RU2058865C1

RU2058865C1 - Plasmatron

Info

Publication number: RU2058865C1
Application number: RU94002926/08A
Authority: RU
Inventors: Ю.Д. Щицын; Ю.М. Тыткин
Original assignee: Пермский государственный технический университет
Priority date: 1994-02-01
Filing date: 1994-02-01
Publication date: 1996-04-27
Also published as: RU94002926A

Abstract

FIELD: plasma cutting and welding of ferrous and non-ferrous metals. SUBSTANCE: plasmatron is being connected with a power source of a plasma arc. A shield gas and a plasma-generating gas, such as argon, are being fed to respective jets. A cooling liquid, for example water, is being separately fed to a cooling system of the electrode unit 5 and to a cooling system of the plasma-generating jet 3 through the union 6 and the ducts 8,10 into the annular duct 12 near a working zone of the jet 3 and further through the ducts 11,9 and the union 7 for draining. Slit-type flow-through openings, formed along the whole height of the duct 12 at crossing of its cylindrical surfaces, provide intensive cooling of the jet 3. EFFECT: enhanced reliability of operation of the plasmatron due to the enhanced cooling system of the plasma-generating jet 3 and high-degree of cooling of other heat-loaded members of the plasmatron, and therefore simplified structure and lowered cross dimension of the plasmatron. 1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной обработке металлов, в частности к устройствам для плазменной сварки и резки черных и цветных металлов. The invention relates to plasma processing of metals, in particular to devices for plasma welding and cutting of ferrous and non-ferrous metals.

Массовое использование плазменной сварки и резки сдерживается недостаточной надежностью плазмотронов, отсутствием устройств, сочетающих простоту конструкции, изготовления и обслуживания, малые габариты и массу с высокой мощностью. Мощность и надежность плазмотронов определяется эффективностью охлаждения теплонагруженных элементов, а особенности выполнения системы охлаждения во многом определяют устройство, массу и габариты плазмотронов. The massive use of plasma welding and cutting is constrained by the lack of reliability of plasmatrons, the lack of devices that combine simplicity of design, manufacture and maintenance, small dimensions and mass with high power. The power and reliability of the plasmatrons is determined by the cooling efficiency of the heat-loaded elements, and the features of the cooling system largely determine the device, mass and dimensions of the plasmatrons.

Известен плазмотрон, содержащий электродный узел, плазмообразующее сопло, изолятор, систему подвода газов и систему автономного охлаждения электронного узла и плазмообразующего сопла, причем системы охлаждения выполнены в виде полых камер с разделительными перегородками. Такое выполнение систем охлаждения электродного узла и плазмообразующего сопла обеспечивает высокую эффективность охлаждения теплонагруженных зон (патент США N 4275287, 1989). A known plasma torch containing an electrode assembly, a plasma forming nozzle, an insulator, a gas supply system and an autonomous cooling system for the electronic assembly and a plasma forming nozzle, the cooling systems being made in the form of hollow chambers with dividing walls. This embodiment of the cooling systems of the electrode assembly and the plasma-forming nozzle provides high cooling efficiency of heat-loaded zones (US patent N 4275287, 1989).

Однако такое выполнение систем охлаждения ведет к усложнению конструкции, большому количеству комплектующих узлов и, как следствие, к значительному увеличению поперечных размеров и материалоемкости. Это делает невозможным применение таких плазмотронов для сварки в труднодоступных местах, затрудняет эксплуатацию, обслуживание и переналадку режимов. However, this implementation of cooling systems leads to a complication of the design, a large number of components and, as a result, to a significant increase in the transverse dimensions and material consumption. This makes it impossible to use such plasmatrons for welding in inaccessible places, complicates the operation, maintenance and readjustment of the modes.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является плазмотрон (патент США N 4389559, 1983), содержащий электродный узел, изолятор, корпус, плазмообразующее и защитное сопла, систему для подвода защитного и плазмообразующего газов и последовательно соединенные системы охлаждения электродного узла и плазмообразующего сопла, причем система охлаждения плазмообразующего сопла состоит из кольцевого охлаждающего канала, соединенного в верхней части с подводящим и отводящим каналами, выполненными (расположенными) диаметрально противоположно в корпусе. Такое устройство плазмотрона позволило уменьшить габариты, обеспечить замену плазмообразующего сопла, что расширяет технологические возможности и повышает срок службы плазмотрона. The closest in technical essence to the proposed one is a plasmatron (US patent N 4389559, 1983) containing an electrode assembly, an insulator, a housing, a plasma-forming and protective nozzle, a system for supplying protective and plasma-forming gases and series-connected cooling systems of the electrode assembly and the plasma-forming nozzle, and the cooling system of the plasma-forming nozzle consists of an annular cooling channel connected in the upper part to the inlet and outlet channels made (located) diametrically prot vopolozhno in the body. Such a device of the plasma torch made it possible to reduce the size, to replace the plasma forming nozzle, which extends the technological capabilities and increases the service life of the plasma torch.

К недостаткам такого плазмотрона можно отнести сложность устройства, значительное количество комплектующих деталей сложной формы, недостаточную эффективность охлаждения теплонагруженных элементов за счет последовательного соединения систем охлаждения электродного узла и плазмообразующего сопла. Кроме того, подвод и отвод охлаждающей жидкости осуществляются в верхней части охлаждающего кольцевого канала на наружной поверхности сопла, вследствие чего большая часть охлаждающей жидкости циркулирует в верхней части кольцевого канала по кратчайшему пути, а в нижней части вблизи наиболее теплонагруженной зоны образуется застойная зона. Это снижает эффективность охлаждения теплонагруженных элементов, а следовательно, мощность и надежность работы плазмотрона. Попытки направить охлаждающую жидкость в нижнюю зону в аналогичных устройствах за счет направляющих пазов, ребер и т.п. как это выполнено в известном плазмотроне (патент США N 4275287, 1984), неизбежно приводят к усложнению конструкции и увеличению радиальных размеров плазмотрона. The disadvantages of such a plasma torch include the complexity of the device, a significant number of component parts of complex shape, insufficient cooling efficiency of heat-loaded elements due to the serial connection of the cooling systems of the electrode assembly and the plasma forming nozzle. In addition, the supply and removal of coolant is carried out in the upper part of the cooling annular channel on the outer surface of the nozzle, as a result of which the majority of the coolant circulates in the upper part of the annular channel along the shortest path, and a stagnant zone forms in the lower part near the most heat-loaded zone. This reduces the cooling efficiency of heat-loaded elements, and therefore, the power and reliability of the plasma torch. Attempts to direct the coolant to the lower zone in similar devices due to guide grooves, ribs, etc. as is done in the known plasmatron (US patent N 4275287, 1984), inevitably lead to a complication of the design and an increase in the radial dimensions of the plasmatron.

Задача изобретения повышение мощности и надежности плазмотрона, упрощение его конструкции и уменьшение габаритов. The objective of the invention is to increase the power and reliability of the plasma torch, simplifying its design and reducing the size.

Технический результат изобретения заключается в интенсификации процесса охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона. The technical result of the invention is to intensify the cooling process of heat-loaded elements of the plasma torch.

Это достигается тем, что в плазмотроне, содержащем полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, соединенные с корпусом защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней его поверхности, установленный внутри корпуса электродный узел с системой его охлаждения и изолятор между электродом и плазмообразующим соплом, систему подвода защитного и плазмообразующего газов, кольцевой канал на наружной поверхности плазмообразующего сопла, расположенные в корпусе и соединенные с кольцевым каналом диаметрально противоположные каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости выполнены вдоль всей высоты кольцевого канала и, пересекаясь своими цилиндрическими поверхностями с внешней поверхностью кольцевого канала, образуют щелевые проходные отверстия. При этом площадь проходного сечения щелевого отверстия должна быть равна площади поперечного сечения подводящего (отводящего) канала, а расстояние между центрами подводящего (отводящего) канала и кольцевого канала должно быть больше внешнего радиуса кольцевого канала. This is achieved by the fact that in a plasmatron containing a hollow body with fittings for supplying and discharging coolant, a protective and plasma forming nozzles connected to the body are mounted respectively on its outer and inner surfaces, an electrode assembly installed inside the body with its cooling system and an insulator between the electrode and a plasma forming nozzle, a system for supplying protective and plasma forming gases, an annular channel on the outer surface of the plasma forming nozzle located in the housing and connected to the ring evym channel diametrically opposite inlet and outlet channels of the coolant inlet and outlet channels of the coolant are formed along the entire height of the annular channel and intersecting their cylindrical surfaces with the outer surface of the annular channel to form a gap passage holes. In this case, the area of the passage section of the slit hole should be equal to the cross-sectional area of the supply (outlet) channel, and the distance between the centers of the supply (outlet) channel and the annular channel should be greater than the outer radius of the annular channel.

В результате такого выполнения системы охлаждения плазмообразующего сопла она становится самостоятельной, независящей от системы охлаждения электрода, это способствует интенсификации процесса охлаждения плазмообразующего сопла. В результате сопряжения цилиндрических поверхностей подводящего и отводящего каналов с внешней цилиндрической поверхностью кольцевого охлаждающего канала по всей его высоте образуются щелевые отверстия, через которые обеспечивается интенсивное проточное движение охлаждающей жидкости по всей высоте кольцевого канала. Выполнение подобного сопряжения подводящего и отводящего каналов исключает возникновение застойной зоны в нижней части кольцевого канала, что способствует интенсификации процесса охлаждения плазмообразующего сопла. Предлагаемая система охлаждения плазмообразующего сопла позволяет упростить конструкцию плазмотрона (за счет исключения промежуточных деталей), снизить радиальные габариты, упростить обслуживание и ремонт при высокой эффективности охлаждения сопла. As a result of such a design of the plasma forming nozzle cooling system, it becomes independent, independent of the electrode cooling system, this contributes to the intensification of the cooling process of the plasma forming nozzle. As a result of the coupling of the cylindrical surfaces of the inlet and outlet channels with the outer cylindrical surface of the annular cooling channel along its entire height, slotted holes are formed through which the flow of coolant is intensively flowing over the entire height of the annular channel. The implementation of such a pairing of the inlet and outlet channels eliminates the occurrence of a stagnant zone in the lower part of the annular channel, which contributes to the intensification of the cooling process of the plasma-forming nozzle. The proposed plasma-forming nozzle cooling system allows to simplify the plasma torch design (by eliminating intermediate parts), reduce radial dimensions, simplify maintenance and repair with high nozzle cooling efficiency.

Площадь проходных сечений щелевых пропускных отверстий должна быть равна площади поперечных сечений подводящего (отводящего) канала, а межцентровое расстояние подводящего (отводящего) канала и кольцевого канала должно быть больше внешнего радиуса кольцевого канала. При несоблюдении этих условий не обеспечивается циркуляция жидкости по всей высоте кольцевого канала. The cross-sectional area of the slotted through-holes should be equal to the cross-sectional area of the inlet (outlet) channel, and the center-to-center distance of the inlet (outlet) channel and the annular channel should be greater than the outer radius of the annular channel. If these conditions are not observed, fluid circulation is not ensured over the entire height of the annular channel.

На фиг. 1 изображен предлагаемый плазмотрон, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. In FIG. 1 shows the proposed plasmatron, a longitudinal section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Плазмотрон состоит из корпуса 1 и соединенных с ним на резьбе с уплотнениями защитного сопла 2, плазмообразующего сопла 3 и изолятора 4, выполненного, например, из фторопласта. В изоляторе 4 установлен на резьбе электродный узел 5, снабженный медно-вольфрамовым наконечником, устанавливаемым при помощи резьбового соединения. Корпус 1 имеет штуцера 6 и 7 и радиальные каналы 8 и 9 для подвода и отвода охлаждающей жидкости системы охлаждения, включающей диаметрально противоположные и параллельно расположенные каналы 10 и 11, засверленные с торца корпуса 1, а затем заглушенные, и кольцевой канал 12, охватывающий плазмообразующее сопло 3 в наиболее теплонагруженной части. Пересечение цилиндрических поверхностей каналов 10 и 11 с внешней цилиндрической поверхностью кольцевого канала 12 образует щелевые проходные отверстия с площадью проходного сечения, равной площади поперечного сечения каналов 10 и 11 соответственно. При этом должно соблюдаться условие: расстояние между центрами подводящего 10 (отводящего 11) и кольцевого 12 каналов должно быть больше наружного радиуса кольцевого канала 12. В корпусе также выполнены системы подачи защитного и плазмообразующего газов (не показаны). The plasma torch consists of a housing 1 and connected to it on a thread with seals of the protective nozzle 2, a plasma forming nozzle 3 and an insulator 4 made, for example, of fluoroplastic. In the insulator 4, an electrode assembly 5 is mounted on the thread, provided with a copper-tungsten tip, installed using a threaded connection. The housing 1 has a fitting 6 and 7 and radial channels 8 and 9 for supplying and discharging the cooling fluid of the cooling system, including diametrically opposed and parallel channels 10 and 11 drilled from the end of the housing 1, and then plugged, and an annular channel 12 covering the plasma nozzle 3 in the most heat-loaded part. The intersection of the cylindrical surfaces of the channels 10 and 11 with the outer cylindrical surface of the annular channel 12 forms slotted bore holes with a bore area equal to the cross-sectional area of the channels 10 and 11, respectively. In this case, the condition must be met: the distance between the centers of the inlet 10 (outlet 11) and the annular 12 channels should be greater than the outer radius of the annular channel 12. The protective gas and plasma-forming gas supply systems (not shown) are also made in the housing.

Плазмотрон работает следующим образом. The plasma torch works as follows.

Плазмотрон подключается к источнику питания плазменной дуги. Подается защитный и плазмообразующий газы (например, аргон) в соответствующие сопла (не показаны). Охлаждающая жидкость (например, вода) подается раздельно в систему охлаждения электродного узла 5 и в систему охлаждения плазмообразующего сопла 3 через штуцер 6 и каналы 8 и 10 в кольцевой канал 12 вблизи рабочей зоны сопла 3 и далее через каналы 11, 9 и штуцер 7 на слив. Щелевые проходные отверстия с площадью проходного сечения, равной площади поперечного сечения каналов 10 и 11 соответственно, образованные при пересечении цилиндрических поверхностей каналов 10 и 11 с внешней цилиндрической кольцевой поверхностью кольцевого канала 12 по всей его высоте, обеспечивают интенсивное охлаждение сопла 3. The plasma torch is connected to a plasma arc power source. Protective and plasma-forming gases (e.g. argon) are supplied to respective nozzles (not shown). Coolant (for example, water) is supplied separately to the cooling system of the electrode assembly 5 and to the cooling system of the plasma forming nozzle 3 through the nozzle 6 and channels 8 and 10 into the annular channel 12 near the working area of the nozzle 3 and then through the channels 11, 9 and the nozzle 7 on drain. Slot-hole openings with a cross-sectional area equal to the cross-sectional area of the channels 10 and 11, respectively, formed when the cylindrical surfaces of the channels 10 and 11 intersect with the outer cylindrical annular surface of the annular channel 12 over its entire height, provide intensive cooling of the nozzle 3.

Изобретение позволяет повысить надежность работы плазмотрона за счет более высокой степени охлаждения теплонагруженных элементов и, как следствие, снизить поперечные габариты плазмотрона и упростить его конструкцию. The invention improves the reliability of the plasma torch due to the higher degree of cooling of heat-loaded elements and, as a result, reduce the transverse dimensions of the plasma torch and simplify its design.

Claims

PLAZMOTRON, comprising a hollow body with fittings for supplying and discharging coolant, a protective and plasma forming nozzle mounted respectively on the outer and inner surfaces of the housing, an electrode assembly installed in the housing with its cooling system and an insulator between the electrode and the plasma forming nozzle, a protective and plasma forming supply system gases, an annular channel on the outer surface of the plasma-forming nozzle, diametrically opposed channels located in the housing and connected to the annular channel inlet and outlet, characterized in that the channels for supplying and discharging coolant and the annular channel are connected through passage holes formed by the intersection of the side surfaces of the said channels, equal in height to the height of the annular channel and having an area equal to the cross-sectional area of the channel for supplying or removing cooling liquid, and the distance between the axes of the annular channel and channels for supplying and discharging coolant is greater than the outer radius of the annular channel.