Устройство для многодуговой плазменной обработки материалов

УСТРОЙСТВО ДЛЯ МНОГОДУГОВОЙ ПЛАЗМЕННОЙ ОБРАБОТКИ МАТЕРИАЛОВ, содержащее несколько входных электродов, подключенных параллельно к источнику питания, и установленные между ними с соплом изолированные одна от другой межэлектродные вставки, каждая из которых выполнена с отверстием для образования каналов для формирования дуги, отличающееся тем, что, с целью упрощения конструкции устройства и повышения КПД устройства путем снижения потерь тепла в области сопла, в каждой межэлектродной вставке выполнены дополнительные отверстия, а общее число отверстий во вставке равно числу входных электродов.

Изобретение относится к устройствам для плазменной обработки материалов (например, для напыления, наплавки, сфероидизации и т.п.), а более конкретно к устройствам, обеспечивающим стабилизацию горения дуг в плазматронах. Оно может быть использовано в различных отраслях народного хозяйства в процессах сварки, резки, наплавки, обработки порошков и т.п.
Известны различные устройства, в которых на общую камеру смешения или реактор для обработки материалов установлено несколько идентичных однодуговых плазматронов с электродными узлами. Кроме того, имеются плазматроны с межэлектродными вставками, установленными между электродными узлами.
Известно устройство для обработки материалов, содержащее несколько идентичных плазматронов, каждый из которых имеет электродные узлы и сопла, причем плазматроны подключены параллельно к источнику питания.
Среди недостатков этого устройства можно отметить сложность конструкции и зажигания дуги, особенно при использовании плазматронов с секционированной межэлектродной вставкой. Кроме того, при напылении порошковых материалов требуются плазменные аппараты с высокоскоростными газовыми потоками. Такие потоки формируют при малых углах между осями плазматронов и осью плазменного аппарата. Однако указанные устройства в этом случае существенно усложняют конструкцию аппарата.
Известно устройство для многодуговой плазменной обработки материалов, содержащее несколько входных электродов (входным электродом считают электрод, со стороны которого подается плазмообразующий газ) и установленные между ними и соплом изолированные одна от другой межэлектродные вставки, каждая из которых выполнена с отверстием для образования каналов для формирования дуги.
Конструкция известного устройства позволяет изменять длину для формирования дуги без изменения поперечных размеров межэлектродных вставок. Число каналов может быть практически любым и они могут быть расположены под любым углом один к другому, а также к общему каналу.
Недостатками устройства являются его относительно сложная конструкция и большие габариты, так как в таком устройстве каналы для формирования дуги расположены далеко один от другого и сближение их ограничено размерами самих межэлектродных вставок, а также большие потери в области сопла, что снижает КПД устройства.
Целью изобретения является упрощение конструкции устройства и повышение его КПД путем снижения потерь тепла в области сопла.
Это достигается тем, что в устройстве для многодуговой плазменной обработки материалов, содержащем несколько входных электродов, подключенных параллельно к источнику питания, и установленные между ними и соплом изолированные одна от другой межэлектродные вставки, каждая из которых выполнена с отверстием для образования каналов для формирования дуги, в каждой межэлектродной вставке выполнены дополнительные отверстия, а общее число отверстий во вставке равно числу входных электродов.
На фиг.1 схематически изображено устройство для многодуговой плазменной обработки материалов с двумя каналами для формирования дуги; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1.
Устройство для многодуговой плазменной обработки содержит входные электроды (катоды) 1 и 2, через балластные сопротивления 3 и 4 параллельно подключенные к минусу источника питания 5. К плюсу источника питания 5 подключено общее сопло-анод 6. Между входными электродами (катодами) 1 и 2 и соплом-анодом 6 установлены межэлектродные вставки 7, в каждой из которых выполнены два отверстия 8 и 9, образующие в сборе каналы 10 и 11 для формирования сжатой дуги и для ее стабилизации, а также отверстие 12 для подачи материала, например в виде порошка, используемого для напыления покрытия или наплавки. Межэлектродные вставки 7 изолированы одна от другой и от электродов изолирующими прокладками 13. На выходе устройства установлено формирующее сопло 14.
Многодуговой плазменный аппарат работает следующим образом. Перед зажиганием электрических дуг первая от входных электродов 1 и 2 межэлектродная вставка 7 соединяется с соплом-анодом 6 (на чертежах не показано). Затем после подачи плазмообразующего газа (показано стрелками) между каждым электродом (катодом) 1 и 2 и этой первой межэлектродной вставкой 7 возбуждаются вспомогательные (дежурные) электрические дуги. Величину балластных сопротивлений 4 и 3 выбирают из расчета устойчивой работы параллельно включенных электрических дуг. При достижении стабильного горения вспомогательных дуг первую межэлектродную вставку 7 отключают от сопла-анода 6. Это приводит к возникновению основных электрических дуг в каналах 10 и 11 и к формированию суммарной сжатой дуги 15. После этого через отверстия 12 всех межэлектродных вставок 7 в область суммарной дуги 15 подают материал, например, в виде порошка.
Предлагаемое устройство за счет упрощения его конструкции позволяет значительно улучшить характеристики формируемых сжатых дуг. Так, угол между каналами для формирования дуги может быть уменьшен до нуля, а отверстия во вставках могут быть приближены к отверстию для подачи напыляемого или наполняемого материала на сколь угодно малое расстояние. Это значительно уменьшает искривление линий потока газа при переходе от каналов для формирования дуги к общему формирующему соплу, поэтому потери скоростного напора в области зоны смещения сжатых дуг близки к нулю. Кроме того, за счет уменьшения пульсаций потока газа при формировании зоны смещения создаются условия для снижения потерь тепла в области общего сопла, поэтому КПД устройства близок к КПД однодугового плазматрона.
Экспериментальные исследования проводили на устройстве тремя каналами для формирования дуги. Угол между общей осью устройства и осью каждого канала составлял 15^о, внутренний диаметр каждого канала 5 мм. Длина электрической сжатой дуги в каждом канале составляла 3,5 см. Исследования проводили с использованием аргона при расходе его через каждый канал 0,8-1,2 г/с. Ток каждой сжатой дуги изменялся от 40 до 120 А, а суммарный ток общей дуги от 120 до 360 А, при этом падение напряжения изменялось от 70 до 120 В. КПД устройства составлял 75%, при этом на токах выше 90 А для каждой сжатой дуги (суммарный ток 270 А) устройство работало без балластных сопротивлений. Устройство для многодуговой плазменной обработки было применено для напыления покрытий из окиси алюминия. В качестве напыляемого материала был взят порошок глинозема с основной фракцией 40-80 мкм. При плазменном напылении формировалась компактная плазменная струя, а полученные покрытия имели высокие адгезионные характеристики, зарастания сопла не наблюдалось.
Предлагаемое устройство для обработки материалов за счет упрощения конструкции позволяет значительно улучшить характеристики формируемой сжатой дуги и повысить эффективность технологического процесса нанесения покрытия.
Мощность сжатой дуги можно регулировать в широких пределах за счет разного количества параллельно работающих входных электродов без значительного изменения размеров устройства и за счет изменения длины каналов для формирования дуги без изменения поперечных размеров межэлектродных вставок.
Повышается стабильность технологического процесса, так как незначительное искривление линий газового потока в зоне смешения значительно уменьшает выброс на периферию обрабатываемого материала. Это обеспечивает высокий коэффициент использования обрабатываемого материала, особенно при сфероидизации.
Устройство просто в эксплуатации.
Указанные технико-экономические показатели предлагаемого устройства для многодуговой плазменной обработки позволяют поднять производительность технологических процессов и повысить качество изделий.