устройство для создания плазменного потока

Формула изобретения

1. УСТРОЙСТВО ДЛЯ СОЗДАНИЯ ПЛАЗМЕННОГО ПОТОКА, содержащее электродные узлы в количестве, кратном двум, расположенные симметрично вокруг оси симметрии устройства, и магнитную систему, при этом каждый электродный узел направлен под углом к оси симметрии устройства, а магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, концы ферромагнитных отводов расположены в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, пересекающими ось симметрии устройства, и в которых лежат оси электродных узлов, концы полюсов каждого разомкнутого магнитопровода расположены вне этой области и симметрично относительно плоскости, в которой лежит ось симметрии устройства и центр конца ферромагнитного отвода разомкнутого магнитопровода, отличающееся тем, что каждый электродный узел установлен под углом к оси симметрии устройства, меньшим 45^o, при этом разомкнутые магнитопроводы по одному расположены в секторах пространства, ограниченных пересекающимися плоскостями, в каждой из которых лежат оси симметрии устройства и электродного узла, причем концы полюсов и отводов разомкнутых магнитопроводов размещены в области пересечения осей электродных узлов, которая ограничена пересекающимися плоскостями, каждая из которых проходит через центр выходной торцевой части электродного узла перпендикулярно его оси симметрии.

2. Устройство по п.1, отличающееся тем, что расстояние между ближайшими полюсами соседних разомкнутых магнитопроводов выбрано в диапазоне от диаметра выходного сопла электродного узла до половины расстояния между соплами соседних электродных узлов.

Описание изобретения к патенту

Изобретение относится к плазменной технике и может быть использовано при термической и плазмохимической обработке поверхностей изделий, а также напылении порошков и аэрозолей.

Известно устройство для плазменной обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три генератора плазмы, равномерно расположенных вокруг шихтопровода под углом к нему.

В данном устройстве материал вводят в зону смешения трех плазменный струй по оси камеры и обрабатывают в суммарном плазменном потоке.

Недостатком данного устройства является низкая эффективность использования обрабатываемого материала, так как при встрече плазменных струй, формируемых каждым генератором плазмы, в зоне смешения возникают поперечные потоки плазмы, выбрасывающие вводимый материал из зоны обработки.

Известно также устройство для плазменно-дуговой обработки материалов, содержащее камеру с шихтопроводом по оси и три электродуговых генератора плазмы переменного тока, в основу действия которого положен способ, включающий ввод материала в зону смешения трех плазменных струй с электрическими дугами трехфазного переменного тока и обработку в суммарном плазменном потоке [1]

Недостатком также является низкая эффективность использования обрабатываемого материала в результате выброса материала из зоны смешения плазменно-дуговых струй поперечными потоками плазмы.

Наиболее близким к предлагаемому является устройство для плазменно-дуговой обработки материала, содержащее шихтопровод и электродуговые генераторы плазменных струй, расположенные симметрично вокруг оси шихтопровода, содержащие магнитную систему, а каждый электродуговой генератор плазменной струи выполнен из двух электродных узлов, оси которых расположены под острым углом к оси шихтопровода, к которой направлены выходные части электродных узлов, установленных симметрично относительно плоскости, в которой расположена ось шихтопровода, при этом магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов в количестве, равном числу электродных узлов, причем на каждом полюсе каждого разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, концы полюсов каждого разомкнутого магнитопровода расположены симметрично относительно плоскости, параллельной оси шихтопровода и в которой размещена ось соответствующего электродного узла и, кроме того, размещены между двумя плоскостями, перпендикулярными оси шихтопровода, одна из которых проходит через точку пересечения осей электродных узлов, а другая через центр торцевой плоскости выходной части электродного узла, причем участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, конец которого расположен между осью шихтопровода и соответствующим электродным узлом, а центр конца отвода расположен в плоскости симметрии полюсов данного разомкнутого магнитопровода [2]

Недостатком указанного устройства является относительно невысокий ресурс работы электродных узлов. Это обусловлено тем, что плазменно-дуговая струя, выходя из сопла электродного узла, изгибается в магнитном поле, создаваемом магнитопроводом. В результате тот край сопла, в сторону которого изгибается струя, испытывает большие тепловые нагрузки, чем остальные края, и быстрее эродирует, что искажает форму сопла и делает его непригодным для использования.

Для уменьшения односторонней эрозии необходимо уменьшить угол изгиба струи, т. е. уменьшить угол между осями электродных узлов. Но при этом указанное устройство не обеспечивает стабилизации плазменного потока, что является его вторым недостатком. Это обусловлено следующим. При острых углах между плазменно-дуговыми струями силы электромагнитного взаимоотталкивания струй значительно больше, чем при тупых углах. Поэтому для удержания плазменных струй в указанном устройстве необходимо сменить направление вектора магнитной индукции магнитопроводов на противоположное, что лишает систему магнитных полей стабилизирующего эффекта для плазменной струи.

Цель изобретения повышение ресурса работы электродных узлов устройства и улучшение устойчивости плазменного потока за счет того, что в устройстве, содержащем электродные узлы в количестве, кратном двум, расположенные симметрично вокруг оси симметрии устройства и магнитную систему, при этом каждый электродный узел направлен под углом к оси симметрии устройства, а магнитная система выполнена в виде разомкнутых магнитопроводов, причем на каждом полюсе разомкнутого магнитопровода установлен соленоид, участок каждого разомкнутого магнитопровода между соленоидами снабжен ферромагнитным отводом, концы ферромагнитных отводов расположены в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, пересекающими ось симметрии устройства, и в которой лежат оси симметрии электродных узлов, концы полюсов каждого разомкнутого магнитопровода расположены вне этой области и симметрично относительно плоскости, в которой лежит ось симметрии устройства и центр конца ферромагнитного отвода разомкнутого магнитопровода, причем каждый электродный узел установлен под углом к оси симметрии устройства, меньшим 45^о, при этом разомкнутые магнитопроводы по одному расположены в секторах пространства, ограниченных пересекающимися плоскостями, в каждой из которых лежат ось симметрии устройства и ось симметрии электродного узла, причем концы полюсов и ферромагнитных отводов разомкнутых магнитопроводов размещены в области пересечения осей электродных узлов, которая ограничена пересекающимися плоскостями, каждая из которых проходит через центр выходной торцевой части электродного узла перпендикулярно его оси симметрии. При этом в устройстве расстояние между ближайшими полюсами соседних разомкнутых магнитопроводов выбрана в диапазоне от диаметра выходного сопла электродного узла до половины расстояния между соплами соседних электродных узлов.

Установление каждого электродного узла под углом к оси симметрии, меньшим чем 45^о, соответственно уменьшает угол, на который изгибают плазменно-дуговые струи электродных узлов, формирующие общий плазменный поток, направленный вдоль оси симметрии устройства. В результате уменьшается односторонняя тепловая нагрузка на стены сопел, снижается односторонняя эрозия этих стенок, соответственно, увеличивается ресурс работы электродных узлов.

Размещение разомкнутых магнитопроводов по одному в секторах пространства, ограниченных пересекающимися плоскостями, в каждой из которых лежит ось симметрии устройства, ось симметрии электродного узла, обеспечивает работоспособность устройства и достижение эффекта стабилизации плазменных струй, и, соответственно, общего плазменного потока, в условиях сильного электромагнитного взаимоотталкивания плазменных струй.

Размещение концов полюсов и ферромагнитных отводов разомкнутых магнитопроводов в области пересечения осей электродных узлов, которая ограничена пересекающимися плоскостями, каждая из которых проходит через центр выходной торцевой части электродного узла перпендикулярно его оси симметрии, обеспечивает выполнение условия, при котором внешнее магнитное поле действует только на участок плазменной струи вне электродного узла, и не действует на струю внутри электродного узла. В результате струя внутри электродного узла не смещается от оси и не происходит односторонней эрозии внутри электродного узла, т.е. повышается ресурс работы электродного узла.

Размещение ближайших полюсов соседних разомкнутых магнитопроводов на расстоянии в диапазоне от диаметра выходного сопла электродного узла до половины расстояния между соплами соседних электродных узлов обеспечивает конфигурацию внешнего магнитного поля, обуславливающего работоспособность устройства и достижение технического результата.

На фиг. 1 изображено устройство для создания плазменного потока с четырьмя электродными узлами; на фиг.2 вид А на фиг.1; на фиг.3 сечение Б-Б на фиг. 1; на фиг.4 схема взаимодействия плазменной струи с внешними магнитными полями.

Устройство для создания плазменного потока содержит электродные узлы 1 в количестве, кратном двум, но не менее четырех (фиг.1). Каждый электродный узел 1 выполнен в виде цилиндрической камеры 2 с выходным соплом 3, центральным электродом 4, закрепленным в диэлектрической крышке 5, и патрубком 6 для ввода плазмообразующего газа. Электродные узлы 1 попарно подключены к силовому источнику 7 постоянного тока с чередованием полярностей потенциалов центральных электродов 4. Электродные узлы 1 закреплены на основании 8 с помощью кронштейнов 9 под углом, меньшим 45^о, между осью 10 электродного узла 1 и осью 11 симметрии устройства. Ось 11 симметрии устройства совпадает с осью общего плазменного потока, создаваемого устройством. Электродные узлы 1 расположены симметрично вокруг оси 11 симметрии устройства с шагом 360^о/n, соответственно, где n количество электродных узлов 1. На фиг.1 показано устройство с четырьмя электродными узлами 1, расположенными с шагом 90^о вокруг оси 11. Так, например, для шести электродных узлов 1 шаг соответственно устанавливается 60^о и т.д. Магнитная система включает закрепленные на кронштейнах 9 разомкнутые магнитопроводы 12 с полюсами 13 на концах. На каждом полюсе 13 магнитопровода 12 установлен соленоид 14. Соленоиды 14 подключены к источнику 15 тока. Участок каждого разомкнутого магнитопровода 12 имеет ферромагнитный отвод 16, расположенный между соленоидами 14. Каждый разомкнутый магнитопровод 12 расположен в секторах пространства, ограниченных пересекающимися плоскостями, в каждой из которых лежит ось 11 симметрии устройства и ось 10 электродного узла 1. Концы ферромагнитных отводов 16 расположены в области пространства, ограниченной симметричными плоскостями, пересекающими ось 11 симметрии устройства, в которых лежат оси 10 электродных узлов 1, концы полюсов 13 каждого разомкнутого магнитопровода 12 расположены вне этой области и симметрично относительно плоскости, в которой лежит ось 11 симметрии устройства и центр конца ферромагнитного отвода 16, разомкнутого магнитопровода 12, причем концы полюсов 13 и ферромагнитных отводов 16 разомкнутых магнитопроводов 12 размещены в области, которая ограничена пересекающимися плоскостями, каждая из которых проходит через центр выходной торцевой части электродного узла 1 перпендикулярно его оси. При этом расстояние между ближайшими полюсами 13 соседних разомкнутых магнитопроводов 12 установлено в диапазоне от диаметра выходного сопла 3 электродного узла 1 до половины расстояния между соплами 3 соседних электродных узлов 1.

Устройство для создания плазменного потока работает следующим образом.

Через патрубки 6 в электродные узлы 1 подают газ, который выходит через сопла 3. Между центральными электродами 4 в каждой паре электродных узлов 1 зажигают электродуговой разряд постоянного тока от источников 7 тока. В результате каждый электродный узел 1 генерирует плазменную струю 17, условно показанную на фиг.2, которые формируют общий плазменный поток.

На каждую плазменную струю 17 действует сила (фиг.4), обусловленная взаимодействием электрического тока , протекающего в этой струе 17 и суперпозиции собственных магнитных полей остальных плазменных струй 17. Сила направлена от оси 11 общего плазменного потока (ось симметрии устройства) вдоль оси Х (фиг.4), под ее действием каждая плазменная струя 17 отклоняется от своего исходного направления, совпадающего с осью электродного узла 1, также в сторону от оси 11 общего плазменного потока.

В соленоиды 14 от источников 15 тока подают электрический ток и вокруг каждой плазменной струи 17 образуются магнитные поля и между соответствующими концами полюсов 13 и отвода 16 (фиг.4), которые действуют на плазменную струю 17 с силами и соответственно. Сумма составляющих этих сил вдоль оси Х:= + компенсирует сила .

Подбирая значение электрических токов в соленоидах 14, т.е. в большей или меньшей степени осуществляя взаимокомпенсацию сил, регулируют положение в пространстве каждой плазменной струи 17 к или от оси 11 симметрии устройства вдоль оси Х (фиг.4) по желанию пользователя.

Равновесное положение плазменной струи 17 при этом зависит от разности этих сил и инерционности изгибаемого движущегося потока газа (плазмы) в плазменной струе 17.

Изменение соотношения электрических токов в соленоидах 14 при постоянном значении их суммы, т.е. изменение соотношения величин индукций и магнитных полей, позволяет смещать плазменную струю 17 вдоль направления Y (фиг. 4), не изменяя ее положения в направлении Х. В результате также расширяются функциональные возможности плазменного потока, так как можно независимо корректировать положение каждой плазменной струи 17 для формирования требуемой конфигурации общего плазменного потока, что особенно важно при значительных угловых отклонениях общего плазменного потока от среднего положения во время, например, сканирования поверхности изделий с магнитным управлением. Если синхронно для всех плазменных струй периодически изменять величины индукции и внешних магнитных полей, то будут происходить колебания общего плазменного потока вокруг его оси при сохранении его конфигурации, что расширяет возможности, например, улучшая смешение и нагрев вводимых в общий плазменный поток дисперсных материалов при их обработке, усредняя по свойствам плазменное пятно на поверхности обрабатываемой детали.

В заявляемом устройстве обеспечивается повышение стабильности плазменной струи 17 в направлении Х (фиг.4) при реальных неоднородных магнитных полях. При случайном малом смещении струи 17 в сторону оси 11 симметрии устройства уменьшаются индукции и и наоборот. Но сила взаимоотталкивания плазменных струй увеличивается по мере приближения плазменной струи 17 и оси 11 общего плазменного потока и, наоборот, уменьшается при удалении. Возникающие в обоих случаях разности сил и при случайных смещениях возвращают плазменную струю 17 обратно в равновесное положение.

Наличие магнитных полей и обеспечивает стабилизацию плазменной струи в направлении Y (фиг.4). В равновесном положении силы и действующие на плазменную струю 17 со стороны этих магнитных полей, взаимокомплексируются. При случайном смещении плазменной струи 17 влево или вправо в направлении Y равновесие нарушается и появляется разностная сила, возвращающая плазменную струю 17 в равновесное положение.

Требуемую температуру плазмы в центре общего плазменного потока получают, изменяя значение электрических токов , расходов газов через электродные узлы 1 и величиной отклонения плазменных струй 17 от оси 11 общего плазменного потока.

Для электрических токов в струях 50-300 л, расходов газов 0,1-5 л/мин через электродные узлы, расстояний между соплами электродных узлов и осью симметрии устройства 0,03-0,1 м, углах 40-25^о, индукция внешних магнитных полей составляла 0,001-0,003 Тл.