RU192910U1

RU192910U1 - METAL SUPPLY BURNER

Info

Publication number: RU192910U1
Application number: RU2018141068U
Authority: RU
Inventors: Роман Юрьевич Киреев; Алексей Сергеевич Сухочев
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Арк-инжиниринг"
Priority date: 2018-11-22
Filing date: 2018-11-22
Publication date: 2019-10-07

Abstract

Полезная модель относится к сварочному производству и может быть использована в технологии обработки металлов, в том числе для сварки, термоупрочнения, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, восстановления поврежденных элементов и изношенных поверхностей из низкоуглиродистых, низко- и среднелегированных, нержавеющих сталей.Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет обеспечения возможности ее использования для наплавки, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям.Горелка для наплавки металла содержит внешнее сопло, внутри которого размещены токопроводящий наконечник, фиксатор наконечника, керамический изолятор, фиксирующая гайка, канал для подачи сварочной проволоки, канал подачи газа из шлангпакета, в пространстве между внешним соплом и токопроводящим наконечником концентрично установлено внутреннее сопло, имеющее газовые отверстия на границе перехода его цилиндрической части в конусную и предназначенное для разделения защитного газового потока на два концентрических потока.The utility model relates to welding production and can be used in metal processing technology, including for welding, heat strengthening, layer-by-layer formation of metal products, namely to additive technologies, restoration of damaged elements and worn surfaces from low-carbon, low- and medium-alloyed, stainless steels . The technical result is to increase operational characteristics by ensuring the possibility of its use for surfacing, layer-by-layer formation of me In particular, additive technology. A metal welding torch contains an external nozzle, inside of which there is a conductive tip, a tip retainer, a ceramic insulator, a fixing nut, a wire for feeding the welding wire, a gas supply channel from the hose package, in the space between the external nozzle and a conductive tip concentrically installed an internal nozzle having gas holes at the boundary of the transition of its cylindrical part to the conical and designed to separate the protective gases flow into two concentric flows.

Description

Полезная модель относится к сварочному производству и может быть использовано в технологии обработки металлов, в том числе для сварки, термоупрочнения, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, восстановления поврежденных элементов и изношенных поверхностей из низкоуглиродистых, низко- и среднелегированных, нержавеющих сталей.The utility model relates to welding production and can be used in metal processing technology, including welding, heat hardening, layer-by-layer formation of metal products, namely additive technologies, restoration of damaged elements and worn surfaces from low-carbon, low- and medium-alloyed, stainless steels .

В последнее время широкое распространение получила технология прямого осаждения (нанесения) металлов. Данная технология подразумевает плавление металлического порошка или проволоки на подложке за счет лазерного, электронно-лучевого пучка или дугового разряда в среде защитных газов. Плавящие головки, используемые в этих технологиях, имеют свои особенности и отличаются конструктивно в зависимости от использования источника тепла для плавления, материала (порошок или проволока) и способом его подачи. Помимо специализированных плавящих головок в аддитивных установках, работающих по технологии прямого нанесения металла, возможно применение универсальных сварочных и наплавочных горелок. Они широко представлены на рынке, но их применимость ограничена первоначальным назначением (сварка/наплавка).Recently, direct deposition (deposition) of metals has become widespread. This technology involves the melting of a metal powder or wire on a substrate due to a laser, electron beam or arc discharge in a protective gas environment. The floating heads used in these technologies have their own peculiarities and differ structurally depending on the use of a heat source for melting, material (powder or wire) and the way it is fed. In addition to specialized melting heads in additive plants using direct metal deposition technology, universal welding and surfacing torches can be used. They are widely represented on the market, but their applicability is limited by the initial purpose (welding / surfacing).

При проектировании плавящей головки за основу мы взяли стандартную сварочную горелку MTG 320i производства австрийской компании Fronius (https://www.fronius.com/en), поскольку ее составляющие позволяют произвести модернизацию и отсутствуют сложности с поставкой запасных частей и комплектующих в РФ.When designing the melting head, we took the standard MTG 320i welding torch manufactured by the Austrian company Fronius (https://www.fronius.com/en), as its components allow for modernization and there are no difficulties with the supply of spare parts and components in the Russian Federation.

Горелка (прототип) состоит из внешнего защитного сопла, токопроводящего наконечника, газорассекателя, фиксатор наконечника, керамического изолятора, фиксирующей гайки, канал для подачи сварочной проволоки и канала подачи газа из шлангпакета.The torch (prototype) consists of an external protective nozzle, a conductive tip, a gas diffuser, a tip retainer, a ceramic insulator, a fixing nut, a channel for supplying welding wire and a gas supply channel from the hose package.

Стандартное сопло горелки имеет коническое истечение газа с уменьшением диаметра канала с 19 мм до 13 мм. Для проведения сварки - это необходимо, поскольку ширина расплавленной ванный металла составляет 6-8 мм, а защитный газ должен покрывать не только область расплавленного металла, но и соседнего нагретого до высоких температур (свыше 500°С).The standard nozzle of the burner has a conical gas outflow with a reduction in the diameter of the channel from 19 mm to 13 mm. For welding, this is necessary, since the width of the molten bath metal is 6-8 mm, and the protective gas should cover not only the region of the molten metal, but also the adjacent heated to high temperatures (over 500 ° C).

Поскольку сварку ведут на значительно больших режимах плавления проволоки, то присутствует эффект разбрызгивания расплавленного электродного материала. По этой причине сопло ставят на уровне с токоподводящим наконечником для меньшего его засорения.Since welding is carried out at significantly larger melting modes of the wire, there is a spray effect of the molten electrode material. For this reason, the nozzle is placed at a level with a current-carrying tip for less clogging.

При точной наплавке ширина жидкой ванны металла не превышает 2,5 мм, а соседний разогретый металл до высоких температур практически отсутствует.With precision surfacing, the width of the liquid metal bath does not exceed 2.5 mm, and the neighboring heated metal to high temperatures is practically absent.

Задача полезной модели заключается в создании плавящей головки аддитивной установки, работающей по технологии прямого нанесения (осаждения) металла в виде проволоки.The objective of the utility model is to create a floating head for an additive plant operating by the technology of direct deposition (deposition) of metal in the form of a wire.

Технический результат заключается в повышении эксплуатационных характеристик за счет обеспечения возможности ее использования для наплавки, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям.The technical result is to increase operational characteristics by ensuring the possibility of its use for surfacing, layer-by-layer formation of metal products, namely, additive technologies.

Технический результат достигается тем, что горелка для наплавки металла, содержащая внешнее сопло, внутри которого размещены токопроводящий наконечник, фиксатор наконечника, керамический изолятор, фиксирующая гайка, канал для подачи сварочной проволоки, канал подачи газа из шлангпакета, согласно полезной модели, в пространстве между внешним соплом и токопроводящим наконечником концентрично установлено внутреннее сопло, имеющее газовые отверстия на границе перехода его цилиндрической части в конусную.The technical result is achieved by the fact that the torch for metal deposition, containing an external nozzle, inside which a conductive tip, a tip retainer, a ceramic insulator, a fixing nut, a channel for supplying welding wire, a channel for supplying gas from a hose package, according to a utility model, in the space between the external the nozzle and the conductive tip concentrically installed inner nozzle having gas holes at the border of the transition of its cylindrical part to the conical.

Конструкция сопловой части предложенной горелки представлена на фиг. 1. На фиг. 2 внутреннее сопло. На Фиг. 3 симуляция движения защитного газа.The nozzle part of the proposed burner is shown in FIG. 1. In FIG. 2 inner nozzle. In FIG. 3 simulation of shielding gas movement.

На фигуре 1 обозначены:In figure 1 are indicated:

1 - внешнее сопло1 - external nozzle

2 - токопроводящий наконечник2 - conductive tip

3 - внутреннее сопло3 - inner nozzle

4 - фиксатор наконечника4 - tip clamp

5 - керамического изолятора5 - ceramic insulator

6 - фиксирующая гайка6 - fixing nut

7 - сварочная ванна7 - weld pool

8 - внешний поток защитного газа8 - external flow of protective gas

9 - внутренний поток защитного газа9 - internal flow of protective gas

10 - сварочная проволока10 - welding wire

11 - электрическая дуга11 - electric arc

12 - наплавленный слой12 - deposited layer

13 - подложка13 - substrate

14 - гусак горелки (корпус)14 - gander burner (housing)

15 - газо- токоподводящий штуцер15 - gas supply fitting

16 - канал для подачи сварочной проволоки16 - channel for feeding the welding wire

17 - канал подачи газа из шлангпакета17 - gas supply channel from the hose package

18 - газовые отверстия в фиксаторе наконечника 418 - gas holes in the latch retainer 4

19 - газовые отверстия во внутреннем сопле 3.19 - gas holes in the inner nozzle 3.

Сопловая часть горелки состоит из внешнего сопла 1, внутри которого концентрично размещены внутреннее сопло 3 и токопроводящий наконечник 2, который фиксируется с помощью фиксатора 4, имеющий газовые отверстия 18, керамический изолятор 5 и фиксирующая гайка 6. Имеются газо-токоподводящий штуцер 15 для подачи защитного газа и канал для подачи сварочной проволоки 16.The nozzle part of the burner consists of an external nozzle 1, inside of which the inner nozzle 3 and the conductive tip 2 are concentrically placed, which is fixed with a retainer 4, which has gas holes 18, a ceramic insulator 5 and a fixing nut 6. There is a gas-supply fitting 15 for supplying a protective gas and a channel for supplying welding wire 16.

У внутреннего сопла 3 на границе перехода его цилиндрической части в конусную имеются отверстия для подачи газа 19.The internal nozzle 3 at the boundary of the transition of its cylindrical part to the conical has holes for supplying gas 19.

Внутреннее сопло 3 предназначено разделять защитный газовый поток на 2 концентрических потока 8 и 9. При подаче защитного газа через штуцер 15 он попадает в фиксатор наконечника 4, через газовые отверстия 18 газ попадает в полость ограниченную внутренним соплом 3. Из этой полости газ расходится в 2 потока концентрично токопроводящему наконечнику 2, образуя внутренний поток защитного газа 9 сварочной проволоке 10, и через газовые отверстия 19 в полость между внутренним соплом 3 и внешним соплом 1 образуя внешний защитный поток 8. Количество газовых отверстий 19 и их диаметр определялись исходя из конструкции стандартных элементов горелки и проверялись в среде математического моделирования SolidWorks Flow Simulation.The inner nozzle 3 is intended to divide the protective gas stream into 2 concentric flows 8 and 9. When the protective gas is supplied through the nozzle 15, it enters the tip retainer 4, through the gas holes 18, the gas enters the cavity bounded by the internal nozzle 3. From this cavity, the gas diverges into 2 the flow concentrically to the conductive tip 2, forming the internal flow of the protective gas 9 by the welding wire 10, and through the gas holes 19 into the cavity between the internal nozzle 3 and the external nozzle 1 forming the external protective flow 8. The number of gas tversty 19 and their diameter is determined based on the design of the burner and standard cells were tested in a medium of mathematical modeling SolidWorks Flow Simulation.

Коническая форма разработанного внутреннего сопла 3 позволяет концентрично сварочной проволоке 10 подавать защитный газ, создавая при этом дополнительно давление на дугу 11 при таком же расходе защитного газа, как и при сварке. При проектировании внутреннего сопла 3 учитывалась ширина газовых каналов между токопроводящим наконечником 2 и внутренним соплом 3, а также между внутренним соплом 3 и внешним соплом 1, поэтому наружный диаметра получился 14 мм, что делает невозможным применение стандартного внешнего сопла. Поскольку внешнее сопло в новых горелка устанавливается на резьбу то мы применили технологию «раскатки» стандартного сопла для получения нужной геометрии носовой части и выходного диаметра в 17 мм. При использовании стандартного сопла расход газа для достижения тех же результатов необходимо было увеличивать с 6-8 л/мин. до 12-15 л/мин. Такой высокий расход оказывает дестабилизирующее влияние на дугу 11, горящую на минимальных режимах и образует завихрения потока газа, что приводит к попаданию в сварочную ванну 7 газов из окружающей атмосферы и дефектам наплавки 12 в виде пор и свищей. Разработанное сопло так же учитывает такие параметры как вылет электрода и выпуск. Оптимальный вылет сварочной проволоки 10 диаметром 1-1,2 мм составляет 10-15 мм, а выпуск 5-10 мм, соответственно конус внутреннего сопла 3 должен выступать за токопроводящий наконечник 2 на 5-10 мм. Со стандартным соплом вылет и выпуск примерно равны. На минимальных стабильных режимах горения дуги 11 процесс разбрызгивания менее интенсивен, а при увеличении давления защитного газа на дугу 11 за счет конической конструкции и концентрической подачи защитного газа в два потока 8,9 происходит частичное оттеснение частиц, летящих в сторону сопла. Так же за счет меньшего диаметра сопла уменьшается область захвата разбрызгиваемых частиц.The conical shape of the developed internal nozzle 3 allows concentric welding wire 10 to supply protective gas, while creating additional pressure on the arc 11 at the same flow rate of the protective gas as in welding. When designing the inner nozzle 3, the width of the gas channels between the conductive tip 2 and the inner nozzle 3, as well as between the inner nozzle 3 and the outer nozzle 1, was taken into account, so the outer diameter was 14 mm, which makes it impossible to use a standard external nozzle. Since the external nozzle in the new burner is mounted on the thread, we applied the “rolling” technology of the standard nozzle to obtain the desired nose geometry and output diameter of 17 mm. When using a standard nozzle, the gas flow rate must be increased from 6-8 l / min to achieve the same results. up to 12-15 l / min. Such a high flow rate has a destabilizing effect on the arc 11, burning at minimum conditions and forms a swirl of the gas flow, which leads to the ingress of gases into the weld pool 7 from the surrounding atmosphere and defects in the surfacing 12 in the form of pores and fistulas. The developed nozzle also takes into account such parameters as electrode stick-out and exhaust. The optimal reach of the welding wire 10 with a diameter of 1-1.2 mm is 10-15 mm, and the output is 5-10 mm, respectively, the cone of the inner nozzle 3 should protrude behind the conductive tip 2 by 5-10 mm. With a standard nozzle, the ejection and outlet are approximately equal. At minimum stable combustion conditions of the arc 11, the spraying process is less intense, and with an increase in the pressure of the protective gas on the arc 11 due to the conical design and the concentric supply of the protective gas in two streams 8.9, the particles are partially displaced flying towards the nozzle. Also, due to the smaller diameter of the nozzle, the capture area of the sprayed particles decreases.

Моделирование внутреннего сопла 3 началось с очерчивания граничной области его построения. Затем определили угол конусности носовой части. Внутренний угол зависит от конусности токопроводящего наконечника 2, а внешний угол внутреннего сопла от угла конусности внешнего сопла 1. Данные углы должны быть близкими по значению или совпадать чтобы движущийся по образующимся концентрическим конусным каналам защитный газ не создавал завихрения и турбулентность. Длина внутреннего сопла 3 определялась из теоретических данных. Для проверки правильности геометрии спроектированного внутреннего сопла 3 и доработанного внешнего сопла 1, модель сопловой части головки помести в расчетную среду SolidWorks Flow Simulation и произвели симуляцию потоков 8 и 9 защитного газа. Симуляция показала правильность расчетов геометрии внутреннего 3 и внешнего 1 сопел. Иссекаемый поток защитного газа имеет ламинарный поток без завихрений. Симуляция представлена на фиг. 3.Modeling of the internal nozzle 3 began with the outline of the boundary region of its construction. Then determined the angle of taper of the bow. The internal angle depends on the conicity of the conductive tip 2, and the external angle of the internal nozzle on the taper angle of the external nozzle 1. These angles must be close in value or coincide so that the protective gas moving through the formed concentric conical channels does not create turbulence and turbulence. The length of the inner nozzle 3 was determined from theoretical data. To check the geometry of the designed internal nozzle 3 and the modified external nozzle 1, put the nozzle part model into the SolidWorks Flow Simulation calculation medium and simulate the shielding gas flows 8 and 9. The simulation showed the correctness of the calculations of the geometry of the inner 3 and outer 1 nozzles. The excised shielding gas stream has a laminar flow without swirls. The simulation is shown in FIG. 3.

Работа горелки осуществляется следующим образом.The operation of the burner is as follows.

При нажатии пусковой кнопки горелки открывается запорный клапан (на фигурах не показан) подачи защитного газа и он проходя по шлангпакету (на фигурах не показан) проходит штуцер 15 и попадает в фиксатор наконечника 4, затем по отверстиям 18 в фиксаторе наконечника 4 газа проходит в полость ограниченную внутренним соплом 3. Затем газовый поток разделяется на 2 части, одна проходит вдоль токопроводящего наконечника 2, а вторая часть переходит через газовые отверстия 19 в полость между внутренним соплом 3 м внешним соплом 1. Движение газа показано стрелочками на фиг. 1. Спустя 2 сек. После подачи защитного газа включается подача электродной проволоки 10 и сварочного тока. Проволока 10 подается по каналу 16 который упирается в токопроводящий наконечник 2 и дальше проволока 10 выходит из наконечника 2 и замыкается на подложке 13 чем вызывается возбуждение сварочной дуги 11.When the torch start button is pressed, the shut-off valve (not shown) of the shielding gas supply opens and it passes through the hose package (not shown in the figures) and passes through the nozzle 15 and enters the tip retainer 4, then passes through the holes 18 in the retainer of the gas tip 4 into the cavity bounded by the internal nozzle 3. Then the gas stream is divided into 2 parts, one passes along the conductive tip 2, and the second part passes through the gas holes 19 into the cavity between the internal nozzle 3 m external nozzle 1. The gas movement is shown with relochkami FIG. 1. After 2 seconds After supplying the shielding gas, the supply of electrode wire 10 and welding current are turned on. The wire 10 is fed through a channel 16 which abuts against the conductive tip 2 and then the wire 10 exits the tip 2 and closes on the substrate 13, which causes the excitation of the welding arc 11.

Предложенное техническое решение позволяет улучшить эксплуатационные характеристики за счет возможности ее использования для наплавки, послойного формирования металлических изделий, а именно к аддитивным технологиям, и обеспечение возможности реализации двухпоточной схемы защиты жидкой ванны и горячего металла, что способствует уменьшению разбрызгивания металла, не приводит к увеличению расхода газа, увеличивает давление на дугу.The proposed technical solution allows to improve operational characteristics due to the possibility of its use for surfacing, layer-by-layer formation of metal products, namely to additive technologies, and providing the possibility of implementing a two-stream protection scheme for a liquid bath and hot metal, which helps to reduce metal spatter, does not increase consumption gas, increases the pressure on the arc.

Claims

A metal welding torch containing an external nozzle inside which a conductive tip, a tip retainer, a ceramic insulator, a channel for supplying welding wire, a channel for supplying gas from a hose package, an internal nozzle having gas openings at the transition from its cylindrical part to the conical and concentric located relative to the external nozzle, characterized in that the internal nozzle is located in the space between the external nozzle, the tip retainer and the conductive tip.