RU196256U1

RU196256U1 - Plasma torch

Info

Publication number: RU196256U1
Application number: RU2019144969U
Authority: RU
Inventors: Юрий Дмитриевич Щицын; Владислав Юрьевич Щицын; Сергей Дмитриевич Неулыбин; Роман Германович Никулин
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "Центр электронно-лучевых и лазерных технологий"
Priority date: 2019-12-30
Filing date: 2019-12-30
Publication date: 2020-02-21

Abstract

Полезная модель относится к устройствам для плазменной обработки металлов, в частности к устройствам для плазменной сварки и резки черных и цветных металлов. Повышение износостойкости электрода, плазмообразующего сопла и плазматрона достигается за счет того, что в плазматроне, содержащем электрод, на наружной поверхности рабочего торца выполнено центральное глухое отверстие. Сопло, установленное с зазором вокруг электрода, имеет плоскую внутреннюю поверхность, обращенную к рабочему торцу электрода, на которой выполнено выходное отверстие, соосное с глухим отверстием электрода. Рабочий торец электрода выполнен в виде полусферы, диаметр глухого отверстия электрода составляет 0,75 - 1 диаметра выходного отверстия сопла, глубина глухого отверстия электрода составляет 1 - 1,3 его диаметра. Зазор между рабочим торцом электрода и плоской внутренней поверхностью сопла составляет 0,2 - 0,3 выходного отверстия сопла.The invention relates to devices for plasma processing of metals, in particular to devices for plasma welding and cutting of ferrous and non-ferrous metals. Improving the wear resistance of the electrode, the plasma forming nozzle and the plasmatron is achieved due to the fact that in the plasmatron containing the electrode, a central blind hole is made on the outer surface of the working end. The nozzle mounted with a gap around the electrode has a flat inner surface facing the working end of the electrode, on which an outlet is made, coaxial with the blind hole of the electrode. The working end face of the electrode is made in the form of a hemisphere, the diameter of the blind hole of the electrode is 0.75 - 1 of the diameter of the nozzle outlet, the depth of the blind hole of the electrode is 1 - 1.3 of its diameter. The gap between the working end of the electrode and the flat inner surface of the nozzle is 0.2 - 0.3 of the nozzle outlet.

Description

Полезная модель относится к области плазменной техники, к устройствам для плазменной обработки металлов, в частности, к устройствам для плазменной сварки и резки черных и цветных металлов. Может быть использована в технологических процессах в машиностроении, металлургической промышленности.The invention relates to the field of plasma technology, to devices for plasma processing of metals, in particular, to devices for plasma welding and cutting of ferrous and non-ferrous metals. It can be used in technological processes in mechanical engineering, metallurgical industry.

Надежность плазматрона определяется износостойкостью теплонагруженных элементов, таких как электрод и плазмообразующего сопла. Износостойкость обеспечивается эффективностью системы их охлаждения и конструктивным исполнением. В плазматронах, работающих длительное время при повышенных токовых нагрузках, применяют электроды с распределенной рабочей зоной. The reliability of the plasmatron is determined by the wear resistance of heat-loaded elements, such as an electrode and a plasma-forming nozzle. Wear resistance is ensured by the efficiency of their cooling system and design. In plasmatrons operating for a long time at high current loads, electrodes with a distributed working area are used.

Известен плазматрон по патенту РФ на изобретение №2058865, В23К 10/00, 1996. Плазматрон содержит полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, установленный внутри корпуса электродный узел с системой его охлаждения, систему подвода защитного и плазмообразующего газов. Между электродом и плазмообразующим соплом установлен изолятор. На наружной поверхности плазмообразующего сопла выполнен кольцевой канал, соединенный с системой каналов корпуса, подводящих и отводящих охлаждающую жидкость. Износостойкость теплонагруженных элементов обеспечивается конструктивным исполнением, при котором система охлаждения плазмообразующего сопла не зависит от системы охлаждения электрода. Недостатком является сложность конструкции устройства, его увеличенная масса и большие габариты. Кроме того, недостатком является невысокая стабильность зажигания и горения дуги.Known plasmatron according to the patent of the Russian Federation for invention №2058865, ВК 10/00, 1996. The plasmatron contains a hollow body with fittings for supplying and discharging coolant, a protective and plasma forming nozzle, an electrode assembly with a cooling system installed inside the housing, a protective and plasma forming supply system gases. An insulator is installed between the electrode and the plasma forming nozzle. An annular channel is made on the outer surface of the plasma-forming nozzle, connected to a system of channels of the housing supplying and discharging coolant. The wear resistance of the heat-loaded elements is ensured by the design, in which the cooling system of the plasma-forming nozzle is independent of the cooling system of the electrode. The disadvantage is the complexity of the design of the device, its increased mass and large dimensions. In addition, the disadvantage is the low stability of ignition and arc burning.

Известен плазмогенератор по патенту на изобретение US 3673375, В23К 9/00, 1972. Плазмогенератор содержит полый цилиндрический электрод, соосно расположенное с ним и установленное на расстоянии газонаправляющее сопло, и камеру со средствами ввода дугового газа для создания вихревого потока в газонаправляющем сопле. Расстояние между электродом и соплом составляет от одной четвертой до одной трети длины сопла. Отношение осевой длины сопла к диаметру сопла более 0,2. В устройстве обеспечивается интенсивное перемещение опорных пятен дуги по внутренней цилиндрической поверхности и вихревая подача плазмообразующего газа. К недостаткам относится сложность конструкции, большие габариты, необходимость вихревой подачи плазмообразующего газа внутрь цилиндрической полости электрода и необходимость применения источников питания с повышенным напряжением холостого хода более 400В, недостаточная износостойкость электрода.A known plasma generator according to the invention patent US 3673375, ВК 9/00, 1972. The plasma generator contains a hollow cylindrical electrode coaxially located with it and mounted at a distance gas guide nozzle, and a chamber with means for introducing an arc gas to create a vortex flow in the gas guide nozzle. The distance between the electrode and the nozzle is from one fourth to one third of the length of the nozzle. The ratio of the axial length of the nozzle to the diameter of the nozzle is more than 0.2. The device provides intensive movement of the supporting spots of the arc along the inner cylindrical surface and the swirling supply of plasma-forming gas. The disadvantages include the complexity of the design, large dimensions, the need for swirling plasma-forming gas inside the cylindrical cavity of the electrode and the need to use power supplies with an increased open-circuit voltage of more than 400V, insufficient wear resistance of the electrode.

В качестве ближайшего аналога заявляемому техническому решению выбрано изобретение по а.с. №837683, В23К 31/10, 1981 «Плазматрон для резки металлов». Плазматрон сдержит корпус и соосно установленные медный охлаждаемый катод с плоским рабочим торцом и формирующее сопло. По оси катода выполнено глухое отверстие. Формирующее сопло выполнено с плоской поверхностью со стороны, обращенной к рабочему торцу катода. Зазор между рабочим торцом катода и плоской поверхностью сопла, обращенной к нему, равен 0,09 - 0,11 диаметра катода. В плазматроне используется вихревая подача плазмообразующего газа. Недостатками устройства являются трудность обеспечения параллельности плоскости рабочего торца электрода с поверхностью сопла, обращенной к нему, и наличие острой кромки по границе пересечения боковой цилиндрической поверхности электрода с плоским рабочим торцом. Это обуславливает невысокую износостойкость. Кроме того, приводит к снижению стабильности возбуждения дуги, и к возможному аварийному режиму работы плазматрона из-за вероятности возникновения «двойной дуги».As the closest analogue to the claimed technical solution, the invention was selected according to A.S. No. 837683, V23K 31/10, 1981 "Plasmatron for cutting metals." The plasmatron will restrain the casing and coaxially mounted copper cooled cathode with a flat working end and the forming nozzle. A blind hole is made along the cathode axis. The forming nozzle is made with a flat surface from the side facing the working end of the cathode. The gap between the working end of the cathode and the flat surface of the nozzle facing it is 0.09 - 0.11 of the diameter of the cathode. The plasmatron uses a swirling plasma-forming gas supply. The disadvantages of the device are the difficulty of ensuring parallelism of the plane of the working end of the electrode with the surface of the nozzle facing it, and the presence of a sharp edge at the intersection of the lateral cylindrical surface of the electrode with a flat working end. This leads to low wear resistance. In addition, it leads to a decrease in the stability of the excitation of the arc, and to a possible emergency mode of operation of the plasmatron due to the likelihood of a "double arc".

Техническим результатом заявляемой полезной модели является повышение износостойкости электрода, плазмообразующего сопла и плазматрона в целом.The technical result of the claimed utility model is to increase the durability e Electrode, plasma-nozzle and the plasma torch as a whole.

Технический результат достигается за счет того, что в плазматроне, содержащем электрод, у которого на наружной поверхности рабочего торца выполнено центральное глухое отверстие, и сопло, установленное с зазором вокруг электрода, имеющее плоскую внутреннюю поверхность, обращенную к рабочему торцу электрода, на которой выполнено выходное отверстие, соосное с глухим отверстием электрода, согласно полезной модели, рабочий торец электрода выполнен в виде полусферы, диаметр глухого отверстия электрода составляет 0,75 - 1 диаметра выходного отверстия сопла, глубина глухого отверстия электрода составляет 1 - 1,3 его диаметра, зазор между рабочим торцом электрода и плоской внутренней поверхностью сопла составляет 0,2 - 0,3 выходного отверстия сопла.The technical result is achieved due to the fact that in the plasmatron containing the electrode, in which a central blind hole is made on the outer surface of the working end, and the nozzle is installed with a gap around the electrode, having a flat inner surface facing the working end of the electrode, on which the output the hole coaxial with the blind hole of the electrode, according to the utility model, the working end face of the electrode is made in the form of a hemisphere, the diameter of the blind hole of the electrode is 0.75 - 1 of the diameter of the output hole The nozzle hole, the depth of the blind hole of the electrode is 1–1.3 of its diameter, the gap between the working end of the electrode and the flat inner surface of the nozzle is 0.2–0.3 of the nozzle outlet.

Технический результат обеспечивается за счет выполнения рабочего торца в виде полусферы. Отсутствие острой кромки и угла у рабочего торца электрода приводит к улучшению обтекаемости этого торца, снижению силы трения при вихревом движении плазмообразующего газа в сторону выходного отверстия сопла, и в конечном счете, к повышению износостойкости электрода. Выполнение диаметра глухого отверстия электрода размером, составляющим 0,75 - 1 диаметра выходного отверстия сопла, позволяет с высокой точностью направить выделяющееся тепло от активных пятен дуги в выходное отверстие сопла. Соосное расположение этих двух отверстий и заданное соотношение диаметров снижают тепловую нагрузку на плазмообразующее сопло, повышая его износостойкость. Глубина глухого отверстия электрода составляет 1 - 1,3 его диаметра, а зазор между рабочим торцом электрода и плоской внутренней поверхностью сопла составляет 0,2 - 0,3 выходного отверстия сопла. Это обеспечивает стабильность зажигания дуги за счет того, что минимальное расстояние между рабочим торцом электрода и плоской поверхностью плазмообразующего сопла со стороны, обращенной к рабочему торцу электрода, находится над каналом сопла. Стабильность горения дуги при минимальном напряжении обеспечивается оптимальным соотношением размеров глухого отверстия, выполненного по оси рабочего торца электрода, выходного отверстия плазмообразующего сопла и зазора между рабочим торцом электрода и внутренней плоской поверхностью сопла. При этом упрощается взаимная ориентация электрода и плазмообразующего сопла. Стабильность возбуждения и горения дуги повышает ресурс работы плазматрона. При соблюдении указанных размерных условий уменьшается расход газа, проходящий через зазор, и соответственно, уменьшается износ сопла. Таким образом, повышается как износостойкость электрода и плазмообразующего сопла, так и плазматрона в целом.The technical result is achieved by performing the working end in the form of a hemisphere. The absence of a sharp edge and angle at the working end of the electrode leads to an improvement in the streamlining of this end, a decrease in the friction force during the swirling movement of the plasma-forming gas toward the nozzle outlet, and, ultimately, to an increase in the wear resistance of the electrode. The execution of the diameter of the blind hole of the electrode with a size of 0.75 - 1 of the diameter of the nozzle exit hole makes it possible to direct the heat generated from the active spots of the arc to the nozzle exit hole with high accuracy. The coaxial arrangement of these two holes and the given ratio of diameters reduce the heat load on the plasma-forming nozzle, increasing its wear resistance. The depth of the blind hole of the electrode is 1 - 1.3 of its diameter, and the gap between the working end of the electrode and the flat inner surface of the nozzle is 0.2 - 0.3 of the nozzle outlet. This ensures the stability of ignition of the arc due to the fact that the minimum distance between the working end of the electrode and the flat surface of the plasma-forming nozzle from the side facing the working end of the electrode is above the channel of the nozzle. The stability of arc burning at minimum voltage is ensured by the optimal ratio of the dimensions of the blind hole made along the axis of the working end of the electrode, the outlet of the plasma forming nozzle and the gap between the working end of the electrode and the inner flat surface of the nozzle. This simplifies the mutual orientation of the electrode and the plasma forming nozzle. The stability of the excitation and burning of the arc increases the life of the plasmatron. Subject to the specified dimensional conditions, the gas flow passing through the gap is reduced, and accordingly, nozzle wear is reduced. Thus, the wear resistance of the electrode and the plasma forming nozzle, as well as the plasmatron as a whole, is increased.

На фигуре 1 представлен рабочий торец электрода плазматрона и фрагмент плазмообразующего сопла.The figure 1 presents the working end face of the plasmatron electrode and a fragment of the plasma forming nozzle.

На фигуре 2 представлена таблица соотношения размеров и износостойкости плазматрона при токе прямой полярности.The figure 2 presents a table of the ratio of size and durability of the plasmatron with a current of direct polarity.

На фигуре 3 представлена таблица соотношения размеров и износостойкости плазматрона при токе обратной полярности.The figure 3 presents a table of the ratio of size and durability of the plasmatron at a current of reverse polarity.

Электрод 1 плазматрона расположен внутри плазмообразующего сопла 2. Рабочий торец электрода 1 выполнен сферическим, с радиусом, равным половине диаметра электрода 1. На наружной поверхности рабочего торца электрода выполнено глухое отверстие 3. Выходное отверстие 4 внутри имеет диаметр dс, определяемый рабочим током. На чертеже не показаны корпус плазматрона, система водяного охлаждения плазматрона и подачи плазмообразующего газа.The plasmatron electrode 1 is located inside the plasma-forming nozzle 2. The working end of the electrode 1 is made spherical, with a radius equal to half the diameter of the electrode 1. A blind hole 3 is made on the outer surface of the working end of the electrode 3. The outlet 4 inside has a diameter dc determined by the operating current. The drawing does not show the plasmatron body, the water cooling system of the plasmatron and the plasma-forming gas supply.

Глухое отверстие 3 в рабочем торце электрода 1 имеет размеры:The blind hole 3 in the working end of the electrode 1 has the dimensions:

диаметр d = 0,75 - 1,0dс, где dс диаметр канала плазмообразующего сопла;diameter d = 0.75 - 1.0 dc, where dc is the diameter of the plasma-forming nozzle channel;

глубина h1 = 1,0 - 1,3d, depth h1 = 1.0 - 1.3d,

а зазор h2 между рабочим торцом электрода и внутренней плоской поверхностью сопла равен h2 = 0,2 - 0,3 dс.and the gap h2 between the working end of the electrode and the inner flat surface of the nozzle is equal to h2 = 0.2 - 0.3 dс.

Данные размеры для обеспечения оптимального времени износа электрода и плазмообразующего сопла определены на основе теоретического анализа электрических и газодинамических процессов в вихревых камерах и экспериментально. При проведении экспериментов d меняли в пределах 1,0 - 6 мм, dс-2,5 - 7 мм, h1 - 0 - 8 мм, h2 - 1,0 - 5 мм. По результатам экспериментов, приведенных в таблицах 1, 2, видно, что наибольшие значения износостойкости для тока прямой полярности составляют 22 - 24 часа, для тока обратной полярности - 66 - 69 часов при условии соблюдения всех трех зависимостей d = 0,75 - 1,0dс, h1 = 1,0 - 1,3d, h2 = 0,2 - 0,3 dс.These dimensions to ensure optimal wear time of the electrode and the plasma forming nozzle are determined on the basis of theoretical analysis of electrical and gas-dynamic processes in vortex chambers and experimentally. During the experiments, d was varied within 1.0 - 6 mm, dc-2.5 - 7 mm, h1 - 0 - 8 mm, h2 - 1.0 - 5 mm. According to the results of the experiments shown in tables 1, 2, it can be seen that the highest values of wear resistance for a current of direct polarity are 22 - 24 hours, for a current of reverse polarity - 66 - 69 hours, subject to all three dependencies d = 0.75 - 1, 0dc, h1 = 1.0 - 1.3d, h2 = 0.2 - 0.3 ds.

Плазматрон работает следующим образом.The plasmatron works as follows.

Включают вихревую подачу плазмообразующего газа внутрь плазмообразующего сопла 2. Включают источник питания тока дуги. Кратковременным включением высокочастотного высоковольтного разряда обеспечивают искровой пробой в зоне минимального зазора между рабочим торцом электрода 1 и внутренней плоской поверхностью плазмообразующего сопла 2, который зажигает дежурную дугу. Дежурную дугу выдувают плазмообразующим газом из выходного отверстия 4 плазмообразующего сопла 2 и замыкают на изделие, при этом возникает основная рабочая дуга. Активные катодные или анодные пятна дуги совершают вращательное перемещение по внутренней цилиндрической поверхности глухого отверстия 3 в торце электрода. При указанных соотношениях геометрических размеров рабочей части плазматрона обеспечивается стабильность возбуждения и горения плазменной дуги, тепловая нагрузка на плазмообразующее сопло и требуемое напряжение холостого хода источника питания дуги, снижается износ электрода.Turn on the swirling supply of plasma-forming gas inside the plasma-forming nozzle 2. Turn on the arc current power source. By short-time inclusion of a high-frequency high-voltage discharge, a spark breakdown is provided in the zone of the minimum gap between the working end of the electrode 1 and the inner flat surface of the plasma-forming nozzle 2, which ignites the duty arc. The pilot arc is blown with a plasma-forming gas from the outlet 4 of the plasma-forming nozzle 2 and closed to the product, with the main working arc. Active cathode or anode spots of the arc rotate along the inner cylindrical surface of the blind hole 3 at the end of the electrode. With the indicated ratios of the geometric dimensions of the working part of the plasmatron, the excitation and combustion of the plasma arc are stable, the thermal load on the plasma forming nozzle and the required open circuit voltage of the arc power source are reduced, electrode wear is reduced.

Пример использования плазматронаAn example of using a plasmatron

Проведены испытания плазматрона с медным электродом 1 диаметром 14 мм, диаметр плазмообразующего сопла 2 dс= 4 мм. Размеры глухого отверстия в рабочем торце электрода 1 следующие: диаметр d = 4 мм, глубина h1 = 4,5 мм. Зазор h2 между рабочим торцом электрода 1 и внутренней плоской поверхностью сопла 2 равен 1,2 мм. В качестве плазмообразующего газа использован аргон. Напряжение холостого хода источника питания - 75В, расход плазмообразующего газа - 3,0 л/мин. При токе дуги 250 А ресурс работы электрода-катода при работе на токе прямой полярности составил 50 часов, ресурс работы электрода-анода при работе на токе обратной полярности составил 150 часов. Данный пример демонстрирует один из вариантов использования, некоторое отличие от результатов экспериментов объясняется разницей в технологических параметрах, таких как ток, напряжение, расход газов.The plasmatron with a copper electrode 1 with a diameter of 14 mm was tested, the diameter of the plasma forming nozzle was 2 dс = 4 mm. The dimensions of the blind hole in the working end of the electrode 1 are as follows: diameter d = 4 mm, depth h1 = 4.5 mm. The gap h2 between the working end of the electrode 1 and the inner flat surface of the nozzle 2 is 1.2 mm Argon was used as a plasma-forming gas. The open circuit voltage of the power source is 75V, the plasma gas flow rate is 3.0 l / min. At an arc current of 250 A, the service life of the cathode electrode when operating on a current of direct polarity was 50 hours, the service life of the electrode-anode when working on a current of reverse polarity was 150 hours. This example demonstrates one use case; some difference from the experimental results is explained by the difference in technological parameters, such as current, voltage, gas flow.

Таким образом, полезная модель позволяет повысить износостойкость электрода, плазмообразующего сопла и плазматрона в целом.Thus, the utility model allows to increase the wear resistance of the electrode, plasma-forming nozzle and plasmatron as a whole.

Claims

A plasma torch containing an electrode, on the outer surface of the working end of which a central blind hole is made, and a nozzle mounted with a gap around the electrode, having a flat inner surface facing the working end of the electrode, on which an outlet is made, coaxial with the blind hole of the electrode, characterized in that the working end face of the electrode is made in the form of a hemisphere, while the blind hole of the electrode has a diameter equal to 0.75–1 of the diameter of the nozzle outlet, and a depth of 1–1.3 of its diameter , The clearance between the end face of the electrode and the flat inner surface of the nozzle is 0.2-0.3 nozzle outlet diameter.