RU2431685C2

RU2431685C2 - Procedure for treatment of surface of metals by heating with plasma jet

Info

Publication number: RU2431685C2
Application number: RU2009147232/02A
Authority: RU
Inventors: Юрий Михайлович Агриков (RU); Юрий Михайлович Агриков; Дмитрий Александрович Дуюнов (RU); Дмитрий Александрович Дуюнов; Вадим Леонидович Блинов (RU); Вадим Леонидович Блинов; Александр Юрьевич Семёнов (RU); Александр Юрьевич Семёнов
Original assignee: Общество с ограниченной ответственностью "АС и ПП"
Priority date: 2009-12-18
Filing date: 2009-12-18
Publication date: 2011-10-20
Also published as: RU2009147232A

Abstract

FIELD: metallurgy.

SUBSTANCE: procedure consists in generation of plasma jet from fumes of fluid working medium. Fumes are evaporated in evaporator (4) of an electric-arc plasmatron. Surface of metals is heated with plasma jet. Working medium is supplied by means of capillary forces from a bin (20) with moisture absorbing filler (23) into the evaporator through insertion (25). Insertion (25) is made axially symmetrical and combined of shaped parts in form of rings of elastic deformed moisture proof porous material. The rings are successively and coaxially arranged inside the plasmatron thus facilitating assembly of the insertion. The evaporator is manufactured as a tubular element with tangential side holes. It is coaxially installed into the central orifice of the insertion. Consumption of working medium and pressure of plasma generating fume are regulated by means of change of moisture penetrability of the insertion by control of its volume and simultaneously porosity with mechanic force.

EFFECT: expanded process functionality and upgraded quality of treatment by heating due to higher controllability over parametres of plasma jet.

2 cl, 1 dwg, 2 ex

Description

Изобретение может быть использовано в промышленности, коммунальном хозяйстве, строительстве, ювелирном и зубопротезном деле, а также в бытовых условиях для сварки, резки и наплавки металлов.The invention can be used in industry, utilities, construction, jewelry and prosthetics, as well as in domestic conditions for welding, cutting and surfacing of metals.

Известны способы обработки поверхности металлов нагреванием ее плазменной струей, полученной из паров жидкого рабочего тела, создаваемых в испарителе электродугового плазмотрона, при этом рабочее тело подают из встроенного в плазмотрон накопительного резервуара с влаговпитывающим волокнистым или капиллярно-пористым гидрофильным наполнителем непосредственно в испаритель (RU 2286867 С1) или в него же через влагопроницаемый капиллярно-пористый вкладыш за счет использования капиллярных сил (RU 2008110541 А - прототип). Такая обработка позволяет осуществлять сварку металлов плавлением, наплавку, пайкосварку и резку плазменной струей.Known methods for treating the surface of metals by heating it with a plasma jet obtained from the vapor of a liquid working fluid created in an evaporator of an electric arc plasma torch, the working fluid being fed from a storage tank built into the plasma torch with a moisture-absorbing fibrous or capillary-porous hydrophilic filler directly into the evaporator (RU 2286867 C1 ) or into it through a moisture-permeable capillary-porous liner through the use of capillary forces (RU 2008110541 A - prototype). Such processing allows metal fusion welding, surfacing, brazing and plasma cutting.

Недостатками указанных способов являются недостаточно управляемые или практически неуправляемые при функционировании плазмотрона такие рабочие параметры, как расход рабочего тела (в виде воды, водных растворов спиртов или кетонов), а также неконтролируемое в достаточной мере изменение величины давления паров рабочего тела в канале плазмотрона. Известные способы (RU 2286868 С1) контроля указанных параметров сложны, неэффективны и требуют дополнительного оборудования, но преимущественно этими параметрами определяются распределение тепловых потоков, скорость струи, температура и состав плазмы в зоне обработки изделия и угол раскрытия плазменного факела, от которых, как известно, зависят качество и технологические возможности обработки поверхности металлов плазменной струей.The disadvantages of these methods are insufficiently controlled or practically uncontrolled during the operation of the plasma torch such operating parameters as the flow of the working fluid (in the form of water, aqueous solutions of alcohols or ketones), as well as a sufficiently uncontrolled change in the vapor pressure of the working fluid in the plasma torch channel. Known methods (RU 2286868 C1) for monitoring these parameters are complex, ineffective and require additional equipment, but mainly these parameters determine the distribution of heat fluxes, jet velocity, temperature and plasma composition in the processing zone of the product and the opening angle of the plasma torch, from which, as you know, the quality and technological capabilities of surface treatment of metals with a plasma jet depend.

Изобретение направлено на повышение качества и расширение технологических возможностей указанной обработки посредством динамического и статического управления расходом и давлением плазмообразующих паров, при котором, например, достигается более высокое по сравнению с аналогами качество сварного шва или большая глубина и меньшая ширина реза при плазменной резке. Известно, что эти критерии качества обработки в значительной мере определяются возможностью управления вышеуказанными параметрами плазменной струи.The invention is aimed at improving the quality and expanding the technological capabilities of this treatment by means of dynamic and static control of the flow and pressure of plasma-forming vapors, at which, for example, a higher quality of the weld seam or a greater depth and a smaller width of the cut during plasma cutting are achieved. It is known that these processing quality criteria are largely determined by the ability to control the above parameters of the plasma jet.

Достигается это тем, что обработку поверхности металлов осуществляют плазменной струей, полученной из паров жидкого рабочего тела, создаваемых в испарителе электродугового плазмотрона, при этом рабочее тело за счет капиллярных сил подают из накопительного резервуара с влаговпитывающим наполнителем непосредственно в испаритель через вкладыш из волокнистого пористого материала, отличающийся тем, что управляют расходом рабочего тела и, как следствие, давлением плазмообразующего пара изменением влагопроницаемости материала вкладыша путем регулирования его объема механическим воздействием. Вкладышем, кроме того, осуществляют теплоизоляцию материала наполнителя в резервуаре.This is achieved by the fact that the surface treatment of metals is carried out by a plasma jet obtained from the vapor of a liquid working fluid created in an evaporator of an electric arc plasma torch, while the working fluid is supplied from the storage tank with a moisture-absorbing filler directly to the evaporator through an insert made of fibrous porous material, due to capillary forces characterized in that they control the flow of the working fluid and, as a consequence, the pressure of the plasma-forming vapor by changing the moisture permeability of the material of the liner Then we regulate its volume by mechanical action. The liner, in addition, carry out thermal insulation of the filler material in the tank.

Также достигается это тем, что величину объема вкладыша в зависимости от требуемого расхода рабочего тела устанавливают до процесса обработки или изменяют ее в процессе обработки, регулируя этим параметры плазменной струи.This is also achieved by the fact that the volume of the liner, depending on the required flow rate of the working fluid, is set before the treatment process or is changed during processing, thereby controlling the parameters of the plasma jet.

Также достигается это тем, что используют коаксиальный плазмотрон, вкладыш изготавливают аксиально-симметричным и составным из фасонных деталей в виде колец, выполненных из упруго деформируемого нетканого материала с термохимической стойкостью к парам водорастворимых спиртов или кетонов при температуре не ниже 400 К. Монтаж вкладыша осуществляют последовательным соосным размещением колец внутри плазмотрона, а испаритель изготавливают в виде трубчатого тела с тангенциальными боковыми отверстиями и устанавливают его коаксиально в центральное отверстие вкладыша. При этом обеспечивается завихрение плазмообразующих паров рабочего тела и вихревая стабилизация дуги в канале плазмотрона.This is also achieved by using a coaxial plasmatron, the liner is made axially symmetric and composed of shaped parts in the form of rings made of elastically deformable non-woven material with thermochemical resistance to vapors of water-soluble alcohols or ketones at a temperature of at least 400 K. coaxial placement of the rings inside the plasma torch, and the evaporator is made in the form of a tubular body with tangential side holes and set it coaxially in the price the trawl hole of the liner. This ensures a swirl of the plasma-forming vapors of the working fluid and vortex stabilization of the arc in the channel of the plasma torch.

Изменением объема вкладыша механическим воздействием, например, сдавливанием, сжатием или разжатием вдоль оси плазмотрона изменяют его пористость. Так как рабочее тело проникает в нагретый испаритель через поры, то таким образом изменением влагопроницаемости материала вкладыша регулируют расход рабочего тела и, как следствие, устанавливают требуемое давление плазмообразующих паров внутри плазмотрона. Использование вкладыша из термохимически стойкого материала позволяет устранить термохимическую деградацию и последующее разрушение материала вкладыша, обусловленное тепловым контактом с испарителем и перегретым паром рабочего тела, например, в виде спиртов или кетонов (ацетона). При этом наполнитель в резервуаре при наличии вкладыша может быть выполнен из менее термостойкого, доступного и дешевого материала, например марли.By changing the insert volume by mechanical action, for example, by squeezing, compressing or expanding along the axis of the plasma torch, its porosity is changed. Since the working fluid penetrates into the heated evaporator through the pores, in this way the flow rate of the working fluid is controlled by changing the moisture permeability of the liner material and, as a result, the required plasma-forming vapor pressure is set inside the plasma torch. The use of a liner made of thermochemically resistant material eliminates the thermochemical degradation and subsequent destruction of the liner material due to thermal contact with the evaporator and superheated steam of the working fluid, for example, in the form of alcohols or ketones (acetone). Moreover, the filler in the tank in the presence of the liner can be made of less heat-resistant, affordable and cheap material, such as gauze.

Способ реализуется следующим образом. На чертеже схематично изображено устройство для осуществления способа термической обработки согласно изобретению. Это устройство состоит из электродугового коаксиального плазмотрона, включающего корпус (1), колпачок (2), кольцо (3), трубчатый испаритель (4) с тангенциальными щелевыми отверстиями (5), вставку (6), сопло (7), стержневой электрод (8), размещенный в держателе (9), разрядной камеры (10) и пускорегулирующего устройства, имеющего резьбовое сопряжание с корпусом (1) плазмотрона, включающего механизм осевого перемещения стержневого электрода с предохранительным устройством, состоящим из: корпуса (11) с проточкой под уплотнительное кольцо (12), пружины (13), штока (14) с винтом (15) для фиксации держателя электрода, кнопки (16) с кольцом (17), опирающимся на предохранительное устройство, состоящее из кольца (18) и стопорной шайбы (19), установленной в проточку корпуса (11). Плазмотрон также содержит устройство для парообразования, нормирования и регулирования подачи в разрядную камеру плазмообразующего пара жидкого рабочего тела, включающее резервуар (20) с пробкой (21) и патрубком (22) для подачи рабочего тела, заполненный влаговпитывающим материалом (23), контактирующим по ограниченной поверхности (24) с термостойким капиллярно-пористым вкладышем (25), объем которого может изменяться перемещением корпуса (11). Кроме этого плазмотрон содержит систему вихревой стабилизации дуги, систему центрирования стержневого электрода, токоотводы (26) и (27) для электрического подсоединения к источнику питания и датчик температуры (28). Со стороны сопла торец корпуса плазмотрона выполнен в виде штуцера и снабжен кольцом, которое служит упором соплу, вставке (6) и испарителю, прижимаемым колпачком (2) с возможностью обеспечения теплопередачи от электродов плазмотрона к вкладышу (25) для испарения рабочего тела и перегрева пара.The method is implemented as follows. The drawing schematically shows a device for implementing the method of heat treatment according to the invention. This device consists of an electric arc coaxial plasma torch, including a housing (1), a cap (2), a ring (3), a tubular evaporator (4) with tangential slit openings (5), an insert (6), a nozzle (7), a rod electrode ( 8) located in the holder (9) of the discharge chamber (10) and ballast device, having threaded interface with the body (1) of the plasma torch, including the axial movement of the rod electrode with a safety device, consisting of: the body (11) with a groove under the seal ring (12), springs (13), stem a (14) with a screw (15) for fixing the electrode holder, a button (16) with a ring (17) resting on a safety device consisting of a ring (18) and a lock washer (19) installed in the groove of the housing (11). The plasma torch also contains a device for vaporization, normalization and regulation of the supply of a plasma-forming steam of a liquid working fluid to the discharge chamber, including a reservoir (20) with a stopper (21) and a pipe (22) for supplying a working fluid filled with moisture-absorbing material (23) in contact with a limited surface (24) with a heat-resistant capillary-porous liner (25), the volume of which can be changed by moving the housing (11). In addition, the plasma torch contains a vortex arc stabilization system, a rod electrode centering system, down conductors (26) and (27) for electrical connection to a power source and a temperature sensor (28). On the nozzle side, the end face of the plasma torch body is made in the form of a fitting and is equipped with a ring that serves as a stop for the nozzle, insert (6) and the evaporator, pressed cap (2) with the possibility of heat transfer from the plasma torch electrodes to the liner (25) for evaporation of the working fluid and steam overheating .

Пример 1 (Обработка поверхности металлов нагреванием ее плазменной струей, сформированной дугой косвенного действия). Через патрубок (22) в резервуар (20) подают жидкое рабочее тело, пропитывая им влаговпитывающий материал (23), вкладыш (25) и заполняя каналы, соединяющие резервуар с разрядной камерой, до появления капель рабочего тела из сквозного отверстия сопла. Патрубок закрывают пробкой (21). От источника тока на токоотводы подают пусковое напряжение. Нажатием кнопки (16) приближают торец электрода (8) к поверхности сопла до возникновения кратковременного контакта, затем отпускают кнопку. При этом разрыв электрического контакта между электродом и соплом возбуждает электрическую дугу. Выделяемая дугой тепловая энергия передается через теплопроводные вставку и испаритель рабочему телу во вкладыше. Рабочее тело (раствор спирта или ацетона в воде) превращается в пар, создавая избыточное давление, под действием которого пар через отверстия (5) подается, завихряясь, в межэлектродное пространство, стабилизирует дугу в приосевой области разрядной камеры, перегревается и поступает в профилированный канал сопла. В разрядной камере и канале сопла пар под действием энергии дуги, стабилизированной и сжатой стенками канала сопла, переходит в плазменное состояние с формированием на выходе из сопла плазменной струи, которую используют для обработки металлических изделий путем нагревания их поверхности с помощью известных методов и приемов. При этом влаговпитывающий материал за счет капиллярных сил обеспечивает через поверхность (24) равномерную подпитку рабочим телом вкладыша (25), влагопроницаемость которого изменяют в ту или другую сторону и устанавливают заданное условиями обработки количество рабочего тела, подаваемого в испаритель, а также давление паров. Объем и, соответственно, влагопроницаемость вкладыша регулируют продольным перемещением корпуса (11) вручную путем его вращения, который сжимает или разжимает вкладыш. При этом регулируют одновременно расход рабочего тела и давление его паров в канале плазмотрона в зависимости от требуемых параметров плазменной струи в зоне обработки поверхности металлического изделия. Для управления током дуги и контроля с помощью датчика (28) температуры деталей плазмотрона во избежание их перегрева и нарушения режима обработки применяют программируемый блок питания и управления плазмотроном с встроенным регулятором стабилизированного тока.Example 1 (Surface treatment of metals by heating it with a plasma jet formed by an indirect arc). A liquid working fluid is fed through the nozzle (22) to the reservoir (20), impregnating a moisture-absorbing material (23), an insert (25) and filling the channels connecting the reservoir with the discharge chamber until droplets of the working fluid appear from the through hole of the nozzle. The nozzle is closed with a stopper (21). Starting current is supplied to the down conductors by a starting voltage. By pressing the button (16), the end of the electrode (8) is brought closer to the surface of the nozzle until a short-term contact occurs, then the button is released. In this case, a rupture of the electrical contact between the electrode and the nozzle excites an electric arc. The thermal energy released by the arc is transmitted through the heat-conducting insert and the evaporator to the working fluid in the liner. The working fluid (a solution of alcohol or acetone in water) turns into steam, creating excessive pressure, under the influence of which steam is supplied through holes (5), swirling into the interelectrode space, stabilizes the arc in the axial region of the discharge chamber, overheats and enters the profiled nozzle channel . Under the action of arc energy stabilized and compressed by the walls of the nozzle channel, the vapor in the discharge chamber and the nozzle channel passes into the plasma state with the formation of a plasma jet at the exit from the nozzle, which is used to process metal products by heating their surface using known methods and techniques. In this case, the moisture-absorbing material due to capillary forces ensures uniform feeding of the liner (25) by the working fluid, the moisture permeability of which is changed in one direction or another and the amount of the working fluid supplied to the evaporator, as well as the vapor pressure specified by the processing conditions, is established. The volume and, accordingly, the moisture permeability of the liner is regulated by the longitudinal movement of the housing (11) manually by rotating it, which compresses or decompresses the liner. At the same time, the flow rate of the working fluid and its vapor pressure in the plasma torch channel are controlled simultaneously, depending on the required parameters of the plasma jet in the surface treatment zone of the metal product. To control the arc current and control with the help of a sensor (28) the temperature of the plasma torch parts in order to avoid their overheating and violation of the processing mode, a programmable power supply and plasmatron control unit with an integrated stabilized current regulator are used.

Таким образом, управляют основными параметрами плазменной струи, включая их стабильность, обеспечивая высокое качество и широту технологических возможностей процесса локального нагревания поверхности металлов в соответствии с изобретением, например, при осуществлении сварки металлов плавлением, пайкосварки или резки.Thus, the basic parameters of the plasma jet are controlled, including their stability, providing high quality and breadth of technological capabilities of the process of local heating of the metal surface in accordance with the invention, for example, when performing metal fusion welding, brazing or cutting.

Пример 2 (Обработка поверхности металлов нагреванием ее плазменной струей, сформированной «дежурной» дугой косвенного действия в разрядной камере и совмещенной с дугой прямого действия, возбуждаемой между плазмотроном и изделием). Выполняют все операции, описанные выше в примере 1. Затем от блока питания и управления плазмотроном на сопло (7) и обрабатываемое электропроводящее изделие известными способами подают напряжение и создают между ними разность потенциалов. Затем уменьшают расстояние между соплом (7) и изделием до возникновения дуги прямого действия, совмещенной с плазменной струей, и производят обработку, например, регулируя, как указано выше, основные параметры плазменной струи и одновременно дуги прямого действия. Нагревая струей поверхность изделия в зоне контакта с плазмой, осуществляют плазменную сварку, применяя известные методы и приемы, описанные в аналогах.Example 2 (Treatment of the surface of metals by heating it with a plasma jet formed by a "standby" arc of indirect action in the discharge chamber and combined with an arc of direct action excited between the plasma torch and the product). All the operations described above in Example 1 are performed. Then, a voltage is applied to the nozzle (7) and the electrically conductive article being processed by known methods from the power supply and control unit of the plasma torch and create a potential difference between them. Then, the distance between the nozzle (7) and the product is reduced to the appearance of a direct-acting arc combined with a plasma jet, and processing is performed, for example, by adjusting, as described above, the main parameters of the plasma jet and simultaneously the direct-acting arcs. By heating the surface of the product with a jet in the zone of contact with the plasma, plasma welding is carried out using known methods and techniques described in analogues.

Техническим результатом изобретения является расширение технологических возможностей обработки поверхности металлов нагреванием ее плазменной струей за счет большей по сравнению с аналогами управляемости расходом рабочего тела и давлением плазмообразующего пара.The technical result of the invention is to expand the technological capabilities of surface treatment of metals by heating it with a plasma jet due to the greater controllability of the flow rate of the working fluid and the pressure of the plasma-forming vapor compared to analogues.

Claims

1. A method of treating a metal surface with a plasma jet, comprising obtaining a plasma jet from liquid vapor of a working fluid that is created in an evaporator of an electric arc plasma torch, and heating the surface of metals with a plasma jet, the working fluid being supplied from the storage tank with a moisture-absorbing filler to the evaporator by capillary forces through the liner, which is made axially symmetric and composed of shaped parts in the form of rings made of elastically deformable moisture-permeable porous about the material, the installation of the liner is carried out by coaxially placing the rings inside the plasma torch, and the evaporator is made in the form of a tubular body with tangential side openings and it is installed coaxially in the central hole of the liner, characterized in that the flow rate of the working fluid and the pressure of the plasma-forming vapor are controlled by changing the moisture permeability of the liner by adjusting its volume and at the same time porosity by mechanical action.

2. The method according to claim 1, characterized in that the liner is made of a nonwoven material with thermochemical resistance at a temperature of at least 400 K to pairs of water-soluble alcohols or ketones.