RU2340125C2

RU2340125C2 - Electroarc plasmatron

Info

Publication number: RU2340125C2
Application number: RU2007101140/06A
Authority: RU
Inventors: Анатолий Тимофеевич Неклеса (UA); Анатолий Тимофеевич Неклеса; Игорь Алексеевич Шиман (UA); Игорь Алексеевич Шиман; Алексей Николаевич Марченко (UA); Алексей Николаевич Марченко
Original assignee: Анатолий Тимофеевич Неклеса
Priority date: 2006-07-10
Filing date: 2007-01-10
Publication date: 2008-11-27
Also published as: RU2007101140A; UA82584C2

Abstract

FIELD: electricity.

SUBSTANCE: circular insulator connected between hollow copper electrode (2) and nozzle (11) is tightly adjoined with key vortex (18) and ring water header (9). Kay (18) and end-plate (16) vortexes through gas flow redistribution valves (19, 20) are connected with gas supply duct (15). Solenoid (4) is in-built in steel cylindrical sleeve one end face of which tightly adjoins insert terminal (6), while and the other end face of sleeve adjoins dielectric casing (1). Insert terminal (6) has formed through holes connected with cavity formed by walls of electrode (2) and cylindrical sleeve (5). Axes of adjacent through holes of insert terminal (6) are angled 60-70° to each other in a projection to plane passing through longitudinal axis of plasmatron. Solenoid (4) is made of number of parallel coils of copper isolated wire output ends of which are soldered circularly in regular intervals to insert terminal (6).

EFFECT: higher productivity, reliability and efficiency of plasma-arc cutting device.

2 cl, 4 dwg

Description

Изобретение относится к машиностроению, в частности к плазменной технике, и может быть использовано в установках для плазменно-дуговой резки металла.The invention relates to mechanical engineering, in particular to plasma technology, and can be used in installations for plasma-arc cutting of metal.

Известен электродуговой плазмотрон, включающий корпус, выполненный из диэлектрика, с установленным в нем полым медным катодом, водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, в которой выполнены сквозные каналы, цилиндрический кожух с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, с помощью которого закреплены в диэлектрическом корпусе электрод и сопло, диэлектрическую прокладку, расположенную между электродом и соплом, в конусной части которого выполнены тангенциальные канавки (Патент Украины №66919, кл. H05B 7/22, B23K 9/16, заявл. 01.11.2001, опубл. бюл. №6, 2004).Known arc plasma torch, including a housing made of a dielectric with a hollow copper cathode installed in it, a water-cooled solenoid connected to the current lead and electrode through an insert terminal in which through channels are made, a cylindrical casing with a conical narrowing and an axial hole in its lower part with the help of which the electrode and nozzle are fixed in the dielectric housing, a dielectric gasket located between the electrode and the nozzle, in the conical part of which tangential grooves are made (Paté nt of Ukraine No. 66919, class H05B 7/22, B23K 9/16, declared 01.11.2001, publ. Bulletin No. 6, 2004).

Недостатком известного плазмотрона является недостаточная надежность его работы из-за выхода из строя теплонагруженных элементов - электрода и сопла по причине низкой эффективности системы охлаждения.A disadvantage of the known plasmatron is the insufficient reliability of its operation due to the failure of heat-loaded elements - the electrode and nozzle due to the low efficiency of the cooling system.

Наиболее близким по технической сущности и достигаемому результату (прототип) принят электродуговой плазмотрон, который включает диэлектрический корпус, в котором установлены полый медный электрод, сопло и водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, в которой выполнены сквозные каналы, при этом электрод и сопло закреплены в диэлектрическом корпусе с помощью диэлектрического кожуха с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, с расположенной между электродом и соплом диэлектрической уплотнительной прокладкой, с выполненными в конусной части сопла тангенциальными отверстиями, согласно изобретению, в торце электрода герметично укреплена втулка, на поверхности которой выполнены резьбовые канавки, соединяющие через герметичную диэлектрическую вставку канал подачи газа с внутренней полостью электрода, при этом в зазоре между соплом и кожухом установлена цилиндрическая втулка, в которой выполнена полость, соединяющая коллектор подачи газа с кольцевой щелью, образованной поверхностью сопла и поверхностью конически сужающегося кожуха (Патент Украины №68449, кл.7 H05B 7/22, B23K 9/16, заявл. 18.03.2002, опубл. бюл. №8, 2004).The closest in technical essence and the achieved result (prototype) is an electric arc plasma torch, which includes a dielectric housing in which a hollow copper electrode, a nozzle and a water-cooled solenoid are connected, connected to the current lead and the electrode through an insert terminal in which through channels are made, while the electrode and the nozzle are fixed in the dielectric housing using a dielectric casing with a conical narrowing and an axial hole in its lower part, with a dielectric located between the electrode and the nozzle with a sealing gasket, with tangential openings made in the conical part of the nozzle, according to the invention, a sleeve is tightly attached to the end of the electrode, on the surface of which there are threaded grooves connecting the gas supply channel through the sealed dielectric insert with the internal cavity of the electrode, while in the gap between the nozzle and a casing is installed in the casing, in which a cavity is made connecting the gas supply manifold with an annular gap formed by the surface of the nozzle and the surface of the horse a tapering casing (Patent of Ukraine No. 68449, CL 7 H05B 7/22, B23K 9/16, decl. 03/18/2002, publ. bull. No. 8, 2004).

Существующая в прототипе электрическая связь соленоида с электродом, при одинаковой намотке соленоида, осуществлялась в одной точке, что приводило к прогару полого катода из-за нарушения топографии магнитного поля в месте пайки, что снижает стойкость плазмотрона и, следовательно, надежность работы.Existing in the prototype, the electrical connection of the solenoid with the electrode, with the same winding of the solenoid, was carried out at one point, which led to burnout of the hollow cathode due to a violation of the topography of the magnetic field at the soldering site, which reduces the resistance of the plasma torch and, therefore, the reliability of operation.

В основу изобретения поставлена задача усовершенствования электродугового плазмотрона, в котором путем модификации конструкции основных узлов увеличивается стойкость сопла и полого электрода, обеспечивается стабильность геометрических и энергетических параметров плазменной дуги, увеличивается интенсивность теплосъема с теплонагруженных узлов и за счет этого обеспечивается повышение ресурса работы плазмотрона и его надежность.The basis of the invention is the task of improving the electric arc plasma torch, in which by modifying the design of the main nodes increases the resistance of the nozzle and the hollow electrode, the stability of the geometric and energy parameters of the plasma arc is ensured, the intensity of heat removal from the heat-loaded nodes is increased, and this increases the life of the plasma torch and its reliability .

Поставленная задача решается тем, что в электродуговом плазмотроне, содержащем диэлектрический корпус, в котором установлены полый медный электрод, сопло и водоохлаждаемый соленоид, связанный с токопроводом и электродом через клемму-вставку, каналы подвода воды и газа, при этом электрод и сопло закреплены в диэлектрическом корпусе с помощью цилиндрического кожуха с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части, а в торце медного электрода установлен торцевой завихритель, выполненный в виде втулки, согласно изобретению, между полым медным электродом и соплом установлен кольцевой изолятор, к которому герметично примыкают основной завихритель, выполненный в виде кольца с тангенциальными отверстиями, и кольцевой водяной коллектор, причем основной и торцевой завихрители связаны через золотники перераспределения расхода газа с каналом подачи газа, а соленоид расположен внутри стальной цилиндрической гильзы, один торец которой примыкает к клемме-вставке, установленной в зоне стыка полого медного электрода и кольцевого водяного коллектора, при этом клемма-вставка выполнена со сквозными отверстиями, соединяющими кольцевой водяной коллектор с полостью, образованной стенками электрода и цилиндрической гильзы, причем оси смежных сквозных отверстий расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона, а другой торец гильзы примыкает к диэлектрическому корпусу, при этом соленоид выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода одинакового сечения, выходные концы соленоида, каждый в отдельности, припаяны равномерно по окружности к клемме-вставке, а в торцевом завихрителе выполнены сквозные тангенциальные отверстия, соединяющие канал подачи газа с полостью электрода.The problem is solved in that in an electric arc plasma torch containing a dielectric casing in which a hollow copper electrode, a nozzle and a water-cooled solenoid are connected, connected to the current lead and the electrode through the insert terminal, water and gas supply channels, while the electrode and nozzle are fixed in a dielectric the housing using a cylindrical casing with a conical narrowing and an axial hole in its lower part, and in the end of the copper electrode is installed an end swirler made in the form of a sleeve, according to the invention, between An annular insulator is mounted to the hollow copper electrode and nozzle, to which the main swirl made in the form of a ring with tangential openings is tightly adjacent, and an annular water collector, the main and end swirls are connected through gas flow redistribution spools to the gas supply channel, and the solenoid is located inside steel cylindrical sleeve, one end of which is adjacent to the insert terminal, installed in the joint zone of the hollow copper electrode and the annular water collector, while the terminal is sun The avka is made with through holes connecting an annular water collector with a cavity formed by the walls of the electrode and a cylindrical sleeve, the axes of adjacent through holes being located at an angle of 60-70 ° to each other in projection onto a plane passing through the longitudinal axis of the plasma torch and the other end of the sleeve adjacent to the dielectric housing, while the solenoid is made of several parallel turns of copper insulated wire of the same cross section, the output ends of the solenoid, each individually, are soldered uniformly of circumferentially to the terminal-insertion and in end tangential swirler provided with through holes connecting the gas supply passage with a cavity electrode.

Перераспределение расхода газа с помощью золотников позволяет настроить режим горения дуги с привязкой внутри полости электрода. Увеличение расхода газа через торцевой завихритель передвигает привязку дуги к выходному сечению полого электрода. Уменьшение расхода - передвигает привязку к торцевому завихрителю. Ресурс полого медного электрода зависит от места привязки дуги. Перемещение места привязки дуги по внутренней поверхности электрода вдоль его оси позволяет увеличить ресурс работы этого электрода и всего плазмотрона в целом.Redistribution of gas flow using spools allows you to configure the mode of arc burning with reference inside the electrode cavity. An increase in gas flow through the end swirl moves the arc attachment to the output section of the hollow electrode. Reduced flow - moves the binding to the end swirl. The life of a hollow copper electrode depends on the location of the arc. Moving the arc attachment point along the inner surface of the electrode along its axis allows to increase the life of this electrode and the entire plasma torch as a whole.

Припайка равномерно по окружности клеммы-вставки отдельных проводов соленоида позволяет выровнять топографию магнитного поля внутри полости полого медного электрода, ликвидировать локальную внутреннюю привязку дуги, распределив эту привязку по всей внутренней поверхности электрода, что позволяет увеличить ресурс работы плазмотрона.Soldering evenly around the insertion terminal of the individual solenoid wires allows you to align the topography of the magnetic field inside the cavity of the hollow copper electrode, eliminate the local internal reference of the arc, distributing this reference over the entire inner surface of the electrode, which allows you to increase the life of the plasma torch.

Расположение соленоида внутри стальной цилиндрической гильзы позволяет сформировать поток жидкости, охлаждающей соленоид и полый медный электрод, усилить магнитное поле внутри электрода, а следовательно, увеличить скорость вращения дуги и ресурс электрода.The location of the solenoid inside the cylindrical steel sleeve allows you to form a flow of fluid cooling the solenoid and the hollow copper electrode, strengthen the magnetic field inside the electrode, and therefore increase the speed of rotation of the arc and the resource of the electrode.

Подача воды через сквозные отверстия в клемме-вставке увеличивает теплоотдачу от стенки электрода в зоне шунтирования дуги, поскольку максимальный тепловой поток со стенки снимается в зоне торможения струи. Выполнение сквозных отверстий в клемме-вставке таким образом, что угол между осями смежных отверстий в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона, составляет α=60-70°, при одинаковом количестве отверстий, увеличивает поверхность контакта электрода с охлаждающей жидкостью и позволяет охватить активным охлаждением максимальную площадь электрода. При значении угла α<60° эффективность охлаждения уменьшается. Верхний предел значения угла α=70° ограничен конструктивными возможностями выполнения отверстий в клемме-вставке, предназначенных для перетока охлаждающей жидкости из кольцевого водяного коллектора в полость, образованную стенками электрода и цилиндрической гильзы. Выбранные рациональные значения угла α=60-70° расширяют зону интенсивного охлаждения и обеспечивают возрастание ресурса электрода.The water supply through the through holes in the insert terminal increases the heat transfer from the electrode wall in the arc bypass zone, since the maximum heat flux from the wall is removed in the jet braking zone. The through holes in the terminal insert so that the angle between the axes of adjacent holes in the projection onto a plane passing through the longitudinal axis of the plasma torch is α = 60-70 °, with the same number of holes, increases the contact surface of the electrode with the coolant and allows you to cover active cooling maximum electrode area. When the angle α <60 °, the cooling efficiency decreases. The upper limit of the value of the angle α = 70 ° is limited by the constructive possibilities of making holes in the insert terminal intended for the flow of coolant from the annular water collector into the cavity formed by the walls of the electrode and the cylindrical sleeve. The selected rational values of the angle α = 60-70 ° expand the zone of intensive cooling and provide an increase in the resource of the electrode.

Выполнение сквозных тангенциальных отверстий в торцевом и основном завихрителях позволяет осуществить вихревую стабилизацию дуги при подаче плазмообразующего газа путем интенсивного ее обжатия, что увеличивает теплоизоляцию стенок электрода и сопла от дуги.The implementation of through tangential holes in the end and main swirls allows vortex stabilization of the arc when applying a plasma-forming gas by intensive compression, which increases the thermal insulation of the walls of the electrode and nozzle from the arc.

Сущность изобретения поясняется чертежами,The invention is illustrated by drawings,

где на фиг.1 представлен продольный разрез электродугового плазмотрона с узлами газораспределения;where figure 1 shows a longitudinal section of an electric arc plasma torch with gas distribution units;

на фиг.2 - продольный разрез электродугового плазмотрона с узлами водоохлаждения;figure 2 is a longitudinal section of an electric arc plasma torch with nodes of water cooling;

на фиг.3 - разрез А-А фиг.2;figure 3 is a section aa of figure 2;

на фиг.4 - продольный разрез клеммы-вставки.figure 4 is a longitudinal section of the terminal insert.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, выполненного из диэлектрика, внутри которого расположен полый медный электрод 2, на наружной поверхности которого выполнены канавки 3. Электрод 2 размещен внутри водоохлаждаемого соленоида 4. Соленоид 4 расположен внутри стальной цилиндрической гильзы 5, один торец которой примыкает к клемме-вставке 6, в которой выполнены сквозные отверстия 7, связывающие полость 8, образованную наружными стенками электрода 2 и внутренними стенками гильзы 5, с кольцевым водяным коллектором 9. Оси смежных сквозных отверстий 7 расположены под углом 60-70° друг к другу в проекции на плоскость, проходящую через продольную ось плазмотрона. Другой торец гильзы 5 сопряжен с диэлектрическим корпусом 1. Соленоид 4 выполнен из нескольких параллельных витков медного изолированного провода одинакового сечения и связан, с одной стороны, совместной скруткой с токопроводом 10, а с другой - с электродом 2 через клемму-вставку 6, причем каждый отдельный провод соленоида припаян через равные расстояния по окружности клеммы-вставки 6.The plasma torch consists of a housing 1 made of a dielectric, inside of which there is a hollow copper electrode 2, on the outer surface of which grooves are made 3. The electrode 2 is placed inside the water-cooled solenoid 4. The solenoid 4 is located inside the steel cylindrical sleeve 5, one end of which is adjacent to the terminal insert 6, in which through holes 7 are made, connecting the cavity 8 formed by the outer walls of the electrode 2 and the inner walls of the sleeve 5, with an annular water collector 9. Axes of adjacent through holes 7 laid at an angle of 60-70 ° to one another in the projection onto the plane passing through the longitudinal axis of the plasma torch. The other end of the sleeve 5 is connected to the dielectric housing 1. The solenoid 4 is made of several parallel turns of a copper insulated wire of the same cross section and connected, on the one hand, by joint twisting with the current lead 10, and on the other, with the electrode 2 through the insert terminal 6, each a separate solenoid wire is soldered at equal distances around the circumference of the insert terminal 6.

Полый электрод 2 и сопло 11 закреплены в диэлектрическом корпусе 1 с помощью цилиндрического кожуха 12 с коническим сужением и осевым отверстием в нижней его части. В диэлектрическом корпусе выполнены канал 13 для подвода, канал 14 для отвода охлаждающей жидкости и канал 15 подачи газа.The hollow electrode 2 and the nozzle 11 are fixed in the dielectric housing 1 using a cylindrical casing 12 with a conical narrowing and an axial hole in its lower part. In the dielectric casing, a channel 13 for supplying, a channel 14 for draining the coolant and a channel 15 for supplying gas are made.

В верхней части полого электрода 2 установлен торцевой завихритель 16, выполненный в виде втулки с тангенциальными отверстиями, соединяющими канал 15 подачи газа с внутренней полостью электрода 2. Между полым электродом 2 и соплом 11 установлен кольцевой изолятор 17, к которому герметично примыкает основной завихритель 18, выполненный в виде кольца с тангенциальными отверстиями, соединяющими канал 15 подачи газа с полостью сопла 11.An end swirl 16 is installed in the upper part of the hollow electrode 2, made in the form of a sleeve with tangential openings connecting the gas supply channel 15 to the internal cavity of the electrode 2. An annular insulator 17 is installed between the hollow electrode 2 and the nozzle 11, and the main swirl 18 is tightly adjacent to it. made in the form of a ring with tangential holes connecting the gas supply channel 15 with the nozzle cavity 11.

Основной завихритель 18 и торцевой завихритель 16 связаны через золотники 19 и 20 перераспределения расхода газа с каналом 15 подачи газа.The main swirl 18 and the end swirl 16 are connected through the spools 19 and 20 of the redistribution of gas flow to the channel 15 of the gas supply.

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

Через канал 15 подачи газа плазмообразующий газ проходит золотники 19 и 20 перераспределения расхода газа и поступает на основной завихритель 18 и торцевой завихритель 16. Газовый поток, проходя через тангенциальные отверстия основного завихрителя 18, поступает в сопло 11. Одновременно газ через торцевой завихритель 16 поступает во внутреннюю полость медного электрода 2. В результате смешения воздушных потоков в полости медного электрода образуется зона только с тангенциальным направлением движения газа. В этой зоне формируется минимальное давление газа и именно в этой зоне осуществляется привязка дуги. Путем изменения соотношений расходов газа через торцевой и основной завихрители можно перемещать эту зону по длине электрода, управляя процессом износа его внутренней поверхности.Through the gas supply channel 15, the plasma-forming gas passes the spools 19 and 20 of the redistribution of gas flow and enters the main swirler 18 and the end swirl 16. The gas flow passing through the tangential openings of the main swirl 18 enters the nozzle 11. At the same time, the gas through the end swirl 16 enters inner cavity of the copper electrode 2. As a result of mixing air flows in the cavity of the copper electrode, a zone is formed only with the tangential direction of gas movement. In this zone, the minimum gas pressure is formed and it is in this zone that the arc is linked. By changing the ratios of gas flows through the end and main swirls, this zone can be moved along the length of the electrode, controlling the process of wear on its inner surface.

Охлаждающая жидкость, например вода, подается в плазмотрон по каналу 13, поступает в круговую полость сопла 11 и далее - в кольцевой водяной коллектор 9, из которого через отверстия 7 в клемме-вставке 6 направляется в полость 8, образованную наружными стенками электрода 2 и внутренними стенками цилиндрической гильзы 5, охлаждая при этом соленоид 4 и одновременно электрод 2. Из полости 8 вода направляется в канал 14 отвода.Coolant, for example water, is supplied to the plasma torch through channel 13, enters the circular cavity of the nozzle 11 and then into the annular water collector 9, from which, through the openings 7 in the insert terminal 6, is directed into the cavity 8 formed by the outer walls of the electrode 2 and the inner the walls of the cylindrical sleeve 5, while cooling the solenoid 4 and at the same time the electrode 2. From the cavity 8, water is sent to the channel 14 of the outlet.

Золотники 19 и 20 устанавливают необходимый расход газа, подаваемого на основной и торцевой завихрители. На плазмотрон подают напряжение от источника электропитания и одновременно с помощью осциллятора возбуждают дуговой разряд в промежутке между полым электродом и стенкой сопла. Дуговой разряд выдувают газовым вихрем через канал сопла 11, который, перемещаясь вдоль стенки сопла, обеспечивает тепловую изоляцию столба дуги от стенки канала сопла и не допускает местного перегрева. После шунтирования дугового разряда на разрезаемое изделие, отключают систему возбуждения. Выводят плазмотрон на рабочий режим, устанавливают необходимую скорость перемещения плазмотрона и осуществляют резку изделия.Spools 19 and 20 set the required flow rate of gas supplied to the main and end swirlers. A voltage is supplied to the plasma torch from the power source and, at the same time, an arc discharge is excited with an oscillator in the gap between the hollow electrode and the nozzle wall. The arc discharge is blown by a gas vortex through the nozzle channel 11, which, moving along the nozzle wall, provides thermal insulation of the arc column from the nozzle channel wall and does not allow local overheating. After shunting the arc discharge on the cut product, turn off the excitation system. The plasmatron is brought to the operating mode, the necessary speed of the plasmatron is set, and the product is cut.

Перераспределение газа с помощью золотников и управление столбом дуги с помощью соленоида, а также интенсивный теплосъем позволяют более сильно обжать плазменную дугу и обеспечить тем самым большую производительность устройства для плазменной резки при повышенной стойкости сопла и электрода.The redistribution of gas by means of spools and the control of the arc column by means of a solenoid, as well as intensive heat removal, make it possible to compress the plasma arc more strongly and thereby ensure greater productivity of the plasma cutting device with increased resistance of the nozzle and electrode.

Claims

1. An arc plasma torch containing a dielectric housing in which a hollow copper electrode, a nozzle, and a water-cooled solenoid are connected to the current lead and the electrode through an insert terminal, water and gas supply channels, while the electrode and nozzle are fixed in a dielectric housing using a cylindrical casing with a conical narrowing and an axial hole in its lower part, and in the end of the copper electrode there is an end swirler made in the form of a sleeve, characterized in that between the hollow copper electrode and the nozzle An annular insulator has been updated, to which the main swirl made in the form of a ring with tangential openings is tightly adjacent, and an annular water collector, the main and end swirls being connected through gas flow redistribution spools to the gas supply channel, and the solenoid is located inside a steel cylindrical sleeve, one end which is adjacent to the insert terminal installed in the joint zone of the hollow copper electrode and the annular water collector, while the insert terminal is made with through holes and connecting the annular water collector with the cavity formed by the walls of the electrode and the cylindrical sleeve, and the other end of the sleeve adjoins the dielectric body, the solenoid is made of several parallel turns of a copper insulated wire of the same cross section, the output ends of the solenoid, each individually, are soldered uniformly along the circumference to the insert terminal, and through the end swirl made through tangential holes connecting the gas supply channel with the electrode cavity.

2. The arc plasma torch according to claim 1, characterized in that the axes of adjacent through holes of the insert terminal are located at an angle of 60-70 ° to each other in projection onto a plane passing through the longitudinal axis of the plasma torch.