ПЛАЗМОТРОН

Изобретение относится к области плазменной обработки металлов, а именно к устройствам для плазменной наплавки, сварки, резки черных и цветных металлов.

Известен плазмотрон, содержащий электродный узел, корпус, изолятор, их разделяющий, плазмообразующее и защитное сопла. Электродный узел и плазмообразующее сопло снабжены автономными системами охлаждения. Система охлаждения плазмообразующего сопла состоит из кольцевого охлаждающего канала, соединенного в верхней части с подводящими и отводящими каналами, выполненными диаметрально противоположно в корпусе (патент США №4389559, 1983 г.). Такое устройство системы охлаждения плазмообразующего сопла позволило уменьшить габариты плазмотрона, обеспечить возможность замены плазмообразующего сопла, что расширяет возможности и повышает срок службы плазмотрона.

К недостаткам известного плазмотрона можно отнести сложность устройства, значительное количество комплектующих деталей сложной формы, недостаточную эффективность охлаждения теплонагруженных элементов за счет последовательного соединения систем охлаждения электродного узла и плазмообразующего сопла. Кроме того, подвод и отвод охлаждающей жидкости осуществляется в верней части охлаждающего кольцевого канала на наружной поверхности плазмообразующего сопла, вследствие чего большая часть жидкости циркулирует в верхней части кольцевого канала по кратчайшему пути, а в нижней части вблизи наиболее теплонагруженной зоны образуется застойная зона. Это снижает эффективность охлаждения теплонагруженных элементов, а следовательно, мощность и надежность работы плазмотрона. Попытки направить охлаждающую жидкость в нижнюю зону за счет устройства направляющих пазов, ребер и т.п., как это выполнено в известных устройствах (см., например, патент США №4275287), неизбежно приводят к усложнению конструкции и увеличению радиальных размеров плазмотрона.

Наиболее близким по технической сущности к предлагаемому является плазмотрон (патент RU №2058865 от 27.04.1996 г.), содержащий полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные на наружной и внутренней поверхностях корпуса, установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения, изолятор, разделяющий электродный узел и плазмообразующее сопло, систему подвода защитного и плазмообразующего газов, кольцевой канал на наружной поверхности плазмообразующего сопла, диаметрально противоположные каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, выполненные в корпусе. Каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости и кольцевой канал соединены проходными отверстиями, образованными пересечением боковых поверхностей этих каналов, по высоте равными высоте кольцевого канала и имеющими площадь, равную площади поперечного сечения соответственно канала для подвода и отвода охлаждающей жидкости.

Такое устройство позволяет повысить надежность работы плазмотрона за счет эффективного охлаждения теплонагруженных элементов и, как следствие, снизить поперечные габариты и массу плазмотрона и упростить его конструкцию. Данное устройство принято за прототип.

Недостатком известного устройства, принятого за прототип, является то, что в таком устройстве трудно обеспечить при изготовлении равенство площади проходных отверстий площади поперечного сечения соответственно канала для подвода и отвода охлаждающей жидкости, что определяет эффективность охлаждения плазмотрона. Кроме того, в известных устройствах плазмообразующее сопло имеет электрическую связь с защитным соплом, т.к. они установлены на корпусе, выполненном из электропроводного материала, при помощи резьбового соединения. При замыкании защитного сопла на изделие в процессе работы возникает возможность двойного дугообразования, что приводит к выходу из строя плазмообразующего сопла. Это снижает надежность конструкции и ограничивает технологические возможности плазмотрона.

Признаки известного устройства, совпадающие с признаками заявляемого, - полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости; защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней поверхностях корпуса; установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения; изолятор между электродом и плазмообразующим соплом; система подвода защитного и плазмообразующего газов; кольцевой канал на наружной поверхности плазмообразующего сопла; расположенные в корпусе и соединенные с кольцевым каналом диаметрально противоположные каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости.

Задача изобретения - повышение надежности и расширение технологических возможностей плазмотрона, упрощение его изготовления и обслуживания.

Технический результат изобретения заключается в обеспечении интенсивного охлаждения теплонагруженных элементов плазмотрона при упрощении конструкции и исключении возможности двойного дугообразования в процессе эксплуатации.

Указанный технический результат при осуществлении изобретения достигается тем, что в плазмотроне, содержащем полый корпус со штуцерами для подвода и отвода охлаждающей жидкости, защитное и плазмообразующее сопла, закрепленные соответственно на наружной и внутренней поверхностях корпуса, установленный в корпусе электродный узел с системой его охлаждения, изолятор между электродом и плазмообразующим соплом, систему подвода защитного и плазмообразующего газов, кольцевой канал на наружной поверхности плазмообразующего сопла, расположенные в корпусе и соединенные с кольцевым каналом диаметрально противоположные каналы подвода и отвода охлаждающей жидкости, каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости нижними концами выходят в проточку, выполненную в корпусе, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала, корпус дополнительно снабжен втулкой и изоляторами-уплотнителями, в которые установлены, электрически изолированно от корпуса, плазмообразующее сопло и винт, резьбовое соединение которых обеспечивает герметизацию кольцевого канала, в полости винта установлен изолятор с закрепленным в нем электродным узлом.

Признаки заявляемого решения, отличительные от прототипа, - каналы для подвода и отвода охлаждающей жидкости нижними концами выходят в проточку, выполненную в корпусе, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала; плазмообразующее сопло закрепляется внутри корпуса при помощи винта и электрически изолировано от корпуса втулкой и изоляторами-уплотнителями; изолятор с размещенным в нем электродным узлом устанавливается внутри винта. В заявляемом устройстве резьбовое соединение плазмообразующего сопла и винта обеспечивает герметизацию кольцевого канала.

В результате такого выполнения независимой системы охлаждения плазмообразующего сопла достигается высокая эффективность охлаждения плазмообразующего сопла при упрощении конструкции. В результате сообщения подводящего и отводящего каналов с проточкой, выполненной в корпусе, сообщающейся (соединяющейся) с нижней частью кольцевого канала, обеспечивается интенсивное проточное движение охлаждающей жидкости вблизи наиболее теплонагруженной зоны плазмообразующего сопла. При этом исключается возникновение застойной зоны в нижней части кольцевого канала, что способствует повышению эффективности охлаждения плазмообразующего сопла. Предлагаемая система охлаждения плазмообразующего сопла позволяет упростить изготовление при малых радиальных габаритах плазмотрона, обеспечивает простое обслуживание и ремонт плазмотрона.

Закрепление плазмообразующего сопла электрически изолировано от корпуса, а следовательно, от защитного сопла, исключает возможность двойного дугообразования в процессе эксплуатации. Таким образом, предлагаемое решение обеспечивает высокую надежность и широкие технологические возможности плазмотрона, упрощение его изготовления и обслуживания.

На фиг.1 показан общий вид плазмотрона с продольным разрезом по системе подвода и отвода охлаждающей жидкости. На фиг.2 показан плазмотрон с продольным разрезом по системе подвода плазмообразующего и защитного газа.

Плазмотрон состоит из корпуса 1, установленного на нем при помощи резьбового соединения защитного сопла 2, размещенного в корпусе 1 плазмообразующего сопла 3, которое закрепляется винтом 4 и электрически изолируется от корпуса 1 втулкой 5 и изоляторами-уплотнителями 6 и 7, при этом обеспечивается электрическая изоляция плазмообразующего сопла 3 от защитного сопла 2. В винт 4 установлен на резьбе изолятор 8, выполненный, например, из фторопласта. В изоляторе 8 размещен на резьбе электродный узел 9, имеющий автономную систему охлаждения (на схеме не показана), электродный узел 9 фиксируется контргайкой 10. Корпус 1 имеет штуцера 11 и 12 и радиальные каналы 13 и 14 для подвода и отвода охлаждающей жидкости системы охлаждения плазмообразующего сопла, диаметрально противоположные и параллельно расположенные каналы 15 и 16, засверленные с торца корпуса 1, а затем заглушенные, и кольцевой канал 17, охватывающий плазмообразующее сопло 3 вблизи теплонагруженной зоны. Каналы 15 и 16 нижними концами выходят в проточку 18, выполненную в корпусе 1, соединяющуюся с нижней частью кольцевого канала 17. Корпус 1 имеет штуцер 19 и каналы 20 и 21 для подачи защитного газа под защитное сопло 2. Винт 4 снабжен штуцером 22 и каналом 23 для подвода плазмообразующего газа, на внешней цилиндрической поверхности изолятора 8 выполнена винтовая проточка 24, которая при установке изолятора 8 в винт 4 образует винтовой канал для тангенциальной подачи плазмообразующего газа в плазмообразующее сопло 3.

Плазмотрон работает следующим образом. Плазмотрон подключается к источнику питания сжатой дуги. Включается подача по штуцеру 22 и каналам 23 и 24 плазмообразующего газа, а по штуцеру 19 и каналам 20 и 21 защитного газа. Охлаждающая жидкость (например, вода) подается раздельно в систему охлаждения электродного узла 9 (не показана) и в систему охлаждения плазмообразующего сопла 3 через штуцер 11 и каналы 13 и 15 в кольцевой канал 17, охватывающий плазмообразующее сопло 3, и далее через каналы 16, 14 и штуцер 12 на слив. Подвод охлаждающей жидкости в кольцевой канал 17 и проточная циркуляция ее вблизи теплонагруженной зоны плазмообразующего сопла 3 обеспечивается соединением нижних концов каналов 15 и 16 с проточкой 18, сопрягаемой с нижней частью кольцевого канала 17.

Изобретение позволяет повысить надежность работы и расширить технологические возможности плазмотрона за счет обеспечения интенсивного охлаждения теплонагруженных элементов и исключения возможности двойного дугообразования в процессе эксплуатации, упростить его изготовление и обслуживание.

Испытания опытного образца плазмотрона с габаритами, равными D32*100 мм, и массой 0,35 кг при расходе охлаждающей воды 2,5 л/мин показали надежную работу плазмотрона в диапазоне рабочих токов 20-450 А. При расходе воды 4-5 л/мин рабочий ток может достигать 600 А.