Плазмотрон (варіанти)

Винахід відноситься до області плазмової обробки матеріалів і може бути використане для плазмоводугового різання металів. Відомий плазмотрон, що містить корпус із встановленим у ньому порожнім електродом, втулкойзавихрювачем з ізоляційного матеріалу і порожнім соплом, а також баластовий опір, між стінками сопла в його робочого торця встановлена ізоляційна прокладка, торцеві поверхні ізольовані втулкой-завихрювачем, а баластовий опір включений між стінками сопла (A.C. СРСР №917421 МПК В23К9/16, заявл. 12.12.80р.) Проте конструкція плазмотрона складна й ненадійна. У зв'язку з поганим охолодженням робочих частин і розташуванням ізоляційних прокладок у високотемпературній зоні, часто потрібен демонтаж його з кронштейна для проведення обслуговування й ремонту. Найбільш близьким по технічній сутності і результату, що досягається, до описуваного винаходу є електродуговий плазмотрон (прототип), що містить корпус із встановленим у ньому порожнім мідним електродом, втулкой-завихрювачем із тангенціальними каналами і порожнім вихідним соплом з ізоляційною прокладкою з робочого торця і баластовим опором, укладеним між стінками сопла, корпус виконаний з діелектрика, порожній електрод має різьблення на зовнішній поверхні і розташований усередині водоохолоджуваного соленоїда, при цьому площа каналу вихідного сопла дорівнює 3,5-6 сумарним площам тангенціальних каналів, а площа перетину кожного з тангенціальних каналів дорівнює величині, визнаній як SK=SH+100K, де SH - площа тангенціального каналу; K - константа арифметичної пропорційності, що має значення 0,2-0,4мм2. [Патент України №9657 А, МПК НО5В7/22. Опубл. 30.09.1998. Бюл. №3]. Однак у зв'язку з тим, що плазмотрон періодично піддається впливу високих температур і знаходиться в зоні розкиду бризів металу, що розрізається, зовнішній діелектричний корпус і закріплене з ним металеве сопло випробують температурні перепади й деформації, що є причиною виходу пристрою з ладу. Задачею пропонованого винаходу є удосконалення плазмотрона, у якому за рахунок того, що на тильній частині електрода мається конусна поверхня з кутом, меншим чи рівним куту тертя, по якій електрод герметично з'єднується з металевим стаканом, що його охоплює, а торцева поверхня зазначеного стакана через кільцевий еластичний елемент упирається в пружну діелектричну втулку, досягається герметизація порожнини водоохолоджування електрода і надійний електричний контакт для підведення електричного потенціалу до нього; тому що в металевому стакані, що охоплює електрод, маються два щілинних отвори, розташованих паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному, потік охолоджувальної води рухається по найкоротшому шляху поперек осі електрода, прохолоджуючи його з двох сторін щонайкраще; завдяки тому, що в одному з каналів подачі плазмоутворюючого газу є розміщений з можливістю зворотнопоступального переміщення усередині отвору перемінного перетину золотник, один кінець якого упирається в пружний елемент, виникають коливання потоку плазмоутворюючого газу, що проходить через електрод, а це збільшує ресурс роботи електрода; за рахунок розташування гайки на корпусі плазмотрона по різьбленню співвісно з металевим кожухом і розміщення кільцевого еластичного елемента між торцевими поверхнями зазначених гайки і кожуха, досягається надійна фіксація кожуха на корпусі, запобігається його самовідгвинчування і витоки охолоджувальної води; завдяки тому, що зовнішня циліндрична поверхня металевого стакану, що охоплює електрод, утворює внутрішні поверхні каналів подачі/зливу охолоджувальної води і плазмоутворюючого газу, а також у зв'язку з тим, що він містить два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елемента, прикріплених нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса в площині, приблизно перпендикулярній площині розташування вихідного і вхідного водяних каналів охолодження внутрішньої порожнини, утвореної соплом і зовнішнім кожухом, зменшуються габаритні розміри плазмотрона без зниження його потужності. Поставлена задача вирішується у такий спосіб. У плазмотроні, що містить корпус з діелектричного матеріалу з встановленим у ньому порожнім мідним електродом, крізь який подається плазмоутворюючий газ, металевий завихрювач із тангенціальними каналами для подачі плазмоутворюючого газу в розрядну камеру і пружну діелектричну втулку, що відокремлює його від електрода, зовнішній металевий кожух, на тильній частині електрода мається також конусна поверхня з кутом, меншим чи рівним куту тертя, по якій електрод герметично з'єднується з його металевим стаканом, що охоплює, а торцева поверхня зазначеного стакана через кільцевий еластичний елемент упирається в пружну діелектричну втулку; у металевому стакані, що охоплює електрод, маються два щілинних отвори, розташованих паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному; в одному з каналів подачі плазмоутворюючого газу є розміщений з можливістю зворотно-поступального переміщення усередині отвору перемінного перетину золотник, один кінець якого упирається в пружний елемент; він містить також гайку, встановлену по різьбленню на корпусі плазмотрона співвісно з металевим кожухом, при цьому між торцевими поверхнями зазначених гайки і кожуха розміщується кільцевий еластичний елемент; зовнішня циліндрична поверхня металевого стакану, що охоплює електрод, утворює внутрішні поверхні каналів подачі/зливу охолоджувальної води і плазмоутворюючого газу; він додатково містить два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементи, прикріплених нерухомо до соплової частини діелектричного корпусу в площині, приблизно перпендикулярній площині розташування вихідного і вхідного водяних каналів охолодження внутрішньої порожнини, утвореної соплом і зовнішнім кожухом. Конструкція плазмотрона дозволяє ізолювати порожнину водоохолоджування електрода від каналів подачі плазмоутворюючого газу за рахунок того, що на тильній частині електрода мається конусна поверхня з кутом, меншим чи рівним куту тертя, по якій електрод герметично з'єднується з металевим стаканом, що охоплює його, а торцева поверхня зазначеного стакана через кільцевий еластичний елемент упирається в пружну діелектричну втулку; поліпшити охолодження електрода за рахунок того, що в металевому стакані, що охоплює електрод, маються два щілинних отвори, розташованих паралельно його осі і діаметрально протилежно один - одному, через одне з яких охолоджувальна вода проникає в порожнину охолодження електрода і, відповідно, виходе через інше обтікаючи електрод із двох сторін по найкоротшому шляху перпендикулярно його осі; розташування в одному з каналів подачі плазмоутворюючого газу золотника (один кінець якого упирається в пружний елемент) з можливістю зворотно-поступального переміщення усередині отвору перемінного перетину, викликає коливання потоку плазмоутворюючого газу, що проходить через електрод, і збільшує ресурс роботи електрода; надійно фіксувати металевий кожух на корпусі плазмотрона стискаючи одночасно два еластичних елементи і запобігаючи витоку охолоджувальної води завдяки гайці, встановленій по різьбленню на корпусі плазмотрона співвісно з металевим кожухом, при цьому між торцевими поверхнями зазначених гайки і кожуха розміщається кільцевий еластичний елемент; використовуючи зовнішню циліндричну поверхню металевого стакану, що охоплює електрод, як внутрішні поверхні каналів подачі/зливу охолоджувальної води і плазмоутворюючого газу, спростити конструкцію і зменшити габаритні розміри плазмотрона зберігаючи необхідні (значні) прохідні перетини зазначених каналів, при цьому зовнішні їхні поверхні формуються, наприклад, фрезеруванням у діелектричному корпусі; сформувати потоки охолоджувальної води в зазорі між соплом і металевим кожухом таким чином, щоб знімати з них надлишки тепла від бризів металу, що розрізається, променистої енергії і теплової енергії плазмового струменя завдяки наявності в конструкції плазмотрона двох розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементів, прикріплених нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса в площині, приблизно перпендикулярній площині розташування вихідного і вхідного водяних каналів охолодження внутрішньої порожнини, утвореної соплом і зовнішнім кожухом. Сутність винаходу пояснюється наступними ілюстраціями. Фіг.1 - пропонований пристрій, загальний вид; Фіг.2 - вид праворуч; Фіг.3 - розріз за А-А. Плазмотрон містить корпус 1, виконаний з діелектричного матеріалу, усередині якого розміщений металевий стакан 2, нерухомо з'єднаний відомим засобом з металевою кришкою 3, у свою чергу нерухомо з'єднану відомим засобом із тильним торцем діелектричного корпусу. Усередині металевого стакана встановлений електрод 4, на тильній частині якого мається конусна поверхня з кутом, меншим чи рівним куту тертя, по якій електрод герметично з'єднується з металевим стаканом, що його охоплює, а торцева поверхня зазначеного стакана через кільцевий еластичний елемент 5 упирається в пружну діелектричну втулку 6. Між діелектричною втулкою й соплом 7 розташований завихрювач 8. Сопло нерухомо з'єднано з металевим кожухом 9, що, нагвинчуючись на корпусну гайку 10 (нерухомо розташовану відомим засобом на діелектричному корпусі 1), стискає вищевказаний кільцевий еластичний елемент 5 і встановлений між соплом і діелектричним корпусом кільцевий еластичний елемент 11. Співвісно електрода в сопловій частині кожуха розміщений змінний сопловий елемент 12. Герметизація водонаповненої порожнини, утвореної внутрішньою поверхнею металевого кожуха з однієї сторони, і зовнішніми поверхнями сопла, діелектричного корпуса, корпусної гайки з іншої, забезпечується деформацією кільцевого еластичного елемента 13, що займає робоче положення в кільцевій проточці корпусної гайки в момент, коли гайка 14 фіксує кожух, запобігаючи самовідгвинчування. Діелектричне кільце 15 запобігає перетику високовольтного заряду з металевої кришки 3 на кожух 9 у момент підпалювання електричної дуги між електродом і соплом. Ущільнення 16 виключає просочування охолоджувальної води назовні. З протилежного від розрядної камери торця в центральний канал електрода встановлюється торцевий завихрювач 17, у якому розміщений з можливістю зворотнопоступального переміщення усередині отвору перемінного перетину золотник 18, один кінець якого упирається в пружний елемент 19. Зайві переміщення золотника обмежуються кришкою 20, а зайве просочування плазмоутворюючого газу у внутрішню порожнину електрода запобігається ущільненням 21. Металевий шток 22, встановлений у центральному різьбовому отворі металевої кришки, служить для кріплення плазмотрона на кронштейні плазмового устаткування, а три отвори під патрубки штуцерів подачі (23), зливу (24) охолоджувальної води і підведення плазмоутворюючого газу 25 мають продовження усередині діелектричного корпусу у вигляді каналів, внутрішні поверхні яких утворені зовнішньою поверхнею металевого стакана 2. Два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементи 26 прикріплені нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса в площині, приблизно перпендикулярній площині розташування вихідного (27) і вхідного (28) водяних каналів охолодження внутрішньої порожнини 29, утвореної соплом і металевим кожухом. Плазмотрон працює в такий спосіб. Плазмоутворюючий газ із надлишковим тиском подається в повітряний канал плазмотрона через отвір 25 у металевій кришці 3. Частка його по радіальному свердлінню 30 у металевому стакані надходить у центральний повітряний канал, змушуючи переміщатися золотник 18 усередині отвору перемінного перетину. При цьому, розмір газового потоку буде постійно змінюватися, коливаючись біля деякого середнього значення, обумовленого, у свою чергу, розмірами дросельного отвору 31. Далі газовий потік проходить через торцевий завихрювач 17, здобуваючи необхідний напрямок крутіння усередині електрода. Інша частина газового потоку надходить у кільцевий ресивер 32, відкіля вдувається через тангенціальні канали 33 у розрядну камеру 34, створюючи в ній вихровий потік. Коливання газового потоку, що виникають, змушують постійно переміщатися точку прив'язки електричної дуги по внутрішній поверхні електрода, збільшуючи зону емісії електронів і поліпшуючи температурний режим роботи електрода, а отже, - ресурс його роботи. Охолоджувальна вода подається, наприклад, через отвір 23 у металевій кришці 3, проходить по наскрізному каналі в корпусі до відповідного вхідного щілинного отвору 35 у металевому стакані. Далі потік охолоджувальної води рухається по найкоротшому шляху поперек осі електрода, прохолоджуючи його по всій довжині з двох сторін щонайкраще, і через розташований діаметрально протилежно вихідний щілинний отвір 36 і канал 27 у діелектричному корпусі надходить у внутрішню порожнину 29 між соплом і металевим кожухом. Два розташованих діаметрально протилежно плоских еластичних елементи 26, що прикріплені нерухомо до соплової частини діелектричного корпуса, можуть легко деформуватися при збиранні й розбиранні плазмотрона під впливом різьблення на металевому кожусі, однак перешкоджають вільній течі води по найкоротшій відстані (шляху найменшого опору) між отворами 27 і 28. Потік охолоджувальної води рівномірно обмиває стінки сопла і кожуха, відбираючи, таким чином, надлишки тепла. Потім вода надходить у вихідний канал і через отвір 24 іде з плазмотрона. Можливий зворотний напрямок руху води через плазмотрон. Коли на плазмотрон подається електричний потенціал від джерела живлення й одночасно від осцилятора чи за допомогою іншого пристрою створюється іонізований канал у проміжку між порожнім електродом і стінкою сопла, факел чергової дуги видувається з каналу сопла і стикається з металом, що розрізається. Збуджується основна дуга між електродом і металом. У цей момент чергова дуга гасне, оскільки із сопла знімається напруга джерела живлення. Для стійкого і якісного різання вибирають необхідну швидкість переміщення плазмотрона щодо металу, який розрізається. Шток 22 призначений для кріплення плазмотрона до кронштейна плазмового устаткування й приєднання до нього електричного силового кабелю, оскільки металева кришка, у якій він розташований, одночасно є струмопровідним елементом. Від неї електричний потенціал через металевий стакан і конусну поверхню на ньому передається на електрод. Застосоване в пропонованій конструкції водяне охолодження всіх теплонавантажених елементів (як працюючих безпосередньо в зоні емісії електронів, так і в зонах плазмоутворення, витікання плазми, нагрівання променистою енергією й бризами розплавленого металу) дозволило зробити її простішою, компактною і надійною. Змінюючи розмір струмопровідних частин, газових і водяних каналів можливо створювати плазмотрони різного призначення, у тому числі для ручного й механізованого різання будь-яких металів. Запропонований винахід істотно збільшує ресурс роботи електрода, кількість урізань до заміни частин, що швидко зношуються, спрощує складально-розбірні операції, зменшує габаритні розміри плазмотрона. Таким чином, пропонований плазмотрон істотно відрізняється від відомих.