RU2071189C1

RU2071189C1 - Plasma generator

Info

Publication number: RU2071189C1
Application number: RU93045033A
Authority: RU
Inventors: В.П. Никитин; И.А. Холмянский
Original assignee: Никитин Владимир Петрович
Priority date: 1993-09-17
Filing date: 1993-09-17
Publication date: 1996-12-27

Abstract

FIELD: plasma technology. SUBSTANCE: plasma generator is intended for gears to weld, cut, hard surface metals, etc. In incorporates cathode unit 1 with refractory insert 2 and nozzle-anode 3, system of successive cooling of anode and cathode units. Electric arc emerges with supply of direct current into interelectrode gap. Plasma jet coming out of hole 11 from nozzle 12 is formed under action of plasma-forming gas coming into vortex generator 20. Stream of cooling agent is fed under pressure into union 24 and tangentially into feeding groove 23, from there through holes 27 into helical passage 13 surrounding nozzle-anode 3. In lower part of anode unit cooling agent envelopes sleeve 14 and moves in relative direction through ring space 18 into exhaust groove 25 and over tangential passage of union 26 is discharged from anode unit into cooling system of cathode unit 1. Cooling the cathode units is accomplished by supply of cooling agent into central tube 4 where cooling the cathode refractory insert 2 and head of cathode 10 takes place. Then stream of cooling agent goes into diffuser ring space 7 and discharged through union 8. EFFECT: enhanced functional reliability and efficiency. 5 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к плазменной технике, в частности к плазменно-дуговым устройствам, применяемым при сварке, резке, наплавке металлов и в других технологических процессах. The invention relates to plasma technology, in particular to plasma-arc devices used in welding, cutting, surfacing of metals and in other technological processes.

Известна установка для плазменной сварки, содержащая плазмотрон, включающий катодный и анодный узлы, изолятор, расположенный между ними, систему охлаждения горячей зоны и узел подвода плазмообразующего газа [1]
Наиболее близким к заявляемому по технической сущности и достигаемому результату является плазмотрон, содержащий охлаждаемый водой катодный узел с тугоплавкой вставкой, узел подвода плазмообразующего газа с завихрителем, охлаждаемый водой анодный узел с центральным каналом для выхода плазмы, корпус анода с кольцевой полостью охлаждения, разделенной продольными пластинами на подводящий и отводящий каналы, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами [2]
Недостатком этого устройства является неравномерность охлаждения анода по окружности и по длине в результате разделения окружающей анод кольцевой полости разделительными пластинами на охлаждаемые и неохлаждаемые секторы. Недостаточное охлаждение отдельных частей анода вызывает их перегрев, а также снижение ресурса работы плазмотрона.A known installation for plasma welding containing a plasma torch, comprising a cathode and anode nodes, an insulator located between them, a cooling system for the hot zone and a node for supplying a plasma-forming gas [1]
The closest to the claimed technical essence and the achieved result is a plasmatron containing a water-cooled cathode assembly with a refractory insert, a plasma gas supply unit with a swirl, a water-cooled anode assembly with a central plasma outlet channel, an anode casing with an annular cooling cavity divided by longitudinal plates on the inlet and outlet channels, an insulator installed between the cathode and anode nodes [2]
The disadvantage of this device is the uneven cooling of the anode around the circumference and in length as a result of the separation of the annular cavity surrounding the anode by dividing plates into cooled and uncooled sectors. Insufficient cooling of individual parts of the anode causes them to overheat, as well as reduce the life of the plasma torch.

Изобретение направлено на повышение ресурса плазмотрона путем исключения перегрева горячих зон и концентрации температурных напряжений в металле. The invention is aimed at increasing the plasma torch resource by eliminating overheating of hot zones and the concentration of temperature stresses in the metal.

Это достигается тем, что в плазмотроне, содержащем катодный узел, включающий головку катода с тугоплавкой вставкой и систему охлаждения головки катода со штуцерами подвода и отвода хладагента, анодный узел, включающий сопло-анод, установленный в корпусе анода с образованием кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода, и систему охлаждения анодного узла с патрубками подвода и отвода хладагента, изолятор, установленный между катодным и анодным узлами и узел подвода плазмообразующего газа, согласно изобретению система охлаждения анода содержит выполненные в верхней части корпуса анода подводящую и отводящую кольцевые канавки, сообщенные с патрубками подвода и отвода хладагента, соответственно, при этом в кольцевой полости между соплом-анодом и корпусом анода установлена продольная разделительная гильза с зазором относительно корпуса анода, а на внешней поверхности сопла-анода выполнен винтовой канал, сообщенный с одной стороны с подводящей канавкой, а с противоположной стороны с зазором между гильзой и корпусом анода, причем отводящая кольцевая канавка сообщена с зазором между гильзой и корпусом анода, а патрубок отвода хладагента соединен со штуцером подвода хладагента катодного узла. This is achieved by the fact that in a plasmatron containing a cathode assembly including a cathode head with a refractory insert and a cathode head cooling system with refrigerant inlet and outlet fittings, the anode assembly includes an anode nozzle mounted in the anode body to form an annular cavity between the anode nozzle and the anode body, and the cooling system of the anode assembly with the inlet and outlet pipes of the refrigerant, an insulator installed between the cathode and anode assemblies and the plasma gas supply assembly, according to the invention, the system is cooled The anode contains the inlet and outlet annular grooves made in the upper part of the anode body, in communication with the refrigerant inlet and outlet pipes, respectively, while in the annular cavity between the anode nozzle and the anode body there is a longitudinal separation sleeve with a gap relative to the anode body, and on the external a helical channel is made on the surface of the anode nozzle, communicated on one side with the inlet groove, and on the opposite side with a gap between the sleeve and the anode body, and the outlet ring groove co schena with a gap between the sleeve and housing the anode and the refrigerant outlet pipe connected to the refrigerant inlet fitting cathode assembly.

Такое выполнение системы охлаждения анодного узла позволяет организовать движение хладагента вдоль всей длины и окружности сопла-анода в направлении движения плазмы, причем в первую очередь хладагент подводят к самой горячей части в винтовой канал, окружающий центральный плазменный канал. Форма винтового канала создает оребрение сопла-анода, увеличивающее площадь теплоотдачи. Разделительная гильза обеспечивает поворот потока хладагента в обратном направлении. Таким образом, данная система обеспечивает равномерное эффективное охлаждение сопла-анода. This embodiment of the cooling system of the anode assembly makes it possible to organize the movement of the refrigerant along the entire length and circumference of the anode nozzle in the direction of the plasma movement, and first of all, the refrigerant is brought to the hottest part in the helical channel surrounding the central plasma channel. The shape of the screw channel creates a ribbing of the anode nozzle, which increases the heat transfer area. The separator sleeve reverses the flow of refrigerant. Thus, this system provides uniform effective cooling of the anode nozzle.

Винтовой канал на сопле-аноде может быть выполнен в виде многозаходной резьбы. Площадь профиля винтового канала и количество заходов резьбы влияет на скорость теплоотдачи, т. е. облегчает экспериментальную доводку конструкции. The screw channel on the nozzle-anode can be made in the form of multiple threads. The area of the profile of the screw channel and the number of thread starts affects the heat transfer rate, i.e., facilitates the experimental refinement of the structure.

Канал подвода охлаждающей жидкости и канал отвода хладагента из отводящей канавки выполнены тангенциальными, причем направление закрутки на входе совпадает с направлением винтового канала, а на выходе с направлением потока в отводящей канавке. Это обеспечивает плавное движение охлаждающей жидкости и повышает эффективность теплоотдачи, т.е. охлаждения анодного узла. The channel for supplying coolant and the channel for removing refrigerant from the outlet groove is made tangential, and the swirl direction at the inlet coincides with the direction of the screw channel, and at the outlet with the direction of flow in the outlet groove. This ensures a smooth movement of the coolant and increases the efficiency of heat transfer, i.e. cooling the anode assembly.

Система охлаждения катодного узла также имеет отличия: содержит соединенную с подводящим штуцером центральную трубку, соосную тугоплавкой вставке, окружающую ее с образованием равномерного кольцевого зазора между ними, снаружи трубка окружена кольцевой диффузорной (расширяющейся к выходу) полостью, сообщенной с отводящим штуцером. The cooling system of the cathode assembly also has differences: it contains a central tube connected to the inlet fitting, coaxial with the refractory insert surrounding it with the formation of a uniform annular gap between them, the outside of the tube is surrounded by an annular diffuser (expanding to the outlet) cavity in communication with the outlet fitting.

Расположение подводящей хладагент трубки соосно катодной тугоплавкой вставке обеспечивает равномерное эффективное охлаждение наиболее нагревающейся части вставки и прилегающих деталей, что позволяет повысить эффективность охлаждения и ресурс работы катодного узла, улучшает ремонтопригодность плазмотрона за счет возможности удлинения конца катодной тугоплавкой вставки посредством перепрессовки ее в головке катода после износа активного конца. Выполнение кольцевой полости диффузорной в направлении выхода потока позволяет снизить скорость выхода хладагента, что увеличивает теплоотбор от наружных деталей катодного узла. The location of the refrigerant supply tube coaxially with the cathode refractory insert provides uniform effective cooling of the most heated part of the insert and adjacent parts, which improves the cooling efficiency and service life of the cathode assembly, improves the maintainability of the plasma torch due to the possibility of extending the end of the cathode refractory insert by repressing it in the cathode head after wear active end. The execution of the annular cavity of the diffuser in the direction of the flow outlet allows to reduce the rate of exit of the refrigerant, which increases the heat removal from the outer parts of the cathode assembly.

Сущность изобретения поясняется чертежами, где на фиг. 1 изображен плазмотрон, продольный разрез; на фиг. 2 разрез А-А на фиг. 1. The invention is illustrated by drawings, where in FIG. 1 shows a plasmatron, a longitudinal section; in FIG. 2, section AA in FIG. 1.

Предлагаемый плазмотрон содержит катодный узел 1, включающий катодную тугоплавкую вставку 2 и анодный узел, содержащий сопло-анод 3, между которыми имеется межэлектродный зазор А. The proposed plasmatron contains a cathode assembly 1, including a cathode refractory insert 2 and an anode assembly containing a nozzle-anode 3, between which there is an interelectrode gap A.

Катодная тугоплавкая вставка 2 размещена соосно центральной трубке 4, сообщенной с подводящим штуцером 5. В катододержателе 6 имеется охлаждающая полость 7, соединенная со штуцером 8 отвода хладагента (воды). The cathode refractory insert 2 is placed coaxially with the central tube 4 in communication with the supply nozzle 5. The cathode holder 6 has a cooling cavity 7 connected to the nozzle 8 of the refrigerant (water) outlet.

Между катодным узлом 1 и соплом-анодом 3 установлен изолятор 9. Тугоплавкая вставка 2 выполнена в виде удлиненного стержня, запрессованного в медной головке катода 10 так, что один его конец расположен в охлаждающей полости 7, а другой в межэлектродном зазоре А. An insulator 9 is installed between the cathode assembly 1 and the anode nozzle 3. The refractory insert 2 is made in the form of an elongated rod pressed into the copper head of the cathode 10 so that one end thereof is located in the cooling cavity 7 and the other in the interelectrode gap A.

Сопло-анод 3 представляет собой медный стержень, в котором выполнено центральное отверстие 11, переходящее в выходное сопло 12, которое может иметь цилиндрическую или какую-либо иную форму. На наружной поверхности сопла-анода 3 имеется винтовой канал 13, который может быть выполнен в виде многозаходной резьбы. The nozzle-anode 3 is a copper rod, in which a Central hole 11 is made, passing into the output nozzle 12, which may have a cylindrical or any other shape. On the outer surface of the anode nozzle 3 there is a screw channel 13, which can be made in the form of multiple threads.

Снаружи сопло-анод 3 охвачен продольной разделительной гильзой 14, открытой со стороны торцов, закрывающей винтовой канал 13, соединенный в центральной части плазмотрона с канавкой 15, а в концевой части с канавкой 16. Outside, the nozzle-anode 3 is surrounded by a longitudinal separation sleeve 14, open from the ends, covering the screw channel 13, connected in the central part of the plasma torch with a groove 15, and in the end part with a groove 16.

Между корпусом 17, в котором размещен сопло-анод 3, и гильзой 14 образована кольцевая полость 18. Сопло-анод 3 закреплен в корпусе 17 в нижней его части гайкой 19, а в верхней части завихрителем 20 с помощью резьбового соединения. На завихритель 20 опирается изолятор 9, зажимаемый накидной гайкой 21. Полость завихрителя 20 соединена со штуцером 22, подводящим плазмообразующий газ (воздух). An annular cavity 18 is formed between the housing 17, in which the nozzle-anode 3 is placed, and the sleeve 14. The nozzle-anode 3 is fixed in the housing 17 in its lower part by a nut 19, and in the upper part by a swirler 20 by means of a threaded connection. The insulator 9 rests on the swirl 20, clamped with a union nut 21. The swirl cavity 20 is connected to the fitting 22, which supplies plasma-forming gas (air).

На внутренней поверхности корпуса 17 в его верхней части выполнены две кольцевые канавки подводящая канавка 23 со штуцером 24 и отводящая канавка 25 со штуцером 26. Канавка 23 сообщается с винтовым каналом 13 через отверстия 27 в распорной втулке 28, а отводящая канавка 25 сообщается с полостью 18. Штуцеры 24 и 26 имеют тангенциальные подводящий и отводящий каналы, причем их направление совпадает с направлением закрутки потоков. On the inner surface of the housing 17, in its upper part, two annular grooves are made, an inlet groove 23 with a fitting 24 and a discharge groove 25 with a fitting 26. The groove 23 communicates with the screw channel 13 through the holes 27 in the spacer sleeve 28, and the outlet groove 25 communicates with the cavity 18 The fittings 24 and 26 have a tangential inlet and outlet channels, and their direction coincides with the direction of swirling flows.

Подвод электроэнергии к плазмотрону осуществляется посредством клемм 29 и 30. При этом клемма 29 закреплена на штуцере 24 анодного узла, а клемма 30
на катододержателе 6.Power is supplied to the plasma torch by means of terminals 29 and 30. In this case, terminal 29 is fixed on the fitting 24 of the anode assembly, and terminal 30
on the cathode holder 6.

В процессе работы плазмотрона между соплом-анодом 32 и катодным узлом 1 подается напряжение постоянного электрического тока: на сопло-анод 3 подается плюс, на катодный узел 1 минус. During the operation of the plasma torch, a constant electric current voltage is applied between the anode nozzle 32 and the cathode assembly 1: a plus is supplied to the anode nozzle 3, and minus to the cathode assembly 1.

При наличии напряжения между соплом-анодом 3 и катодной тугоплавкой вставкой 2 в межэлектродном зазоре А возбуждается электрическая дуга. При подаче в завихритель 20 плазмообразующего газа (воздуха) под давлением, обдувающего электрическую дугу вихревым потоком, возникает интенсивный факел плазмы, вытекающий по отверстию 11 из выходного сопла 12. При этом зона горения дуги и движения плазмы сильно нагревается. Горячая зона плазмотрона охлаждается путем последовательного прокачивания хладагента (воды, антифриза) через каналы анодного и катодного узлов. In the presence of voltage between the anode nozzle 3 and the cathode refractory insert 2 in the interelectrode gap A, an electric arc is excited. When a plasma-forming gas (air) is supplied to the swirl 20 under pressure, blowing a swirling flow through the electric arc, an intense plasma plume arises, flowing out through the opening 11 from the output nozzle 12. In this case, the zone of arc burning and plasma motion is very hot. The hot zone of the plasma torch is cooled by sequentially pumping refrigerant (water, antifreeze) through the channels of the anode and cathode nodes.

Охлаждение сопла-анода 3 производится потоком хладагента, поступающего через штуцер 24 тангенциально в подводящую канавку 23, затем через отверстия 27 хладагент подается по винтовому каналу 13 в направлении движения плазмы. При этом хладагент частично нагревается, отбирая тепло сопла-анода 3, затем поток из канала 13 выходит в канавку 16, поворачивается на 180^oC. огибая стенку гильзы 14, движется в обратном направлении по кольцевой полости 18, поступает в отводящую канавку 25 и через штуцер 26 выходит из корпуса анода 17. Затем хладагент поступает в штуцер 5 на охлаждение катодного узла 1.Cooling of the anode nozzle 3 is carried out by a stream of refrigerant flowing through the nozzle 24 tangentially into the supply groove 23, then through the openings 27 the refrigerant is supplied through a screw channel 13 in the direction of plasma movement. In this case, the refrigerant partially heats up, taking the heat of the nozzle-anode 3, then the flow from the channel 13 goes into the groove 16, rotates through 180 ^° C. enveloping the wall of the sleeve 14, moves in the opposite direction along the annular cavity 18, enters the outlet groove 25 and through the nozzle 26 leaves the anode body 17. Then the refrigerant enters the nozzle 5 to cool the cathode assembly 1.

Тангенциальное расположение входящего и выходящего каналов штуцеров 24 и 26, совпадающее с направлением закрутки винтового канала 13, обеспечивает снижение гидравлических сопротивлений при движении хладагента, т.е. повышает эффективность охлаждения сопла-анода 3. The tangential arrangement of the inlet and outlet channels of the fittings 24 and 26, which coincides with the direction of rotation of the screw channel 13, provides a reduction in hydraulic resistance during movement of the refrigerant, i.e. improves the cooling efficiency of the anode nozzle 3.

Охлаждение головки катода 10 производится через центральную трубку 4, которая направляет поток жидкости на катодную тугоплавкую вставку 2, обеспечивая сначала охлаждение вставки 2 и прилегающей центральной зоны головки катода 10. При этом вставка 2 служит рассекателем охлаждающего потока, обеспечивая равномерное охлаждение головки катода 10, а сферическая поверхность последнего обеспечивает плавный поворот струи хладагента в обратном направлении к полости 7 и отводящему штуцеру 8 в охладитель (не показан), где хладагент регенерируется и возвращается в систему охлаждения плазмотрона. The cathode head 10 is cooled through a central tube 4, which directs the fluid flow to the cathode refractory insert 2, first providing cooling for the insert 2 and the adjacent central zone of the cathode head 10. In this case, insert 2 serves as a coolant flow divider, providing uniform cooling of the cathode head 10, and the spherical surface of the latter provides a smooth rotation of the stream of refrigerant in the opposite direction to the cavity 7 and the discharge nozzle 8 into the cooler (not shown), where the refrigerant is regenerated and rotates in the plasma generator cooling system.

Расход хладагента рассчитывается в зависимости от величины необходимого теплоотбора. Соответственно, в зависимости от мощности плазмотрона подбирается площадь сечения охлаждающих каналов, количество заходов резьбы винтового канала 13, скорость потока хладагента и другие параметры. Refrigerant consumption is calculated based on the amount of heat removal required. Accordingly, depending on the power of the plasma torch, the cross-sectional area of the cooling channels, the number of threads of the screw channel 13, the flow rate of the refrigerant and other parameters are selected.

Предложенная конструкция плазмотрона позволяет организовать равномерное охлаждение горячих зон за счет закрутки охлаждающего потока и двойного прохождения хладагента вдоль анодного и катодного узлов, а также увеличить площадь охлаждения за счет применения винтового оребрения канала 13. The proposed design of the plasma torch allows you to organize uniform cooling of the hot zones due to swirling of the cooling flow and double passage of the refrigerant along the anode and cathode nodes, as well as to increase the cooling area through the use of screw fins of the channel 13.

Следовательно, предложенное устройство позволяет исключить перегрев горячих зон плазмотрона и концентрацию температурных напряжений в металле, т.е. повышается ресурс работы плазмотрона. Therefore, the proposed device eliminates overheating of the hot zones of the plasma torch and the concentration of temperature stresses in the metal, i.e. increases the life of the plasma torch.

Организация эффективного охлаждения позволяет снизить габариты плазмотрона в 1,5 2 раза. The organization of effective cooling allows to reduce the dimensions of the plasma torch by 1.5 2 times.

Выполнение катодной тугоплавкой вставки 2 в виде удлиненного стержня позволяет производить ее перепрессовку в головке катода 10 при выгорании активного конца, что также повышает ресурс плазмотрона. The implementation of the cathode refractory insert 2 in the form of an elongated rod allows it to be re-pressed in the head of the cathode 10 when the active end burns out, which also increases the plasma torch resource.

Claims

1. A plasma torch comprising a cathode assembly including a cathode head with a refractory insert and a cathode assembly cooling system with refrigerant inlet and outlet fittings, an anode assembly comprising an anode nozzle mounted in the anode body to form an annular cavity between the anode nozzle and the anode body, and an anode assembly cooling system with refrigerant inlet and outlet nozzles, an insulator installed between the cathode and anode assemblies, and a plasma generating gas supply unit, characterized in that inlet and outlet are made in the anode body supplying annular grooves in communication with the refrigerant inlet and outlet nozzles, respectively, while in the annular cavity between the anode nozzle and the anode body a longitudinal separation sleeve is installed with a gap relative to the anode body, and on the outer surface of the anode nozzle there is a screw channel communicated on one side with an inlet groove and on the opposite side with a gap between the sleeve and the anode body, the discharge annular groove in communication with the gap between the sleeve and the anode body, and the refrigerant branch pipe It is one with the cathode assembly refrigerant supply fitting.

2. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the helical channel is made in the form of multiple threads.

3. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the refrigerant supply pipe is installed tangentially with the possibility of twisting the refrigerant at the inlet of the supply annular groove in the direction coinciding with the direction of rotation of the screw channel, and the exhaust pipe is installed tangentially in the direction coinciding with the direction of flow of the refrigerant in the outlet groove.

4. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the cathode head cooling system further comprises a central tube connected to a refrigerant supply fitting installed coaxially and with a gap relative to the refractory insert and the end concave inner surface of the cathode head, with a gap between the central tube and head the cathode is in communication with the channel in the refrigerant discharge fitting.

5. The plasma torch according to claim 1, characterized in that the cathode refractory insert is made in the form of an elongated rod pressed into the cathode head so that one end thereof is located in the cavity washed by the refrigerant and the other in the interelectrode gap.