RU2769869C1 - Device for spatial stabilization of the arc - Google Patents

Device for spatial stabilization of the arc Download PDF

Info

Publication number
RU2769869C1
RU2769869C1 RU2021118963A RU2021118963A RU2769869C1 RU 2769869 C1 RU2769869 C1 RU 2769869C1 RU 2021118963 A RU2021118963 A RU 2021118963A RU 2021118963 A RU2021118963 A RU 2021118963A RU 2769869 C1 RU2769869 C1 RU 2769869C1
Authority
RU
Russia
Prior art keywords
anode
arc
cathode
stabilization
arc discharge
Prior art date
Application number
RU2021118963A
Other languages
Russian (ru)
Inventor
Дмитрий Николаевич Борисенко
Андрей Анатольевич Жохов
Николай Николаевич Колесников
Артем Сергеевич Матюшин
Борис Сергеевич Редькин
Original Assignee
Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority date (The priority date is an assumption and is not a legal conclusion. Google has not performed a legal analysis and makes no representation as to the accuracy of the date listed.)
Filing date
Publication date
Application filed by Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН) filed Critical Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела имени Ю.А. Осипьяна Российской академии наук (ИФТТ РАН)
Priority to RU2021118963A priority Critical patent/RU2769869C1/en
Application granted granted Critical
Publication of RU2769869C1 publication Critical patent/RU2769869C1/en

Links

Images

Classifications

    • HELECTRICITY
    • H05ELECTRIC TECHNIQUES NOT OTHERWISE PROVIDED FOR
    • H05HPLASMA TECHNIQUE; PRODUCTION OF ACCELERATED ELECTRICALLY-CHARGED PARTICLES OR OF NEUTRONS; PRODUCTION OR ACCELERATION OF NEUTRAL MOLECULAR OR ATOMIC BEAMS
    • H05H1/00Generating plasma; Handling plasma
    • H05H1/24Generating plasma

Abstract

FIELD: electrometallurgy.
SUBSTANCE: invention relates to the field of electrometallurgy and can be used for precision welding, surfacing and manufacturing of parts by 3D printing from refractory metal powders in a scull, in an isolated atmosphere. The device for spatial stabilization of the arc includes a non-melting cathode and anode, a plate made of dielectric material with a high melting point with a hole for electric arc discharge is installed between the cathode and the anode. The size of the gap in the flat layer between the anode and the specified plate ensures the formation of a toroidal vortex that localizes the arc discharge and the anode spot on the cathode axis.
EFFECT: increase in the accuracy of stabilization of the spatial position of the arc.
1 cl, 2 dwg

Description

Изобретение относится к области электрометаллургии и может быть использовано для прецизионной сварки, наплавки и изготовления деталей способом 3D-печати.The invention relates to the field of electrometallurgy and can be used for precision welding, surfacing and the manufacture of parts by 3D printing.

Возмущающее действие на плазму дугового разряда оказывают силы магнито- и газодинамической природы.The perturbing effect on the plasma of an arc discharge is exerted by forces of a magneto- and gas-dynamic nature.

Из уровня техники известны устройства с вихревой и магнитной стабилизацией дугового разряда [Плазмотроны: конструкции, характеристики, расчет./ А.С. Коротеев, В.М. Миронов, Ю.С. Свирчук. - М.: Машиностроение, 1993. - 296 с] - аналог. Рассмотренные схемы электротехнологических установок с параллельным и закрученным током газа в присутствии индуцированного магнитного поля эффективно используются на протяжении многих лет при резке и наплавке металла. Однако высокие скорости течения струи газа (вплоть до сверхзвуковых скоростей) делают предложенные устройства не пригодными для пространственной стабилизации дуги при изготовлении деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.The prior art devices with vortex and magnetic stabilization of the arc discharge [Plasma torches: design, characteristics, calculation./ A.S. Koroteev, V.M. Mironov, Yu.S. Svirchuk. - M .: Mashinostroenie, 1993. - 296 s] - analogue. The considered schemes of electrotechnological installations with parallel and swirling gas flow in the presence of an induced magnetic field have been effectively used for many years in cutting and surfacing metal. However, high gas jet flow rates (up to supersonic speeds) make the proposed devices unsuitable for spatial stabilization of the arc in the manufacture of parts by 3D printing from refractory metal powders in a ledge, in an isolated atmosphere.

Из уровня техники известен электрод для дуговой плавки металлов [Борисенко Д.Н., Колесников Н.Н. // Патент РФ №2682553 от 19.03.2019 Бюл. №8.] - прототип. Неплавящийся электрод содержит цилиндрический корпус и снабжен соленоидом, выполненным из графита в виде однорядной спирали. Соленоид расположен коаксиально корпусу и включен последовательно в электрическую цепь дугового разряда. Технический результат заключается в формировании соленоидом магнитного поля вокруг дугового канала, которое сжимает плазму в радиальном направлении и стабилизирует ее течение в аксиальном направлении, позволяя вести процесс сварки в контролируемых условиях. Недостатком предложенного устройства является невозможность его работы при токах выше 10 А, вызванная собственным пинч-эффектом, усиленным магнитным полем соленоида.The prior art electrode for arc melting of metals [Borisenko D.N., Kolesnikov N.N. // Patent of the Russian Federation No. 2682553 dated March 19, 2019 Bull. No. 8.] - prototype. Non-consumable electrode contains a cylindrical body and is equipped with a solenoid made of graphite in the form of a single-row spiral. The solenoid is located coaxially to the housing and is connected in series to the electric circuit of the arc discharge. The technical result consists in the formation by the solenoid of a magnetic field around the arc channel, which compresses the plasma in the radial direction and stabilizes its flow in the axial direction, allowing the welding process to be carried out under controlled conditions. The disadvantage of the proposed device is the impossibility of its operation at currents above 10 A, caused by its own pinch effect, enhanced by the magnetic field of the solenoid.

Задачей настоящего изобретения является разработка устройства для пространственной стабилизации дуги, пригодного для применения в прецизионной сварке, наплавке и изготовления деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.The objective of the present invention is to develop a device for spatial stabilization of the arc, suitable for use in precision welding, surfacing and the manufacture of parts by 3D printing from refractory metal powders in a ledge, in an isolated atmosphere.

Поставленная задача решается с помощью кинетического дросселя, выполненного из пластины диэлектрического материала с высокой температурой плавления с отверстием для электродугового разряда.The problem is solved with the help of a kinetic choke made of a plate of a dielectric material with a high melting point with a hole for an electric arc discharge.

На фиг. 1 представлена схема устройства для пространственной стабилизации дуги в составе сварочной головки, где цифрами обозначены: (1) - катод из вольфрамового стержня круглого сечения (2) - цанговый зажим; (3) - кинетический дроссель; (4) - тороидальный вихрь; (5) - столб дугового разряда; (6) - анод (деталь); (7) - держатель; (8) - графитовая пластина; (9) - керамический кронштейн; (10) - фланец; (11) - шток для перемещения сварочной головки вдоль поверхности детали. Анод (6) располагается на вращающемся столе с возможностью перемещения по вертикали (на фиг. 1 не показано). На фиг. 2 представлена фотография кинетического дросселя (3), выполненного из пластины сапфира с отверстием для электродугового разряда, закрепленного соосно с катодом (1).In FIG. 1 shows a diagram of a device for spatial stabilization of the arc as part of a welding head, where the numbers indicate: (1) - a cathode made of a round tungsten rod (2) - a collet clamp; (3) - kinetic throttle; (4) - toroidal vortex; (5) - arc discharge column; (6) - anode (detail); (7) - holder; (8) - graphite plate; (9) - ceramic bracket; (10) - flange; (11) - rod for moving the welding head along the surface of the part. The anode (6) is located on a rotating table with the ability to move vertically (not shown in Fig. 1). In FIG. 2 shows a photograph of a kinetic choke (3) made of a sapphire plate with a hole for an electric arc discharge, fixed coaxially with the cathode (1).

Устройство работает следующим образом.The device works as follows.

В изолированной атмосфере возмущающее действие на столб дугового разряда (5) оказывают силы газодинамической природы, представляющие собой при наличии больших градиентов температуры мощные конвективные потоки газа от анодного пятна в окружающее пространство. В предлагаемом устройстве управляющим параметром самоорганизации этих газовых потоков служит зазор между анодом (6) и кинетическим дросселем (3). При определенной величине зазора в плоском слое между анодом (6) и кинетическим дросселем (3) возникает критический переход с формированием тороидального вихря (4), локализующего дуговой разряд (5) и анодное пятно на оси катода (1).In an isolated atmosphere, the perturbing effect on the arc discharge column (5) is exerted by forces of a gas-dynamic nature, which, in the presence of large temperature gradients, are powerful convective gas flows from the anode spot into the surrounding space. In the proposed device, the control parameter of the self-organization of these gas flows is the gap between the anode (6) and the kinetic throttle (3). At a certain gap in the flat layer between the anode (6) and the kinetic choke (3), a critical transition occurs with the formation of a toroidal vortex (4) that localizes the arc discharge (5) and the anode spot on the cathode axis (1).

Пример. Рабочий ток дуги 100 А, давление гелия 1 атм. Формирование тороидального вихря наблюдается при величине зазора между анодом и кинетическим дросселем 10 мм. Наблюдается стабилизация пространственного положения дуги, выражающаяся в том, что среднее арифметическое из абсолютных значений отклонений профиля в пределах базовой длины шва в 4 раз меньше, чем в отсутствие кинетического дросселя.Example. Operating arc current 100 A, helium pressure 1 atm. The formation of a toroidal vortex is observed when the gap between the anode and the kinetic throttle is 10 mm. The stabilization of the spatial position of the arc is observed, which is expressed in the fact that the arithmetic mean of the absolute values of the profile deviations within the base length of the weld is 4 times less than in the absence of a kinetic throttle.

Таким образом, предложенное устройство для пространственной стабилизации дуги является перспективным для прецизионной сварки, наплавки и изготовления деталей способом 3D-печати из порошков тугоплавких металлов в гарнисаже, в изолированной атмосфере.Thus, the proposed device for spatial stabilization of the arc is promising for precision welding, surfacing, and the manufacture of parts by 3D printing from refractory metal powders in a ledge, in an isolated atmosphere.

Claims (1)

Устройство для пространственной стабилизации дуги, включающее неплавящийся катод и анод, отличающееся тем, что между катодом и анодом установлена пластина из диэлектрического материала с высокой температурой плавления с отверстием для электродугового разряда, причем величина зазора в плоском слое между анодом и указанной пластиной обеспечивает формирование тороидального вихря.A device for spatial stabilization of the arc, including a non-consumable cathode and an anode, characterized in that between the cathode and the anode there is a plate made of a dielectric material with a high melting temperature with a hole for an electric arc discharge, and the size of the gap in the flat layer between the anode and the said plate ensures the formation of a toroidal vortex .
RU2021118963A 2021-06-28 2021-06-28 Device for spatial stabilization of the arc RU2769869C1 (en)

Priority Applications (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118963A RU2769869C1 (en) 2021-06-28 2021-06-28 Device for spatial stabilization of the arc

Applications Claiming Priority (1)

Application Number Priority Date Filing Date Title
RU2021118963A RU2769869C1 (en) 2021-06-28 2021-06-28 Device for spatial stabilization of the arc

Publications (1)

Publication Number Publication Date
RU2769869C1 true RU2769869C1 (en) 2022-04-07

Family

ID=81076018

Family Applications (1)

Application Number Title Priority Date Filing Date
RU2021118963A RU2769869C1 (en) 2021-06-28 2021-06-28 Device for spatial stabilization of the arc

Country Status (1)

Country Link
RU (1) RU2769869C1 (en)

Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
RU2411112C2 (en) * 2009-03-26 2011-02-10 Юрий Михайлович Агриков Method of micro plasma welding of metals
US20120143184A1 (en) * 2005-07-08 2012-06-07 Nikolay Suslov Plasma-generating device having a plasma chamber
US20180168022A1 (en) * 2005-07-08 2018-06-14 Plasma Surgical Investments Limited Plasma-generating device, plasma surgical device and use of a plasma surgical device
RU2682553C1 (en) * 2018-04-12 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Electrode for arc melting of metals
RU2713186C1 (en) * 2019-07-09 2020-02-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Method for spatial stabilization of arc

Patent Citations (5)

* Cited by examiner, † Cited by third party
Publication number Priority date Publication date Assignee Title
US20120143184A1 (en) * 2005-07-08 2012-06-07 Nikolay Suslov Plasma-generating device having a plasma chamber
US20180168022A1 (en) * 2005-07-08 2018-06-14 Plasma Surgical Investments Limited Plasma-generating device, plasma surgical device and use of a plasma surgical device
RU2411112C2 (en) * 2009-03-26 2011-02-10 Юрий Михайлович Агриков Method of micro plasma welding of metals
RU2682553C1 (en) * 2018-04-12 2019-03-19 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Electrode for arc melting of metals
RU2713186C1 (en) * 2019-07-09 2020-02-04 Федеральное государственное бюджетное учреждение науки Институт физики твердого тела Российской академии наук (ИФТТ РАН) Method for spatial stabilization of arc

Similar Documents

Publication Publication Date Title
US3575568A (en) Arc torch
US3569661A (en) Method and apparatus for establishing a cathode stabilized (collimated) plasma arc
US2898441A (en) Arc torch push starting
US7605340B2 (en) Apparatus for cooling plasma arc torch nozzles
TWI606861B (en) Plasma torch
US3731047A (en) Plasma heating torch
GB1007429A (en) Improvements in arc producing apparatus
RU2769869C1 (en) Device for spatial stabilization of the arc
US4034250A (en) Plasmatron
Ghorui et al. Current transfer in dc non-transferred arc plasma torches
US2694129A (en) Self-induced magnetic field controlled gas shielded-arc welding process and apparatus
JP6674496B2 (en) Spark plug and its manufacturing method
EP0371128B1 (en) Cathode structure of a plasma torch
JP2523000B2 (en) Plate material processing method for plasma cutting machine and plasma torch
EP3550940A1 (en) Bar nozzle-type plasma torch
Boulos et al. DC plasma torch design and performance
US3793468A (en) Furnace apparatus utilizing a resultant magnetic field or fields produced by mutual interaction of at least two independently generated magnetic fields and methods of operating an electric arc furnace
RU2682553C1 (en) Electrode for arc melting of metals
SU1234104A1 (en) Plasma torch
US3504219A (en) Non-consumable electrode for plasma jet torches
US3811029A (en) Plasmatrons of steel-melting plasmaarc furnaces
USRE25088E (en) Electrode
US4803339A (en) Hollow electrode and arc initiation method
Kudrna et al. The technology of plasma cutting on a CNC machine
CN110870389B (en) Plasma cutting method and cutting torch for implementing the method