a plasma-forming channel 7 formed the walls of the interelectrode insert and the anode, characterized in that the cathode assembly 2 and the section 5 of the interelectrode insert, located closer to the cathode, have external screw grooves 8 and 9 with a pitch of 5-9 mm, the volume of which is filled with metal balls 10 s in high thermal conductivity, moreover, the helical groove 9 on the section 5 of the interelectrode insert communicates with the cone-shaped channel 11 for additional supply of plasma-forming gas into the interelectrode space towards the anode, and the channel 12 for supplying transporting gas with powder is located in the section 6 of the interelectrode insert, which is closer to the anode.

Работает устройство следующим образом.The device operates as follows.

К аноду 4 и секции 6 межэлектродной вставки подключается проточная вода для охлаждения. Плазмообразующий газ, например аргон, подают в катодный узел 2, после этого, проходя через наружную винтовую канавку 8, объем которой заполнен металлическими шариками 10 с высокой теплопроводностью, нагретый газ попадает в зазор между катодом 3 и секцией 5 и оттуда в плазмообразующий канал 7.Running water is connected to the anode 4 and section 6 of the interelectrode insert for cooling. Plasma-forming gas, such as argon, is fed into the cathode assembly 2, after which, passing through the outer screw groove 8, the volume of which is filled with metal balls 10 with high thermal conductivity, the heated gas enters the gap between the cathode 3 and section 5 and from there into the plasma-forming channel 7.

Также в плазмотрон подают дополнительный плазмообразующий газ, который по роду может совпадать с основным газом, в зависимости от требуемой величины энтальпии плазменной струи и требований по окислению напыляемого материала, например, аргон, азот или воздух, через наружную винтовую канавку 9, причем газ, пройдя обозначенную канавку, нагревается и попадает через конусообразный канал 11 в межэлектродное пространство по направлению к аноду. Секция 5 защищает вольфрамовый катод от эрозии в случае добавления окислительных газов в струю через конусообразный канал 11.Also, an additional plasma-forming gas is supplied to the plasma torch, which may coincide in type with the main gas, depending on the required enthalpy of the plasma jet and the requirements for oxidation of the sprayed material, for example, argon, nitrogen, or air, through the outer screw groove 9, and the gas passing through the marked groove heats up and enters through the cone-shaped channel 11 into the interelectrode space towards the anode. Section 5 protects the tungsten cathode from erosion in the case of the addition of oxidizing gases to the stream through a conical channel 11.

При зажигании дуги плазмотрона катод подключают к отрицательному полюсу, а секцию 5 МЭВ - к положительному полюсу источника электропитания. Зажигание дугового разряда осуществляется путем высоковольтного пробоя зазора между катодом 3 и секцией 5 с помощью осциллятора и подачи начального тока на указанные электроды от источника электропитания. После запуска увеличивают подачу плазмообразующего газа и подключают секцию 6 МЭВ к положительному полюсу источника электропитания, а секцию 5 отключают. После зажигания дуги на секцию 6 МЭВ, устанавливают номинальный расход газа через катодный узел 2 и конусообразный канал 11, производят отключение контакта секции 6, с одновременным подключением анода к положительному полюсу источника электропитания и выставляют номинальную силу тока разряда. Анодное опорное пятно в виде плазменного облака примыкает к внутренней поверхности осевого канала анода. Осуществляют подачу транспортирующего газа с порошком через канал 12 и производят напыление покрытия.When igniting the arc of the plasma torch, the cathode is connected to the negative pole, and section 5 of the MEA to the positive pole of the power source. Ignition of the arc discharge is carried out by high-voltage breakdown of the gap between the cathode 3 and section 5 using an oscillator and applying the initial current to these electrodes from the power source. After starting, increase the supply of plasma-forming gas and connect the 6 MEV section to the positive pole of the power supply, and turn off section 5. After ignition of the arc on the MEV section 6, the nominal gas flow rate through the cathode assembly 2 and the cone-shaped channel 11 is established, the contact of the section 6 is disconnected, while the anode is connected to the positive pole of the power supply and the rated discharge current is set. An anode support spot in the form of a plasma cloud is adjacent to the inner surface of the axial channel of the anode. The carrier gas is supplied with powder through channel 12 and the coating is sprayed.

Наличие рекуперации тепла путем продувания плазмообразующего газа через шаровую засыпку, находящуюся в объеме винтовых канавок катодного узла 2 и секции 5 межэлектродной вставки позволило частично направить тепловой поток из электродных узлов обратно в плазмообразующий газ, тем самым увеличить тепловой и общий КПД процесса.The presence of heat recovery by blowing a plasma-forming gas through a ball filling located in the volume of the helical grooves of the cathode assembly 2 and the section 5 of the interelectrode insert made it possible to partially direct the heat flux from the electrode assemblies back into the plasma-forming gas, thereby increasing the thermal and overall process efficiency.

Шаг винтовых канавок преимущественно составляет 5,0-9,0 мм. Выбранный диапазон шага винтовой канавки определяет общую длину канавки и объем шаровой засыпки для регенерации тепла, которая выбирается исходя из условия достаточности охлаждения электродов. Соотношение диаметра шариков от внутреннего линейного размера канавок определяется экспериментально (а.с. №1698614, F28F 13/12, опубл. 15.12.1991) или теоретически исходя из условия максимального теплообмена в канавках и составляет 0,15-0,25 внутреннего линейного размера канавок.The pitch of the helical grooves is preferably 5.0-9.0 mm. The selected pitch range of the helical groove determines the total length of the groove and the volume of the ball fill for heat recovery, which is selected based on the condition of sufficient cooling of the electrodes. The ratio of the diameter of the balls from the internal linear size of the grooves is determined experimentally (AS No. 1698614, F28F 13/12, publ. 15.12.1991) or theoretically based on the condition of maximum heat transfer in the grooves and is 0.15-0.25 internal linear size grooves.

Наличие водяной рубашки охлаждения в водоохлаждаемом аноде 4 и секции 6 МЭВ позволяет поддерживать их оптимальный тепловой режим, что стабилизирует процесс нанесения покрытий.The presence of a water cooling jacket in the water-cooled anode 4 and section 6 of the MEA allows maintaining their optimal thermal regime, which stabilizes the coating process.

Вдув в дуговой канал прогретого плазмообразующего газа способствует гашению пульсаций потока, жесткой пространственной фиксации дуги независимо от уровня тока, расхода и состава плазмообразующего газа и выравниванию профиля скоростей и температур в радиальном сечении плазменной струи.By injecting a heated plasma-forming gas into the arc channel, it helps to dampen flow pulsations, rigidly fix the arc independently of the current level, flow rate and composition of the plasma-forming gas and equalize the velocity and temperature profiles in the radial section of the plasma jet.

Раздельная подача плазмообразующих газов позволяет регулировать энтальпию плазменной струи.Separate supply of plasma-forming gases makes it possible to control the enthalpy of the plasma jet.

Конструкция плазмотрона с подачей порошка на начальном участке электрической дуги позволяет создавать наполненные профили температуры и скорости плазмы, осуществлять равномерный нагрев и ускорение напыляемого материала, что в совокупности с оптимизацией режимов в зависимости от различных порошков обеспечивает повышение эффективности процесса нанесения покрытий.The design of the plasma torch with the supply of powder in the initial section of the electric arc makes it possible to create filled profiles of the temperature and velocity of the plasma, to uniformly heat and accelerate the sprayed material, which, combined with the optimization of the regimes depending on various powders, provides an increase in the efficiency of the coating process.

Claims

A plasma torch for spraying, comprising a housing, a cathode assembly with a pointed cathode, a water-cooled anode, a sectioned interelectrode insert, consisting of at least two sections that are electrically insulated from the electrodes, a plasma-forming channel formed by the walls of the interelectrode insert and the anode, characterized in that the cathode assembly and the section of the interelectrode insert located closer to the cathode has external helical grooves with a pitch of 5-9 mm, the volume of which is filled with metal balls with high thermal conductivity, and the helical cable the wound section of the interelectrode insert communicates with a cone-shaped channel for additional supply of plasma-forming gas into the interelectrode space towards the anode, and the channel for supplying transporting gas with powder is located in the section of the interelectrode insert located closer to the anode.