Многофункциональный переносной комплекс для плазменной обработки

Многофункциональный переносной комплекс может быть использован в промышленности, строительстве, ювелирном и зубопротезном деле для плазменной обработки, включая термообработку, сварку, наплавку, резку и очистку поверхности негорючих материалов.

Он состоит из трех функционально связанных частей: электродугового плазмотрона, работающего на жидком рабочем теле в виде раствора воды, спиртов и/или нашатырного спирта (гидроксида аммония), с монтажным отверстием в его корпусе, блока питания и программного управления плазмотроном при запуске и в переходном режиме его работы и дополнительно из съемной ручки-держателя пистолетного типа для ручной обработки, которая крепится к плазмотрону через монтажное отверстие в корпусе. Плазмотрон имеет профилированный канал съемного сопла-конфузора для дополнительной стабилизации и геометрического сжатия дуги стенками канала.

Полезная модель расширяет функциональные возможности плазменной обработки в сложных климатических и эксплуатационных условиях за счет конструктивных особенностей комплекса, обеспечения устойчивого горения дуги, стабильности состава и управляемости параметрами плазменной струи, возможности эксплуатации в составе автомата-манипулятора.

Многофункциональный переносной комплекс может быть использован в промышленности, строительстве, ювелирном и зубопротезном деле, а также в бытовых условиях для плазменной обработки, включая сварку, наплавку, резку и очистку металлов, других негорючих материалов и для термической обработки.

Известны малогабаритные переносные комплексы (аппараты) [1-3] для различных видов ручной (неавтоматической) плазменной обработки с использованием жидкой смеси на водной основе в качестве рабочего тела, состоящие из двух основных функционально связанных частей: блока питания с панелью ручного управления работой плазмотрона в рабочем режиме, например [4], и электродугового малоамперного (4-10 А, ступенчатое переключение через 1 А) плазмотрона мощностью не более 3 кВт, выполненного как одно целое с ручкой-держателем пистолетного типа и снабженного устройством для вихревой стабилизации дуги парогазовым потоком, встроенным резервуаром-накопителем с влаговпитывающим наполнителем для рабочего тела и устройством подачи его в испаритель с помощью капиллярных сил. В качестве рабочего тела применяют воду [1, 3] или деионизованную воду с добавлением пероксида водорода [2] как окислитель в составе плазмообразующей среды или следующие водородосодержащие ингредиенты в смеси с дистиллированной или деионизованной водой: этанол [3], водорастворимые кетоны и одноатомные алифатические спирты жирного ряда в смеси с пероксидом водорода (перекисью водорода) [1, 5], водорастворимые спирты (низшие алифатические спирты и ряда амфипротонных органических растворителей) и/или нашатырный спирт (гидроксид аммония, водный раствор аммиака - NH₃) в виде гомогенной смеси (раствора) [3] - прототип, а также применяют гомогенизированную смесь углеродосодержащего топлива, нефтяных растворителей и водного раствора пероксида водорода [2, 5]. Водосодержащие ингредиенты рабочего тела обеспечивают, как известно, восстановительные свойства плазмы или в небольших количествах в смеси с водой химически нейтральную плазменную среду. Заправка плазмотрона таким рабочим телом применяется, например, для сварки и наплавки металлов, воду используют для резки металлов, нейтральную плазму - для термической обработки.

Недостатками указанных комплексов при использовании в промышленных условиях являются недопустимый нагрев ручки-держателя в процессе обработки, технологическая ограниченность ручной (неавтоматической) обработки и невозможность применения комплексов на открытом воздухе в сложных климатических и эксплуатационных условиях, например, в закрытых влажных помещениях, а также использование в плазмотроне уплотнителей из паронита, резины, бутилкаучука и других распространенных эластомеров, которые являются химически нестойкими по отношению к применяемым рабочим жидкостям. Кроме того, углеродосодержащее топливо и нефтяные растворители сравнительно пожароопасны, содержат примеси и вообще практически не растворяются в воде, образуя при смешении с водой даже с применением известных эмульгаторов гетерогенные метастабильные эмульсии, использование которых в качестве рабочего тела затруднено из-за его постепенного расслоения.

Рабочие жидкости, применяемые в аналогах [1, 2, 5], вызывают затруднения при заправке ими плазмотрона, особенно при пониженной температуре, неравномерной пропитки капиллярно-пористого наполнителя в резервуаре и, соответственно, неравномерного поступления ингредиентов рабочего тела в испаритель плазмотрона под действием капиллярных сил. При этом наблюдается непостоянство состава плазмообразующих паров, шунтирование дуги и сложность ручного и автоматического регулирования устойчивого горения дуги, а также затруднения при запуске и ступенчатом переключении рабочих режимов плазмотрона из-за погасания дуги. Кроме того, указанные жидкости недостаточно обогащают плазму таким газом-восстановителем как водород и ограничивают срок эксплуатации электродного узла. Наблюдается также загрязнение испарителя, изолятора и электродного узла в канале плазмотрона углеродными и другими нежелательными осаждениями.

Так как в аналогах используются малоамперные плазмотроны (до 10 А) крайне затруднено применение в качестве рабочего тела жидкостей с температурой кипения при давлении 101 кПа вне интервала 315-400°К.

При этом следует иметь ввиду, что наилучший результат плазменной обработки, в частности при сварке, можно получить только использованием в качестве рабочей жидкости не смесей, а водного раствора водородосодержащих ингредиентов, например, спиртов, а оптимальным с точки зрения энергетики и прочности сварного шва, в частности, является содержание их в плазмо-образующей жидкости в пределах 30-60 мас.%. При этом следует учитывать известное в химии растворов явление экзотермической контракции в процессе растворения в воде амфипротонных растворителей из класса, например, спиртов, сопровождаемое образованием «молекулярных конгломератов» в виде так называемых спиртогидратов, включающих более 10 молекул воды на одну молекулу спирта, а также известные законы Коновалова, гарантирующие равномерное по составу паров испарение смесей только в виде гомогенных растворов, причем в отношении спиртов еще важно достичь полной гидратации спирта в воде, на которое требуется некоторое время, сравнимое, например, с временем «схватывания» гипса (причем только при условии разбавления спирта водой, как более тяжелой жидкостью, а не наоборот). Начало остывания раствора свидетельствует о завершении гидратации спиртов.

Для удобства работы, особенно при низких температурах, целесообразно понизить величину поверхностного натяжения рабочей жидкости введением в нее аммиака с целью повышения ее текучести, смешиваемости ингредиентов, до состояния гомогенности на макро и микро (молекулярном) уровне, ускорения гидратации спирта и сокращения, в частности, времени заполнения в плазмотроне резервуара рабочей жидкостью. Эти свойства аммиака обусловлены так называемой инверсией его молекул и вызваны известным квантово-химическим эффектом. Известно, что дополнительное введение в плазмообразующую среду аммиака как водородосодержащего вещества кроме придания плазме восстановительных свойств повышает мощность (энергоемкость) плазмы и энтальпию плазменной струи, а также повышает эксплуатационные характеристики электродов, в частности, за счет образования нитридной пленки на поверхности термостойкой вставки в катоде. Кроме того, известно, что не все спирты хорошо растворяются в воде, но введение в смесь растворителей, например, спиртов и воды, дополнительного ингредиента повышает взаимную растворимость всех ингредиентов и способствует дальнейшей гомогенизации раствора, в частности, гидратации спиртов в воде, как необходимого условия их равномерного по составу паров испарения в смеси с водой. Наиболее удобным способом введения аммиака в плазму является разбавление рабочей жидкости водным раствором аммиака (нашатырным спиртом), например, 10%-м стандартным раствором, широко используемым в медицине, для бытовых и хозяйственных нужд.

Известно, что зажигание дуги в пусковом режиме облегчается при максимально возможном токе, питающем дугу, а учет большой тепловой инерционности указанных плазмотронов требует при переключении токовых режимов горения дуги, чтобы дуга не гасла, плавного изменения тока от одного рабочего значения до другого, что наиболее эффективно достигается автоматизацией таких режимов работы плазмотрона. При этом исключается повышенный износ катода, обусловленный главным образом процессами, сопутствующими зажиганию дуги (запуску плазмотрона).

Известно, что дополнительное наиболее эффективное сжатие дуги стенками канала сопла в конфузоре путем выбора его оптимального профиля по сравнению с ее стабилизацией и практически ненаблюдаемым сжатием только парогазовым потоком повышает устойчивость горения дуги и управляемость такими основными параметрами плазменной струи, как ее скорость истечения из сопла, угол раскрытия плазменного факела и распределение тепловых потоков в зоне обработки изделия.

Предлагаемая полезная модель направлена на обеспечение расширения функциональных возможностей комплекса в сложных климатических и эксплуатационных условиях за счет дополнительных конструктивных особенностей, возможности автоматизации как управлением режимами работы плазмотрона, так и процессом плазменной обработки за счет использования комплекса в составе автомата-манипулятора, а также повышение стабильности состава плазмы и устойчивости горения дуги. Облегчается процесс запуска плазмотрона и управляемость параметрами плазменной струи, в частности, путем соответствующего подбора съемного сопла-конфузора с необходимыми геометрическими параметрами канала истечения плазмы.

Предлагаемая полезная модель обеспечивает технический результат в виде расширения функциональных возможностей комплекса за счет конструктивных особенностей и повышения устойчивости горения дуги, стабильности состава и управляемости параметрами плазменной струи, с возможностью получения не только восстановительных, но и окислительных, нейтральных свойств плазменной струи, например, необходимых для термической обработки.

Достигается это тем, что многофункциональный переносной комплекс для плазменной обработки состоит из функционально связанных частей: электродугового плазмотрона, работающего на жидком рабочем теле в виде смеси воды, спиртов и/или нашатырного спирта (гидроксида аммония), блока питания и управления плазмотроном. Упомянутый плазмотрон снабжен устройством для геометрического сжатия и стабилизации дуги стенками профилированного канала истечения плазмы в виде съемного сопла-конфузора, с монтажным отверстием в корпусе и съемной ручкой-держателем пистолетного типа, которая через монтажное отверстие в корпусе плазмотрона крепится к нему при ручной плазменной обработке, при этом блок питания и программного управления выполнен с возможностью работы в автоматическом пусковом и переходных режимах.

Выполнение блока питания и программного управления с возможностью работы в автоматическом пусковом и переходных режимах позволяет за счет автоматической подачи повышенного тока на электроды плазмотрона в момент пуска обеспечить надежное зажигание дуги при всех условиях эксплуатации комплекса, а также в процессе плазменной обработки при необходимости перейти с одного режима работы на другой без риска погасания дуги и необходимости повторных запусков за счет автоматического плавного изменения рабочего тока и напряжения на электродах плазмотрона за промежуток времени, который выбирается с учетом теплоэнергетической инерционности плазмотрона, обусловленной нагревом испарителя за счет подачи тепла горящей дуги от электродов по деталям плазмотрона, находящихся в тепловом контакте с испарителем.

Выполнение ручки-держателя съемной позволяет использовать плазмотрон не только при ручной обработке, но и при снятой ручке-держателе путем прикрепления его к автомату для автоматической плазменной обработки.

Съемное сопло-конфузор позволяет для разных видов плазменной обработки подобрать и использовать наиболее оптимальные для сжатия дуги профили канала истечения плазмы, включая диаметр и форму выходного отверстия, которое может служить при диаметре 0,5-2,6 мм диафрагмой, обеспечивающей стабилизацию и сжатие дуги, а также необходимые температуру, скорость, диаметр и форму плазменной струи. Для осуществления, например, плазменной сварки может быть использовано сопло-конфузор с профилем канала в виде уступа непосредственно за диафрагмой вблизи торца, обеспечивающее известную эффективную «стабилизацию длины дуги уступом» и одновременно газодинамическое торможение струи, исключающее «выдувание» металла из сварочной ванны, так как уступ в конце канала дополнительно выполняет роль диффузора. Для резки используют минимальный диаметр выходного отверстия.

Использование различных комбинаций по концентрации окисляющих (вода) и восстанавливающих (спирты, гидроксид аммония и их гомогенные смеси) компонентов рабочей жидкости позволяет получать окислительную (плазменная резка), нейтральную (термообработка) и восстановительную (сварка, наплавка) плазменную среду путем плазмохимической конверсии указанных компонентов в дуговом разряде.

Возможен вариант, в котором входящий состав комплекса блок питания и управления может быть заключен в герметичный и/или пылевлагозащитный корпус или дополняться отдельным или встраиваемым в плазмотрон пультом дистанционного управления в герметичном и/или пылевлагозащитном корпусе, а рабочее тело плазмотрона может иметь температуру кипения 315-400°К при давлении 101 кПа и диэлектрическую проницаемость более 20 единиц, при этом спирты выбраны из ряда амфипротонных органических растворителей, что позволяет избежать нежелательных при запуске холодного плазмотрона утечек тока через пленку рабочей жидкости на деталях электродного узла.

Возможен также вариант, где в состав комплекса дополнительно может входить связующий силовой кабель длиной более 3 метров для обеспечения функционирования составных частей комплекса как целого при плазменной обработке на удалении от источника электроэнергии и/или блока питания и управления, в частности, в условиях повышенной влажности или космоса.

В состав комплекса может также дополнительно входить плазмотрон, снабженный уплотнителями из химически стойкого материала по отношению к рабочему телу и монтажным устройством любой известной конструкции для крепления ручек-держателей и/или крепления плазмотрона к автомату, обеспечивающему автоматическую плазменную обработку.

В состав комплекса могут дополнительно входить сервисный насос для дистанционной подачи рабочего тела в плазмотрон, отдельный резервуар для рабочего тела и комплект гибких соединительных трубопроводов, выполненные с применением в отличие от аналогов известных материалов, устойчивых к агрессивному воздействию рабочего тела и внешней среды.

Устройство работает следующим образом (на примере модернизированного комплекса «ГОРЫНЫЧЪ»). Вначале приготовляют рабочую жидкость. Например, наливают в стеклянный сосуд с закрывающейся крышкой наиболее легкий компонент, например, водорастворимый спирт или смесь спиртов из класса амфипротонных органических растворителей, гидроксид аммония (нашатырный спирт) или их гомогенную смесь в необходимом количестве и разбавляют содержимое определенным количеством деионизированной воды. Закрывают сосуд. Так, для плазменной резки желательная концентрация компонентов: спирт 0-3% или гидроксид аммония 0-10%, вода - остальное; для плазменной сварки: спирт 30-60% или гидроксид аммония 20-30%, их гомогенная смесь 30-60%, вода - остальное. Полученную смесь обязательно гомогенизируют для обеспечения равномерного по составу поступления рабочей жидкости за счет капиллярных сил в испаритель и, соответственно, обеспечивают в отличие от аналогов более равномерный состав плазмо-образующих паров. Необходимость гомогенизации обусловлена особенностью растворения указанных компонентов в воде, сопровождаемое явлением экзотермической контракции с образованием так называемого истинного раствора спиртогидратов, явлением капиллярной конденсации, квантово-химическим эффектом инверсии молекул аммиака при диссоциации гидроксида аммония в воде и соблюдением, известных в химии законов Коновалова, гарантирующих равномерное по составу парообразование смесей только в виде истинных растворов. Начальный этап гомогенизации осуществляют интенсивным встряхиванием сосуда со смесью компонентов в течение нескольких минут, после чего измеряют любым известным способом температуру и/или объем рабочей жидкости, которые изменяются в процессе гомогенизации. Жидкость готова к использованию после того, как застабилизировались указанные измеряемые параметры полученной гомогенной (на уровне микроструктурных флуктуаций) смеси компонентов.

Далее заправляют плазмотрон рабочей жидкостью через заливное отверстие горловины встроенного резервуара и закрывают его пробкой. Подключают к разъему «ВЫХОД» на блоке питания и управления кабель питания плазмотрона и сетевой шнур блока к розетке электросети. После перевода клавиши «СЕТЬ» в положение «1» должен прозвучать звуковой сигнал. Затем на индикаторе «ТОК» должно высветиться одно из выбранных значений рабочего тока в амперах. В отличие от аналогов запуск плазмотрона производят на любом из выбранных токовых режимов плазменной обработки (также в зависимости и от выбранного профиля канала установленного сопла-конфузора). Нажимают на блоке питания и управления кнопку «ВКЛ», при этом на индикаторе «НАПРЯЖЕНИЕ» появится значение пускового напряжения. Далее нажимают на плазмотроне кнопку «ПУСК» и плавно отпускают. Под действием электрической дуги, горящей в разрядной камере (пространстве между катодом и соплом-конфузором), теплопроводящие детали электродного узла плазмотрона постепенно нагреваются до температуры, достаточной для парообразования рабочей жидкости, поступающей за счет капиллярных сил в трубчатый испаритель из резервуара с влаговпитывающим капиллярно-пористым наполнителем с термостойкостью не ниже 400°К. Пары рабочей жидкости, проходя через тангенциальные отверстия в испарителе, завихряются в коаксиальном канале, «обтекают» стержневой катод, и, проходя под давлением от испарителя через разрядную камеру, конфузор, сжимающий дугу, и далее до выходного отверстия, охлаждают катод и сопло, стабилизируют дугу в приосевой области разрядной камеры, одновременно «перегреваясь» до температуры сухого пара. Известное как «пинч-эффект» взаимодействие тока дуги с его собственным магнитным полем создает силы, под действием которых дуга сжимается в узкий шнур и одновременно в ней возникают изменяющие форму и сечение продольные и поперечные неустойчивости, противодействующие указанной стабилизации - дуга приобретает вид нестабильной по форме изломанной линии, «колеблющейся» вблизи оси плазмотрона. Проходя через область горения дуги в разрядной камере и далее в конфузоре, где дуга дополнительно сжимается сужающимися стенками канала в относительно устойчивой по форме шнур (столб дуги), пары нагреваются до высокой температуры плазмохимической конверсии компонентов и в виде сформированной плазменной струи выходят через отверстие сопла-конфузора спустя несколько секунд после нажатия кнопки «ПУСК».

Плазменную струю используют для обработки в соответствии с прилагаемым к модернизированному комплексу «ГОРЫНЫЧЪ» руководству по эксплуатации.

Приемы выполнения плазменной обработки известны и подробно описаны также в приложениях к аналогам, например, в [3]. Гомогенизацию многокомпонентной рабочей жидкости осуществляют как необходимое условие достижения заявленного технического результата.

Примеры использования комплекса отражены в таблице (применен 10%-й нашатырный спирт).

п/п	Вид плазменной обработки	Состав рабочего тела	Содержание ингредиентов, масс.%
1	2	3	4
1	Сварка стали (толщина листа d=3 мм)	Этиленгликоль	35,0
Вода деионизованная	65,0
2	Сварка меди (толщина листа d=1 мм)	Этанол	30,0
Нашатырный спирт	10,0
Вода деионизованная	60,0
3	Наплавка стали	Пропанол	40,0
Нашатырный спирт	10,0
Вода деионизованная	50,0
4	Очистка алюминиевого листа (толщина листа d=4 мм) от масляной краски с подслоем грунта	Этанол	50,0
Нашатырный спирт	20,0
Вода деионизованная	30,0
5	Резка стали (толщина листа d=3 мм)	Нашатырный спирт	2,0
Вода деионизованная	98,0
6	Резка латуни (толщина листа d=2 мм)	Нашатырный спирт	10,0
Этиленгликоль	2,0
Вода деионизованная	88,0

1 Портативный плазменный аппарат «Мультиплаз-3500». Руководство по эксплуатации. - Интернет-ресурс: .

2 Аппарат для плазменной обработки материалов PLAZARIUM SPA-IP20. Руководство по эксплуатации. - Интернет-ресурс: .

3 Многофункциональный портативный плазменный комплекс «ГОРЫНЫЧ». Руководство по эксплуатации. - Интернет-ресурс: .

4 Патент RU 53157 S1, 04.09.2002.

5 Патент RU 2286867 С1, 13.05.2005.

1. Многофункциональный переносной комплекс для плазменной обработки, состоящий из функционально связанных частей: электродугового плазмотрона, работающего на жидком рабочем теле в виде смеси воды, спиртов и/или нашатырного спирта (гидроксида аммония), блока питания и управления плазмотроном, отличающийся тем, что упомянутый плазмотрон снабжен устройством для геометрического сжатия и стабилизации дуги стенками профилированного канала истечения плазмы в виде съемного сопла-конфузора и с монтажным отверстием в корпусе и съемной ручкой-держателем пистолетного типа, которая через монтажное отверстие в корпусе плазмотрона крепится к нему при ручной плазменной обработке, при этом блок питания и программного управления выполнен с возможностью работы в автоматическом пусковом и переходных режимах.

2. Многофункциональный переносной комплекс по п.1, отличающийся тем, что входящий в его состав блок питания и программного управления заключен в герметичный и/или пылевлагозащитный корпус или дополняется отдельным или встраиваемым в плазмотрон пультом дистанционного управления в герметичном и/или пылевлагозащитном корпусе, а рабочее тело плазмотрона имеет температуру кипения 315-400К при давлении 101 кПа и диэлектрическую проницаемость более 20 единиц, при этом вода является деионизированной, а спирты выбраны из ряда амфипротонных органических растворителей.

3. Многофункциональный переносной комплекс по п.1 или 2, отличающийся тем, что в его состав дополнительно входит связующий силовой кабель длиной более 3 м для обеспечения функционирования составных частей комплекса как целого при плазменной обработке для обеспечения на удалении от источника электроэнергии и/или блока питания и управления, в частности, в условиях повышенной влажности или космоса.

4. Многофункциональный переносной комплекс по п.1, отличающийся тем, что в его состав дополнительно входит плазмотрон, снабженный уплотнителями из химически стойкого материала по отношению к рабочему телу и монтажным устройством любой известной конструкции для крепления ручек-держателей и/или крепления к автомату, обеспечивающему автоматическую плазменную обработку.

5. Многофункциональный переносной комплекс по п.1, отличающийся тем, что в его состав дополнительно входят сервисный насос для дистанционной подачи рабочего тела в плазмотрон, отдельный дополнительный резервуар для рабочего тела и комплект гибких соединительных трубопроводов, устойчивых к агрессивному воздействию рабочего тела и внешней среды.