Плазменная горелка

ОП ИКАНИЕ ИЗОБРЕТЕН ИЯ и Союз СоветскихСоциалистическихРеспубликОпубликовано 23.07.80. Бюллетень27Дата опубликования описания 28.07.80 по делам иаебретенкй и еткрытнй(54) ПЛАЗМЕННАЯ ГОРЕЛКА 1Изобретение относится к области сва очного производства и может быть использовано для плазменной сварки металлов, преимущеетвенно ферромагнитных, в различных отраслях народного хозяйства.Большим эффективным КПД сжатой дуги и высокой производительностью процесса сварки характеризуется конструкция известной плазменной горелки, предназначенной для длительного поддержания дуговой плазмы между концом электрода и свариваемым изделием 1,Особенности известной плазменной горелки состоят в том, что удлиненный электрод, выполненный из тугоплавкого материала, выступает за пределы соплового узла, состоящего из плазмообразующего (внутреннего) и защитного (внешнего) сопел, а в плазмообразующем сопле горелки выполнен ряд цилиндрических отверстий малого диаметра, расположенных равномерно по окружности, концентрично электроду, и наклоненных к нему таким образом, что все струи плазмообразующего газа, вкходящие из этих отверстий, пересекаются в о пой точке на конце электрода. Кроме пль мсобразующего сопла, горелка имеет защитное. Между наружной поверхкостьк паазмообразующего сопл 1 и вн гренке поверхностью защитного сопла имеется кольцевая полость, в которую через ряд цилиндрических отверстий. расположенных равномерно по окружности и концснтрично электроду, поступает защитныи газ.Недостатком известной плазменной горелки является недостаточная пространственная устойчивость с-.олба дуги в промежутке между электоодом и изделием гри сварке ферромагнитных металлов, так как выстуние конца электрода за пределы соплаобеспечивает ли шь формирование мягкой сжатой д, ги. Известна плазменная горелка для обработки материалов, имеющая сопловой узел с осевым цилиндрическим каналом, вне;пням и внутренним рядами концентри,иых отверстий, расположенных равномерно по окружности и под углом к оси плазмеп; ой горелки, а также соосно установленный электрод, диаметр торпа которого равен ди;.метру осевого цилин трического канала 2 .Целью пр дполагаемого изобп, тенин является повышение глубины пр главленияпутем увеличения эффективного КПД сжатой дуги.Это достигается тем, что отношение длины осевого цилиндрического канала к его диаметру составляет 0,25 - 0,40, а отношение диаметров соответствует выражениюэдМ. -где Д - диаметр осевого цилиндрического канала и торца электрода; Йи Й - соооветственно диаметры внутреннего и внешнего рядов концентричных отверстий на торце соплового узла.На приведенном чертеже показано устройство плазменной горелки.Плазменная горелка содержит сопловой узел 1 с осевым цилиндрическим каналом длиной 1 и диаметром Д, а также электрод 2 с катодной вставкой. Электрод размещен соосно сопловому узлу и отделен от него кольцевым промежутком, при этом диаметр торца электрода и диаметр осевого цилиндрического канала в сопловом узле равны между собой, Концентричные отверстия в каждом ряду, как во внутреннем, так и во внешнем, расположены равномерно по окружности, наклонены к оси плазменной горелки и выходят на торец соплового узла. Концентричные отверстия внутреннего ряда расположены под углом к продольной оси плазменной горелки таким образом, что их оси пересекаются на оси плазменной горелки в одной точке, совпадающей с точкой пересечения оси горелки с поверхностью свариваемого металла 3. Угол наклона концентричных отверстий внешнего ряда и продольной оси плазменной горелки равен, меньше или больше угла наклона отверстий внутреннего ряда. Во всех случаях соотношение диаметров осевого цилиндрического канала и торца электрода с разницей диаметров внешнего и внутреннего рядов концентричных отверстий на торце соплового узла соответствуют выражениюЪйв-Дгде Д - диаметры осевого цилиндрического канала и торца электрода;Д,и Д - соотвественно диаметры внутреннего и внешнего рядов концентричных отверстий на торце соплового узла.Указанные соотношения основных геометрических размеров плазменной горелки являются оптимальными при сварке ферромагнитных металлов. Так, например, изменение соотношения диаметра и длины осевого цилиндрического канала за пределы 025 - 0,40 в сторону увеличения ведет к пропорциональному увеличению непроизводительных потерь тепла дуги в стенки канала сопла и, как следствие, к снижению эффективного КПД сжатой дуги, а изменение этого соотношения в сторону уменьшения - к резкому снижению температуры направленного потока плазмы и пространственной устойчи вости столба сжатой дуги, Равенство диаметров осевого цилиндрического сопла и торца электрода обуславливается необходимостью ность процесса сварки при максимальной глубине проплавления, хорошее качество сварного соединения и надежная защита сварочной ванны от вредного влияния окружающей среды обеспечивается лишь в том случае, когда соотношение основных геометрических размеров плазменной горелки соответствует вышеуказанному тождеству.Во всех случаях, несоблюдение вышеуказанного тождества приводит к снижению эффективного КПД сжатой дуги, как следствие, к уменьшению глубины проплавления, к ухудшению качества сварного соединения и защиты сварочной ванны от окружающей среды, а также к уменьшению эксплуатационной надежности плазменной горелки. Так, например, изменение этого соотношения в сторону увеличения от единицы за счет увеличения диаметра внутреннего ряда концентричных отверстий на торце соплового узла изменяет условия стабилизации столба сжатой дуги в промежутке между сопловым углом и поверхностью свариваемого металла, что ведет к расширению пятна нагрева и, как следствие, к уменьшению глубины проплавления металла или снижению производительности процесса сварки. С другой стороны, уменьшение диаметра внутреннего ряда концентричных отверстий на торце соплового узла (соотношение основных геометрических размеров плазменной горелки изменяется в сторону уменьшения от единицы) снижает эксплуатационную надежность соплового узла и нарушает ламинарность направленного потока плазмы, в следствие чего ухудшается защита столба дуги и сварочной ванны от окружающей среды,Влияние диаметра внешнего ряда отверстий на торце соплового узла также двояко: увеличение этого диаметра снижает эксплуатационную надежность соплового узла из-за его перегрева, уменьшение ухудшает защиту сварочной ванны от вредного влияния окружающей среды. Влияние диаметра торца электрода на надежность работы плазменной горелки и обусловленность равенства его с диаметром осевого цилиндрического канала соплового узла было показано выше. Диаметр осевого цилиндрического канала является одним из важнейших параметров плазменной горелки, определяющим производительность процесса сварки, качество 15 20 ,5 39 35 46 45 И 55 жесткой фиксации катодного пятна на оси электрода. Уменьшение диаметра торца электрода ведет к снижению эксплуатационной надежности электрода из-за его перегрева, а увеличение - вызывает неустойчивость положения катодного пятна. Особо важным является соблюдение оптимального соотнощения диаметров осевого цилиндрическогоканала и торца электрода с разницей диаметров концентричных рядов отверстий на торце соплового узла. Высокая производитель 749594сварного соединения и эксплуатационную надежность плазменной горелки.Величина диаметра осевого цилиндрического канала соплового узла определяется величиной тока сжатой дуги. Эта зависимость носит пропорциональный характер. Так, например, при токе дуги 250 А диаметр осевого канала соплового узла составляет 4 мм, при токе дуги 600 А - 8 мм.В указанном соотношении основных геометрических размеров плазменной горелки увеличение диаметра осевого цилиндрического канала соплового узла (соотношение размеров изменяется в сторону увеличения от единицы) снижает температуру в столбе дуги (глубина проплавления уменьшается) и пространственную устойччвость столба дуги; уменьшение диаметра осевого цилиндрического канала (соотношение размеров изменяется в сторону уменьшения от единицы) резко снижает эксплуатационную надежность соплового узла из-за его разрушения при двойном дугообразовании.Плазменная горелка работает следующим образом. Первоначально в кольцевой зазор между электродом и сопловым узлом подается плазмообразующий газ, после чего возбуждается вспомогательная дуга, Вспомогательная дуга горит между электродом и сопловым узлом, при этом ее катодное пятно размещается ча торцовой поверхности электрода, а анодное - на наружной поверхности ТОРЦЯ СОПЛОВОГО УЗЛЯ, ГДЕ И ПЕРЕМЕЩЯСТСЯ хаотически в результате воздействия на него газодинамических сил газоВОГО потока. Как только поток ионизировянных частиц касается поверхности свгриваемого металла, вспомогательная дуга автоматически переходит в сильноточную (сжатую), горящую между электродом и изделием, при этом анодное пятно дуги размещается на поверхности свариваемого металла. Одновременно с возбуждением сжатой дуги через концентричные отверстия в сопловом узле по. дается защитный газ, например, углекислый газ, защищающий столб плазменной дуги и поверхность расплавленного металла в сварочной ванне от окружающей среды. Фокусирующий газ, выходящий из концентричных отверстий внутреннего ряда не толь, ко защищает столб дуги от окружающей среды, но и дополнительно стабилизирует направленный поток плазмы в промежутке между сопловым узлом и поверхностью свяриваемого металла, обеспечивая тем самым большую пространственную устойчивость в сравнении с известной конструкцией плазменной горелки, так как в предложенной плазменной Горелке в формирОВднееи и стябилеЕЗЯции столба дуги в промежутке катод-анодучаствуют как осевой цилиндрический каналсопла, так и поток фокусируюцего (стабилизирующего) газаКроме того, фокусируюший поток газа,выходящий из отверстий внутрсннего ряда,не только стабил;зирует столб дуги в промежутке между сопловым узлом и изделием, йо и охлаждает наружный слой потокаплазмы в непосредственной близости отео анодного пятна дуги, создавая тем самымблагоприятные условия для локализациипятна нагрева и увеличения глубины проплавления основного металла.Длительные эксплуатационеые испытания предложенной конструкции плаз.еннойгорелки показали ее надежную работу икачественное формирование швя при сварке ферромагн;тньх метяллоь с Одновременным увеличением Глубины проплавления основного металла.Так, например, при токе дуги 500 А инапряжении на столое дуг 1 50 В .",ОстиГнутаглубина проплавлсния 12 мм зя один проход(при няплавке Валиков),Плазменная горечка для об 1.аботки ма.териалов, ппеим, цественно ферпсмягпгньх,содержащая соплОВОН зел с Осевьм Нилин,1 эв риеск.м кана,1 Ом -;нп:и 1; и :нх 1 ее 1 мрядами кснцентппч:Гых Верстии, располо.женных эявном Оно:1 с ко"жностя и под"ГЛОМ ; ОСИ и,".ЯЗМЕЧ .Сй ГЗПЕЛКИ, Я ТЯКЖСсоосно;Естя. Овле. Ны.: эге;, по т тия метр торЦЯ КОТОРОГО ВЯВЕ. ДИЯ"ЕТРГЕВОГС ,ИЛИИ 1 ЗЕ рического кяняля, От:1 ичйю,.,пяся те:,1, чтО,с целью повышения ГлуОины проплявленняГутем увеличения эффективчого КПД сжаТОЙ Д 1 ГИ, ОТНОШЕНИЕ ДЛИНЬ ОСЕВОГО ЦИЛИНДрического канала к его диаметру составляет0.25 - 0,40, а отношение диаметров соответ;4 о ствует выражению3. 13,г 1 е Дциаме-,У осс Гого цпл:ппри-ескогсканала и орда электподя;ЯИ Д - СООТВЕТС 1 ВЕННО Диг МЕТРЫ ВИ 1 Т 45 реннегс и в:ешнего рядов концентричных отверстий на торце соплового узла.Лсточеи.и информации,принятые Во Внимание при экспертизе1 атент Ан. ии Уо 1298 Оэол. В г К, 1975.2. Быховский Д. 1. Газоэлектреческаярезка металлов в су-сстроении. ссСудостроение, Л., 1964, с. 7 - 32.Составитель Л. Суханова Редактор В. Голышкина Техред К, Шуфрич Корректор М. Демчик Заказ 4517/9 Тираж 1160 Подписное ЦНИИПИ Государственного комитета СССР по делам изобретений и открытий 113035, Москва, Ж - 35, Раушская наб., д. 4/5 Филиал ППП Патент, г. Ужгород, ул. Проектная, 4