Плазмотрон для плазменной закалки

Полезная модель относится к области термической обработки в машиностроении, в том числе металлургическом, и может применяться для поверхностной плазменной закалки деталей машин и инструмента, имеющих сложный профиль.

Плазмотрон, размеры которого обеспечивают доступ к упрочняемому участку поверхности изделия, состоит из охлаждаемых катодного и соплового узлов, изолирующей втулки, втулки с каналами для подачи плазмообразующего газа и имеет систему электромагнитного сканирования дуги, что позволяет наносить упрочненные полосы необходимой ширины путем регулирования напряжения в обмотке одного или двух соленоидов.

Техническим результатом полезной модели является расширение функциональных возможностей малогабаритного плазмотрона, увеличение ресурса его работы и обеспечение качества упрочняемой поверхности.

Функциональные возможности плазмотрона расширяются за счет применения водоохлаждаемого провода малого сечения для электропитания катода, что облегчает манипуляции плазмотроном при настройке и закалке деталей сложного профиля.

Ресурс плазмотрона повышается за счет последовательности охлаждения его узлов и интенсификации охлаждения.

Качество закаленной поверхности обеспечивается конструктивными особенностями сопла и расположением полюсов магнитопровода, которые в совокупности предотвращают или минимизируют асимметрию столба дуги и флуктуации дуги (самопроизвольное ее отклонение в какую-либо сторону и изменение параметров режима), приводящие к подплавлению отдельных участков закаливаемой полосы.

Полезная модель относится к области термической обработки в машиностроении, в том числе металлургическом, и может применяться для поверхностного упрочнения деталей машин и инструмента, преимущественно из чугуна и сталей, включая инструментальные валковые, подверженных различным видам изнашивания. При этом полезная модель эффективна в случаи плазменной закалки изделий сложного профиля.

Сканирование дуги может осуществляться либо путем круговых, колебательных движений плазмотрона (электродуговой горелки), либо при помощи поперечного переменного магнитного поля.

Из технической литературы [1] известна конструкция горелки прямого действия для плазменной термической обработки поверхностного слоя деталей, снабженная генератором переменного магнитного поля и магнитопроводом, который накладывает на поток плазмы переменное магнитное поле. При изменении параметров режима обработки добиваются упрочнения за один проход зоны шириной 15-80 мм. При высокой производительности процесса предложенное техническое решение имеет следующие недостатки. Ширина полюсов магнитопровода больше диаметра плазмотрона, толщина полюсов в 2,5 раза больше внутреннего диаметра канала сопла. Большие габариты плазмотрона и электромагнитной системы не позволят упрочнять детали сложной конфигурации, например, калибры валков для прокатки сортовых профилей. Так как полюса магнитопровода аналога расположены между соплом и обрабатываемой поверхностью, то при расстоянии между ними 25-50 мм для зажигания дуги такой длины необходим специализированный источник питания с повышенным напряжением холостого хода 100-200 В.

В отличие от аналога в заявляемом техническом решении:

1. Полюса магнитопровода расположены на торцевой поверхности сопла, что позволяет сократить число регулируемых параметров за счет фиксирования полюсов в определенном положении и зажигать дугу с меньшего расстояния от сопла до изделия при использовании более дешевых, по сравнению со специализированными, сварочных выпрямителей с напряжением холостого хода 75-90 В.

2. Полюса магнитопровода не требуют дополнительного охлаждения, а охлаждаются вместе с соплом плазмотрона.

3. За счет компактности плазмотрона в сборе с электромагнитной системой сканирования расширяются функциональные возможности плазмотрона, в частности, возможность упрочнять изделия сложного профиля.

Наиболее близким аналогом заявляемого решения является устройство поверхностной закалки дугой прямого действия [2], содержащее малогабаритный плазмотрон (или два), устройство для крепления, поворота и настройки плазмотрона в процессе работы, систему охлаждения сопла и ферромагнитных губок плазмотрона, сканирующее устройство дуги, сварочный выпрямитель, пульт (или два) для регулирования параметров режима, в том числе переменного и постоянного напряжения на катушке.

К недостаткам конструкции плазмотрона относятся:

1. При сканировании дуги силовые линии магнитного поля между ферромагнитными губками пересекают внутренний канал сопла и растягивание (расширение) дуги начинается внутри канала. Именно поэтому сопло является в техническом решении ближайшего аналога самой теплонагруженной деталью плазмотрона.

2. Охлаждение сопла происходит при прохождении хладагента по медной трубке, припаянной к соплу, а не непосредственно стенок сопла.

3. Для подвода от источника питания «-» на катодный узел при указанных в ближайшем аналоге токах дуги 250-350 А требуется сечение сварочного кабеля 38-60 мм² в соответствии с источником информации [3], что по диаметру сварочного кабеля с изоляцией соизмеримо с сечением плазмотрона. При этом осуществление поворота плазмотрона затрудняется из-за жесткости кабелей такого сечения, а фиксация плазмотрона в нужном положении требует дополнительного устройства.

4. Изготовление цельного катодного узла с такой толщиной стенок трубки (фактически 1-1,2 мм), в которую впаивается вольфрамовый электрод, трудоемко и экономически нецелесообразно. Пайку корпуса катодного узла с трубкой практически невозможно или затруднительно произвести без отклонения от центральной оси, при сборке плазмотрона несоосность катода и выходного сопла приводит к асимметрии сечения плазменной дуги, тепловой эрозии участка канала сопла, ближе расположенного к катоду, преждевременной замене сопла.

В отличие от ближайшего аналога в заявляемом техническом решении:

1. Плоские полюса магнитопровода расположены заподлицо на торцевой поверхности сопла перпендикулярно его оси в пазах, профрезерованных на глубину, равную толщине полюсов, причем ширина полюсов равна 1-2, а зазор между ними - 2,4-2,6 диаметра внутреннего канала сопла.

2. Производится охлаждение водой непосредственно стенок сопла, при этом стенка со стороны канала сопла имеет канавки.

3. Цилиндрический канал сопла на выходе имеет фаску с углом 45 градусов, снятую на глубину, равную двойной толщине полюсов.

4. Токоподвод катодного узла выполнен водоохлаждаемым.

5. Охлаждение узлов плазмотрона осуществляется последовательно в порядке «катод-сопло».

6. Трубка с вольфрамовым электродом имеет с корпусом катодного узла резьбовое соединение.

Техническими результатами предлагаемой полезной модели являются увеличение ресурса работы малогабаритного плазмотрона, технологичность изготовления и расширение его функциональных возможностей, обеспечение качества упрочняемой поверхности.

Технические результаты достигаются тем, что:

1. За счет канавок на стенке сопла, прилегающей к внутреннему каналу, увеличена площадь охлаждаемой поверхности, создана турбулентность потока охлаждающей воды и, таким образом, повышена стойкость сопла.

2. Сечение водоохлаждаемого токоподвода катодного узла на порядок снижено по сравнению с требуемым сечением сварочного кабеля, что позволяет легко осуществлять все манипуляции плазмотроном при настройке и во время процесса закалки.

3. Последовательность охлаждения «катод - сопло» обеспечивает надежную работу токоподвода малого сечения, не требует использования дополнительных рукавов подачи охлаждающей воды, как при независимом охлаждении катодного и соплового узлов, и не увеличивает габариты плазмотрона в сборе свыше его диаметра.

4. Плоские полюса магнитопровода имеют ширину, не превышающую габариты сопла, а размер зазора между ними позволяет избежать их подплавления и потерь магнитных свойств из-за перегрева, а также использовать в обмотке соленоида (двух соленоидов), создающего переменное магнитное поле, безопасное переменное напряжение и при этом получить нужную ширину упрочняемой полосы.

5. Полюса расположены в профрезерованных пазах и охлаждаются вместе с соплом, на выходном отверстии канала сопла снята фаска. В совокупности это обеспечивает симметричность столба дуги и, таким образом, предотвращает или минимизирует образование односторонней эрозии канала сопла на выходе, предотвращает флуктуации дуги, изменения параметров режима (например, изменения тока дуги) и подплавления отдельных участков закаливаемой полосы.

6. Катодный узел состоит из двух частей, имеющих между собой резьбовое соединение, что делает плазмотрон более технологичным и менее затратным в изготовлении. Строгая соосность катода с каналом сопла устраняет или минимизирует эрозию сопла.

Перечисленные конструктивные особенности непосредственно влияют на качество упрочняемой поверхности, а именно: отсутствие подплавленных участков упрочняемой полосы делает операцию закалки финишной без последующей механической обработки.

Проведенный анализ уровня техники, включающий поиск по патентам и научно-технической информации и выявление источников, содержащих сведения об аналогах заявляемого технического решения, позволяет установить, что заявитель не обнаружил источников, характеризующихся признаками тождественными всем существенным признакам заявляемой полезной модели. Следовательно, заявляемая полезная модель соответствует критерию новизна.

Заявляемая полезная модель может быть реализована промышленным способом и отвечает требованиям критерия «промышленная применимость».

Предлагаемое техническое решение поясняется чертежами:

- фиг.1 плазмотрон для плазменной закалки;

- фиг.2 торцевая поверхность сопла с полюсами магнитопровода;

- фиг.3 изношенное сопло.

Предлагаемый плазмотрон для плазменной закалки состоит из магнитопровода (1), сопла (2), трубки с вольфрамовым катодом (3), втулки с каналами подачи газа (4), изолирующей втулки (5), корпуса катодного узла (6) и водоохлаждаемого токопровода (7). Плазмотрон имеет сканирующее устройство дуги, в которое входят магнитопровод (1) и соленоид (два соленоида) (на фиг.1 условно не показан).

В предлагаемой конструкции плоские полюса магнитопровода (1) расположены заподлицо на торцевой поверхности сопла (2) перпендикулярно его оси в пазах, профрезерованных на глубину, равную толщине полюсов. Ширина полюсов равна 1-2 диаметра сопла и не превышает габариты сопла, зазор между полюсами составляет 2,4-2,6 диаметра внутреннего канала сопла. Эти размеры позволяют при толщине полюсов 2 мм избежать их подплавления и потерь магнитных свойств из-за перегрева, а так же использовать в обмотке соленоида (двух соленоидов), создающего переменное магнитное поле, безопасное переменное напряжение 2-15 В и при диаметре канала сопла 4-6 мм получить ширину упрочняемой полосы 6-30 мм, достаточную при поверхностной закалке многих деталей машин и инструмента, в том числе сложного профиля.

Сопло (2) для интенсификации охлаждения имеет канавки на стенке, прилегающей к внутреннему каналу сопла, который на выходе имеет фаску. На фиг.3 показано эрозия канала сопла при расположении полюсов на торце сопла плазмотрона, длительно работавшего на жестких режимах при значениях токов дуги 360-380 А. Глубина эрозии составила 2 мм, т.е. толщину полюсов, поэтому фаска с углом 45 градусов снята на двойную толщину полюсов, поскольку они сделаны заподлицо с торцом плазмотрона.

Трубка с вольфрамовым электродом (3) расположена соосно с цилиндрическим каналом сопла (2) и связана резьбовым соединением с корпусом катодного узла (6), что упрощает изготовление деталей плазмотрона и их замену, делает плазмотрон более технологичным и менее затратным в изготовлении.

Втулка (4) имеет каналы для подачи плазмообразующего газа в дуговую камеру сопла и примыкает к втулке (5), изолирующей токоведущий катодный узел от сопла.

Изолирующая втулка (5) имеет резьбовое соединение с катодным узлом, к ней за счет выступа на внутренней стенке сопла торцом поджимается втулка (5) с каналами подачи газа.

Водоохлаждаемый токопровод (7) имеет сечение 7 мм² и при расходе охлаждающей воды не менее 4 л/мин может длительно работать при токовой нагрузке 380 А.

Плазмотрон работает следующим образом. На обмотку соленоида подается переменное напряжение 2-15 В частотой 50 Гц, в зазоре между полюсами магнитопровода (1) возникает переменное магнитное поле. От источника питания постоянного тока, например сварочного выпрямителя, подается напряжение: минус на катодный узел плазмотрона (3) через водоохлаждаемый токопровод (7), плюс на упрочняемое изделие. Из системы газоснабжения через втулку с каналами (4) в дуговую камеру сопла (2) подается плазмообразующий газ, например аргон. При помощи осциллятора высоковольтным высокочастотным разрядом пробивается промежуток между катодом (3) и соплом (2), возникшая «дежурная» дуга выдувается на упрочняемую деталь, зажигается основная дуга. При относительном перемещении плазмотрона и изделия происходит упрочнение его поверхностного слоя. Для получения необходимой ширины упрочненной полосы на конкретной детали или инструменте, например прокатном валке, регулируют длину плазменной дуги, напряжение в сканирующем устройстве и др. параметры режима в соответствии с технологической инструкцией.

Примеры практического применения.

Плазмотрон в составе установки плазменной закалки прокатных валков (УПЗПВ) позволяет закаливать труднодоступные места калибров стальных и чугунных валков черновой, предчистовой и чистовой клети для прокатки швеллеров 16, 18 и 20 в крупносортном цехе ОАО «НТМК». Технический эффект, связанный с качеством упрочняемой полосы, наиболее выражен при закалке чугунных валков, когда отдельные подплавленные участки могут явиться причиной выкрошивания из-за высокой твердости и наличия микротрещин.

Разработанным плазмотроном без замены узлов производится плазменная закалка 184 штук стальных валков вместо 66 штук, т.е. на 279% больше, или 161 штуки чугунных валков вместо 57 штук, т.е. на 282% больше.

Благодаря использованию полезной модели в условиях ОАО «НТМК» удалось:

- повысить стойкость валков на 20-60%;

- снизить удельный расход валков на 10-30%.

Источники технической информации:

1. Патент РФ 2021645, МПК Н05Н 1/32, опубликовано 15.10.1994 г.

2. Патент РФ 78193, МПК С21Д 1/09, опубликовано 20.11.2008.

3. Толстов И.А., Коротков В.А., Справочник по наплавке. «Металлургия», Челябинск, 1990 г., с.135.

Плазмотрон для поверхностной плазменной закалки деталей машин и инструмента путем перемещения по поверхности изделия плазменной дуги прямого действия, содержащий систему подачи плазмообразующего газа, систему охлаждения его узлов, систему электромагнитного сканирования дуги, отличающийся тем, что электропитание катода осуществляется по проводу, расположенному в рукаве подачи охлаждающей жидкости, охлаждение узлов плазмотрона осуществляют последовательно в порядке «катод-сопло», стенка охлаждаемой полости сопла со стороны внутреннего канала сопла имеет канавки, плоские полюса магнитопровода расположены заподлицо на торцевой поверхности сопла, перпендикулярно его оси в пазах, профрезерованных на глубину, равную толщине полюсов, кроме того, ширина полюсов равна 1-2, а зазор между ними - 2,4-2,6 диаметра внутреннего канала сопла, причем цилиндрический канал сопла на выходе имеет фаску с углом 45º, снятую на глубину, равную двойной толщине полюсов магнитопровода, и трубка с вольфрамовым катодом имеет с корпусом катодного узла резьбовое соединение.