RU2354460C2

RU2354460C2 - Portable plasma generator for coating evaporation and overlaying welding

Info

Publication number: RU2354460C2
Application number: RU2007111962/02A
Authority: RU
Inventors: Андрей Михайлович Марков (RU); Андрей Михайлович Марков; Александр Владимирович Балашов (RU); Александр Владимирович Балашов; Владислав Анатольевич Фёдоров (RU); Владислав Анатольевич Фёдоров
Original assignee: Обшество с ограниченной ответственностью "ПЛАЗМА" (ООО "ПЛАЗМА")
Priority date: 2007-04-02
Filing date: 2007-04-02
Publication date: 2009-05-10
Also published as: RU2007111962A

Abstract

FIELD: machine building.

SUBSTANCE: invention relates to plasma-arc material processing, in particular to portable plasma generator intended for coating evaporation and overlaying welding and can be used in machine building and other industrial branches. The plasma generator housing accommodates coaxially arranged anode-nozzle and cathode. The latter is fixed in cathode holder to axially move in electrical insulation tube arranged in a heat-conducting tube-evaporator with developed outer surface. There is a coated fluid vessel filled with porous permeable material and attached to the housing to allow the said cathode holder, electrical insulation tube and tube - evaporator to pass through the said vessel. Aforesaid tube-evaporator contacts the said porous permeable material on the vessel vapor intake side. Contact fasteners are coaxially arranged between the cathode holder and electrical insulation tube. The cathode holder drive mechanism comprises the geared motor fitted on the vessel coating, its shaft extension being threaded for cathode holder to be screwed thereon. The housing accommodates a feeder with powder proportioner and auger mechanism with its geared motor.

EFFECT: regular powder feed in evaporation or overlaying welding, reduced of burner warm-up time prior to operation and prolonged stable operation.

1 dwg

Description

Изобретение относится к плазменно-дуговым процессам обработки материалов и может быть использовано в машиностроении и других отраслях промышленности для напыления и наплавки покрытий из порошков различных материалов. Изобретение касается, в частности, генераторов низкотемпературной плазмы (плазмотронов) с подвижным катодом.The invention relates to plasma-arc processes of processing materials and can be used in mechanical engineering and other industries for spraying and surfacing of coatings from powders of various materials. The invention relates, in particular, to low-temperature plasma generators (plasmatrons) with a moving cathode.

Известны плазмотроны с подвижным катодом, содержащие корпус с соосно установленными в нем соплом-анодом и стержневым катодом, закрепленным в держателе, связанном с пружинным механизмом осевого перемещения катода, выполненным в виде установленной соосно с ним крышки, перемещающейся по резьбе относительно корпуса, с центральным отверстием, в котором расположена подпружиненная кнопка, имеющая фланец, опирающийся на внутреннюю стенку крышки, и соединенная с держателем катода (патент RU №2040124, кл. Н05В 7/22, 1995).Known plasma torches with a movable cathode, comprising a housing with a coaxially mounted anode nozzle and a rod cathode, are mounted in a holder associated with a spring mechanism for axial movement of the cathode, made in the form of a lid mounted coaxially with it, moving along the thread relative to the housing, with a central hole , in which a spring-loaded button is located, having a flange resting on the inner wall of the cover and connected to the cathode holder (RU patent No. 2040124, class Н05В 7/22, 1995).

Такая конструкция плазмотрона не позволяет производить напыление и наплавку порошковых покрытий, требует постоянной поднастройки межэлектродного расстояния вручную, имеет малый (около 15 мин) ресурс непрерывной работы без дозаправки испаряемой жидкостью.This design of the plasma torch does not allow the deposition and deposition of powder coatings, requires constant adjustment of the interelectrode distance manually, and has a small (about 15 min) continuous operation resource without refueling with the evaporated liquid.

Наиболее близким техническим решением из известных (прототипом) является плазменная горелка, содержащая корпус с разрядной камерой и присоединенный к нему резервуар для жидкости, заполненный влаговпитывающим материалом, с соосно установленными в разрядной камере соплом-анодом и катодом, закрепленным в катододержателе, размещенном с возможностью аксиального перемещения в электроизоляционной трубке, которая установлена в теплопроводной трубке-испарителе с развитой наружной поверхностью, причем катододержатель, электроизоляционная трубка и трубка-испаритель проходят через резервуар, при этом последняя соприкасается со стороны резервуара с влаговпитывающим материалом, а со стороны корпуса - с кольцом из теплопроводного материала, имеющим каналы, выходящие в разрядную камеру, и соприкасающимся с соплом-анодом, между катододержателем и электроизоляционной трубкой коаксиально размещены упругодеформируемые в радиальном направлении элементы, соединенные с катододержателем и введенные в контакт с электроизоляционной трубкой, что обеспечивает упругую фиксацию катода по оси выходного отверстия сопла-анода и выдерживает зазор между катододержателем и электроизоляционной трубкой, необходимый для перемещения, компенсации теплового расширения и охлаждения катода. Упругодеформируемый элемент выполнен в виде свернутой в кольцо ленты из металла с вырезами, причем средняя часть ленты выгнута в радиальном направлении кольца. Между электроизоляционной трубкой и трубкой-испарителем размещены коаксиально два разнесенных упругодеформируемых в радиальном направлении элемента, соединенных с трубкой-испарителем и введенных в контакт с электроизоляционной трубкой. Плазменная горелка снабжена механизмом перемещения катододержателя, выполненным, в частности, в виде установленной соосно ему крышки, перемещающейся по резьбе относительно резервуара, с центральным отверстием, в котором размещена электроизолированная от катододержателя кнопка, имеющая фланец, опирающийся на внутреннюю стенку упомянутой крышки, при этом катододержатель снабжен пружиной, прижимающей его торцевую поверхность к упомянутой кнопке. Для обеспечения надежности контакта кнопки и катододержателя при уменьшении его длины в процессе работы горелки на его конце, обращенном в сторону крышки, размещена глухая цанговая гайка с одной плоской, а другой - конической поверхностями, при этом плоская поверхность гайки контактирует с кнопкой, а коническая - с пружиной, взаимодействующей с катододержателем. Гайка связана с катододержателем по резьбе и перемещается по ней в сторону крышки по мере необходимости. Охлаждение катододержателя осуществляется паром, образующимся при взаимодействии жидкости с поверхностью трубки-испарителя, нагретой до высокой температуры, для чего резервуар, содержащий жидкость, сообщен с полостью между катододержателем и электроизоляционной трубкой. Поверхность катододержателя снабжена ребрами, выполненными по спирали относительно оси катододержателя (патент RU №2112635, кл. В23К 10/00, 1998).The closest technical solution known (prototype) is a plasma torch containing a housing with a discharge chamber and a fluid reservoir attached to it, filled with moisture-absorbing material, with an anode anode and a cathode coaxially mounted in the discharge chamber, mounted in a cathode holder with axial position movement in the insulating tube, which is installed in a heat-conducting tube-evaporator with a developed outer surface, and the cathode holder, insulating cutting and the evaporator tube pass through the reservoir, the latter being in contact with the moisture-absorbing material from the reservoir side and with the ring of heat-conducting material having channels leading to the discharge chamber and in contact with the anode nozzle, between the cathode holder and the electrical insulation the tube is coaxially placed radially elastically deformable elements connected to the cathode holder and brought into contact with the insulating tube, which provides elastic fixation of the cathode along the axis of the outlet hole of the anode nozzle and withstands the gap between the cathode holder and the insulating tube, necessary to move, compensate for thermal expansion and cooling of the cathode. The elastic deformable element is made in the form of a metal tape rolled into a ring with cutouts, the middle part of the tape being curved in the radial direction of the ring. Between the insulating tube and the evaporator tube are placed coaxially two spaced apart elastically deformable in the radial direction elements connected to the evaporator tube and brought into contact with the insulating tube. The plasma torch is equipped with a cathode holder moving mechanism, made, in particular, in the form of a lid mounted coaxially with it and moving along the thread relative to the reservoir, with a central hole in which a button is provided that is electrically insulated from the cathode holder and has a flange resting on the inner wall of the said cover, while the cathode holder equipped with a spring, which presses its end surface to the said button. To ensure the reliability of the contact between the button and the cathode holder when its length is reduced during operation of the burner, a blind collet nut with one flat and the other conical surfaces is placed at its end facing the cover, while the flat surface of the nut is in contact with the button, and the conical with a spring interacting with the cathode holder. The nut is connected to the cathode holder by a thread and moves along it towards the cover as necessary. The cathode holder is cooled by steam generated during the interaction of the liquid with the surface of the evaporator tube heated to a high temperature, for which the reservoir containing the liquid is in communication with the cavity between the cathode holder and the insulating tube. The surface of the cathode holder is equipped with ribs made in a spiral relative to the axis of the cathode holder (patent RU No. 2112635, class B23K 10/00, 1998).

Недостатками такой конструкции плазмотрона являются невозможность производить напыление и наплавку порошковых покрытий, необходимость постоянной поднастройки межэлектродного расстояния вручную, малый (15 минут) ресурс непрерывной работы без дозаправки испаряемой жидкостью, а также значительное (2 минуты) время прогрева перед началом работы.The disadvantages of this design of the plasma torch are the impossibility of spraying and surfacing of powder coatings, the need for constant adjustment of the interelectrode distance manually, a small (15 minutes) resource for continuous operation without refueling with the evaporated liquid, and a significant (2 minutes) warm-up time before starting work.

Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий содержит корпус с установленным на нем питателем в сборе с дозатором, резервуар для приема пара, сопло-анод и катод, размещенный в электроизоляционной трубке с помощью контактно-крепежных элементов, установленной внутри теплопроводной трубки, контактирующей с соплом-анодом и проходящей через резервуар для приема пара, на аналогичных контактно-крепежных элементах, с возможностью перемещения катода вручную и автоматической поднастройки его положения относительно сопла-анода с помощью специального механизма, представляющего собой мотор-редуктор механизма сервопривода катода. Такая конструкция портативного плазмотрона для напыления и наплавки покрытий позволяет обеспечить равномерную подачу порошка при осуществлении процессов напыления или наплавки, существенно снизить время прогрева горелки перед началом работы и повысить продолжительность установившегося режима работы.The portable plasma torch for spraying and surfacing the coatings contains a housing with a feeder installed on it assembled with a dispenser, a reservoir for receiving steam, an anode nozzle and a cathode placed in an electric insulating tube using contact fasteners installed inside a heat-conducting tube in contact with the nozzle the anode and passing through the reservoir for receiving steam, on similar contact-fastening elements, with the ability to move the cathode manually and automatically adjust its position relative to the anode nozzle with by the power of a special mechanism, which is a gear motor of the cathode servo drive mechanism. Such a design of a portable plasma torch for spraying and surfacing of coatings allows to provide a uniform supply of powder during spraying or surfacing processes, significantly reduce the burner warm-up time before starting work and increase the duration of the steady-state operation mode.

На чертеже изображен портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий, вид сбоку в разрезе.The drawing shows a portable plasma torch for spraying and surfacing coatings, side view in section.

Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий имеет корпус 1, в котором соосно установлены сопло-анод 2 и катододержатель 3 со стержневым центральным катодом 9 с активной вставкой 4. Корпус 1 соединен с резервуаром 5 для приема пара, заполненным пористым проницаемым материалом 6. Стержневой катододержатель 3 установлен с возможностью аксиального перемещения внутри влаго- и термостойкой электроизоляционной трубки 7 при помощи коаксиально размещенных крепежно-контактных упругих элементов 17, которая, в свою очередь, при помощи коаксиально размещенных крепежно-контактных упругих элементов 16, помещена соосно в теплопроводную трубку-испаритель 8 с развитой наружной поверхностью в виде ребер, проходящую через резервуар 5 и входящую в корпус 1. Трубка-испаритель 8 внешней поверхностью контактирует с пористым проницаемым материалом 6, а на конце, обращенном в сторону сопла-анода, имеет отверстия 10, выходящие в разрядную камеру и тепловую трубу 12, контактирующую с соплом-анодом 2. Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий снабжен механизмом перемещения катодо-держателя, состоящим из установленного соосно ему мотора-редуктора 13 с покрытием из электроизоляционного материала, перемещающегося по резьбе относительно резервуара 5. Выходной вал 19 мотора-редуктора 13 выполнен с трапецеидальной резьбой, на которой установлен с возможностью свободного осевого перемещения катододержатель 3. Уплотнение зазора между катододержателем 3 и резервуар 5 выполнено резиновым кольцом 11 при помощи спиральной пружины 15. Наружная поверхность катододержателя 3 снабжена ребрами. Резервуар 5 для приема пара от парогенератора или другого источника имеет резьбовое отверстие 18. Подвод рабочего электрического напряжения от источника питания осуществляется с помощью проводов, проходящих под пластмассовой облицовкой 14 к электродам горелки. На корпусе 1 с помощью разъемного хомута 25 установлен кронштейн 26, к которому приварен питатель 20. На наружной резьбе питателя 20 установлен дозатор 24 с установленным на резьбе мотор-редуктором 21. На выходном валу мотор-редуктора 21 с помощью упругой муфты 22 закреплен шнек 23, винтовая часть которого размещена в выходном отверстии дозатора 24. Провода, подводящие электрическое напряжение к мотор-редукторам, собраны в единый жгут с проводами, подводящими напряжение, питающее дуговой разряд, и гибким трубопроводом подачи пара.The portable plasma torch for spraying and surfacing coatings has a housing 1 in which the nozzle anode 2 and the cathode holder 3 are coaxially mounted with a central rod cathode 9 with an active insert 4. The housing 1 is connected to a steam receiving tank 5 filled with a porous permeable material 6. The rod cathode holder 3 is installed with the possibility of axial movement inside a moisture and heat-resistant insulating tube 7 using coaxially placed fastening-contact elastic elements 17, which, in turn, using co of locally mounted fastening-contact elastic elements 16, is placed coaxially in the heat-conducting tube-evaporator 8 with a developed outer surface in the form of ribs passing through the tank 5 and entering the housing 1. The tube-evaporator 8 is in contact with the porous permeable material 6, and the end facing the anode nozzle has openings 10 extending into the discharge chamber and a heat pipe 12 in contact with the anode nozzle 2. The portable plasma torch for spraying and surfacing the coatings is equipped with a cathode moving mechanism a holder consisting of a gear motor 13 mounted coaxially to it with a coating of electrical insulation material moving along the thread relative to the reservoir 5. The output shaft 19 of the gear motor 13 is made with a trapezoidal thread on which the cathode holder is mounted with the possibility of free axial movement 3. Seal the gap between the cathode holder 3 and the reservoir 5 is made of a rubber ring 11 using a spiral spring 15. The outer surface of the cathode holder 3 is provided with ribs. The tank 5 for receiving steam from a steam generator or other source has a threaded hole 18. The supply of working electrical voltage from the power source is carried out using wires passing under the plastic lining 14 to the burner electrodes. A bracket 26 is mounted on the housing 1 using a detachable collar 25, to which the feeder 20 is welded. On the external thread of the feeder 20, a dispenser 24 is installed with a gear motor 21. The screw 23 is fixed to the output shaft of the gear motor 21 using an elastic coupling 22 , the screw part of which is located in the outlet of the dispenser 24. The wires supplying electric voltage to the gearmotors are assembled in a single bundle with the wires supplying voltage supplying the arc discharge and a flexible steam supply pipe.

Портативный плазмотрон для напыления и наплавки покрытий работает следующим образом. В емкость дозатора 24 засыпают порошок для осуществления процесса напыления или наплавки. Через отверстие для подачи пара 18 с помощью гибкого трубопровода подают пар рабочей жидкости, например воды, и подают пар, который равномерно распределяется в резервуаре для приема пара 5 в среде пористого проницаемого материала 6, например минерального войлока. Пар проходит через зону плазмообразования между катодом 9 и соплом-анодом 2, а затем выходит через отверстие сопла-анода 2 и проходит через отверстие питателя 20. На пару электродов катод 9 и сопло-анод 2 подают осциллирующее напряжение, пробивающее межэлектродный зазор, а затем рабочее напряжение, которое вызывает образование рабочей дуги. Дуга сжимается и вытягивается потоком пара, образуя плазменный факел. Оптимальный межэлектродный зазор устанавливается оператором вручную поворотом по часовой стрелке или против часовой стрелки мотор-редуктора 13 по резьбе с натягом пластмассовой облицовки 14. Это приводит, соответственно, к увеличению или уменьшению межэлектродного зазора, что контролируется по величине изменяющегося напряжения между катодом и соплом-анодом. Установив требуемое напряжение, оператор включает напряжение механизма сервопривода катода, который при падении или повышении напряжения дуги, происходящего вследствие выгорания электродов, тепловой деформации деталей портативного плазматрона, а также изменения напряжения на источнике питания, приводит во вращение по часовой стрелке или против часовой стрелки выходного вала 19 мотор-редуктора 13 с трапецеидальной резьбой с зазором, на которой установлен катододержатель, что в свою очередь вызывает перемещение в осевом направлении катододержателя 25 с закрепленным на нем катодом 3, поддерживая установленный межэлектродный зазор по величине напряжения дуги. После прогрева в течение 10-20 секунд портативного плазмотрона подают напряжение на мотор-редуктор 21, установленный на дозаторе 24, крутящий момент с выходного вала мотор-редуктора 21 передается через упругую муфту 22, выполненную, например из резины, на шнек 23. Частицы порошка захватываются канавками шнека 23 и попадают через выходное отверстие дозатора 24 в питатель 20, откуда за счет эффекта эжекции, возникающего в рабочем отверстии питателя 20, вытягиваются из его полости через канал в рабочее отверстие, где попадают в плазменный факел, разогреваются, ускоряются и выносятся на напыляемую или наплавляемую поверхность. Подача порошка плавно и точно регулируется изменением величины напряжения, подаваемого на мотор-редуктор 21, грубо и дискретно сменой шнека с другим количеством, глубиной или углом наклона винтовых канавок. При осуществлении процесса напыления расстояние от рабочего отверстия питателя 20 до напыляемой поверхности составляет 15-30 миллиметров, а при осуществлении процесса наплавки 4-8 миллиметров, при этом скорость подачи порошка уменьшается.A portable plasma torch for spraying and surfacing works as follows. Powder is poured into the capacity of the dispenser 24 for the process of spraying or surfacing. Through a hole for supplying steam 18 using a flexible pipe, steam of the working fluid, for example water, is supplied and steam is supplied that is evenly distributed in the tank for receiving steam 5 in the medium of porous permeable material 6, for example, mineral felt. The steam passes through the plasma formation zone between the cathode 9 and the anode nozzle 2, and then exits through the hole of the anode 2 nozzle and passes through the hole of the feeder 20. An oscillating voltage is applied to the cathode 9 and the nozzle-anode 2, breaking through the electrode gap, and then operating voltage, which causes the formation of a working arc. The arc is compressed and stretched by a stream of steam, forming a plasma torch. The optimal interelectrode gap is set by the operator manually by turning clockwise or counterclockwise the gear motor 13 along the thread with an interference fit of the plastic lining 14. This leads, respectively, to an increase or decrease in the interelectrode gap, which is controlled by the magnitude of the changing voltage between the cathode and the anode nozzle . Having set the required voltage, the operator turns on the voltage of the cathode servo mechanism, which, when the arc voltage drops or increases due to electrode burn-out, thermal deformation of the parts of the portable plasmatron, as well as voltage changes on the power source, rotates the output shaft clockwise or counterclockwise 19 gear motor 13 with a trapezoidal thread with a gap on which the cathode holder is mounted, which in turn causes axial displacement of the cat holder 25 with a cathode 3 fixed to it, maintaining a fixed interelectrode gap in terms of arc voltage. After warming up the portable plasma torch for 10-20 seconds, voltage is applied to the gearmotor 21 mounted on the dispenser 24, the torque from the output shaft of the gearmotor 21 is transmitted through an elastic coupling 22 made, for example, from rubber, to the screw 23. Powder particles captured by the grooves of the screw 23 and fall through the outlet of the dispenser 24 into the feeder 20, where, due to the ejection effect arising in the working hole of the feeder 20, they are pulled out of its cavity through the channel into the working hole, where they enter the plasma torch, ayutsya are accelerated and brought to the surface of the deposited or sprayed. The powder supply is smoothly and precisely controlled by changing the magnitude of the voltage supplied to the gear motor 21, roughly and discretely by changing the screw with a different number, depth or angle of inclination of the screw grooves. In the process of spraying, the distance from the working opening of the feeder 20 to the sprayed surface is 15-30 millimeters, and in the process of surfacing, 4-8 millimeters, while the feed rate of the powder decreases.

Изобретение обеспечивает благоприятные условия продолжительного формирования столба дуги, равномерную подачу порошка. При проведении испытаний плазмотрона, выполненного в соответствии с изобретением, получено устойчивое возбуждение и горение дуги, обеспечение стабильного режима напыления или наплавки в течение 60-90 минут.The invention provides favorable conditions for the continuous formation of an arc column, a uniform supply of powder. When conducting tests of a plasma torch made in accordance with the invention, stable excitation and burning of the arc were obtained, ensuring a stable spraying or surfacing regime for 60-90 minutes.

Claims

A portable plasma torch for spraying and surfacing coatings, comprising a housing, an anode anode and a cathode coaxially mounted in it, mounted in a cathode holder placed axially movable in an insulating tube that is installed in a heat-conducting evaporator tube with a developed outer surface, a cathode holder and a fluid reservoir attached to the housing filled with porous permeable material, with a cathode holder, an electrical insulating tube and an evaporator tube go through the reservoir, the evaporator tube is in contact with the reservoir for receiving steam with porous permeable material from the side of the reservoir, and contact fastening elements are coaxially placed between the cathode holder and the insulating tube, characterized in that the reservoir is provided with a lining, the cathode holder movement mechanism consists of a gear motor fixed on the tank lining, a thread is made at the end of the gearmotor shaft, the cathode holder is installed on the threaded end of the gearmotor shaft, and the plasma torch is equipped with a a feeder with a powder dispenser equipped with a screw mechanism and an additional gear motor for driving the screw mechanism.