RU2259262C1

RU2259262C1 - Plasma generator

Info

Publication number: RU2259262C1
Application number: RU2004108248/02A
Authority: RU
Inventors: Ю.Д. Щицын (RU); Ю.Д. Щицын; В.Ю. Щицын (RU); В.Ю. Щицын
Priority date: 2004-03-22
Filing date: 2004-03-22
Publication date: 2005-08-27

Abstract

FIELD: metal working.

SUBSTANCE: plasma generator comprises housing (1), protecting nozzle (2) mounted on the housing by means of a threaded connection, and plasma generating nozzle (3) mounted inside housing (1) by means of screw (4). The plasma generating nozzle is insulated from housing (1) by means of bushing (5) and insulators-seals (6) and (7). Screw (4) is screwed in insulator (8). The insulator (8) receives electrode unit (9) provided with autonomous cooling system. Housing (1) has connecting pipes (11) and (12) and radial passages (13) and (14) for supplying and discharging coolant of the system for cooling plasma generating nozzle. The bottom ends of passages (15) and (16) enter groove (18) made in housing (1) that is connected with the bottom section of ring passage (17) arranged on the outer side of plasma generating nozzle (3). Connecting pipe (19) and passages (20) and (21) provided in housing (1) are used for supplying protecting gas under protecting nozzle (2). Screw (4) is provided with connecting pipe (22) and passage (23) for supplying plasma generating gas.

EFFECT: enhanced reliability.

1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области плазменной обработки металлов, а именно к устройствам для плазменной наплавки, сварки, резки черных и цветных металлов.The invention relates to the field of plasma processing of metals, and in particular to devices for plasma surfacing, welding, cutting of ferrous and non-ferrous metals.

Известен плазмотрон, содержащий электродный узел, корпус, изолятор, их разделяющий, плазмообразующее и защитное сопла. Электродный узел и плазмообразующее сопло снабжены автономными системами охлаждения. Система охлаждения плазмообразующего сопла состоит из кольцевого охлаждающего канала, соединенного в верхней части с подводящими и отводящими каналами, выполненными диаметрально противоположно в корпусе (патент США №4389559, 1983 г.). Такое устройство системы охлаждения плазмообразующего сопла позволило уменьшить габариты плазмотрона, обеспечить возможность замены плазмообразующего сопла, что расширяет возможности и повышает срок службы плазмотрона.Known plasmatron containing an electrode assembly, a housing, an insulator, separating them, plasma-forming and protective nozzles. The electrode assembly and the plasma forming nozzle are equipped with autonomous cooling systems. 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 diametrically opposite in the housing (US patent No. 4389559, 1983). Such a device of the cooling system of the plasma forming nozzle made it possible to reduce the dimensions of the plasma torch, to provide the possibility of replacing the plasma forming nozzle, which expands the possibilities and increases the service life of the plasma torch.

К недостаткам известного 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 осуществляется в верней части охлаждающего кольцевого канала на наружной поверхности плазмообразующего сопла, вследствие чего большая часть 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 за счет устройства направляющих пазов, ребер и т.п., как это выполнено в известных устройствах (см., например, патент США №4275287), неизбежно приводят к усложнению конструкции и увеличению радиальных размеров плазмотрона.The disadvantages of the known 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 plasma forming nozzle, as a result of which the majority of the liquid 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 due to the arrangement of guide grooves, ribs, etc., as is done in known devices (see, for example, US Pat. No. 4,275,287), inevitably lead to a complication of construction and an increase in the radial dimensions of the plasma torch.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является плазмотрон (патент RU №2058865 от 27.04.1996 г.), содержащий полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные на наружной и внутренней поверхностях корпуса, установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения, изолятор, разделяющий электродный узел и плазмообразующее сопло, систему подвода защитного и плазмообразующего газов, кольцевой канал на наружной поверхности плазмообразующего сопла, диаметрально противоположные каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, выполненные в корпусе. Каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости и кольцевой канал соединены проходными отверстиями, образованными пересечением боковых поверхностей этих каналов, по высоте равными высоте кольцевого канала и имеющими площадь, равную площади поперечного сечения соответственно канала для подвода и отвода охлаждающей жидкости.The closest in technical essence to the proposed is a plasmatron (patent RU No. 2058865 dated 04/27/1996), containing a hollow body with fittings for supplying and discharging coolant, a protective and plasma-forming nozzle mounted on the outer and inner surfaces of the housing, mounted in the housing electrode assembly with its cooling system, an insulator separating the electrode assembly and the plasma-forming nozzle, a supply system of protective and plasma-forming gases, an annular channel on the outer surface of the plasma-forming nozzle, diameter completely opposite coolant supply and exhaust channels made in the housing. The channels for supplying and discharging coolant and the annular channel are connected through passage openings formed by the intersection of the side surfaces of these 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 and discharging coolant, respectively.

Такое устройство позволяет повысить надежность работы плазмотрона за счет эффективного охлаждения теплонагруженных элементов и, как следствие, снизить поперечные габариты и массу плазмотрона и упростить его конструкцию. Данное устройство принято за прототип.Such a device allows to increase the reliability of the plasma torch due to the effective cooling of heat-loaded elements and, as a result, reduce the transverse dimensions and mass of the plasma torch and simplify its design. This device is taken as a prototype.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что в таком устройстве трудно обеспечить при изготовлении равенство площади проходных отверстий площади поперечного сечения соответственно канала для подвода и отвода охлаждающей жидкости, что определяет эффективность охлаждения плазмотрона. Кроме того, в известных устройствах плазмообразующее сопло имеет электрическую связь с защитным соплом, т.к. они установлены на корпусе, выполненном из электропроводного материала, при помощи резьбового соединения. При замыкании защитного сопла на изделие в процессе работы возникает возможность двойного дугообразования, что приводит к выходу из строя плазмообразующего сопла. Это снижает надежность конструкции и ограничивает технологические возможности плазмотрона.A disadvantage of the known device adopted for the prototype is that in such a device it is difficult to ensure the equality of the area of the through holes of the cross-sectional area of the channel for supplying and discharging coolant, which determines the cooling efficiency of the plasma torch. In addition, in known devices, the plasma-forming nozzle is in electrical communication with the protective nozzle, because they are mounted on a housing made of electrically conductive material using a threaded connection. When the protective nozzle is shorted to the product during operation, the possibility of double arcing arises, which leads to failure of the plasma forming nozzle. This reduces the reliability of the design and limits the technological capabilities of the plasma torch.

Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявляемого, - полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости; защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней поверхностях корпуса; установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения; изолятор между электродом и плазмообразующим соплом; система 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.Signs of the known device, coinciding with the features of the claimed, - a hollow body with fittings for supplying and discharging coolant; protective and plasma forming nozzles mounted respectively on the outer and inner surfaces of the housing; an electrode assembly installed in the housing with its cooling system; an insulator between the electrode and the plasma forming nozzle; 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 annular channel diametrically opposed channels for supplying and discharging coolant.

Задача изобретения - повышение надежности и расширение технологических возможностей плазмотрона, упрощение его изготовления и обслуживания.The objective of the invention is to increase reliability and expand the technological capabilities of the plasma torch, simplifying its manufacture and maintenance.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении интенсивного охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона при упрощении конструкции и исключении возможности двойного дугообразования в процессе эксплуатации.The technical result of the invention is to provide intensive cooling of the heat-loaded elements of the plasma torch while simplifying the design and eliminating the possibility of double arcing during operation.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в плазмотроне, содержащем полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней поверхностях корпуса, установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения, 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 для подвода и отвода охлаждающей жидкости нижними концами выходят в проточку, выполненную в корпусе, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала, корпус дополнительно снабжен втулкой и изоляторами-уплотнителями, в которые установлены, электрически изолированно от корпуса, плазмообразующее сопло и винт, резьбовое соединение которых обеспечивает герметизацию кольцевого канала, в полости винта установлен изолятор с закрепленным в нем электродным узлом.The specified technical result during the implementation of the invention 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 nozzle mounted respectively on the outer and inner surfaces of the housing, an electrode assembly installed in the housing with its cooling system, an insulator between the electrode and the plasma forming nozzle, the supply system of protective and plasma forming gases, the annular channel on the outer surface of the plasma forming nozzle, is located the diametrically opposite channels for supplying and discharging coolant in the case and connected to the annular channel, the channels for supplying and discharging coolant with their lower ends exit into a groove made in the case, connected to the lower part of the annular channel, the case is additionally equipped with a sleeve and sealant insulators, in which the plasma-forming nozzle and screw, the threaded connection of which provides sealing of the annular channel, are installed in the cavity of the screw, electrically isolated from the housing, ene insulator with the fixed electrode portion therein.

Признаки заявляемого решения, отличительные от прототипа, - каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости нижними концами выходят в проточку, выполненную в корпусе, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала; плазмообразующее сопло закрепляется внутри корпуса при помощи винта и электрически изолировано от корпуса втулкой и изоляторами-уплотнителями; изолятор с размещенным в нем электродным узлом устанавливается внутри винта. В заявляемом устройстве резьбовое соединение плазмообразующего сопла и винта обеспечивает герметизацию кольцевого канала.Signs of the proposed solution, distinctive from the prototype, the channels for supplying and discharging coolant with the lower ends go into the groove made in the housing, connected to the lower part of the annular channel; the plasma-forming nozzle is fixed inside the housing with a screw and is electrically isolated from the housing by a sleeve and insulating seals; an insulator with an electrode assembly located in it is installed inside the screw. In the inventive device, the threaded connection of the plasma forming nozzle and screw provides sealing of the annular channel.

В результате такого выполнения независимой системы охлаждения плазмообразующего сопла достигается высокая эффективность охлаждения плазмообразующего сопла при упрощении конструкции. В результате сообщения подводящего и отводящего каналов с проточкой, выполненной в корпусе, сообщающейся (соединяющейся) с нижней частью кольцевого канала, обеспечивается интенсивное проточное движение охлаждающей жидкости вблизи наиболее теплонагруженной зоны плазмообразующего сопла. При этом исключается возникновение застойной зоны в нижней части кольцевого канала, что способствует повышению эффективности охлаждения плазмообразующего сопла. Предлагаемая система охлаждения плазмообразующего сопла позволяет упростить изготовление при малых радиальных габаритах плазмотрона, обеспечивает простое обслуживание и ремонт плазмотрона.As a result of such an independent cooling system of the plasma forming nozzle, a high cooling efficiency of the plasma forming nozzle is achieved while simplifying the design. As a result of the communication of the supply and exhaust channels with a groove made in the housing, communicating (connecting) with the lower part of the annular channel, an intensive flow of coolant is provided near the most heat-loaded zone of the plasma-forming nozzle. This eliminates the occurrence of a stagnant zone in the lower part of the annular channel, which increases the cooling efficiency of the plasma forming nozzle. The proposed cooling system of the plasma forming nozzle makes it possible to simplify the manufacture with a small radial dimensions of the plasma torch, provides simple maintenance and repair of the plasma torch.

Закрепление плазмообразующего сопла электрически изолировано от корпуса, а следовательно, от защитного сопла, исключает возможность двойного дугообразования в процессе эксплуатации. Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает высокую надежность и широкие технологические возможности плазмотрона, упрощение его изготовления и обслуживания.The fastening of the plasma-forming nozzle is electrically isolated from the body, and therefore, from the protective nozzle, eliminates the possibility of double arcing during operation. Thus, the proposed solution provides high reliability and wide technological capabilities of the plasma torch, simplifying its manufacture and maintenance.

На фиг.1 показан общий вид плазмотрона с продольным разрезом по системе подвода и отвода охлаждающей жидкости. На фиг.2 показан плазмотрон с продольным разрезом по системе подвода плазмообразующего и защитного газа.Figure 1 shows a General view of the plasma torch with a longitudinal section through the system of supply and removal of coolant. Figure 2 shows a plasma torch with a longitudinal section through a plasma supply and protective gas supply system.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, установленного на нем при помощи резьбового соединения защитного сопла 2, размещенного в корпусе 1 плазмообразующего сопла 3, которое закрепляется винтом 4 и электрически изолируется от корпуса 1 втулкой 5 и изоляторами-уплотнителями 6 и 7, при этом обеспечивается электрическая изоляция плазмообразующего сопла 3 от защитного сопла 2. В винт 4 установлен на резьбе изолятор 8, выполненный, например, из фторопласта. В изоляторе 8 размещен на резьбе электродный узел 9, имеющий автономную систему охлаждения (на схеме не показана), электродный узел 9 фиксируется контргайкой 10. Корпус 1 имеет штуцера 11 и 12 и радиальные каналы 13 и 14 для подвода и отвода охлаждающей жидкости системы охлаждения плазмообразующего сопла, диаметрально противоположные и параллельно расположенные каналы 15 и 16, засверленные с торца корпуса 1, а затем заглушенные, и кольцевой канал 17, охватывающий плазмообразующее сопло 3 вблизи теплонагруженной зоны. Каналы 15 и 16 нижними концами выходят в проточку 18, выполненную в корпусе 1, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала 17. Корпус 1 имеет штуцер 19 и каналы 20 и 21 для подачи защитного газа под защитное сопло 2. Винт 4 снабжен штуцером 22 и каналом 23 для подвода плазмообразующего газа, на внешней цилиндрической поверхности изолятора 8 выполнена винтовая проточка 24, которая при установке изолятора 8 в винт 4 образует винтовой канал для тангенциальной подачи плазмообразующего газа в плазмообразующее сопло 3.The plasma torch consists of a housing 1 mounted on it with a threaded connection of the protective nozzle 2, located in the housing 1 of the plasma forming nozzle 3, which is fixed with a screw 4 and is electrically isolated from the housing 1 by the sleeve 5 and insulators-seals 6 and 7, while providing electrical isolation plasma-forming nozzle 3 from the protective nozzle 2. In the screw 4 is installed on the thread insulator 8, made, for example, of fluoroplastic. In the insulator 8, an electrode assembly 9 having an autonomous cooling system (not shown in the diagram) is mounted on the thread, the electrode assembly 9 is fixed with a lock nut 10. The housing 1 has a fitting 11 and 12 and radial channels 13 and 14 for supplying and discharging the cooling fluid of the plasma-forming cooling system nozzles, diametrically opposite and parallel to the channels 15 and 16, drilled from the end of the housing 1, and then muffled, and an annular channel 17, covering the plasma-forming nozzle 3 near the heat-loaded zone. The channels 15 and 16 with their lower ends exit into the groove 18 made in the housing 1, connected to the lower part of the annular channel 17. The housing 1 has a fitting 19 and channels 20 and 21 for supplying protective gas under the protective nozzle 2. The screw 4 is equipped with a fitting 22 and a channel 23 for supplying a plasma-forming gas, a helical groove 24 is made on the outer cylindrical surface of the insulator 8, which, when the insulator 8 is installed in the screw 4, forms a screw channel for tangential supply of the plasma-forming gas into the plasma-forming nozzle 3.

Плазмотрон работает следующим образом. Плазмотрон подключается к источнику питания сжатой дуги. Включается подача по штуцеру 22 и каналам 23 и 24 плазмообразующего газа, а по штуцеру 19 и каналам 20 и 21 защитного газа. Охлаждающая жидкость (например, вода) подается раздельно в систему охлаждения электродного узла 9 (не показана) и в систему охлаждения плазмообразующего сопла 3 через штуцер 11 и каналы 13 и 15 в кольцевой канал 17, охватывающий плазмообразующее сопло 3, и далее через каналы 16, 14 и штуцер 12 на слив. Подвод охлаждающей жидкости в кольцевой канал 17 и проточная циркуляция ее вблизи теплонагруженной зоны плазмообразующего сопла 3 обеспечивается соединением нижних концов каналов 15 и 16 с проточкой 18, сопрягаемой с нижней частью кольцевого канала 17.The plasma torch works as follows. The plasma torch is connected to a power source of a compressed arc. The supply through the nozzle 22 and the channels 23 and 24 of the plasma-forming gas is turned on, and through the nozzle 19 and the channels 20 and 21 of the protective gas. Coolant (for example, water) is supplied separately to the cooling system of the electrode assembly 9 (not shown) and to the cooling system of the plasma forming nozzle 3 through the nozzle 11 and channels 13 and 15 into the annular channel 17 covering the plasma forming nozzle 3, and then through the channels 16, 14 and fitting 12 to drain. The coolant supply to the annular channel 17 and its flow circulation near the heat-loaded zone of the plasma-forming nozzle 3 is provided by connecting the lower ends of the channels 15 and 16 with the groove 18, which is mated with the lower part of the annular channel 17.

Изобретение позволяет повысить надежность работы и расширить технологические возможности плазмотрона за счет обеспечения интенсивного охлаждения теплонагруженных элементов и исключения возможности двойного дугообразования в процессе эксплуатации, упростить его изготовление и обслуживание.The invention improves the reliability and enhances the technological capabilities of the plasma torch by providing intensive cooling of heat-loaded elements and eliminating the possibility of double arcing during operation, to simplify its manufacture and maintenance.

Испытания опытного образца плазмотрона с габаритами, равными D32*100 мм, и массой 0,35 кг при расходе охлаждающей воды 2,5 л/мин показали надежную работу плазмотрона в диапазоне рабочих токов 20-450 А. При расходе воды 4-5 л/мин рабочий ток может достигать 600 А.Tests of a prototype plasmatron with dimensions equal to D32 * 100 mm and a mass of 0.35 kg at a flow rate of cooling water of 2.5 l / min showed reliable operation of the plasmatron in the range of operating currents of 20-450 A. At a flow rate of 4-5 l / min operating current can reach 600 A.

Claims

A plasma torch 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 of coolant, characterized in that the channels for supplying and discharging coolant with their lower ends exit into a groove made in the housing, connected to the lower part of the annular channel, the housing is additionally equipped with a sleeve and insulators with seals in which a plasma-forming electrically isolated from the housing is installed a nozzle and a screw, the threaded connection of which provides sealing of the annular channel, an insulator with an electrode assembly fixed in it is installed in the cavity of the screw.