RU2066263C1

RU2066263C1 - Plasma burner

Info

Publication number: RU2066263C1
Application number: RU92011200A
Authority: RU
Inventors: Н.Н. Дроздов; М.Н. Ермолова; С.В. Елизаров; В.Н. Игнатов; А.Н. Матанцев; В.А. Морозов; А.В. Перехватов; А.М. Щегольсков; А.Т. Эрзин
Original assignee: Научно-производственная и внедренческая фирма "Масс-спектрометрические приборы для экологии"
Priority date: 1992-12-10
Filing date: 1992-12-10
Publication date: 1996-09-10

Abstract

FIELD: microplasma welding and cutting of metals. SUBSTANCE: plasma burner includes body with cavity, connected with system for feeding water and with central duct, inside which electrode with changeable tip is mounted. Tip of electrode has refractory insert, flush mounted relative to outer surface of changeable tip. Swirler and nozzle are also arranged inside the above mentioned duct. Burner is provided with dielectric tube, placed on electrode. Copper porous filter with cone end at side of working end pf burner is arranged on the above mentioned tube. Copper porous filter is placed in such a way, that it engages with body of burner along its maximum diameter. Outer surface of cone end of filter is inclined by 5-15 degrees relative to inner surface of nozzle. Cavity of body is filled by water impregnated outer layer of cotton and by inner layer of heat resistant tissue adjacent with porous filter. Swirler is in the form of spiral grooves provided on cone end of filter. Using of water vapor for plasma generating allows to cut not only metals but also glass and ceramics. EFFECT: improved design of burner providing increased operating time period. 3 cl, 1 dwg

Description

Изобретение относится к области электрометаллургии, в частности, к микроплазменной сварке и резке металлов. Благодаря высокой теплопроводности пара по сравнению с другими газами, плазма пара обладает высокой температурой, позволяющей производить резку и плавку стекла, керамики и др. материалов. The invention relates to the field of electrometallurgy, in particular, to microplasma welding and cutting of metals. Due to the high thermal conductivity of the vapor compared to other gases, the vapor plasma has a high temperature, allowing the cutting and melting of glass, ceramics and other materials.

Устройства микроплазменной сварки содержат в качестве газового носителя для образования плазмы, в основном, инертные газы; но в последнее время все чаще стали встречаться устройства с водяным паром, благодаря их простоте, отсутствию дорогих инертных газов и большой теплопроводности пара. Microplasma welding devices contain, as a gas carrier for plasma formation, mainly inert gases; but recently, steam devices have become increasingly common due to their simplicity, the absence of expensive inert gases and the high thermal conductivity of steam.

Созданы плазмотроны с вихревой стабилизацией дуги водяным паром и циркониевым катодом [1] Кроме того, разработан способ и устройство дуговой сварки, при котором начало процесса осуществляется коротким замыканием электрода [2] а окончание снижением скорости подачи электрода. Plasmatrons with vortex stabilization of the arc by water vapor and a zirconium cathode have been created [1]. In addition, a method and device for arc welding have been developed, in which the process is started by short-circuiting the electrode [2] and ending by reducing the electrode feed rate.

Недостатком известных устройств является их громоздкость, большая стоимость или малый ресурс работы. A disadvantage of the known devices is their bulkiness, high cost or low resource.

Наличие газовых энергоносителей резко повышает габариты и стоимость всего устройства, а применение пара уменьшает ресурс. The presence of gas energy carriers dramatically increases the size and cost of the entire device, and the use of steam reduces the resource.

Известна конструкция плазменного пистолета для сварки и резки материалов [3] содержащая внутренний металлический стержень со съемным тугоплавким наконечником, коаксиально расположенную диэлектрическую трубку, корпус горелки с осевым каналом и корпус пистолета, кнопку с пружиной на противоположном конце внутреннего стержня, а также ручку и подводящие провода. A known design of a plasma gun for welding and cutting materials [3] containing an internal metal rod with a removable refractory tip, a coaxially located dielectric tube, a torch body with an axial channel and a gun body, a button with a spring on the opposite end of the inner rod, as well as a handle and lead wires .

Недостатком известной конструкции является значительные габариты и большая цена всего устройства плазмотрона из-за использования системы хранения и подачи газа. A disadvantage of the known design is the significant size and high price of the entire plasma torch device due to the use of a gas storage and supply system.

Наиболее близкой по технической сущности и достигаемому эффекту к описываемому изобретению является плазменная горелка, содержащая корпус с полостью, соединенной с системой подачи воды. Горелка имеет центральный канал, внутри которого установлен электрод со сменным наконечником, имеющим тугоплавкую вставку. Горелка имеет завихритель и сопло. Тугоплавкая вставка установлена заподлицо с наружной поверхностью сменного наконечника. Вода, проходя по завихрителю с кольцевой спиральной структурой, создает защитную пленку на стенках, далее образуется водяной пар. Недостатком такого устройства является громоздкость, большая стоимость и малый ресурс работы. The closest in technical essence and the achieved effect to the described invention is a plasma torch containing a housing with a cavity connected to a water supply system. The burner has a central channel, inside of which an electrode is installed with a replaceable tip having a refractory insert. The burner has a swirl and nozzle. The refractory insert is flush with the outer surface of the interchangeable tip. Water passing through a swirl with a circular spiral structure creates a protective film on the walls, then water vapor is formed. The disadvantage of this device is cumbersome, high cost and low resource.

На чертеже показан общий вид горелки. The drawing shows a General view of the burner.

Пунктиром показана тугоплавкая вставка в виде проволоки по п. 3 патента, когда она перемещается. The dotted line shows the refractory insert in the form of a wire according to claim 3 of the patent, when it moves.

Описание устройства в статике: внутренний металлический стержневой электрод 1 имеет съемный медный наконечник 2, в котором на торце установлена тугоплавкая вставка 3, содержащая циркониевый или гафниевый стержень установленный по оси заподлицо с наконечником. Коаксиально электроду 1 расположена диэлектрическая трубка 4. Между вставкой 3 и трубкой 4 имеется зазор 5. Description of the device in statics: the inner metal rod electrode 1 has a removable copper tip 2, in which a refractory insert 3 is installed at the end, containing a zirconium or hafnium rod mounted axially flush with the tip. Coaxial to the electrode 1 is a dielectric tube 4. Between the insert 3 and the tube 4 there is a gap 5.

Пористый медный фильтр 6 установлен на трубке 4. Корпус горелки выполнен с центральным (осевым) каналом 8 и состоит из двух частей 9 и 10. Полость корпуса заполнена теплостойкой тканью 11, образующей внутренний слой и ватой 12, расположенной снаружи слоя теплостойкой ткани. На корпусе закреплена пробка 13 с прокладкой 14. Герметичность корпуса обеспечивается прокладками 15 и 16. Со стороны нерабочего конца электрода установлены кнопка 17, пружина 18 и гайка 19. Для удобства работы имеется ручка 20. Подача напряжения производится проводами 21. На передней торцевой конусообразной поверхности пористого медного фильтра выполнены спиральные тангенциальные канавки 22. Наружная поверхность конусного конца фильтра 6 расположена под углом 5-15^o к внутренней поверхности сопла. Длина центрального канала корпуса выполнена равной его диаметру, а диаметр вставки выполнен равным 0,3-0,5 диаметра наконечника.A porous copper filter 6 is mounted on the tube 4. The burner body is made with a central (axial) channel 8 and consists of two parts 9 and 10. The body cavity is filled with heat-resistant fabric 11, which forms the inner layer and cotton 12 located outside the heat-resistant fabric layer. A plug 13 with gasket 14 is fixed on the housing. The tightness of the housing is provided by gaskets 15 and 16. On the side of the inactive end of the electrode, a button 17, a spring 18 and a nut 19 are installed. For convenience, there is a handle 20. Voltage is applied by wires 21. On the front end conical surface porous copper filter made spiral tangential grooves 22. The outer surface of the conical end of the filter 6 is located at an angle of 5-15 ^o to the inner surface of the nozzle. The length of the central channel of the housing is made equal to its diameter, and the diameter of the insert is made equal to 0.3-0.5 of the diameter of the tip.

Устройство работает следующим образом: открутив пробку 13, внутрь заливается вода и пропитывается ею вата 12 и теплостойкая ткань 11. В свою очередь, теплостойкая ткань 11 намотана на пористый медный фильтр 6. Пробка 13 закрывается. Включается источник питания и на плазменный пистолет подается напряжение питания отрицательный на внутренний металлический стержневой электрод 1, а положительный на корпус горелки 7. Далее нажимается кнопка 17 и тугоплавкая вставка 3 с циркониевым стержнем диаметром 0,3-0,5 от диаметра медного наконечника доходит до поверхности конуса горелки 7 на малое расстояние, равное 0,15-0,25 высоты рабочего зазора, и в результате возникает разряд внутри, разогревающий пористый фильтр. После разогрева медного фильтра начинается интенсивный процесс парообразования, пар по зазору, образуемому за счет угла расходимости 5-15^o между конусообразной поверхностью пористого медного фильтра 6 и корпуса горелки 7. Поток закручивается так же за счет спиральных тангенциальных канавок 22. Пар ионизируется, и плазма за счет динамического потока с избыточным давлением выходит наружу в виде длинного иглообразного пламени.The device operates as follows: by unscrewing the plug 13, water is poured inside and soaked with cotton 12 and heat-resistant fabric 11. In turn, the heat-resistant fabric 11 is wound on a porous copper filter 6. The plug 13 is closed. The power source is turned on and a negative voltage is applied to the plasma gun to the internal metal rod electrode 1, and positive to the burner body 7. Next, the button 17 is pressed and the refractory insert 3 with a zirconium rod with a diameter of 0.3-0.5 from the diameter of the copper tip reaches the surface of the cone of the burner 7 at a small distance equal to 0.15-0.25 of the height of the working gap, and as a result there is a discharge inside, heating the porous filter. After heating the copper filter, an intensive process of vaporization begins, the steam in the gap formed by the divergence angle of 5-15 ^o between the conical surface of the porous copper filter 6 and the burner body 7. The flow is twisted also by spiral tangential grooves 22. The vapor is ionized, and the plasma due to the dynamic flow with excess pressure comes out in the form of a long needle-shaped flame.

Ресурс работы увеличивается до 3-х раз. Это происходит за счет оптимальности конструкции и выбранных соотношений размеров. The resource of work increases up to 3 times. This is due to the optimality of the design and the selected size ratios.

Все указанные в формуле изобретения численные значения соответствуют оптимальному соотношению, т.е. выбраны наиболее вероятностные значения резонансной кривой. Так, установка тугоплавкой вставки заподлицо с медным наконечником и выбор ее диаметра в 0,3-0,5 часть от диаметра наконечника соответствует оптимальному теплоотводу вставки при работе в плазме пара и минимальному времени его выгорания. Выбор зазора при поджиге в 0,15-0,25 величины рабочего зазора в плазме соответствует оптимальным условиям поджига при минимальном эффекте выгорания вставки. Длина канала корпуса горелки, равна его диаметру и равная 0,2-0,3 величины рабочего зазора соответствует максимальной температуре пламени при минимальном выгорании электродов. Кроме того, из последнего соотношения следует, что если поменять величину рабочего зазора, то необходимо менять и корпус горелки. Именно так и делают: в комплекте плазменного пистолета даны вставки корпуса горелки с разными диаметрами осевого канала, например, 0,5 мм, 0,8 мм, 1 мм, 1,5 мм, 2 мм. В результате достигается различная толщина шва при резке и сварке. Габариты, вес и цена плазменного пистолета минимальны. Так, при объеме заливаемой воды в 100 мл, вес всего плазменного пистолета составляет всего около 300 г. При мощности до 300З-700 Вт устройство режет и сваривает металлы толщиной от 0,05 до 4 мм, а также режет керамику и стекло толщиной до 3 мм. All the numerical values indicated in the claims correspond to the optimal ratio, i.e. the most probabilistic values of the resonance curve are selected. So, installing a refractory insert flush with a copper tip and choosing a diameter of 0.3-0.5 part of the diameter of the tip corresponds to the optimum heat sink of the insert when working in a steam plasma and the minimum time it burns out. The choice of the gap during ignition at 0.15-0.25 of the magnitude of the working gap in the plasma corresponds to the optimal ignition conditions with a minimal insert burnout effect. The length of the channel of the burner body, equal to its diameter and equal to 0.2-0.3 of the working gap, corresponds to the maximum flame temperature with a minimum burnout of the electrodes. In addition, from the last relation it follows that if the size of the working gap is changed, then the burner body must also be changed. This is exactly what they do: the plasma gun set contains inserts of the burner body with different diameters of the axial channel, for example, 0.5 mm, 0.8 mm, 1 mm, 1.5 mm, 2 mm. As a result, a different weld thickness is achieved during cutting and welding. Dimensions, weight and price of a plasma gun are minimal. So, with a volume of filled water of 100 ml, the weight of the entire plasma gun is only about 300 g. With a power of up to 300 W-700 W, the device cuts and welds metals from 0.05 to 4 mm thick, and also cuts ceramics and glass up to 3 thick mm

Claims

1. A plasma torch comprising a housing with a cavity connected to a water supply system and a central channel inside which an electrode is installed with a replaceable tip having a refractory insert mounted flush with the outer surface of the replaceable tip, as well as a swirl and nozzle, characterized in that it is equipped with a dielectric tube mounted on the electrode, a porous copper filter installed on the tube with a conical end on the side of the working end of the burner, installed in contact with the housing Relkom of the largest diameter, the outer surface of the conical end of the filter is at an angle 5-15 ^o to the inner surface of the nozzle body cavity is filled with water-soaked cotton cloem outer and inner layer of heat resistant fabric adjacent to the porous filter, a swirler is formed as a helical groove at the conical end of the filter, the length of the central channel of the housing being equal to its inner diameter, and the diameter of the insert equal to 0.3-0.5 of the diameter of the tip.

2. The burner according to claim 1, characterized in that the refractory insert is pressed by the hot nozzle method.

3. The burner according to claim 1, characterized in that the refractory insert is wound from wire to the entire length of the copper tip and inner core.