Плазменная горелка

.Я.Медведев 8)1435998,ьство СССР9/16, 1978. ОРЕЛКА д муществе ГОСУДАРСТВЕННЫЙ КОМИТЕТ СССРПО ДЕЛАМ ИЗОБРЕТЕНИЙ И ОТНРЫТИЙ А ВТОРСНОМУ СВИДЕТЕЛЬСТ(56) Патент Англии Мкл, В 23 К 9/ 16, 1976Авторское свидетелМ 749594, кл. В 23 К 54) (57) 1, ПЛАЗМЕННАЯ бработки металлов, пр ЕТЕИИЯ ВУ: г : г держащая плазцентральным я рядами коных дополнительрядов которых а, отличас целью по- ности, качества я габаритов защитной наустановленной положенные в ы параллельно а каналы другоендикулярными и защитной надля ручной сварки, сомообразующее сопло ссоосным каналом и двумцентрично расположеннных каналов, один извыполнен в торце соплю щ а я с я тем, чтовышения производительобработки .и уменьшенигорелки, она снабженасадкой, концентричнона сопле, каналы, расторце сопла, выполненцентральному каналу,го ряда выполнены перлвнутренней поверхностсадки,1234104 2. Горелка по и.1, о т и и ч, а ю щ а я,с я тем, что, с целью равномерного и оптимального распределения газовых потоков, входы дополнительных каналов 1 асположены на окружности одного диаметра,Изобретение относится к плазменной обработке электропроводных материалов и может быть использовано для плазменной сварки черных и цвет.ных металлов на постоянном токе прямой и обратной полярности, преимущественно для ручной плазменной сварки.Известна горелка для плазменной обработки электропроводных материалов, содержащая электрод, плазмообразующее сопло с осевым центральным каналом и рядом дополнительных каналов, расположенных равномерно по окружности. При этом внутренняя полость плазмообразующего сопла известной горелки соединена с атмосферой с помощью осевого центрального канала и дополнительных каналов. Известная горелка обеспечивает эффективный процесс резки металлов за счет улучшения стабилизации дуги потоком газа, вытекающего из дополнительных каналов.Однако при снижении расхода плазмообразующего газа до величины, соответствующей режиму сварки, поток газа из дополнительных каналов не обеспечивает необходимую защиту металла сварочной ванны и процесс сварки становится невозможным.Наиболее близкой по техничес-, кой сущности и достигаемому эффекту к предлагаемой является плазменная горелка для обработки металлов, преимущественно для сварки, содержащая плазмообразующее сопло с центральным соосным каналом и двумя рядами концентрично расположенных дополнительных каналов, один из рядов которых выполнен в торце сопла.Недостатком данной горелки является незначительная производитель" 3, Горелка по пп.1 и 2, о т л и ч а ю щ а я с я тем,что,с целью опти - мального охлажденияплазмообразующего сопла, входыдополнительных каналов одного рядасовпадают свходами дополнительных каналовдругого ряда. ность, низкое качество обработки,значительные ее габариты, неравномерное распределение газовых потокови плохое охлаждение сопла.5 Цель изобретения - повышениепроизводительности, качества обработки, уменьшение габаритов горелки,обеспечение равномерного газовогопотока и улучшение охлаждения сопла.10 Поставленная цель достигаетсятем, что плазменная горелка для обработки металлов, преимущественнодля ручной сварки, содержащая плаз мообразующее сопло с центральнымсоосным каналом и двумя рядами концентрично расположенных дополнительных каналов, один из рядов которыхвыполнен в торце сопла, снабжена 20 защитной насадкой, концентрично установленной на сопле, каналы, расположенные в торце сопла, выполненыпараллельно центральному каналу, аканалы другого ряда: выполнены пер пендикулярными внутренней поверхности защитной насадки, при этомвходы дополнительных каналов расположены по окружности одного диаметра и входы дополнительных каналов 30 одного ряда совпадают с входами дополнительных каналов другого ряда.На фиг.1 представлена горелка, вкоторой входы первого и второго дополнительных каналов расположены наразных диаметрах; на фиг.2 - сечение А-А на фиг.1; на фиг.З - горелка, в которой входы дополнительныхканалов одного ряда расположены наокружности одного диаметра; на фиг.40 4 - сечение Б-Б на фиг.З; на фиг,5 -горелка, входы дополнительных кана-,лов одного ряда совпадают с входамидополнительных каналов другого ряда;на фиг.б - сечение В-В на фиг.5.Горелка содержит медный электрод 1, в который при работе на постоянном токе прямой полярности помещена заподлицо цилиндрическая вставка 2 из циркония, гафния или графита. 5 При работе на обратной погярности электрод 1 выполнен из меди, а в некоторых случаях электрод 1 может содержать вставку 2 из вольфрама.Через изолятор 3 электрод 1 соединен О с плаэмообразующим соплом 4, В плазмообраэующем сопле 4 выполнены осевой центральный канал 5, внутренний ряд 6 дополнительных каналов 7 и внешний ряд 8 дополнительных каналов 9, Число каналов 7. и 9 в, каждом из рядов 6 и 8 составляет не менее трех и не более двенадцати. Число каналов одного ряда меньше, больше или равно числу каналов другого ряда. Октималь О ным является одинаковое число каналов в каждом из рядов, Во всех случаях суммарное сечение каналов 7 из ряда 6 и суммарное сечение каналов 9 из ряда 8 удовлетворяет соотношению д 0,8 Б где 5; -Б, = Б 2,5 Бсуммарное сечение каналов 7внутреннего ряда 6;суммарное сечение каналов9 внешнего ряда 8сечение осевого центрального канала. казали опыты, оптимальнымсоотношение35г 2 Бо Как по является На фиг.3 и 4 изображена горелка, у которой входные отверстия каналов 7 и,9 на внутренней поверхности плаз О мообразующего сопла 4 размещены концентрично осевому центральному каналу 5 на окружности одного диаметра.На фиг.4,5 изображена горелка, у которой каналы 7 и 9 выполнены так же, как у горелки, показанной на фиг.З и 4, кроме того входные отверстия каналов 7 и 9 совпадают. Предлагаемая горелка работает следующим образом. 50Первоначально во внутреннюю полость 10 от источника 11 по трубопро-, воду 12 подается газ, являющийся одновременно плазмообразующим, стабилизирующим и защитным. Часть общего потока газа, являющаяся плазмообразующим, вытекает из полости 10 в атмосферу через осевой центральный 31234104 4канал 5 плазмообразующего сопла 4,часть общего потока газа, являющаясястабилизирующим, - через внутреннийряд 6 каналов 7, часть общего потока,являющаяся защитным, - через внешнийряд 8 каналов 9 и зазор защитного сопла 13. Расходы плазмообразующего,стабилизирующего и защитного газаавтоматически устанавливаются обратно пропорционально гидравлическимсопротивлениям соответствующих каналов. В отсутствии дуги гидравлическиесопротивления главным образом определяются проходным сечением и количеством соответствующих каналов.После того как установится стациоюнарный расход газа через все каналы,между электродом 1 и соплом 4 возбуждается иалоамперная дежурная дуга, опорные пятна которой располагаются на торцовой поверхности электрода 1, в частности на торцовой поверхности вставки 2 и на внешней поверхности сопла 4. Столб дежурнойдуги проходит в потоке плазмообразующего газа через канал 5, образуяна выходе из канала. 5 плазменнуюструю. При касании плазменной струиизделия 14 между электродом 1, вЗО частности между вставкой 2 и изделием, автоматически возбуждаетсярабочая плазменная дуга, столб которой проходит в потоке плазмообразующего газа через осевой центральныйканал 5. После возбуждения рабочейплазменной дуги расходы плазмообразующего, стабилизирующего газа автоматически перераспределяются в соответствии с новым гидравлическимсопротивлением канала 5, через который проходит столб дуги.Положительный эффект предложеннойгорелки основан на следующем явлении.Измерения радиального распределения массового р расхода плазмообразующего газа и температуры Т на выходном срезе осевого центральногоканала 5 при горении рабочей плазменной дуги в известных горелках показали, что для данного диаметра канала5 и соответствующего этому диаметрурабочего тока существует минимально допустимый расход Я плазмообразующего газа, при котором большая частьгаза инжектируется в центральнуючасть столба дуги 15. В этом случаетепловая энергия плазменной дугииспользуетсянаиболее эффективно.Кроме того, малый массовый расход плазмообразующего газа на периферий-, ной части столба дуги снижает механическое взаимодействие плазменной дуги с окружающей атмосферой и сварочной ванной, что обеспечивает хорошую защиту и формирование сварочной ванны. Однако данный режим является критичным, так как малейшее снижение расхода плазмообразующего газа, вызванное нестабильностью системы подачи и регулировки расхода газа или Флюктациями в столбе дуги, являющимися органическим свойством электрической дуги, приводит к тепловому разрушению канала 5 и возник- новению аварийного режима двойнойдуги.Поэтому в известных горелках за счет снижения эффективности процесса вынуждены увеличивать в несколько раз в сравнении с оптимальным расход плазмообразующего газа через канал 5,При увеличении расхода плазмообразующего газа до значения).1, столб дуги ведет себя как почти газонепроницаемое тело. В связи с этим избыток газа 6 Ц = Я - Я 1 сбрасывается в кольцевой зазор между столбами дуги и поверхностью канала 5. В этом случае большая часть плазмообразующего газа ЬЯ ) Я, проходит вне высокотемпературной зоны столба дуги и тепловая энергия плазменной дуги используется крайне неэффективно, Кроме того, повышенный расход газа на периферийной части столба дуги способствует интенсивному перемешиванию плазмообразующего газа с окружающей атмосферой, что нарушает защиту и деформирует сварочную ванну, Увеличение тока не приводит к качественным изменениям в доведении столба дуги в канале 5 известных горелок,В предложенной горелке дополни" тельные каналы 7 и 9, а также защитное сопло 11 выполнены таким образом, что они создают условия для одновременного и автоматического поддержания режима оптимального использования тепловой энергии плазменной дуги и режима наилучшего формирования и защиты сварочной ванны.Измерения радиального распределения массового расхода о и температуры Т на срезе канала 5 в предлагаемой горелке показали, что двухкрат 10 15 ти регулирования и стабилизации обще 20 25, в плазменной дуге, что сводит к мини 30 35 45 50 55 ное и четырехкратное увеличение общего расхода газа во внутренней полости 10 приводит лишь к незначительному увеличению расхода плазмообразующего газа на периферийнойобласти столба дуги в канале 5. Таким образом, с одной стороны, созда-.ются условия, обеспечивающие надежную тепловую защиту канала 5 при одновременном сохранении высокойэффективности использования тепловойэнергии дуги. С другой стороны,резко снижаются тербования к точносго расхода газа во внутренней полости10,Оптимальнымявляется расположениеканалов 7 внутреннего ряда 6 параллельно центральному каналу 5. В этом случае посредством внутреннего ряда каналов 7 за срезом сопла 4 создается поток стабилизирующего газа спутный с потоком плазмообразующего газа муму турбулизацию плазменной дуги исоздает оптимальные условия для Формирования сварочной ванны на изделии 14. Поскольку увеличение общего расхода газа во внутренней полости не приводит к ухудшению рабочих свойств плазменной дуги, поток газа через внешний ряд 8 каналов 9, направляясь по зазору, образованному плазмообразующим соплом 4 и защитным соплом 11, создает надежную защиту сварочной ванны.Для образования равномерного потока защитного газа в зазоре необходимо и достаточно, чтобы каналы 9были перпендикулярны внутренней поверхности защитного сопла 13. Установлено, что при числе дополнительных каналов в ряду менее трех не удается создать равномерного концентричного потока газа. При числе дополнительных каналов в ряду более двенадцати резко ухудшаются условия теплоотвода от центрального канала 5, Наибольший положительный эффект достигается, когда число дополнительных каналов в каждом из рядов совпадает,Для равномерного распределения потоков стабилизирующего и защитного газа необходимо и достаточно, чтобы входные отверстия каналов 7 и 91234104 А-А на внутренней поверхности плазмообразующего сопла 4 были размещены чередуясь концентрично осевому центральному каналу 5 на окружности одного диаметра.Наилучшие условия охлаждения канала 5 при равномерном распределении потоков защитного и стабилизирующего газа создаются, если входные отверстия каналов 7 и 9 выполнены на окружности одного диаметра и совпадают.В сравнении с известными предлагаемая горелка кроме повышения производительности и качества процесса за счет максимального использования тепловой энергии плазменной дуги и одновременного улучшения условий стабилизации и защиты сварочной ванны ,позволяет значительно сократить габариты горелки, так как указанные выше положительные эффекты достигаются за счет одного общего потока газа, подводимого по одному трубопроводу. Эксплуатационные испытания предложенной горелки показали ее надежную и эффективную работу при ручнойплазменной сварке сталей, алюминия исплавов на основе алюминия на постоянном токе прямой и обратной по-.лярности в среде инертных газов, вуглекислом газе, а также в смесях 1 О углекислого газа с газообразнымиуглеводородами (медиан, пропан, природный газ). Экономический. эффект от предло женной горелки обеспечиваетсяза счет повышения производительностии качества ручной сварки в диапазоне толщин до 20 мм, Кроме того, применение предлагаемой плазменной 20 горелки позволяет в сравнении с базовым объектом, за который принятагорелка в среде аргона для дуговойсварки.,снизить стоимость 1 п.м.сварного шва на 507, в сравнении со 25 сваркой плавящимся электродом в срегде углекислого газа - на 257,ектор Т.Колб Тираж 100 ПодписиНИИПИ Государственного комитета СССРпо делам изобретений и открытийМосква, Ж, Раушская наб., д.4/5 аказ 2935/15 11303 Проектная,4 изводственно-полиграфическое предприятие, г.ужг