RU2411112C2 - Method of micro plasma welding of metals - Google Patents
Method of micro plasma welding of metals Download PDFInfo
- Publication number
- RU2411112C2 RU2411112C2 RU2009111176/02A RU2009111176A RU2411112C2 RU 2411112 C2 RU2411112 C2 RU 2411112C2 RU 2009111176/02 A RU2009111176/02 A RU 2009111176/02A RU 2009111176 A RU2009111176 A RU 2009111176A RU 2411112 C2 RU2411112 C2 RU 2411112C2
- Authority
- RU
- Russia
- Prior art keywords
- arc
- plasma
- plasma jet
- working fluid
- welding
- Prior art date
Links
Landscapes
- Arc Welding In General (AREA)
- Plasma Technology (AREA)
Abstract
Description
Настоящее изобретение относится к способам микроплазменной сварки металлов и может быть использовано преимущественно в хозяйственно-бытовых целях, а также в промышленности, ювелирном деле и зубном протезировании.The present invention relates to methods for microplasma welding of metals and can be used mainly for household purposes, as well as in industry, jewelry and dental prosthetics.
Известны способы микроплазменной сварки металлов плазменной струей, совмещенной со столбом сжатой дуги прямого действия, возбуждаемой между электродами плазменной горелки (плазмотрона) и обрабатываемым изделием, а также способы, в которых сварку осуществляют плазменной струей, полученной пропусканием плазмообразующего газа через столб электрической сжатой дуги косвенного действия [1, 2, 3]. При этом самосжатие дуги магнитным полем тока в дуге происходит как универсальное явление на основе «пинч-эффекта».Known methods of microplasma welding of metals by a plasma jet combined with a column of a compressed arc of direct action excited between the electrodes of a plasma torch (plasma torch) and the workpiece, as well as methods in which welding is carried out by a plasma jet obtained by passing a plasma-forming gas through a column of electric compressed arc of indirect action [1, 2, 3]. In this case, the self-compression of the arc by the magnetic field of the current in the arc occurs as a universal phenomenon based on the “pinch effect”.
Упомянутые способы предусматривают формирование плазменной струи путем стабилизации дугового разряда с помощью водяного пара [3] или инертного газа с необходимостью в ряде случаев подавать в плазменную горелку дополнительно другие газы (N2, O2, CO2, и H2), при этом высокая стоимость производства инертного газа, значительные расходы по заправке газовых баллонов и соответствующая громоздкость оборудования ограничивают возможности использования способов [1, 2], особенно для бытовых целей. Для улучшения работы катода и снижения окисляющих свойств плазмы в нее вводят, соответственно, пары спирта [4-5] или аммиак [6].The mentioned methods provide for the formation of a plasma jet by stabilizing an arc discharge using water vapor [3] or an inert gas, with the need in some cases to supply additional gases (N 2 , O 2 , CO 2 , and H 2 ) to the plasma torch, while the cost of inert gas production, the significant costs of refueling gas cylinders and the corresponding cumbersome equipment limit the possibilities of using the methods [1, 2], especially for domestic purposes. To improve the operation of the cathode and reduce the oxidizing properties of the plasma, alcohol vapors [4-5] or ammonia [6], respectively, are introduced into it.
Для использования микроплазменной сварки [2] в хозяйственно-бытовых целях, зубопротезном и ювелирном деле целесообразно обеспечить получение относительно тонкой плазменной струи с поперечным сечением 1-10 мм2, длиной факела 10-100 мм, раскрытием плазменного факела струи в пределах малого телесного угла и температурой на срезе сопла-анода несколько тысяч градусов с помощью, например, малоамперных (до 30 А) плазменных горелок, например [3] (прототип), с контактным возбуждением дуги подвижным стержневым катодом, в которых для генерации плазмы применяют преимущественно электрическую дугу косвенного действия.For the use of microplasma welding [2] for household purposes, denture and jewelry, it is advisable to obtain a relatively thin plasma jet with a cross section of 1-10 mm 2 , a torch length of 10-100 mm, the disclosure of a plasma torch stream within a small solid angle and the temperature at the exit section of the anode nozzle is several thousand degrees using, for example, low-ampere (up to 30 A) plasma torches, for example [3] (prototype), with contact excitation of the arc by a movable rod cathode, in which, for plasma generation, They mainly use an indirect electric arc.
Вода как плазмообразующая жидкость, используемая в прототипе, содержит кроме водорода, обладающего восстановительными свойствами, сильнейший окислитель - кислород. Поэтому для сварки плазменную струю целесообразно обогатить водородом путем добавления в воду водородосодержащих добавок с образованием гомогенной плазмообразующей смеси (раствора), которая при испарении образует однородные по составу пары, обеспечивающие стабильность состава и восстановительные свойства плазмы. При использовании водорастворимых спиртов следует учитывать, что полная гомогенизация наиболее употребимой 30-60%-ой плазмообразующей рабочей жидкости при температуре не выше комнатной происходит в течении нескольких часов с образованием раствора спиртогидратов. Последний процесс, происходящий на молекулярном уровне, может быть резко ускорен применением известных методов гомогенизации смесей, например, добавлением в воду аммиака NH3 в виде его водного раствора (нашатырного спирта). При этом известный эффект квантомеханической конверсии молекул аммиака, проявляющих себя как микровибраторы, при концентрации нашатырного спирта от 3% и выше обеспечивает приемлемую по продолжительности гомогенизацию смеси. Превышение 8%-ой концентрации наиболее употребимого 10%-го нашатырного спирта в рабочей жидкости вызывает появление заметного неприятного запаха аммиака, раздражающего в допустимых пределах органы дыхания человека, поэтому целесообразно применять 3-8%-ую добавку нашатырного спирта.Water as a plasma-forming liquid used in the prototype contains, in addition to hydrogen, which has reducing properties, the strongest oxidizing agent is oxygen. Therefore, it is advisable to enrich the plasma jet with hydrogen by adding hydrogen-containing additives to water with the formation of a homogeneous plasma-forming mixture (solution), which upon evaporation forms vapor uniform in composition, ensuring the stability of the composition and the reducing properties of the plasma. When using water-soluble alcohols, it should be borne in mind that the complete homogenization of the most used 30-60% plasma-forming working fluid at a temperature not higher than room temperature occurs within several hours with the formation of a solution of alcohol hydrates. The latter process, which takes place at the molecular level, can be dramatically accelerated by the use of well-known methods of homogenizing mixtures, for example, by adding ammonia NH 3 in water in the form of its aqueous solution (ammonia). Moreover, the well-known effect of the quantum-mechanical conversion of ammonia molecules, which manifest themselves as microvibrators, at a concentration of ammonia of 3% or higher, ensures homogenization of the mixture that is acceptable in duration. Exceeding the 8% concentration of the most used 10% ammonia in the working fluid causes a noticeable unpleasant odor of ammonia, which irritates the human respiratory system within acceptable limits, so it is advisable to use a 3-8% additive of ammonia.
Экспериментально показано [4,5], что хороший результат по предотвращению окисления электродов горелки и обрабатываемого при сварке металла дает использование в качестве добавки к воде водородосодержащих ингредиентов, таких как углеводороды, их водорастворимые производные (низшие алифатические спирты и ацетон), а оптимальным с точки зрения энергетики и прочности сварного шва является содержание указанных добавок в плазмообразующем растворе в пределах 30-60 объем.%. Так, например, при уменьшении содержания этилового спирта в растворе ниже нижнего указанного предела увеличивается присутствие окалины в сварном соединении, что в свою очередь ухудшает его прочностные характеристики. При превышении содержания спиртов и других добавок в плазмообразующем растворе выше верхнего предела или при недостаточной растворимости их в воде наблюдается расслоение смеси и это приводит к неравномерному ее испарению, шунтированию и неустойчивому горению дуги. К тому же при этом падает энтальпия пара, что в свою очередь понижает температуру плазменной струи. Наилучший результат для сварки металлов дало использование горелки, аналогичной в [7], в которой плазмообразующий пар получен непосредственно в ней из жидкости, содержащей 60 объем.% деионизованной или дистиллированной воды и 40 объем.% этилового спирта.It was experimentally shown [4,5] that a good result in preventing the oxidation of the burner electrodes and the metal processed during welding is obtained by using hydrogen-containing ingredients, such as hydrocarbons, their water-soluble derivatives (lower aliphatic alcohols and acetone) as an additive to water, and the optimal point view of energy and the strength of the weld is the content of these additives in a plasma-forming solution in the range of 30-60 volume.%. So, for example, with a decrease in the ethanol content in the solution below the lower specified limit, the presence of scale in the welded joint increases, which in turn worsens its strength characteristics. If the content of alcohols and other additives in the plasma-forming solution is exceeded above the upper limit or if their solubility in water is insufficient, the mixture stratifies and this leads to its uneven evaporation, shunting, and unstable burning of the arc. In addition, the vapor enthalpy decreases, which in turn lowers the temperature of the plasma jet. The best result for welding metals was the use of a torch similar to [7], in which plasma-forming steam was obtained directly from a liquid containing 60 vol.% Deionized or distilled water and 40 vol.% Ethyl alcohol.
Известные способы ограничивают срок эксплуатации электродного узла и не обеспечивают в плазменных горелках хорошей стабилизации тонкой плазменной струи в случае, когда ее диаметр соизмерим с диаметром столба дуги. Кроме того, прототип [3] не реализует микроплазменную сварку в полной мере, так как водяной пар образует окислительную плазменную среду. А при использовании спиртов в качестве добавок в плазмообразующую жидкость наблюдается также загрязнение изолятора в электродном узле горелки нежелательными осаждениями. Для удобства работы особенно при низких температурах целесообразно повысить скорость растворимости спирта в воде, понизить величину поверхностного натяжения рабочей жидкости с целью повышения ее текучести, смачиваемости жидкостью влаговпитывающих материалов в соответствующем резервуаре горелок и сокращения, в частности, времени заполнения в горелке этого резервуара рабочей жидкостью. Из-за тепловой инерционности горелок указанного типа при скачкообразном резком изменении мощности дуги в рабочем режиме последняя, как правило, гаснет.Known methods limit the life of the electrode assembly and do not provide good stabilization of a thin plasma jet in plasma torches when its diameter is commensurate with the diameter of the arc column. In addition, the prototype [3] does not fully realize microplasma welding, since water vapor forms an oxidizing plasma medium. And when using alcohols as additives in a plasma-forming liquid, contamination of the insulator in the electrode assembly of the burner with unwanted precipitation is also observed. For convenience, especially at low temperatures, it is advisable to increase the rate of solubility of alcohol in water, to lower the surface tension of the working fluid in order to increase its fluidity, wettability of the moisture-absorbing materials in the respective burner tank and reduce, in particular, the time it takes to fill the tank with the working fluid in the burner. Due to the thermal inertia of the burners of the indicated type, with an abrupt sharp change in the arc power in the operating mode, the latter usually goes out.
Известно [1], что при сварке в среде многоатомных газов (N2, O2, CO2, Н2) протекает эндотермическая реакция диссоциации молекул с увеличением давления и объема, которая протекает в активных пятнах дуги. Эффект увеличения объема тем больше, чем больше атомов в молекуле газа, введенного в плазменную струю. Избыточное давление при этом в зоне активного пятна, вызванное нагревом и диссоциацией молекул газа, повышает скорость V истечения плазмообразующего газа вдоль электродов в межэлектродном промежутке. Наличие в плазме водорода, имеющего высокий потенциал ионизации, повышает рабочее напряжение на дуге [1], что позволяет уменьшить межэлектродный промежуток и, соответственно, увеличить V. Последнее способствует охлаждению электродов и замедляет их эрозию. Таким образом, следует ожидать, что введение в плазмообразующую среду водородосодержащих многоатомных молекул, например, аммиака, повысит в плазме содержание атомов водорода и будет положительно влиять на работоспособность электродного узла в горелке с возможностью уменьшения его размеров и веса. Кроме того, известно [1], что наличие водорода в плазме позволяет в зависимости от состава, давления и расхода плазмообразующего газа, расстояния между электродами, формы и размеров выходного сопла возбудить в плазме ультразвуковые колебания. Последние повышают, в частности, мощность дуги и эффективность плазменной обработки, а увеличение концентрации аммиака (NH3) в водном растворе уменьшает его поверхностное натяжение, увеличивая смачиваемость и текучесть, а также скорость растворения в воде спиртов, препятствует осаждению загрязнений при температуре кипения раствора.It is known [1] that when welding in a medium of polyatomic gases (N 2 , O 2 , CO 2 , H 2 ), an endothermic reaction of dissociation of molecules proceeds with an increase in pressure and volume, which proceeds in active spots of the arc. The effect of increasing the volume is the greater, the more atoms in a gas molecule are introduced into the plasma jet. In this case, the excess pressure in the active spot zone, caused by heating and dissociation of gas molecules, increases the velocity V of the outflow of the plasma-forming gas along the electrodes in the interelectrode gap. The presence of hydrogen with a high ionization potential in the plasma increases the working voltage across the arc [1], which allows one to decrease the interelectrode gap and, accordingly, increase V. The latter helps to cool the electrodes and slows down their erosion. Thus, it should be expected that the introduction of hydrogen-containing polyatomic molecules, for example, ammonia, into the plasma-forming medium will increase the content of hydrogen atoms in the plasma and will positively affect the efficiency of the electrode assembly in the burner with the possibility of reducing its size and weight. In addition, it is known [1] that the presence of hydrogen in a plasma allows, depending on the composition, pressure, and flow rate of the plasma-forming gas, the distance between the electrodes, the shape and size of the output nozzle, to excite ultrasonic vibrations in the plasma. The latter increase, in particular, the arc power and plasma processing efficiency, and an increase in the concentration of ammonia (NH 3 ) in an aqueous solution reduces its surface tension, increasing the wettability and fluidity, as well as the dissolution rate of alcohols in water, and prevents the deposition of contaminants at the boiling point of the solution.
Известно [8], что дуга, горящая в плазменной горелке в узком канале истечения плазмообразующего газа и занимающая практически все его поперечное сечение, вызывает перегрев электродов, но обеспечивает максимально возможный нагрев газа, и на выходе из канала плазменная струя имеет среднюю температуру, равную температуре дуги. На практике в горелках для повышения этой температуры и увеличения срока службы электродного узла увеличивают интенсивность охлаждения периферийной зоны плазменного потока или ограничивают поперечный размер его и дуги стенкой канала, а также диафрагмой [9]. При этом наибольший эффект теплоизоляции дуги от стенок канала достигается при совместном использовании стабилизирующей закрутки в межэлектродном пространстве рабочего газа и его дополнительного сжатия в выходном канале, например, диафрагмой [8]. При отсутствии диафрагмы закрутка газа приводит к образованию тороидального вихря вблизи электродов, что увеличивает тепловую границу дуги и не способствует ее стабилизации [8]. Поэтому для необходимой локализации дуги в приосевой области, наряду с закруткой газа, необходимо в отличие от прототипа диафрагмировать выходное сечение канала, которым определяются не только препятствующая шунтированию дуги устойчивость поверхности дугового столба, но и угол раскрытия факела, температура, давление, расход рабочего газа и скорость плазменной струи, т.е. возможно более эффективное управление параметрами последней.It is known [8] that an arc burning in a plasma torch in a narrow channel of the plasma-forming gas outflow and occupying almost its entire cross section causes overheating of the electrodes, but provides the maximum possible heating of the gas, and at the exit from the channel the plasma jet has an average temperature equal to the temperature arcs. In practice, in burners, in order to increase this temperature and increase the service life of the electrode assembly, the cooling intensity of the peripheral zone of the plasma stream is increased or the transverse dimension of it and the arc is limited by the channel wall and the diaphragm [9]. In this case, the greatest effect of thermal insulation of the arc from the channel walls is achieved with the joint use of a stabilizing swirl in the interelectrode space of the working gas and its additional compression in the output channel, for example, by a diaphragm [8]. In the absence of a diaphragm, gas swirling leads to the formation of a toroidal vortex near the electrodes, which increases the thermal boundary of the arc and does not contribute to its stabilization [8]. Therefore, for the necessary localization of the arc in the near-axis region, along with gas swirling, it is necessary, in contrast to the prototype, to diaphragm the channel exit section, which determines not only the arc surface stability preventing arc shunting, but also the torch opening angle, temperature, pressure, working gas flow rate and velocity of a plasma jet, i.e. Perhaps more efficient control of the latter.
Известно, что другим способом получить тонкую плазменную струю, повысить плотность тока в дуге и, соответственно, температуру плазмы будет использование конфузора - сходящегося профилированного по потоку стабилизирующего канала, например, приблизительно конической формы. Оптимальный профиль конфузорного канала во избежание нежелательных вихревых возмущений в потоке газа должен обеспечивать постоянство радиальной составляющей скорости газа вдоль всего канала на любом заданном радиусе. За счет радиальной составляющей скорости газа в конфузоре будет происходить как бы вдув относительно холодного газа в дугу и повышение температуры сопутствующего плазменного потока. Таким образом, следует ожидать, что вблизи конфузора и далее вблизи диафрагмы радиальный конвективный поток газа в направлении к оси будет не только стабилизировать дугу, но и способствовать возвращению тепла, переносимого теплопроводностью обратно в столб дуги («термический пинч-эффект»), и частично экранировать стенки сопла-анода горелки от теплового воздействия дуги. Данные процессы, очевидно, аналогичны тем, которые протекают при известном пористом вдуве холодного рабочего газа через стенки электродного узла плазменной горелки с целью охлаждения и защиты электродов, что способствует уменьшению их размеров и веса.It is known that another way to obtain a thin plasma jet, to increase the current density in the arc and, accordingly, the temperature of the plasma, will be to use a confuser - a converging stabilized channel profiled along the stream, for example, approximately conical in shape. The optimal profile of the confuser channel in order to avoid unwanted eddy disturbances in the gas flow should ensure the constancy of the radial component of the gas velocity along the entire channel at any given radius. Due to the radial component of the gas velocity in the confuser, a relatively cold gas will be blown into the arc and the temperature of the accompanying plasma flow will increase. Thus, it should be expected that near the confuser and further near the diaphragm, the radial convective gas flow in the direction of the axis will not only stabilize the arc, but also contribute to the return of heat transferred by the thermal conductivity back to the arc column (“thermal pinch effect”), and partially to shield the walls of the nozzle-anode of the burner from the thermal effect of the arc. These processes are obviously similar to those that occur with the known porous injection of cold working gas through the walls of the electrode assembly of the plasma torch in order to cool and protect the electrodes, which helps to reduce their size and weight.
В дополнение к известному самосжатию дуги возникающим магнитным полем (пинч-эффект), наличие диафрагмы в канале вызывает не только «термический пинч-эффект», который усиливает действие магнитного пинч-эффекта, но и приводит кроме термоизоляции сопла к возникновению аксиального (осевого) градиента давления собственного магнитного поля плазмы, повышающего температуру и скорость ее истечения из сопла вплоть до значений, превышающих скорость звука [9]. Таким образом, изменение и подбор конфигурации выходного канала позволяет управлять в горелке положением области горения дуги и формированием параметров плазменной струи. Кроме того, известно [8], что вихревая стабилизация позволяет значительно сократить длину канала сопла, облегчая «вытягивание» дуги вдоль него, а одновременное наложение осевого магнитного поля, стабилизирующее и сжимающее дугу, дает возможность регулировать степень сжатия столба дуги независимо от расхода рабочего газа и обеспечить вращение анодного пятна по внутренним стенкам сопла-анода с целью повысить стойкость последнего, и, соответственно, уменьшить размеры и вес сопла-анода.In addition to the known self-compression of the arc by the emerging magnetic field (pinch effect), the presence of the diaphragm in the channel causes not only the “thermal pinch effect”, which enhances the effect of the magnetic pinch effect, but also leads to the appearance of an axial (axial) gradient in addition to thermal insulation of the nozzle. pressure of the plasma intrinsic magnetic field, which increases the temperature and the rate of its outflow from the nozzle up to values exceeding the speed of sound [9]. Thus, changing and selecting the configuration of the output channel allows you to control the position of the arc burning area in the burner and the formation of the parameters of the plasma jet. In addition, it is known [8] that vortex stabilization can significantly reduce the length of the nozzle channel, facilitating the “stretching” of the arc along it, and the simultaneous application of an axial magnetic field, stabilizing and compressing the arc, makes it possible to control the compression ratio of the arc column regardless of the flow rate of the working gas and to ensure the rotation of the anode spot on the inner walls of the anode nozzle in order to increase the resistance of the latter, and, accordingly, reduce the size and weight of the anode nozzle.
Высокая скорость истечения плазменной струи может оказаться нежелательной при пайке и сварке, так как под действием газодинамического напора жидкий металл будет выдавливаться (выдуваться) из зоны обработки, поэтому целесообразно предусмотреть газодинамическое торможение струи на выходе из сопла-анода в диффузоре, выполненном в виде чашеобразного углубления в торце сопла-анода горелки. Дополнительно такой диффузор при высоком давлении рабочего газа способствует замыканию дуги косвенного действия не на диафрагме, а на внутренней поверхности диффузора, предохраняя диафрагму от повышенной эрозии и сохраняя постоянным величину критического сечения диафрагмы. Кроме того, при этом вредное для глаз ультрафиолетовое излучение плазмы будет направлено преимущественно вдоль струи в виде достаточно узкого пучка. Очевидно, что форма диффузора в виде параболоида вращения является наиболее оптимальной, а его наличие в аноде уменьшает вес последнего.A high flow rate of a plasma jet may be undesirable during soldering and welding, since under the action of a gas-dynamic pressure, liquid metal will be squeezed out (blown out) from the treatment zone; therefore, it is advisable to provide gas-dynamic braking of the jet at the outlet of the anode nozzle in a diffuser made in the form of a cup-shaped recess at the end of the nozzle-anode of the burner. In addition, such a diffuser at high pressure of the working gas contributes to the closure of an indirect arc not on the diaphragm, but on the inner surface of the diffuser, protecting the diaphragm from increased erosion and keeping the critical cross section of the diaphragm constant. In addition, in this case, ultraviolet radiation of the plasma harmful to the eyes will be directed mainly along the jet in the form of a rather narrow beam. Obviously, the shape of the diffuser in the form of a rotation paraboloid is the most optimal, and its presence in the anode reduces the weight of the latter.
Учитывая теплоэнергетическую инерционность горелок, в которых плазмообразующий пар вырабатывается непосредственно в горелке за счет передачи тепла горящей дуги по деталям горелки к испарителю, необходимы меры обеспечения устойчивого горения дуги как в пусковом режиме, так и в рабочем режиме при необходимости изменения рабочего тока или напряжения на дуге, которые должны изменяться плавно со скоростью, выбираемой из условия непрерывности горения дуги. В пусковом режиме для инициирования надежного поджига дуги целесообразно обеспечить максимально возможный пусковой ток с обеспечением его плавного снижения до величины рабочего тока в течение некоторого промежутка времени со скоростью, экспериментально подбираемой из того же условия.Considering the heat and energy inertia of burners in which plasma-forming steam is generated directly in the burner due to the transfer of heat of the burning arc through the burner parts to the evaporator, measures are necessary to ensure stable burning of the arc both in the starting mode and in the operating mode if it is necessary to change the operating current or voltage on the arc which should vary smoothly with a speed selected from the condition of continuity of arc burning. In the starting mode, in order to initiate reliable ignition of the arc, it is advisable to ensure the maximum possible starting current with a smooth decrease to the operating current for a certain period of time at a speed experimentally selected from the same condition.
Изобретение направлено на решение задачи создания способа микроплазменной сварки металлов относительно тонкой плазменной струей с использованием пара рабочей жидкости в качестве плазмообразующей среды в отличие от прототипа в виде водного раствора спирта с добавлением нашатырного спирта, обеспечивающего снижение не только окисляющих свойств плазменной струи, но и повышение стабильности горения дуги, увеличение срока службы электродов малоамперных горелок, применяемых преимущественно в хозяйственно-бытовых целях, и на удобство работы с ними при низких температурах, на реализацию автоматического (программируемого) регулирования тока в дуге в пусковом и переходном режимах работы горелки.The invention is aimed at solving the problem of creating a method of microplasma welding of metals with a relatively thin plasma jet using steam of a working fluid as a plasma-forming medium, in contrast to the prototype in the form of an aqueous solution of alcohol with the addition of ammonia, which reduces not only the oxidizing properties of the plasma jet, but also increase stability arc burning, increasing the service life of electrodes of small-ampere burners, used mainly for household purposes, and for the convenience of work at low temperatures, to implement automatic (programmable) control of the current in the arc in starting and transient burner operation modes.
Парообразование может быть произведено непосредственно в горелке путем испарения рабочей жидкости, заполняющей специальный встроенный в горелку резервуар, за счет тепловой энергии, выделяемой горящей дугой на электродах, при этом конструктивно может быть значительно снижена тепловая нагрузка на электроды за счет теплопередачи к испарителю, а пониженное поверхностное натяжение рабочей жидкости при добавлении в нее нашатырного спирта позволяет возбудить в дуге ультразвуковые колебания и увеличить скорость заполнения ею резервуара в горелке, сокращая время подготовки к работе, так как пропитка рабочей жидкостью влаговпитывающего материала в резервуаре требует определенного времени.Vaporization can be performed directly in the burner by evaporation of the working fluid filling the special tank built into the burner, due to the thermal energy released by the burning arc on the electrodes, while the thermal load on the electrodes can be significantly reduced constructively due to heat transfer to the evaporator, and lower surface the tension of the working fluid when ammonia is added to it allows you to excite ultrasonic vibrations in the arc and increase the speed of filling the reservoir with it burner, reducing the preparation time for work, since the impregnation of the moisture-absorbing material in the tank with the working fluid requires a certain time.
Осуществление заявленного способа целесообразно посредством плазменных горелок прямой полярности с вихревой стабилизацией в межэлектродном промежутке дугового разряда косвенного действия, сжатого как собственным магнитным полем, так и, например, наложением внешнего осевого магнитного поля. При этом тепловая энергия и в частном случае энергия ультразвуковых колебаний передается обрабатываемому изделию только плазменной струей, истекающей из сопла-анода горелки со специально подобранным профилем канала истечения плазмы в виде конфузора, диафрагмы и диффузора. Газодинамическое торможение плазменной струи в диффузоре позволяет более эффективно управлять формированием плазменной струи при различных видах сварки. При этом достигается достаточная для использования в бытовых условиях электробезопасность и простота оборудования, так как отсутствует воздействие электрической дуги непосредственно на обрабатываемую поверхность, а ультрафиолетовое излучение в виде узкого пучка направлено только вдоль оси выходного канала. Возможно возбуждение в зоне обработки ультразвуковых колебаний путем соответствующей модуляции тока или напряжения на дуге, или соответствующим подбором формы канала и диаметра используемой диафрагмы, а также повышением содержания в плазме атомов водорода за счет добавления в рабочую жидкость достаточного количества водного аммиачного раствора (нашатырного спирта).The implementation of the inventive method is expedient by means of plasma torches of direct polarity with vortex stabilization in the interelectrode gap of an indirect arc discharge, compressed both by its own magnetic field and, for example, by applying an external axial magnetic field. In this case, thermal energy and, in a particular case, the energy of ultrasonic vibrations is transmitted to the workpiece only by a plasma jet flowing out of the burner anode nozzle with a specially selected profile of the plasma flow channel in the form of a confuser, diaphragm and diffuser. Gas-dynamic braking of the plasma jet in the diffuser makes it possible to more effectively control the formation of a plasma jet in various types of welding. At the same time, electrical safety and simplicity of equipment sufficient for domestic use is achieved, since there is no effect of an electric arc directly on the treated surface, and ultraviolet radiation in the form of a narrow beam is directed only along the axis of the output channel. It is possible to excite ultrasonic vibrations in the processing zone by appropriate modulation of the current or voltage on the arc, or by appropriate selection of the channel shape and diameter of the diaphragm used, as well as by increasing the content of hydrogen atoms in the plasma by adding a sufficient amount of aqueous ammonia solution (ammonia) to the working fluid.
Технический результат предлагаемого изобретения заключается в увеличении скорости заполнения встроенного в горелку резервуара рабочей жидкостью в виде водного раствора спирта с добавлением нашатырного спирта, повышении срока эксплуатации электродного узла и стабилизации дуги, возможности обеспечения устойчивого горения дуги на всех режимах работы горелки и возбуждении в плазме ультразвуковых колебаний.The technical result of the invention consists in increasing the speed of filling the reservoir built into the burner with a working fluid in the form of an aqueous solution of alcohol with the addition of ammonia, increasing the life of the electrode assembly and stabilizing the arc, the possibility of ensuring stable arc burning in all torch operation modes and excitation of ultrasonic vibrations in the plasma .
Указанный технический результат достигается тем, что в способе микроплазменной сварки металлов, включающем поджигание дуги в пусковом режиме и получение плазменной струи путем обжатия дуги плазмообразующими парами рабочей жидкости, испаряемой за счет тепла, выделяемого на электродах электрической сжатой дугой в плазменной горелке, в качестве рабочей жидкости используют смесь воды и растворителя в виде спирта с добавлением нашатырного спирта, дополнительно сжимают дугу и плазменную струю с помощью профилированного канала переменного сечения сопла-анода, выполненного в виде конфузора, диафрагмы и диффузора, а сварку осуществляют при помощи сжатой дуги косвенного действия, при этом в плазменной струе возбуждают ультразвуковые колебания и осуществляют регулирование тока в дуге с помощью программируемого электронного регулятора, задающего скорость изменения тока в дуге, исходя из условий обеспечения устойчивого горения дуги.The specified technical result is achieved by the fact that in the method of microplasma welding of metals, including ignition of the arc in the starting mode and obtaining a plasma jet by compressing the arc by plasma-forming pairs of the working fluid, evaporated due to the heat generated on the electrodes by an electric compressed arc in the plasma torch, as the working fluid use a mixture of water and a solvent in the form of alcohol with the addition of ammonia, additionally compress the arc and the plasma jet using a profiled channel of alternating section of the anode nozzle, made in the form of a confuser, diaphragm and diffuser, and welding is performed using a compressed arc of indirect action, while the ultrasonic vibrations are excited in the plasma jet and the current in the arc is regulated using a programmable electronic controller that sets the rate of change of current in the arc based on the conditions for ensuring stable arc burning.
Возможна реализация способа, при которой рабочую жидкость приготовляют добавлением в водный раствор этилового спирта 3-8% нашатырного спирта (10% водного раствора аммиака).It is possible to implement a method in which a working fluid is prepared by adding 3-8% ammonia (10% aqueous ammonia) to an aqueous solution of ethyl alcohol.
Ниже приведен пример реализации заявленного способа.The following is an example implementation of the claimed method.
На чертеже схематично изображено устройство, осуществляющее микроплазменную сварку металлов плазменной струей, полученной при помощи дуги косвенного действия. Оно состоит из плазменной горелки, включающей катод 1, сопло-анод 2 с профилированным каналом для формирования плазменной струи в виде конфузора 3, диафрагмы 4 и диффузора 5, а также изолятора 6 и источника питания 7. Стержневой цилиндрический катод заключен в изолирующей трубке 8, на которую намотан провод 9 в виде спирали для возбуждения стабилизирующего осевого магнитного поля 10. Патрубок 11 служит для заполнения рабочей жидкостью резервуара 12, внутри которого находится влаговпитывающая коалиновая вата. Источник питания содержит программируемый автоматический регулятор тока 13, который в частном случае может быть электрически связан с датчиком ультразвуковых колебаний 14, сигнализирующим о выходе горелки на рабочий режим микроплазменной сварки с применением ультразвука. В качестве рабочей жидкости используют, например, смесь воды 60%, этилового спирта 35% и нашатырного спирта 35% (10-ти процентного водного раствора аммиака NH3).The drawing schematically shows a device that performs microplasma welding of metals with a plasma jet obtained using an indirect arc. It consists of a plasma torch, including a cathode 1, a nozzle-anode 2 with a profiled channel for forming a plasma jet in the form of a confuser 3, a diaphragm 4 and a diffuser 5, as well as an insulator 6 and a power source 7. The rod-shaped cylindrical cathode is enclosed in an insulating tube 8, on which a wire 9 is wound in the form of a spiral to excite a stabilizing axial magnetic field 10. The nozzle 11 serves to fill the reservoir 12 with a working fluid, inside which there is moisture-absorbing coalin wool. The power source contains a programmable automatic current regulator 13, which in a particular case can be electrically connected to an ultrasonic vibration sensor 14, which signals the burner entering the operating mode of microplasma welding using ultrasound. As the working fluid, for example, a mixture of water 60%, ethyl alcohol 35% and ammonia 35% (10% aqueous solution of ammonia NH 3 ) is used.
Обработку в плазменной струе 15 производят следующим образом. Открывают патрубок 11 резервуара 12 и заливают в него рабочую жидкость. Закрывают патрубок, от источника питания подают управляемый пусковой ток (далее - рабочий ток) и напряжение между катодом и соплом-анодом. Поджигают дугу, например, путем возвратно-поступательного перемещения катода до соприкосновения с соплом-анодом и переводят горелку в рабочий режим, плавно устанавливая рабочий ток в дуге, с помощью регулятора 13.Processing in a plasma jet 15 is as follows. The pipe 11 of the tank 12 is opened and the working fluid is poured into it. The pipe is closed, a controlled starting current (hereinafter referred to as the operating current) and voltage between the cathode and the anode nozzle are supplied from the power source. The arc is ignited, for example, by reciprocating the cathode until it contacts the anode nozzle and transferring the burner to operating mode, smoothly setting the operating current in the arc, using the regulator 13.
Тепловая энергия, выделяемая горящей дугой на сопле-аноде и катоде, испаряет жидкость, находящуюся в резервуаре. Образовавшиеся пары поступают в межэлектродное пространство по тангенциальным каналам 16 сопла-анода и, завихряясь, обтекают катод и проходят через столб дуги и далее через конфузор, диафрагму и диффузор, обеспечивая действие вышеописанных эффектов стабилизации, дополнительного сжатия дуги, возбуждение ультразвука и формирования плазменной струи 15 в профилированном канале ее истечения.The heat energy released by the burning arc at the anode nozzle and cathode evaporates the liquid in the tank. The resulting pairs enter the interelectrode space through the tangential channels 16 of the anode nozzle and, swirling, flow around the cathode and pass through the arc column and then through the confuser, diaphragm and diffuser, providing the effects of the stabilization effects described above, additional compression of the arc, excitation of ultrasound and the formation of a plasma jet 15 in the profiled channel of its expiration.
Плазмообразующий пар в канале сопла-анода нагревается до высоких температур и переходит в плазменное состояние, а канал образует на выходе сопла-анода плазменную струю. Струю направляют на место обработки материала, например, на место микроплазменной сварки. Ток дуги изменяют посредством регулятора 13 в пусковом, рабочем и переходном режимах, когда необходимо плавно менять величину рабочего тока в процессе плазменной обработки. Датчик 14 служит индикатором выхода на рабочий режим обработки, при необходимости возбуждения в дуге ультразвуковых колебаний. В отличие от прототипа осуществляется дополнительное сжатие и стабилизация дуги 17 вблизи катода с вращением анодного пятна по внутренней поверхности сопла-анода, которое может более эффективно достигаться возбуждением магнитного поля 10 обмоткой 9 на изоляционной трубке 8. В отличие от прототипа и аналогов плавная регулировка тока в дуге достигается не механическим путем, а с помощью программируемого электронного регулятора, задающего скорость изменения тока в дуге автоматически, исходя из условия, при котором дуга горит устойчиво в процессе регулировки.The plasma-forming vapor in the channel of the anode nozzle is heated to high temperatures and goes into the plasma state, and the channel forms a plasma jet at the exit of the anode nozzle. The jet is directed to the place of processing of the material, for example, to the place of microplasma welding. The arc current is changed by the regulator 13 in the starting, operating and transient modes, when it is necessary to smoothly change the magnitude of the operating current during the plasma treatment. The sensor 14 serves as an indicator of the exit to the operating mode of processing, if necessary, the excitation in the arc of ultrasonic vibrations. In contrast to the prototype, additional compression and stabilization of the arc 17 is carried out near the cathode with the rotation of the anode spot along the inner surface of the anode nozzle, which can be more efficiently achieved by excitation of the magnetic field 10 by winding 9 on the insulating tube 8. In contrast to the prototype and analogs, the current is continuously adjusted in the arc is not achieved mechanically, but using a programmable electronic controller that sets the rate of change of current in the arc automatically, based on the condition under which the arc burns steadily in process adjustment.
Чтобы предотвратить выдувание жидкого металла из сварочной ванны в отличие от прототипа используют сопло-анод со специально подобранным диффузором в канале сопла и регулируют величину тока в дуге, чтобы обеспечить устойчивую стабилизацию дуги и необходимые параметры плазменной струи.To prevent molten metal from being blown out of the weld pool, in contrast to the prototype, an anode nozzle with a specially selected diffuser in the nozzle channel is used and the current in the arc is regulated to ensure stable arc stabilization and the necessary parameters of the plasma jet.
Вариант выполнения микроплазменной сварки на примере изготовления платиново-родиевой термопары.An embodiment of microplasma welding using the example of manufacturing a platinum-rhodium thermocouple.
Складывают параллельно концы двух проволок диаметром 0,2 мм, материал одной из которых платина, материал другой - родий (тугоплавкие металлы), скручивают концы на длину 2 мм. Включают плазменную горелку ГП-35 аппарата для микроплазменной сварки «Горынычъ» с диаметром сварочного сопла 2,1 мм (максимальный диаметр диффузора 3,5 мм) при рабочем токе в дуге 3 А и напряжении 130-135 В. На расстоянии 15 мм от среза сопла-анода горелки в плазменную струю вносят скрученные концы упомянутых проволок и извлекают их из плазмы после образования на концах шарика из платиново-родиевого сплава, который совместно с двумя поволоками образует термопару.The ends of two wires with a diameter of 0.2 mm are folded in parallel, the material of one of which is platinum, the material of the other is rhodium (refractory metals), twist the ends to a length of 2 mm. Turn on the GP-35 plasma torch of the Gorynych apparatus for microplasma welding with a welding nozzle diameter of 2.1 mm (maximum diffuser diameter of 3.5 mm) with a working current in the arc of 3 A and a voltage of 130-135 V. At a distance of 15 mm from the cut the nozzle-anode of the burner introduces the twisted ends of the mentioned wires into the plasma jet and remove them from the plasma after the formation of a platinum-rhodium alloy ball at the ends, which together with the two wires forms a thermocouple.
Источники информацииInformation sources
1. Под ред. Ольшанского Н.А. Сварка в машиностроении (справочник). Том 1. - М.: Машиностроение, 1978, с.233, 257, 447-461.1. Ed. Olshansky N.A. Welding in mechanical engineering (reference). Volume 1. - M .: Mechanical Engineering, 1978, p. 233, 257, 447-461.
2. Под ред. Патона Б.Е. Микроплазменная сварка. - Киев: Наукова Думка, 1979, с.19-21.2. Ed. Paton B.E. Microplasma welding. - Kiev: Naukova Dumka, 1979, p.19-21.
3. Патент RU №2066263 C1.3. Patent RU No. 2066263 C1.
4. А.с. СССР №844178.4. A.S. USSR No. 8444178.
5. А.с. СССР №1655702.5. A.S. USSR No. 1655702.
6. СВ 1395746 А, Н05Н1 (26,29.05.1975)Д56. CB 1395746 A, H05H1 (26.29.05.1975) D5
7. Патент RU №49383.7. Patent RU No. 49383.
8. Семенов А.Ф., Тельпизов Р.Ф. Исследование влияния диафрагмы и закрутки газа на стабилизацию дуги в канале плазмотрона. - Вестник КРСУ, №2, 2002 (http://www.krsu.edu.kg/vestnik/2002/v2/a11.html).8. Semenov A.F., Telpizov R.F. Investigation of the effect of the diaphragm and gas swirl on arc stabilization in the plasma torch channel. - Bulletin of the KRSU, No. 2, 2002 (http://www.krsu.edu.kg/vestnik/2002/v2/a11.html).
Claims (2)
Priority Applications (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009111176/02A RU2411112C2 (en) | 2009-03-26 | 2009-03-26 | Method of micro plasma welding of metals |
Applications Claiming Priority (1)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
|---|---|---|---|
| RU2009111176/02A RU2411112C2 (en) | 2009-03-26 | 2009-03-26 | Method of micro plasma welding of metals |
Publications (2)
| Publication Number | Publication Date |
|---|---|
| RU2009111176A RU2009111176A (en) | 2010-10-10 |
| RU2411112C2 true RU2411112C2 (en) | 2011-02-10 |
Family
ID=44024490
Family Applications (1)
| Application Number | Title | Priority Date | Filing Date |
|---|---|---|---|
| RU2009111176/02A RU2411112C2 (en) | 2009-03-26 | 2009-03-26 | Method of micro plasma welding of metals |
Country Status (1)
| Country | Link |
|---|---|
| RU (1) | RU2411112C2 (en) |
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2479394C1 (en) * | 2011-10-12 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" | Torch for point plasma welding |
| RU2620603C2 (en) * | 2015-09-08 | 2017-05-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) | Method of plasma ion working source and plasma ion source |
| RU2621283C2 (en) * | 2015-09-08 | 2017-06-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) | Method for carrying out glow discharge and device for its implementation |
| RU2769869C1 (en) * | 2021-06-28 | 2022-04-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device for spatial stabilization of the arc |
-
2009
- 2009-03-26 RU RU2009111176/02A patent/RU2411112C2/en not_active IP Right Cessation
Cited By (4)
| Publication number | Priority date | Publication date | Assignee | Title |
|---|---|---|---|---|
| RU2479394C1 (en) * | 2011-10-12 | 2013-04-20 | Федеральное государственное бюджетное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Тольяттинский государственный университет" | Torch for point plasma welding |
| RU2620603C2 (en) * | 2015-09-08 | 2017-05-29 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) | Method of plasma ion working source and plasma ion source |
| RU2621283C2 (en) * | 2015-09-08 | 2017-06-01 | Федеральное государственное автономное образовательное учреждение высшего профессионального образования "Казанский (Приволжский) федеральный университет" (ФГАОУВПО КФУ) | Method for carrying out glow discharge and device for its implementation |
| RU2769869C1 (en) * | 2021-06-28 | 2022-04-07 | Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) | Device for spatial stabilization of the arc |
Also Published As
| Publication number | Publication date |
|---|---|
| RU2009111176A (en) | 2010-10-10 |
Similar Documents
| Publication | Publication Date | Title |
|---|---|---|
| US2960594A (en) | Plasma flame generator | |
| RU2411112C2 (en) | Method of micro plasma welding of metals | |
| JPH0510941B2 (en) | ||
| US4564740A (en) | Method of generating plasma in a plasma-arc torch and an arrangement for effecting same | |
| US8783196B2 (en) | AC plasma ejection gun, the method for supplying power to it and pulverized coal burner | |
| US4060708A (en) | Metastable argon stabilized arc devices for spectroscopic analysis | |
| US4992642A (en) | Plasma torch with cooling and beam-converging channels | |
| RU2066263C1 (en) | Plasma burner | |
| Kuznetsov et al. | Application field and ways to control alternating-current plasma torch with rail electrodes | |
| Fulcheri et al. | Design and electrical charaterization of a low current–high voltage compact arc plasma torch | |
| JP2004535937A (en) | Method for laser plasma hybrid welding | |
| RU2234881C2 (en) | Plasmotron device for cutting biological tissues and coagulating blood vessels | |
| NO135402B (en) | ||
| EP1016489B1 (en) | Arc-plasma method for welding metals | |
| KR101636872B1 (en) | Plasma arc apparatus for synthesis gas production | |
| RU2682553C1 (en) | Electrode for arc melting of metals | |
| RU2418662C1 (en) | Method of plasma processing of incombustible materials | |
| US3446902A (en) | Electrode having oxygen jets to enhance performance and arc starting and stabilizing means | |
| RU2431685C2 (en) | Procedure for treatment of surface of metals by heating with plasma jet | |
| AU2005258992A1 (en) | Method and apparatus for heating a gas stream | |
| RU2072640C1 (en) | Arc-plasma torch | |
| RU99678U1 (en) | FLUID PLASMOTRON | |
| RU93720U1 (en) | MULTIFUNCTIONAL PORTABLE COMPLEX FOR PLASMA PROCESSING | |
| SU792614A1 (en) | Electric-arc gas heater | |
| JP7312400B2 (en) | In-liquid plasma device |
Legal Events
| Date | Code | Title | Description |
|---|---|---|---|
| MM4A | The patent is invalid due to non-payment of fees |
Effective date: 20120327 |