Главная страница  |  Описание сайта  |  Контакты
ГОРЕЛКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ ПЕРЕД ЕЕ ВКЛЮЧЕНИЕМ
ГОРЕЛКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ ПЕРЕД ЕЕ ВКЛЮЧЕНИЕМ

ГОРЕЛКА ДЛЯ ПЛАЗМЕННО-ДУГОВОЙ ОБРАБОТКИ (ВАРИАНТЫ) И СПОСОБ ЕЕ ИСПЫТАНИЙ ПЕРЕД ЕЕ ВКЛЮЧЕНИЕМ

Патент Российской Федерации
Суть изобретения: Горелка и способ могут быть использованы для плазменно-дуговой сварки и резки в машиностроении. Электрод и сопло установлены с возможностью относительного перемещения. Имеются устройства для относительного перемещения электрода и сопла. Они обеспечивают их первое и второе положения с заранее заданным усилием контакта между ними в первом положении. Конструкция устройства позволяет не прерывать протекание газа, используемого при формировании дуги, и/или электрического тока дугового разряда во время такого относительного перемещения. Способ испытаний на безопасность перед запуском горелки выполняется путем последовательного перемещения электрода и сопла между их положениями для обнаружения соответствующих состояний разомкнутой и замкнутой цепи, и разрешение формирования вспомогательной дуги только в случае, когда обнаружена заранее заданная последовательность состояний цепи. Последующее перемещение электрода и сопла одновременно с приложением заранее заданного усилия контакта между ними способствует очистке от оксидов области контакта между электродом и соплом. 4 с. и 33 з.п.ф-лы, 14 ил.
Поиск по сайту

1. С помощью поисковых систем

   С помощью Google:    

2. Экспресс-поиск по номеру патента


введите номер патента (7 цифр)

3. По номеру патента и году публикации

2000000 ... 2099999   (1994-1997 гг.)

2100000 ... 2199999   (1997-2003 гг.)
Номер патента: 2119852
Класс(ы) патента: B23K10/00, H05H1/32
Номер заявки: 96121283/02
Дата подачи заявки: 29.10.1996
Дата публикации: 10.10.1998
Заявитель(и): Дзе Линкольн Электрик Компани (US)
Автор(ы): Эдвард А.Эниди (US); Стивен Р.Самнер (US)
Патентообладатель(и): Дзе Линкольн Электрик Компани (US)
Описание изобретения: Изобретение относится к области горелок для плазменно-механической обработки и, в частности, к усовершенствованиям, связанным с включением и повторным включением таких горелок, а также с их предварительными испытаниями, чисткой и эффективной и экономичной эксплуатацией.
Конечно, известно, что горелка для плазменно-дуговой обработки содержит электрод и сопло, выполненные с возможностью относительного перемещения между положением, в котором электрод контактирует с соплом, и положением, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от наконечника. Сопло образует камеру вспомогательной дуги, имеющую отверстие для выпуска плазмы, и, когда электрод контактирует с соплом, между электродом и соплом протекает ток дугового разряда, в камеру вспомогательной дуги подается плазма или газ, используемый при формировании дуги, а вспомогательная дуга возникает, когда электрод отодвигается от сопла в свое рабочего положение. Когда электрод отодвигается от сопла, он открывает отверстие для выпуска плазмы, вследствие чего струя плазмы выпускается, обеспечивая работы горелки в режиме вспомогательной дуги косвенного действия. Посредством перемещения сопла в положение вблизи обрабатываемой детали дуга передается на нее, а горелка после этого работает в режиме дуги прямого действия, который предпочтителен для резки металла.
Ранее было разработано много устройств для обеспечения относительного перемещения электрода и сопла с целью создания вспомогательной дуги, и ряд таких устройств представлен, например, в патенте US N 3004189, выданном Жианнини (Giannini), US N 3242305, выданном Кейну (Kane) и др., US, N 4791268, выданном Сандерсу (Sanderg) и др., US N 4896016, выданном Бробергу (Broberg) и др., US, N 4902871, выданном Сандерсу и др., US N 5164569, выданном Порра (Рогга) и др. , и US, N 5208441, выданном Бробергу, которые упомянуты здесь для сведения в целях информации об известном уровне техники. В двух патентах, выданных Сандерсу и др., и в патенте, выданном Порра и др., исходным положением электрода является положение, в котором электрод контактирует с соплом, а вывод электрода на контакте с ним для создания вспомогательной дуги требует использования газа, используемого при формировании дуги, втекающего в камеру вспомогательной дуги, в качестве первичного источника энергии для перемещения электрода относительно сопла. В частности, в этих устройствах электрод конструктивно связан с поршнем, к которому приложено воздействие находящегося под давлением газа, для принудительного отвода электрода от сопла с противодействием отклоняющему усилию пружины, посредством которой электрод вводится в контакт с соплом, когда прекращается подача газа, используемого при формировании дуги, для снижения давления в поршневой камере. В патенте, выданном Бробергу, исходным положением электрода является то, в котором электрод контактирует с соплом, а отвод электрода от сопла достигается с помощью устройства, содержащего поршень и цилиндр, отделенного от электрода и соединенного с ним посредством механического соединительного устройства. В патенте Броберга осуществляют подачу газа, используемого при формировании дуги, в горелку для обеспечения наличия движущейся текучей среды, предназначенной для перемещения поршня с противодействием отклонению, вызываемому пружиной, которая через посредство соединяющего устройства оказывает воздействие, возвращающее электрод в контакт с соплом, когда в поршневой камере снижается давление. В одном конкретном варианте, указанном в патенте Кейна и др., исходным положением электрода является его рабочее положение, в котором электрод отведен от сопла, и электрод связан с поршнем, под воздействием которого электрод вводится в контакт с соплом посредством приложения газа, используемого при формировании дуги, разряда к одной стороне поршня. Такое перемещения происходит с противодействием возвратному отклонению пружины, с помощью которой электрод возвращается в свое исходное положение, когда давление в поршневой камере снижается. Во время последнего движения электрода возникает вспомогательная дуга, а противоположная сторона поршня подвергается воздействию находящейся под давлением охлаждающей воды, чтобы удержать электрод в рабочем положении в процессе работы горелки.
Устройство известного типа имеют ряд недостатков. В этом отношении, например, в патентах, выданных Сандерсу и др., и в патентах, выданных Порра и др. и Бробергу, по крайней мере подачу газа, используемого при формировании дуги, если не и подачу последнего, и подачу тока дугового разряда, необходимо прерывать, чтобы начать новый вспомогательный цикл. Так, в случае непреднамеренного гашения дуги во время работы горелки, горелку нельзя включить повторно без прерывания потока газа, используемого при формировании дуги. Это нежелательно увеличивает время цикла создания вспомогательной дуги, так как после гашения дуги оператор должен подождать прекращения подачи газа, используемого при формировании дуги, повторного включения источника электропитания горелки и подачи газа до достижения рабочего давления, прежде чем можно будет снова зажечь вспомогательную дугу. Дополнительный недостаток заключается в том, что для горелки реальных размеров имеющаяся активная поверхность поршня ограничена, так что пружина, которая принудительно подводит электрод к соплу, должна обладать малым усилием. Таким образом, если электрод не касается сопла с достаточным усилием, вспомогательная дуга может и не возникнуть, ввиду наслоения оксидов на электроде и/или сопле. Ограниченное давление газа, используемого при формировании дуги, также ограничивает противодействие последнему усилие пружины. Более того, с помощью устройств, раскрытых в двух патентах, выданных Сандерсу и др., и в патенте, выданном Бробергу, невозможно обеспечить наличие предсварочного потока газа, используемого при формировании дуги, такого, как поток для очистки области сопло-электрод, или послесварочного потока газа, используемого при формировании дуги, такого, как поток для охлаждения области сопло электрод.
В конкретном варианте, раскрытом в упомянутом патенте Кейна и др., повторное включение горелки требует прерывания подачи электропитания, чтобы слить охлаждающую воду из поршневой камеры с тем, чтобы можно было ввести электрод в контакт с соплом. Поэтому такой же нежелательно длительный цикл присущ и этому устройству, раскрытому в патенте Кейна и др. В патенте Броберга и др. механизм рычага и надцентровой пружины обеспечивает ручное перемещение электрода из его исходного положения в положение контакта с соплом при формировании вспомогательной дуги, и эта надцентровая пружина удерживает электрод в его рабочем положении. Отпускание механизма надцентровой пружины вызывает быстрый возврат электрода в его положение контакта с соплом и, хотя удар электрода о сопло обеспечивает очищающее воздействие, отпускание механизма надцентровой пружины требует прерывания подачи электропитания горелки. Такое прерывание необходимо и в случае преднамеренного гашения дуги в конце технологической операции. Поэтому повторное включение горелки после непреднамеренного гашения дуги требует прерывания подачи электропитания и, таким образом, увеличения времени цикла между двумя последовательными включениями. Кроме того, невозможно получить предсварочный поток газа до инициирования формирования дуги или получить послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги, после преднамеренного гашения дуги. Помимо этого, предложенный в патенте Броберга и др. механизм рычага и надцентровой пружины, подобно механизму рычага и надцентровой пружины, предложенному в патенте Броберга, требует наличия значительного количества конструктивных элементов, помимо электрода, и расположения многих из этих элементов поперек оси электрода и сопла. Такая сложность конструкции приводит к нежелательной величине трения между движущимися деталями и к появлению возможности приложения бокового тягового усилия, причем все эти факторы могут оказать негативное влияние на легкость и надежность движения электрода.
В патенте Жианнини электрод в своем исходном положении контактирует с соплом и отклонен к нему пружиной, а для отвода электрода от сопла при формировании дуги задействуется соленоид, соединенный с источником электропитания горелки. Преднамеренное гашение дуги требует прерывания подачи электропитания, после чего электрод возвращается в свое исходное положение контакта с соплом. Повторное включение горелки после непреднамеренного гашения дуги также требует отключения источника тока, так что электрод возвращается в свое исходное положение. Таким образом, время цикла при повторном включении нежелательно велико, и можно не получить предсварочный или послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги, до формирования вспомогательной дуги или после преднамеренного гашения дуги.
В другом конкретном варианте, приведенном в патенте Кейна и др., электрод отклоняется пружиной, входя в контакт с соплом, а охлаждающая вода для сопла и электрода воздействует на поршень, соединенный с электродом, для вывода из контакта с соплом и противодействия отклоняющего усилию пружины при формировании вспомогательной дуги. Возврат электрода в его исходное положение с помощью отклоняющей пружины требует прерывания подачи электропитания чтобы уменьшить давление охлаждающей воды. Следовательно, повторное включение горелки после непреднамеренного гашения дуги требует прерывания подачи электропитания, и это, наряду с временем, требуемым для снижения давления воды, приводит к нежелательно большому времени цикла между последовательными включениями горелки. Кроме того, невозможно получить предсварочный поток газа, используемого при формировании дуги, до формирования вспомогательной дуги или послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги, после преднамеренного гашения дуги, потому что последнее требует прерывания подачи электропитания и тем самым возврата электрода в контакт с соплом.
Другие проблемы присущие включению и эксплуатации горелок для плазменно-дуговой обработки, разработанных к настоящему времени, относятся к разрушению и удалению оксидного наслоения на электроде и/или на сопле для гарантии надлежащего электрического контакта между последними в связи с формированием вспомогательной дуги и к возможности действенного, эффективного и экономичного осуществления предварительного контроля на безопасность для гарантии, что сопло находится на своем месте на горелке и должным образом собран с корпусом горелки, а значит, и с электродом. Такой контроль на безопасность желателен для предотвращения поражения оператора горелки электрическим током, например при контакте инструмента с электродом, если последний открыт, как может случиться в ситуации, когда сопла на горелке нет. В то же время может иметь место отсутствие контакта или неправильный контакт электрода с горелкой, если сопло установлено на свое место на горелке, но неверно ориентировано относительно электрода. Последнее может привести к неспособности сформировать возбуждающую дугу и/или к повреждению сопла и/или электрода при формировании дуги в результате отсутствия надлежащего электрического контакта между ними. До настоящего времени устройства для определения наличия сопла на горелке требовали наличия различных контактов, пружин и т. п., помимо рабочих элементов горелки и в дополнение к ним.
Наиболее близким к данному изобретению является известная горелка для плазменно-дуговой обработки, содержащая электрод и сопло, установленные с возможностью относительного перемещения из положения контакта электрода с соплом в положение, в котором создается вспомогательная дуга, когда электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, газовую камеру, образованную между электродом и соплом, в котором выполнено отверстие для выпуска плазмы, средство для обеспечения протекания газа в камеру, средство для обеспечения протекания тока дугового разряда между электродом и соплом и поршень или соленоидный плунжер для относительного перемещения электрода и сопла из одного из положений в другое (SU, авторское свидетельство 1328123, B 23 K 10/00, 1987).
Данному устройству присущи перечисленные выше недостатки.
В соответствии с настоящим изобретением вышеуказанные и другие недостатки и проблемы, перечисленные в связи с разработанными к настоящему времени горелками для плазменно-дуговой обработки, можно с выгодой минимизировать или преодолеть. В частности, в этом отношении и в соответствии с одним аспектом изобретения элементы электрода и сопла горелки выполнены с возможностью относительного перемещения между исходным и вторым положениями с тем, чтобы избирательно обеспечить предсварочный поток газа, используемого при формировании дуги, и/или послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги, и таким образом обеспечить возможность повторного зажигания дуги без прерывания подачи электропитания или потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательной дуги, чтобы тем самым минимизировать время цикла между последовательными включениями. Исходным положением электрода может быть либо положение, в котором электрод контактирует с соплом, либо положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, и в любом случае электрод можно перемещать из последнего положения для введения в контакт без прерывания потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательной дуги, чтобы таким образом облегчить повторное включение горелки в случае непреднамеренного гашения дуги во время операции резки. В частности, в этом отношении рабочее усилие для относительного перемещения сопла и электрода из его рабочего положения в контакт с соплом прикладывается независимо от потока газа, используемого при формировании дуги, разряда в камеру вспомогательной дуги и независимо от подачи энергии тока дугового разряда. Рабочее усилие может, например, быть обеспечено электромеханическим устройством, таким как соленоид, источник рабочего газа, который воздействует на поршень и может быть отделен от источника газа, используемого при формировании дуги, или может сообщаться с этим источником. Рабочее усилие в последнем случае может быть создано совместно с пружиной, а также может быть создано с помощью других устройств, способных осуществлять относительное перемещение электрода и сопла, таких, как термически расширяющаяся и сжимающаяся запоминающая проволока, терморегулирующие биметаллические диски и т.д. Преимущественно, элемент или элементы, через посредство которого (которых) прикладывается рабочее усилие, расположены коаксиально относительно осей электрода и сопла, оптимизируя таким образом надежность движения электрода относительно сопла и способность преодолевать грязь и минимизировать трение между движущимися деталями горелки.
Кроме того, в соответствии с этим аспектом изобретения рабочее усилие может быть усилием заранее заданной величины, преимущественно подталкивающим или оказывающим ударное воздействие на электрод в направлении сопла с тем, чтобы разрушить оксидное наслоение на любом из элементов электрода и сопла или на них обоих. Помимо этого, усиление сочленения контакта способствует надлежащему электрическому контакту и, таким образом, оптимизирует формирование вспомогательной дуги после отделения электрода от сопла при наличии приложенного тока между ними. Предпочтительно усилие сочленения контакта, действующее между электродом и соплами, может быть в несколько раз больше, чем усилие сочленения контакта, возможное в известных устройствах, в которых усилие сочленения контакта, по существу, сводится к усилию, прикладываемому отклоняющей пружиной, или к усилию, создаваемому газом, используемым при формировании дуги, причем оба они ограничены в результате приложения требуемого рабочего давления и относительно малых размеров электрода. И еще, в соответствии с этим аспектом изобретения, электрод и сопло можно перемещать друг относительно друга с введением их в контакт и выводом из контакта друг с другом много раз до формирования возбуждающей дуги, оптимизируя таким образом операцию очистки, и, преимущественно, такое многократное перемещение может быть достигнуто с помощью протекания газа в камеру вспомогательной дуги так, что выносить частицы измельченного оксида из камеры вспомогательной дуги через отверстие для выпуска плазмы в сопле. Такая способность к перемещению с помощью потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательной дуги и без формирования возбуждающей дуги после относительного перемещения электрода и сопло при выводе их из /в контакта друг с другом достигается путем обеспечения относительного перемещения электрода и сопла, независимо от подачи энергии тока дугового разряда, и приложения составляющей усилия, посредством которого электрод вводится в контакт с соплом и которое превышает усилие, под воздействием которого электрод отводится от сопла, или посредством снятия последнего усилия. Как упоминалось выше, устройства для приложения усилий коаксиальны с электродом и соплом, за счет чего достигаются вышеуказанные возможности и преимущества при одновременной минимизации использования пространства внутри корпуса горелки.
В соответствии с другим аспектом изобретения разработана система проведения предварительного контроля или испытаний на безопасность, посредством которой обеспечивается формирование вспомогательной дуги только в случае, если сопло установлено на горелке и надлежащим образом ориентировано относительно электрода, чтобы таким образом защитить оператора от поражения электрическим током и не допустить эксплуатацию горелки до тех пор, пока она не будет достаточно безопасной, чтобы можно было работать. Далее, в соответствии с этим аспектом изобретения контроль на безопасность проводят с использованием электрода и сопла в качестве элементов, контролируемых в первую очередь, исключая, таким образом, необходимость модификации конструкции горелки для удовлетворения требований, предъявляемых при контроле. Испытания в минимальном объеме в соответствии с изобретением проводят путем установки электрода в положение контакта с соплом, приложения испытательного напряжения между соплом и электродом и обнаружения состояния замкнутой цепи, которое наступит только в случае, если сопло находится на горелке и установлено должным образом для контакта с электродом, а электрод и/или сопло не содержат никаких оксидных наслоений, что могло бы помешать наступлению состояния замкнутой цепи. Если состояние замкнутой цепи определено, система допускает протекание тока дугового разряда между электродом и соплом, вследствие чего после относительного перемещения электрода и сопла друг от друга образуется вспомогательная дуга. Если состояние замкнутой цепи не обнаружено, система препятствует протеканию тока дугового разряда между электродом и соплом. Как только состояние, препятствующее наступлению состояния замкнутой цепи, устранено, контакт сопла и электрода приведен к определению существования замкнутой цепи, и эксплуатация горелки будет разрешена.
Контроль на безопасность в соответствии с этим аспектом изобретения можно проводить, когда исходное положение электрода удалено от сопла и когда исходным является положение контакта с соплом. Если электрод сначала отведен от сопла, электрод и сопло можно перемещать относительно друг друга для введения электрода в контакт с соплом, в момент которого между ними приложено вышеуказанным образом испытательное напряжение. Тем не менее, процедура испытаний предпочтительно включает обнаружение состояния разомкнутой цепи, когда электрод сначала отведен от сопла, и разрешение формирования вспомогательной дуги только в случае, если определена разомкнутая цепь, с последующим определением замкнутой цепи, когда электрод контактирует с соплом. Кроме того, когда исходным положением электрода является положение, в котором электрод контактирует с соплом, предпочтительно последовательное относительное перемещение электрода и сопла друг от друга из исходного положения в отведенное положение, а затем обратно в исходное положение с последовательным обнаружением состояний замкнутой, разомкнутой и замкнутой цепи и разрешением формирования вспомогательной дуги только в случае, если надлежащим образом обнаруженные состояния цепи соответствуют последовательности положений электрода и сопла. Если предположить, что наконечник горелки снят, то для оператора было бы исключительно трудно, если не невозможно, продублировать предъявляемое при контроле требование формирования такой замкнутой-разомкнутой-замкнутой цепи, например, путем замыкания электрода на сопло с помощью инструмента. Аналогично, в случае, если исходным положением электрода является положение, в котором последний отведен от сопла, предпочтительно осуществлять относительное перемещение электрода и сопла из исходного положения по крайней мере дважды в положение контакта с соплом, проводя таким образом испытания на наличие состояния разомкнутой-замкнутой-разомкнутой-замкнутой цепи, которое невозможно продублировать. Далее, в связи с любой из таких процедур контроля дополнительная защита от случайного дублирования контроля оператором достигается за счет тактирования обнаруживаемого состояния или обнаруживаемых состояний цепи. В любом случае, следует по достоинству оценить тот факт, что электрод и сопло можно путем относительного перемещения вводить в контакт и выводить из контакта любое количество раз при заранее заданной последовательности состояний разомкнутой и замкнутой цепи, наличие которых нужно обнаружить, чтобы было разрешено формирование вспомогательной дуги.
В соответствии с еще одним аспектом изобретения испытания вышеуказанным способом можно проводить независимо от очистки или одновременно с очисткой области контакта электрод-сопло, как указано выше. В этом отношении, например, можно осуществлять импульсное перемещение электрода и сопла для ввода электрода в контакт с соплом один или несколько раз с целью удаления любого наслоения оксида на сопле и/или электроде, после чего можно проводить процедуру испытаний. Такая предварительная очистка должна оптимизировать наступление состояния замкнутой цепи после достижения контакта между соплом и электродом при проведении процедуры испытаний. Однако при этом следует оценить по достоинству и тот факт, что в сочетании с проведением испытаний на безопасность импульсное перемещение электрода и сопла между положениями контакта и неконтакта вызовет разрушение любых наслоений оксидов и, следовательно, что требуемый сигнал или сигналы, соответствующий(ие) условию наличия или отсутствия тока, разрешающий(ие) включение горелки, будут в конце концов определены.
Поэтому первостепенная задача настоящего изобретения заключается в том, чтобы разработать усовершенствования в связи с включением и повторным включением горелки для плазменно-дуговой обработки и с эффективной и экономичной ее эксплуатацией.
Другая задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой элементы электрода и сопла выполнены с возможностью относительного перемещения между положением контакта и положением, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, без потребности в прерывании подачи тока дугового разряда или потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру формируемой в атмосфере плазмы дуги горелки.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой повторное включение горелки после гашения дуги можно осуществить без потребности в прерывании подачи тока дугового разряда или потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательной дуги.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой электрод и сопло можно путем относительного перемещения вводить в контакт с предварительно заданным усилием сочленения контакта между ними, которое имеет величину больше, чем величина усилия сочленения контакта, которое можно приложить, когда газ, используемый при формировании дуги, поданный в камеру вспомогательной дуги в сочетании с воздействием отклоняющей пружины, управляет относительным перемещением электрода и сопла между положениями их контакта и неконтакта.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, способной избирательно допускать предсварочный поток и послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательного разряда независимо от подачи энергии тока дугового разряда.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой относительное перемещение электрода и сопла из рабочего положения электрода в положение, в котором электрод контактирует с соплом, осуществляются за счет преодоления или исключения усилия, посредством которого электрод и сопло поддерживаются в рабочем положении электрода без потребности в прерывании потока газа, используемого при формировании дуги, или тока дугового разряда с целью преодоления или исключения поддерживающего усилия.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, обладающей повышенной способностью к разрушению наслоения оксидов на элементах электрода и/или наконечника.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой элементы электрода и сопла приспособлены к введению в контакт и выводу из контакта посредством относительного перемещения независимо от формирования вспомогательной дуги для очистки области контакта между электродом и соплом до начала работы горелки.
Еще одна задача заключается в разработке усовершенствованных способа и системы для испытаний горелки для плазменно-дуговой обработки на наличие на ней сопла и/или наличие должной его ориентации относительно электрода горелки.
Еще одна задача заключается в разработке способа и системы вышеуказанного характера, в которых в качестве основных элементов в системе для испытаний горелки используются элементы электрода и сопла.
Еще одна задача заключается в разработке способа и системы вышеуказанного характера, которые применяют для управления протеканием тока дугового разряда к электроду и соплу и для разрешения формирования вспомогательной дуги только в случае наличия заранее заданного параметра испытаний.
Еще одна задача заключается в разработке горелки для плазменно-дуговой обработки, в которой электрод и сопло выполнены с возможностью относительного перемещения между положениями контакта и разделения и задействуются способом, позволяющим избежать затрат времени, требуемого на восстановление энергии газа дугового разряда и/или тока дугового разряда, между последовательными включениями горелки.
Вышеуказанные и иные задачи частично станут очевидными, а частично будут более подробно освещены ниже, в связи с письменным описанием предпочтительных конкретных вариантов воплощения изобретения, проиллюстрированных на фиг. 1 - 14, на которых:
на фиг. 1 изображен вертикальный разрез горелки для плазменно-дуговой обработки, соответствующей настоящему изобретению;
на фиг. 2 изображена блок-схема, схематически иллюстрирующая соответствующую настоящему изобретению систему для испытаний горелки для плазменно-дуговой обработки на наличие сопла;
на фиг. 3 изображена схема последовательности операций работы системы для испытаний;
на фиг. 3, а, б, в изображены графики сигналов, потока воздуха и формы дуги, соответствующие различным видам работы системы для испытаний;
на фиг. 4 - 7 изображены иллюстративные графики, отображающие существование различных функций, которое имеет место при разных видах испытаний;
на фиг. 8 изображен вертикальный разрез, несколько схематически иллюстрирующий другую конструкцию, предназначенную для обеспечения относительного перемещения элементов электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 9 изображен вертикальный разрез, схематически иллюстрирующий еще одну конструкцию, предназначенную для обеспечения относительного перемещения элементов электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 10 изображен вертикальный разрез, схематически иллюстрирующий еще одно устройство, предназначенное для обеспечения относительного перемещения элементов электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 11 изображен вертикальный разрез, иллюстрирующий другое устройство, предназначенное для обеспечения относительного перемещения элементов электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 12 изображен вертикальный разрез, схематически иллюстрирующий еще одно устройство, предназначенное для обеспечения относительного перемещения элементов электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретением;
на фиг. 13 изображен иллюстративный график, показывающий характеристики усилия и потока газа, используемого при формировании дуги, применяемые к устройству, изображенного на фиг. 12;
на фиг. 14 изображен вертикальный разрез, иллюстрирующий устройство электрода и сопла горелки для плазменно-дуговой обработки, соответствующее известному уровню техники.
Переходя теперь к более подробному рассмотрению фиг. 1 - 14, на которых приведены данные, предназначенные лишь для иллюстрации предпочтительных конкретных вариантов воплощения изобретения, а не для ограничения или объема притязаний, отметим, что на фиг. 1 изображена горелка 10 для плазменно-механической обработки, имеющая, в основном, цилиндрическую корпусную часть 12, служащую опорой электроду 14 и соплу 16, имеющему отверстие 18 для выпуска плазмы. Сопло 16 удерживается на корпусной части 12 с помощью ступенчатого кольца 20 из изолирующего материала и колпачка 22 с внутренней резьбой, снабженного с наружной стороны изолирующим экраном 24. Корпусная часть 12 служит опорой цилиндрическому элементу 26 из изолирующего материала, который вместе с заглушкой 28 из изолирующего материала образует поршневую камеру 30, соосную с электродом и соплом. Поршень 32 поддерживается с возможностью осевого скольжения цилиндрическим элементом 26 и заглушкой 28 и включает в себя верхний конец 34, расположенный в камере 30. Верхний конец электрода 14 прикреплен к нижнему концу поршня 32 для перемещения вместе с поршнем, а верхний конец поршня состоит из штока 36, проходящего с возможностью скольжения через предусмотренное для него отверстие в заглушке 28. Вокруг штока 36, верхнего конца 34 поршня и участка поршня 32 ниже камеры 30 предусмотрены кольцевые уплотнительные элементы 38, 40, 42 соответственно, назначение которых будет пояснено ниже. Шток 36 выполнен с осевым выпускным каналом 44, имеющем проходящие в поперечном направлении внутренние концы 46, открывающиеся в камеру 30 ниже верхнего конца 34 поршня 32, а заглушка 28 выполнена с проходящим в осевом направлении каналом 48 для протекания воздуха, имеющим внутреннее концевое отверстие в камеру 30, расположенное над верхним концом 34. Канал 48 сообщается с источником рабочего воздуха с не показанным источником находящегося под давлением рабочего воздуха для перемещения поршня 32, а значит, и электрода 14 вниз относительно сопла, причем способ осуществления и назначение этого перемещения будут пояснены ниже. Корпусная часть 12 снабжена отверстием 50 для впуска воздуха, используемого при формировании дуги сообщающегося с не показанным источником воздуха, используемого при формировании дуги. Источник рабочего воздуха может быть отделен от источника воздуха, используемого при формировании дуги, или может сообщаться с этим источником. Корпусная часть 12 и цилиндрический элемент 26 образуют кольцевой канал 52 для газа, используемого при формировании дуги, а цилиндрический элемент 26 выполнен с простирающимися радиально отверстиями 54, соединяющими канал 52 с внутренним кольцевым каналом 56, окружающим электрод 14 и сообщающимся с камерой 58 вспомогательной дуги, расположенной между нижними концами электрода 14 и наконечника 16. Электрод 14 и сопло 16 приспособлены для поперечного соединения с источником тока дугового разряда посредством проводов 60 и 62 соответственно, за счет чего, когда электрод 14 перемещается вниз из положения, показанного на фиг. 1, в положение контакта с соплом 16, а затем обратно в положение, показанное на фиг. 1, между ними известным образом формируется вспомогательная дуга.
Перемещение электрода 14 вниз из положения, показанного на фиг. 1, в положение контакта с соплом 16 осуществляется за счет протекания находящегося под давлением рабочего воздуха в канал 48, а следовательно, к верхней стороне 35 поршня 32, и выпуска воздуха, находящегося под верхним концом 34, через канал 44. Перемещение электрода из положения контакта с соплом 16 назад в положение, показанное на фиг. 1, осуществляется за счет протекания находящегося под давлением газа, используемого при формировании дуги, по каналу 54, а следовательно, к нижней стороне 64 поршня 32, при одновременном обеспечении выпуска воздуха, введенного по каналу 48, через последний канал. Как будет очевидно из нижеследующего, электрод 14 выполнен с возможностью перемещения вниз из положения, показанного на фиг. 1, без необходимости прерывания потока воздуха, используемого при формировании дуги, через впускное отверстие 50, и при этом перемещении противодействует усилию, прикладываемому в противоположном направлении воздухом, используемым при формировании дуги, действующим на поршень. В этом отношении, как будет очевидно на фиг. 1, верхняя сторона 35 поршня 32 образует поверхность реакции значительно большей площади, чем площадь поверхности 64 на нижней стороне поршня. Так, если предположить, например, что воздух, используемый при формировании дуги, и рабочий воздух находятся под одним и тем же заданным давлением образом, получим, что усилие, действующее на фиг. 1 в направлении вниз, к поршню 32, больше, чем усилие, действующее в направлении вверх, вследствие чего, в соответствии с одним аспектом изобретения, электрод 14 можно перемещать вниз из положения, показанного на фиг. 1, в положение контакта с соплом 16 без необходимости прерывания подачи воздуха, используемого при формировании дуги, поступающего через впускное отверстие 50. Преимущественно это обстоятельство обеспечивает разрешение повторного включения горелки в случае непреднамеренного гашения дуги без необходимости прерывания подачи энергии тока дугового разряда и/или потока воздуха, используемого при формировании дуги, как требовалось ранее. Более того, эта способность к перемещению обеспечивает выгодную возможность формирования предсварочного потока воздуха, используемого при формировании дуги, в сопло и через выпускное отверстие 18 для продувки грязи и т.п. из камеры вспомогательной дуги, а также возможность формирования послесварочного потока воздуха, используемого при формировании дуги, после преднамеренного гашения дуги, например, в целях охлаждения. В то же время следует по достоинству оценить тот факт, что электрод 14 можно перемещать в противоположных направлениях относительно сопла 16 за счет попеременного протекания рабочего воздуха по одному из каналов 44 и 48 и выпуска рабочего воздуха через другой канал и при отсутствии какого-бы то ни было притока газа, используемого при формировании дуги, через впускное отверстие 50, вследствие чего можно по выбору создавать предсварочный поток и послесварочный поток газа, используемого при формировании дуги. Далее, в связи с очисткой следует по достоинству оценить тот факт, что электрод 14 можно перемещать вниз в положение контакта с соплом 16 с заранее заданным усилием, достаточным для разрушения любых оксидных наслоений на электроде и/или сопле, и для этого может быть введен в контакт и выведен из контакта с соплом много раз. Усилие контакта между электродом и соплом, конечно, зависит от площади верхней поверхности поршневого элемента 32 и давления рабочего воздуха, действующего на эту поверхность, и потому следует признать, что усилие контакта между электродом и соплом можно без затруднений установить путем варьирования этих параметров.
Далее, в связи с фиг. 1, следует по достоинству оценить тот факт, что электрод и сопло в горелке для плазменно-дуговой обработки имеют исходное положение относительно друг друга, которым может быть положение, в котором электрод контактирует с соплом, или положение, в котором электрод отведен от сопла на рабочее расстояние. В конкретном варианте воплощения, приведенном на фиг. 1, с выгодой обеспечена возможность того, что любое из двух относительных положений электрода и сопла может быть исходным положением. Важен также тот факт, что все составляющие детали, посредством которых достигаются вышеуказанные преимущества, соосны по отношению к осям электрода и сопла, минимизируя тем самым потребности в пространстве для расположения этих деталей.
В соответствии с еще одним аспектом настоящего изобретения, как можно заключить по нижеследующему описанию фиг. 2 - 7 со ссылками на устройство электрода и сопла, изображенное на фиг. 1, разработана система контроля на безопасность для гарантии, что сопло 16 надлежащим образом установлено на корпусе горелки относительно электрода 14, до разрешения включения горелки. Конкретнее в этом отношении отметим, как показано на фиг. 2, что провода 60 и 62 соответственно соединяют электрод 14 и сопло 16 с источником электропитания 66 для выдачи разрешения на формирование вспомогательной дуги, а обрабатываемая деталь W соединена с источником электропитания линий 68 для облегчения передачи дуги на обрабатываемую деталь. Линия 60 снабжена защитным выключателем 70 для размыкания и замыкания цепи, ведущей к электроду 14 и соплу 16, и для включения схемы защиты 72 в ответ на нажатие на курок горелки. Устройство управления 74 включает в себя микропроцессор, запрограммированный на срабатывание по измеренным параметрам испытаний и на управление процедурой испытаний, а также на выдачу сигнала разрешения или сигнала запрета на формирование вспомогательной дуги, как будет подробнее описано ниже. Блок 76 формирования усилия, с помощью которого электрод 14 перемещается относительно сопла 16, приспособлен к включению устройством управления 74, и этот блок 76 формирования усилия вместе с изображенным на фиг. 1 устройством электрода и сопла можно назвать источником находящегося под давлением рабочего воздуха.
Процедура испытаний в соответствии с этим аспектом изобретения отражена на схеме последовательности операций, показанной на фиг. 3, и на графике картины параметров, показанном на фиг. 3а. При такой процедуре оператор нажимает на курок горелки, чтобы начать контроль на безопасность путем замыкания выключателя 70 для включения схемы защиты 72, которая затем посылает сигнал по линии 78 для включения устройства управления 74. Хотя это и не показано на фиг. 2, нажатие на курок горелки может также инициировать поток газа, используемого при формировании дуги, в камеру 58 газа, используемого при формировании дуги, если это требуется. Устройство управления 74 определяет, что испытательное напряжение, подаваемое от источника электропитания 66 на электрод и сопло, включено, и, в предположении, что исходным относительным положением электрода 14 и сопла 16 является разведенное положение, показанное на фиг. 2, устройство управления 74 посылает управляющий сигнал по линии 80 в источник электропитания 66, в ответ на который источник электропитания 66 выдает испытательный сигнал низкого напряжения через цепь, образованную линией 60, электродом 14, соплом 16 и линией 62. Затем источник электропитания обнаруживает состояние наличия цепи электрод-сопло и посылает соответствующий сигнал по линии 82 в устройство управления 74. При обнаружении состояния разомкнутой цепи вырабатывается сигнал высокого напряжения, а при обнаружении состояния замкнутой цепи вырабатывается сигнал низкого напряжения. В отведенном положении электрода 14 относительно сопла 16 должно быть обнаружено состояние разомкнутой цепи. Если состояние разомкнутой цепи, такое, как в случае короткого замыкания между электродом и соплом, не обнаружено, устройство управления выдает управляющий сигнал по линии 84 в схему защиты 72, по которому последняя размыкает выключатель 70, препятствуя, таким образом, дальнейшей эксплуатации горелки до тех пор, пока не будет устранено состояние неисправности. Если обнаружено состояние разомкнутой цепи, устройство управления 74 выдает управляющий сигнал по линии 86 в блок 76 формирования усилия, по которому последний срабатывает, перемещая электрод 14 вниз из положения, показанного на фиг. 2, в положение контакта с соплом 16. Затем источник электропитания 66 обнаруживает состояние замкнутой цепи и передает сигнал, соответствующий обнаруженному состоянию цепи, в устройство управления 74 по линии 82. Если состояние замкнутой цепи не обнаружено, как в случае наслоения оксидов на электроде и/или сопле, устройство управления 74 выдает выходной сигнал по линии 84 в схему защиты 72, по которому выключатель 70 размыкается, препятствуя дальнейшей эксплуатации горелки до тех пор, пока состояние неисправности не будет устранено. Если источник электропитания обнаруживает состояние замкнутой цепи, устройство управления 74 выдает управляющий сигнал по линии 80 в источник электропитания 66, разрешающий протекание тока зажигания дуги в цепи электрод-сопло, и выдает сигнал по линии 88 в блок 76 формирования усилия, по которому последний срабатывает, перемещая электрод 14 в положение отвода на рабочее расстояние, посредством чего формируется дуга, когда электрод выводится из контакта с соплом.
Хотя вышеописанная безопасная последовательность включения разрешает источнику электропитания создать вспомогательную дугу по результатам последовательного обнаружения состояния разомкнутой цепи, а затем - состояния замкнутой цепи, надо признать, как показано на фиг. 3, что последовательность контроля состояний разомкнутой и замкнутой цепи можно повторить любое количество раз в соответствии с программой микропроцессора в устройстве управления 74 для подачи напряжения дугового разряда в цепь электрод-наконечник. Предпочтительная в этом отношении последовательность включения, при которой исходным положением электрода является то, в котором электрод отведен от сопла, изображена на фиг. 3б. Как приходится признать из предшествующего описания, микропроцессор в устройстве управления 74 должен быть в этом случае запрограммирован на требование последовательного обнаружения состояний разомкнутой, замкнутой, разомкнутой и замкнутой цепи перед выдачей разрешения на зажигание дуги.
В дополнение к вариантам контроля на безопасность с вышеуказанными последовательностями включения, которые описаны в связи с исходным положением электрода, в котором электрод отведен от сопла, на фиг. 3в показан контроль на безопасность с последовательностью включения, при которой исходным положением электрода является положение его контакта с наконечником. В этом случае микропроцессор устройства управления 74 должен быть запрограммирован на управление зажиганием дуги в ответ на последовательное обнаружение источником электропитания некоторого количества состояний разомкнутой и замкнутой цепи, а предпочтительно, как показано на фиг. 3в, по крайней мере последовательности состояний замкнутой, разомкнутой и замкнутой цепи. Как упоминалось выше и как будет далее очевидно из фиг. 3C, предсварочный поток газа, используемого при формировании дуги, необязателен, поскольку есть момент, когда предсварочный поток инициируется, который, как показано на фиг. 3, является моментом, когда электрод сначала отведен из исходного положения в положение отвода его от сопла.
Варианты контроля на безопасность с последовательностями включения вышеуказанного характера выгодно оптимизируют безопасность оператора при попытке включить горелку, когда, например, сопло 16 не установлено на горелку, вследствие чего электрод открыт, а оператор может случайно замкнуть электрод на проводящую часть корпуса горелки, например, инструментом. Последовательные испытания с обнаружением состояний цепи электрод-сопло в соответствии с изобретением трудно отменить, так как это потребовало бы соблюдения специального последовательно наступающего состояния, соответствия которому пришлось бы достигать за счет действий оператора при коротком замыкании электрода. Кроме того, в соответствии с этим аспектом изобретения защита от такого дублирования оптимизируется путем предоставления для каждого из состояний разомкнутой и разомкнутой цепи заранее заданного времени их существования, как показывают времена T1, T2, T3 и T4 на фиг. 3а - 3в, и каждый временной интервал может, например, составлять около 200 миллисекунд или менее.
На фиг. 4 - 7 схематически проиллюстрированы картины перемещения различных деталей горелки для последовательностей испытаний перед включением при разных видах испытаний. На фиг. 4 - 6 показаны такие картины в связи с видами испытаний, аналогичными тем, которые показаны на фиг. 3б, 3в и 3а, а на фиг. 7 показаны такие картины в связи с еще одним видом испытаний. Хотя эти чертежи будут рассмотрены со ссылками на устройство сопло-электрод, изображенное на фиг. 1, и использование находящегося под давлением рабочего воздуха в качестве среды, обеспечивающей направленное вверх и вниз усилие перемещения электрода относительно сопла, из нижеследующего станет ясно, что другие устройства электрод-сопло в соответствии с настоящим изобретением обеспечивают различные сочетания воздуха, пружин и т.п. для получения направленных вверх и вниз усилий.
Обращаясь теперь к фиг. 4, которая, как упоминалось выше, по существу соответствует последовательности включения, описанной выше в связи с фиг. 3б, и считая отведенное положение электрода 14 на фиг. 1 исходным положением, в котором электрод удерживается за счет фрикционного контакта между уплотнениями 38, 40 и 42 и поршнем 32, обнаружим, что картина последовательности включения будет следующей. В исходном положении курок горелки не нажат и поток воздуха не течет ни по одному из каналов 44 или 48 от источника рабочего воздуха, вследствие чего направленное вниз усилие, воздействующее на головку 34 поршня, мало, а противоположное, направленное вверх усилие отсутствует. Электрод 14 отведен от сопла 16, давление воздуха, используемого при формировании дуги, отсутствует, хотя может и присутствовать, как указано выше в связи с фиг. 3б. Между электродом 14 и соплом 16 нет контакта, а ток плазмы отсутствует, так как есть вспомогательная дуга. В момент P1 нажимают курок горелки, чтобы включить схему защиты 72, а значит - и устройство управления 74 системы для испытаний, после чего должно быть обнаружено состояние разомкнутой цепи между электродом и соплом, как поясняется выше. В момент P2 после обнаружения разомкнутой цепи устройство управления 74 выдает управляющий сигнал по линии 86, по которому задействуется блок 76 формирования усилия на инициирования протекания рабочего воздуха по каналу 48 к верхней стороне головки 34 поршня, за счет чего направленное вниз усилие становится большим, и электрод 14 перемещается вниз в положение контакта с соплом 16 в момент P3. В момент P3 обнаруживается состояние замкнутой цепи и поэтому задействуется устройство управления 74 для выдачи выходного сигнала направленного вверх усилия из блока 76 формирования усилия, обеспечивая протекание находящегося под давлением рабочего воздуха по каналу 44 к нижней стороне головки 34 поршня, вследствие чего включается направленное вверх усилие и, в момент P4, устройство управления 74 также задействуется для включения давления воздуха, используемого при формировании дуги, после чего предсварочный поток воздуха, используемого при формировании дуги, поступает в горелку через впускное отверстие 50. Как пояснялось выше в связи с фиг. 1, рабочее усилие, действующее на головку 34 поршня, больше, чем усилие, действующее в направлении вниз к головке поршня, вследствие чего в момент P4 электрод остается в контакте с соплом. В момент P5 после обнаружения состояния замкнутой цепи блок 76 формирования усилия принимает управляющий сигнал от устройства управления 74 по линии 88, после чего блок формирования усилия задействует для прерывания потока находящегося под давлением рабочего воздуха через канал 48, чтобы снизить давление на верхней стороне поршневой камеры 30, после чего направленное вниз усилие, воздействующее на головку 34 поршня, становится малым, электрод 14 движется назад в отведенное положение, в момент P6, и электрод и наконечник снова соответствуют состоянию разомкнутой цепи. В этот момент будет видно, что давление воздуха, используемого при формировании дуги, и направленное вверх усилие, прикладываемое к головке 34 поршня, поддерживаются постоянными с момента P4. В момент P5, когда электрод 14 выводится из контакта с соплом 16, существует и обнаруживается состояние разомкнутой цепи, как указано выше, и, в момент P7, блок 76 формирования усилия срабатывает по управляющему сигналу от устройства управления 76 для управления протеканием находящегося под давлением воздуха по каналу 48 к верхней стороне головки 34 поршня, вследствие чего направленное вниз усилие снова становится большим, обеспечивая перемещение электрода 14 вниз в положение контакта с соплом 16 в момент P8, после чего происходит обнаружение состояния замкнутой цепи, являющегося следствием вышеуказанных действий. Если предположить, что система обнаружила надлежащую последовательность состояний разомкнутой, замкнутой, разомкнутой и замкнутой цепи в этот момент, то включается ток плазмы в момент P9 и, в момент P10 блок 76 формирования усилия срабатывает по сигналу управления от устройства управления 74, чтобы еще раз опорожнить верхний конец камеры 30, после чего направленное вниз усилие становится малым, и действует направленное вверх усилие, перемещая электрод 14 в его отведенное положение. С последним перемещением электрода 14 возбуждается вспомогательная дуга в момент P10, когда электрод 14 выводится из контакта с соплом 16.
Как упоминалось выше, на фиг. 5 изображена последовательность испытаний перед включением, по существу, соответствующая той, которая описана выше в связи с фиг. 3в, поэтому предполагается, что функциональные картины, изображенные на фиг. 5, можно будет понять, исходя из описания фиг. 3в и вышеизложенного описания фиг. 4 без описания фиг. 5 шаг за шагом. Необходимо лишь отметить, что на фиг. 5 исходным положением электрода является положение, в котором электрод контактирует с соплом. Таким образом, в случае устройства электрод-сопло, изображенного на фиг. 1, электрод 14 должен сначала находиться в контакте с соплом 16 и должен удерживаться в последнем положении за счет фрикционного контакта между уплотнениями и поршневым элементом. Далее, в момент P2, показанный на фиг. 5, блок 87 формирования усилия срабатывает по управляющему сигналу от устройства управления 74, вызывая протекание воздуха по каналу 48 к верхней стороне головки 34 поршня, вследствие чего направленное вниз или замыкающее усилие становится большим, гарантируя надлежащий электрический контакт для обнаружения исходного состояния замкнутой цепи, которое имеет место между моментами P3 и P4.
Как тоже упоминалось выше, фиг. 6, по существу, соответствует последовательности испытаний перед включением, описанной выше в связи с фиг. 3а, при которой исходным положением электрода является положение, изображенное на фиг. 1, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла. Так, за исключением картин для тока плазмы и дуги, показанные на фиг. 6, картины соответствуют рассмотренным выше в связи с фиг. 4, а различие заключается в том, что зажигание вспомогательной дуги на фиг. 6 разрешается в результате последовательного обнаружения одного состояния разомкнутой цепи, а затем - одного состояния замкнутой цепи, а именно - в момент P5. Поэтому ток дугового разряда в атмосфере плазмы на фиг. 6 включается в момент 3а, после чего происходит обнаружение замкнутой цепи в момент P3, и дуга возбуждается в момент P5, а не в момент P10, как на фиг. 4.
Картины последовательности включения, изображенные на фиг. 7, аналогичны тем, которые изображены на фиг. 7, за исключением картин тока плазмы и дуги. Картины, изображенные на фиг. 7, соответствуют горелке, такой, как показанная на фиг. 1, в которой исходным положением электрода является то положение, в котором электрод контактирует с соплом, вследствие чего, как показано на фиг. 5, исходное состояние цепи электрод-сопло разомкнутое. На фиг. 7 формирование вспомогательной дуги разрешено, если обнаружено состояние замкнутой цепи при контакте электрода с соплом в исходном положении электрода, и поэтому ток дугового разряда в атмосфере плазмы включается в момент P1A, разрешая формирование дуги в момент P5, когда электрод отводится из контакта с соплом.
Кроме того, в связи с картинами, изображенными на фиг. 4 - 7, следует признать, что точное время включения потока газа, используемого при формировании дуги, не критично, при условии, что протекание происходит некоторое время, когда курок горелки нажат, а электрод выведен из контакта с соплом в момент последовательности действий, когда должно иметь место формирование вспомогательной дуги.
Помимо этого, в связи с картинами, изображенными на фиг. 4 - 7, и в соответствии с еще одним аспектом изобретения следует признавать, что очистка области контакта между электродом и соплом в соответствии с изобретением полезна во время вышеописанных испытаний на безопасность перед включением. Отметим более конкретно в этом отношении, что каждый раз, когда электрод контактирует с соплом, большое направленное вниз усилие разрушает оксидное наслоение на электроде и/или сопле. Кроме того, как описано выше и станет более очевидным из нижеследующего, направленное вниз усилие, приложенное к электроду, может быть в несколько раз больше, чем усилие, имеющееся в соответствии с известными устройствами, оптимизируя таким образом способность к очистке. Как следует признать по результатам этих испытания на безопасность, при которых электрод вводится в контакт и выводится из контакта с соплом более одного раза, каждое такое перемещение улучшает операцию очистки. Как дополнительно следует признать, исходя из приведенного описания, способность к избирательной подаче предсварочного потока газа, используемого при формировании дуги, при проведении процедур испытаний дополнительно улучшает операцию очистки за счет продувки измельченных части оксидов из камеры вспомогательной дуги. В то же время следует признать, что очистку области контакта между электродом и соплом можно осуществить путем ввода в контакт и вывода из контакта электрода и сопла за счет их относительного перемещения, с приложением усилия сочленения контакта между ними, способствующего очистке, но независимо от процедуры испытаний. В этой связи можно, например, вводить электрод в контакт с соплом и выводить его из этого контакта много раз перед началом процедуры испытаний, гарантируя, таким образом, надлежащий электрический контакт между электродом и соплом в процессе последующих испытаний. И еще, в связи с процессами испытаний и очистки, отметим, что, если последовательность включения при испытаниях нарушена из-за того, что не обнаружено состояние замкнутой цепи при положении электрода в контакте с соплом и при наличии сопла на корпусе горелки, операцию очистки можно проводить, вводя электрод в контакт с соплом и выводя его из этого контакта много раз перед началом последующего контроля на безопасность последовательности включения. Все эти возможности выгодно способствуют минимизации времени цикла между последовательными включениями горелки и времени технического обслуживания, которое в противном случае потребовалось бы на разборку, очистку и сборку элементов сопла и электрода.
Еще одно устройство электрода и сопла, с помощью которой можно достичь вышеуказанных преимуществ и обеспечить вышеуказанные возможности, изображена на фиг. 8. В этом конкретном варианте воплощения корпус 100 горелки служит опорой кольцевому элементу 102 из изолирующего материала, который образует поршневую камеру, имеющую верхнюю часть 104 и нижнюю часть 106 уменьшенного диаметра по отношению к части 104. Поршневая камера с возможностью возвратно-поступательного движения поддерживает поршень, имеющий головку 108 в части 104 камеры и шток 110 в части 106 камеры. Головка 108 поршня несет уплотнительные кольца 112 и 114 соответственно, с помощью которых поршень уплотняется относительно поршневой камеры. Верхний конец части 104 камеры закрыт торцевой стенкой 116, а поршень обычно отклонен в положение, показанное на фиг. 8, пружиной растяжения 120, расположенной между верхним концом головки 108 поршня и стенкой 116. На нижнем конце штока 110 установлен электрод 122 для возвратно-поступательного перемещения вместе с поршнем, а корпусная часть 100 горелки поддерживает с возможностью снятия сопла 124, имеющего сквозное отверстие 126 для выпуска плазмы. Предусмотрена подача воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 128 вспомогательной дуги от не показанного источника находящегося под давлением воздуха по трубопроводу 130, каналу 132, предусмотренному в корпусной части 100, и через радиальные отверстия 114, предусмотренные в нижнем конце цилиндрического элемента 102. Предусмотрен избирательный ввод находящегося под давлением рабочего воздуха в верхнюю часть 104 камеры над поршнем по каналу 136 в торцевой стенке 116 и по подводящему трубопроводу 138, соединенному с подводящим трубопроводом 130 воздуха, используемого при формировании дуги, имеющему расположенный внутри него клапан 140 управления рабочим воздухом. Клапан 140 имеет отключенное положение, показанное на фиг. 8, при котором часть 104 камеры над головкой 108 поршня опорожняется в атмосферу по трубопроводу 142, и включенное положение, при котором золотник клапана смещен влево на фиг. 8, чтобы обеспечить соединение пересекающего его трубопровода 138 и блокировать вытекание в атмосферу по трубопроводу 142. Клапан 140 может быть пневматически переводимым из его отключенного положения в его включенное положение и включает в себя рабочую часть 144 для этой цели, кроме того, клапан отклоняется в его отключенное положение пружиной 146. Часть 14 камеры ниже головки 108 поршня опорожняется в атмосферу через отверстия 148. Предусмотрено соединение электрода и сопла с источником тока дугового разряда, как схематически показано линиями 150 и 152 соответственно.
Как следует признать, исходя из фиг. 8 и вышеизложенного описания, исходным положением электрода 122 относительно сопла 124 является положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от наконечника и которое обеспечивается отклонением, создаваемым пружиной растяжения 120. Рабочее усилие для перемещения электрода 122 вниз в положение контакта с соплом 124 создается находящимся под давлением воздухом, текущим по трубопроводу 138 через клапан 140 и впускной канал 136 к верхней стороне головки 108 поршня. В частности, отметим в этой связи, что, когда воздух, используемый при формировании дуги, подается в камеру 128 вспомогательной дуги по подводящему трубопроводу 130, клапан 140 можно избирательно смещать влево на фиг. 8 с тем, чтобы часть воздуха, используемого при формировании дуги, протекала по трубопроводу 138 во впускной канал 136 и к верхней стороне части 104 камеры, воздействуя на головку 108 поршня. Как следует признать, исходя из фиг. 8, поверхность реакции головки 108 поршня, определяемая его верхней поверхностью 108A, имеет площадь, значительно большую, чем площадь нижней стороны 110A штока 110, на которую может воздействовать поступающий по каналу 134 газ, используемый при формировании дуги, вследствие чего поршневой элемент, а значит, и электрод 122 быстро перемещаются вниз, обеспечивая удар электрода о сопло 124 и приложение к ним замыкающего усилия, в несколько раз большего, чем усилие возврата, создаваемое пружиной 120 и реакцией, оказываемой воздухом, используемым при формировании дуги, на поверхность 110A. Таким образом, при относительно малом давлении газа, используемого при формировании дуги, можно приложить замыкающее усилие значительной величины к устройству, показанному на фиг. 8. Более того, хотя это устройство выгодно способствует получению такого большого замыкающего усилия с помощью давления источника воздуха, используемого при формировании дуги, в целях достижения желаемого результата, следует признавать, что рабочую текучую среду для перемещения головки поршня, а значит, к электроду 122 в положение контакта с соплом 124 можно подавать из источника, отличного от источника воздуха, используемого при формировании дуги. В любом случае следует признать, что клапан 140 можно циклически смещать из одного его положения в другое, чтобы последовательно вводить электрод 122 в контакт с соплом 124 и выводить его из этого контакта в целях очистки и/или в связи с последовательными испытаниями перед включением, как указано выше. Преимущественно, газ, используемый при формировании дуги, подаваемый в область электрода/сопла по подводящему трубопроводу 130, не предназначен для отклонения электрода 122 в одно из его рабочих положений, и любое отклонение электрода в направлении его движения от сопла легко преодолевается замыкающим усилием, создаваемым газом, используемым при формировании дуги и действующим на поверхность 108A поршня. Последнее с выгодой обеспечивает повторное включение горелки в случае непосредственного гашения дуги при эксплуатации горелки. В этой связи, после такого гашения и без прерывания протекания тока дугового разряда в цепи электрод/сопло клапан 140 можно смесить влево на фиг. 8, чтобы обеспечить протекание воздуха, используемого при формировании дуги, по трубопроводу 138 в верхний конец 104 камеры для перемещения головки 108 поршня, а значит, и электрода 122 вниз для ввода электрода в контакт с соплом 124, после чего клапан 140 отпускается для возраста в положение, показанное на фиг. 8, после чего электрод 122 выводится из контакта с соплом 124, так что формируется вспомогательная дуга для повторного включения горелки.
На фиг. 9 изображено еще одно устройство электрода и сопла, соответствующее настоящему изобретению. В этом конкретном варианте воплощения электрод 154 прикреплен к нижней стороне поршня 156, поддерживаемого с возможностью возвратно-поступательного перемещения цилиндрическим элементом 158 из изолирующего материала, к которому прикреплено сопло 160. Верхняя торцевая стенка 162 элемента 158 снабжена отверстием для размещения в нем с возможностью скольжения прикладывающего усилие элемента 164, имеющего нижний конец 166, который не прикреплен к поршню 156 и, соответственно, приспособлен к перемещению относительно него. В основном, поршень 156 и электрод 154 плавают относительно элемента 158 и сопла 160, поскольку поршень и электрод сначала не испытывают отклонения чем-либо иным, кроме пренебрежительно малого веса прикладывающего усилие элемента 164. В этом конкретном варианте воплощения исходным положением электрода 154 является положение, в котором электрод контактирует с соплом 160, показанное на фиг. 9, и электрод приспособлен к перемещению из своего исходного положения в положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла 160 под воздействием давления находящегося под давлением воздуха, используемого при формировании дуги, подаваемого из источника 160 этого воздуха. Далее, как станет очевидно из нижеследующего, прикладывающий усилие элемент 164 приспособлен и относительному перемещению вниз к верхней стороне поршня 156 под воздействием катушки 170, расположенной вокруг этого элемента и приспособленной к электрическому подключению и отключению с помощью схем управления, включающих устройство 172, задействуемое совместно с системой для последовательных испытаний перед включением, рассмотренной выше в связи с фиг. 2. При наличии такой системы для испытаний устройство 172 должно срабатывать по управляющему сигналу от устройства управления 74 для последовательного подключения и отключения катушки 170 совместно с испытаниями на наличие разомкнутой и замкнутой цепи во взаиморасположении электрода и наконечника. Схема управления дополнительно включают в себя триггерный переключатель 174, двухполюсный переключатель 176 и однополюсный переключатель 178, работа которой описывается ниже, и устройство 180 реле выдержки времени, последовательно соединенное с одним полюсом переключателя 176. Потоком воздуха, используемого при формировании дуги, из источника 168 в камеру 182 вспомогательной дуги управляет электромагнитный вентиль 184, который нормально закрыт, как показано на фиг. 9, а электромагнитная катушка вентиля 184 приспособлена к подключению и отключению посредством электромагнитного или релейного выключателя 186, избирательно управляемого, как указано выше, триггерным переключателем 174 и двухполюсным переключателем 176.
При работе конкретного варианта воплощения, изображенного на фиг. 9, применительно, прежде всего, к испытаниям на безопасность перед включением триггерный переключатель 174 замкнут, вследствие чего, как следует признать, исходя из фиг. 2, включаются схема защиты и устройство управления, вследствие чего устройство 172 должно срабатывать по управляющему сигналу устройства управления и обеспечивать приложение направленного вниз усилия на элементе привода 164 в процессе обнаружения состояния замкнутой цепи в исходном положении электрода. Замыкание триггерного переключателя 174 также подключает катушку выключателя 186, замыкая последний, вследствие чего катушка вентиля 184 включается с целью смещения этого вентиля после того, как находящийся под давлением воздух, используемый при формировании дуги, начинает течь из источника 168 в камеру 182 вспомогательной дуги. После контроля на наличие состояния замкнутой цепи устройство 172 срабатывает, отключая катушку 170, после чего находящийся под давлением газ, используемый при формировании дуги, в камере 182 воздействует на нижнюю сторону поршня 156, поднимая последний, а значит, и электрод 122 в его рабочее положение относительно наконечника. После контроля на наличие состояния разомкнутой цепи в последнем положении устройство 172 вновь срабатывает, подключая катушку 170, вследствие чего элемент привода 164 перемещает поршень и электрод вниз для введения электрода в контакт с соплом 160, причем такое перемещение направлено против отклонения, сообщаемого нижней стороне поршня 156 газом, используемым при формировании дуги. Кроме того, следует признать, что величина направленного вниз усилия, которое можно приложить, зависит от конструкции катушки и что направленное вниз усилие можно прикладывать быстро, чтобы обеспечить удар электрода 154 о сопло 160 с целью оптимизации разрушения любых находящихся между ними оксидов. Следует также признать, что электрод можно последовательно перемещать вышеуказанным образом между его положениями неконтакта и контакта ("разомкнутым" и "замкнутым" положениями) относительно сопла 160 любое количество раз, с формированием вспомогательной дуги в ответ на окончательное перемещение электрода из положения контакта с соплом. Если дуга непреднамеренно погашена при эксплуатации горелки, переключатель 178 может быть замкнут, независимо от прерывания тока дугового разряда или подачи газа, используемого при формировании дуги, с целью подключения катушки 170, чтобы элемент привода 164 мог перемещать электрод вниз в его положение контакта с соплом 160, после чего горелка повторно включается, когда переключатель 178 размыкается и электрод выводится из контакта с соплом с помощью газа, используемого при формировании дуги, действующего на нижнюю сторону поршня 156.
Переключатель 176 и устройство 180 выдержки времени задействуются для проведения операции очистки электрода и сопла независимо от работы горелки, чтобы осуществить контроль на безопасность последовательности включения. Поскольку очистку области электрод-сопло можно осуществить одновременно с таким контролем на безопасность, следует признать, что схема, включающая в себя переключатель 176 и устройство 180 выдержки времени, необязательна. Чтобы провести операцию очистки при наличии последней схеме, переключатель 176 приспособлен к замыканию независимо от триггерного переключателя 174, чтобы замыкатель выключатель 186 и, таким образом, открывать вентиль 184 для протекания воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру вспомогательной дуги и замыкать цепь, ведущую к устройству 180 выдержки времени, которое включено последовательно с электромагнитной катушкой 170 устройства приложения усилия. При замкнутом положении переключателя 176 устройство 180 выдержки времени задействуется для осуществления с некоторыми интервалами подключения и отключения катушки 170, чтобы обеспечить быстрое перемещение электрода 154 для ввода его в контакт о соплом 160 и вывода его из этого контакта. Следует признать, что устройство выдержки времени можно сконструировать так, чтобы обеспечить значительное количество перемещений за относительно короткий период времени и осуществить за счет этого повторяющееся соударение электрода с сопло, чтобы способствовать очистке от наслоенных между ними оксидов.
На фиг. 10 изображена горелка для плазменно-дуговой обработки, соответствующая изобретению, в которое относительное перемещение электрода и сопла осуществляется за счет работы блока электромагнитного привода. В частности, отметим в этой связи, что корпусной элемент горелки, содержащий цилиндрическую верхнюю часть 188 и суженную цилиндрическую нижнюю часть 190, служит опорой узлу шасси соленоида и направляющей электрода, содержащему шасси 192 соленоида и направляющую 194 электрода. Нижний конец шасси 192 покоится на кольцевом выступе между верхней и нижней частями 188 и 190 корпусного элемента, а верхний конец направляющей 194 электрода фрикционно и клинообразно сцеплен с нижним концом поддерживающего элемента соленоида. Нижний конец направляющей 194 электрода простирается несколько ниже нижнего конца 190 корпуса горелки, а сопло 196, имеющее сквозное отверстие 198 для выпуска плазмы, установлено с возможностью демонтажа на корпусной части 190 с помощью установочной гильзы 200, которая с зажимом сцеплена с нижним концом сопла у нижнего конца направляющей сопла.
Блок соленоида 202 опирается в корпусе горелки на верхний конец поддерживающего элемента 192 соленоида и соосен с наконечником горелки. Блок соленоида 202 включает в себя простирающийся вниз плунжер 204, выполненный с возможностью осевого перемещения вниз относительно блока соленоида после подключения катушки соленоида, и с возможностью, после отключения катушки, перемещения кверху блока соленоида, например, с помощью отклоняющей пружины, которая не показана. Электрододержатель 206 имеет верхний конец, прикрепленный к плунжеру 204 для перемещения вместе с ним, и снабжен на своем нижнем конце электродом 208, должными образом установленным на нем для перемещения вместе с ним. Блок соленоида приспособлен к поперечному соединению с подходящим источником электропитания электрода посредством выключателя 210, имеющего разомкнутое и замкнутое положения, соответствующие отключению и подключению катушки соленоида. Нижняя часть 190 корпусного элемента горелки снабжена впускным отверстием 212, приспособленным для сообщения с не показанным источником находящегося под давлением воздуха, используемого при формировании дуги, а нижний конец направляющей 194 электрода снабжен радиальными отверстиями 214 в простирающейся в осевом направлении периферийный канал 216, по которому воздух, используемый при формировании дуги, втекающей через впускное отверстие 212, течет в камеру 218 вспомогательной дуги.
В этом конкретном варианте воплощения исходным положением электрода 208 является положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от наконечника 196, и, как следует признать, исходя из вышеизложенного описания, электрод 208 отклоняется в последнее положение пружиной в блоке соленоида 202. Точно также следует признать, что переключатель 210 переходит из открытого положения в закрытое положение, показанное на фиг. 10, для подключения катушки соленоида и перемещения плунжера 204, а значит, и электрода 208 вниз для контакта последнего с соплом 196. Кроме того, следует признать, что направленное вниз усилие контакта электрода 208 с соплом 196 является заранее заданным усилием, которое может иметь значительную величину, в зависимости от параметров конструкции блока соленоида 202, вместе с которым, как можно заметить, электрод перемещается в положение контакта с соплом 196, чтобы получить ударное усилие, воздействующее на них и создающее усилие контакта, способствующее разрушению оксида в области контакта между электродом и соплом. В связи с формированием вспомогательной дуги между электродом и соплом, последние элементы приспособлены к соединению с источником тока дугового разряда проводами 220 и 222, а исходя из вышеизложенного описания, следует признать, что электрод 208 выполнен с возможностью перемещения между двумя его положениями относительно сопла 196 без необходимости прерывания подачи энергии тока дугового разряда или потока газа, используемого при формировании дуги, в горелку. Поэтому, как ясно из вышеизложенного описания, если дуга непреднамеренно погашена в процессе эксплуатации горелки, выключатель 210 можно замкнуть, чтобы подключить блок соленоида 202 с целью перемещения электрода 208 вниз в положение контакта с соплом 196. Затем выключатель 210 размыкается, и формируется вспомогательная дуга, а горелка включается повторно, когда электрод 208 движется вверх из положения контакта с соплом 196 в свое рабочее положение относительно него. И еще, как следует признать, исходя из приведенного описания вышеуказанных конкретных вариантов воплощения, горелку, изображенную на фиг. 10, можно эксплуатировать совместно с системой испытаний перед включением, такой, как изображенная на фиг. 2, а область контакта между электродом и соплом можно очищать либо в процессе работы, либо посредством работы составных частей конструкции, независимо от контроля на безопасность при включении.
Обращаясь теперь к фиг. 11, отметим, что здесь изображена горелка, по существу аналогичная во многих аспектах горелке, изображенной на фиг. 10, вследствие чего соответствующие детали обозначены на фиг. 11 теми же позициями, что и на фиг. 10. В этом конкретном варианте воплощения исходным положением электрода 208 является положение, в котором электрод контактирует с соплом 196, как показано на фиг. 11. Верхний конец электрододержателя 206 видоизменен за счет оснащения его поршнем 224, а между шасси 192 соленоида и поршнем 224 введена пружина сжатия 226 для приложения направленного вниз усилия к электрододержателю, посредством которой электрод 208 отклоняется в положение контакта с соплом 196 с усилием заранее заданной величины, соответствующим пружины 226. Далее, в соответствии с этим конкретным вариантом воплощения электрододержатель 206, а значит, и электрод 208 приспособлены к перемещению вверх из положения, изображенного на фиг. 11, в положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла 196 воздухом, находящимся под давлением и действующим на нижнюю сторону поршня 224 в расположенной ниже камере 228. Рабочий воздух для такого перемещения поршня 224 приспособлен к подаче в кольцевую камеру 230, предусмотренную на верхнем конце шасси 192 соленоида, а верхняя часть 188 корпуса горелки снабжена впускным отверстием 232 для сообщения камеры 230 с непоказанным источником находящегося под давлением воздуха. С целью, которая станет очевидной из нижеследующего, шасси 192 соленоида снабжена радиальными отверстиями 234, обеспечивающими сообщение камеры 230 с клапанной камерой 236, и радиальными отверстиями 238, обеспечивающими сообщение клапанной камеры 236 с простирающимися в осевом направлении каналами 240, ведущими к радиальным отверстиям 242, открывающимся в поршневую камеру 228. Потоком рабочего воздуха, поступающего в камеру 230 из впускного отверстия 232, управляет клапан 244, установленный на плунжере 204 соленоида для перемещения совместно с ним и имеющий окружную канавку 246 на своей наружной поверхности.
Клапан 244 приспособлен к перемещению плунжером 204 в положение, изображенное на фиг. 11, когда выключатель 210 замкнут для подключения катушки соленоида, и в этом положении верхний конец закрывает радиально внутренние концы отверстий 234. Когда выключатель 210 разомкнут для отключения катушки соленоида, пружина сжатия 248 отклоняет клапан 244 вверх из положения, показанного на фиг. 11, в положение, в котором канавка 246 обеспечивает сообщение между радиальными отверстиями 234 и 238 и в котором находящийся под действием рабочий воздух может вытекать из выпускного канала 232 и попадать в камеру 228 ниже поршня 224, после чего последний перемещается вверх, выводя электрод 208 из контакта с соплом 196. Таким образом, следует признать, что блок соленоида 202 отключается при эксплуатации горелки, в процессе которой находящийся под давлением рабочий воздух поддерживает поршень 224, а значит, и электрод 208 в рабочем положении электрода. Ввиду относительно большой площади поверхности нижней стороны поршня 224 усилие пружины 226 может быть значительно больше, чем возможное до сих пор в известных устройствах, где пружину приходится отпускать для приложения усилия сочленения контакта между электродом и соплом. Таким образом, обеспечиваются очистка области электрод-сопло и надлежащий электрический контакт.
Источник находящегося под давлением рабочего воздуха может быть отделен от источника воздуха, используемого при формировании дуги, подаваемого через впускное отверстие 212 для поступления в камеру вспомогательной дуги, или может сообщаться с источником воздуха, используемого при формировании дуги. В любом случае следует признать, что электрод 208 можно последовательно перемещать между исходным и рабочим положениями относительно сопла 196 путем последовательного перемещения клапана 244 между его двумя положениями с целью разрешения и блокировки притока рабочего воздуха в поршневую камеру 228. Кроме того, следует признать, что такое последовательное перемещение электрода между его положениями можно осуществить без необходимости прерывания потока газа, используемого при формировании дуги, в горелку и без прерывания протекания тока дугового разряда, вследствие чего, в случае непреднамеренного гашения дуги при эксплуатации горелки, выключатель 210 можно замкнуть для подключения катушки блока соленоида 202 с целью смещения клапана 244 в положение, изображенное на фиг. 11, с блокировкой притока воздуха в поршневую камеру 228, после чего пружина 226 отклоняет электрод 208 вниз в положение контакта с соплом 196. Последующее размыкание выключателя 210 для отключения катушки блока 202 приведено к перемещению клапана 244 вверх из положения, изображенного на фиг. 11, для обеспечения сообщения источника рабочего воздуха с поршневой камерой 228 и введения за счет этого электрода 208 в контакт с соплом 196, позволяющий сформировать вспомогательную дугу, а это значит, что при таком перемещении вверх можно повторно включить горелку. И еще, как следует признать, исходя из вышеизложенного описания, последовательное перемещение электрода 208 между его исходным и рабочим положениями относительно сопла 196 осуществляется для обеспечения очистки области контакта между соплом и электродом и обеспечивает задействование устройства электрода и сопла совместно с системой испытаний перед включением, описанной здесь, для гарантии предотвращения включения горелки до того, как это станет безопасным.
На фиг. 12 изображено еще одно устройство электрод-сопло, соответствующее настоящему изобретению, в котором электрод 250 прикреплен к нижней стороне поршня 252, который установлен с возможностью вертикального перемещения в цилиндрическом опорном элементе 254 корпуса горелки. Сопло 256, имеющее отверстие 258 для выпуска плазмы, установлено на нижней стороне элемента 254, а последний снабжен радиальными впускными отверстиями 260 для подачи воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262 вспомогательной дуги из непоказанного соответствующего источника воздуха, находящегося под давлением, используемого при формировании дуги. Исходным положением электрода 250 является положение, в котором электрод контактирует с соплом 256, как показано на фиг. 12, а электрод отклоняется в исходное положение усилием Fs пружины 264, приложенным к верхней стороне поршня. Электрод 250 приспособлен к перемещению вверх из своего исходного положения в положение, в котором электрод отведен на рабочее расстояние от сопла 196 направленным вверх усилием F4, которое равно усилию FA2, созданному находящимся под давлением воздухом, используемым при формировании дуги, действующим на область реакции A2 на нижней стороне поршня 252. Такое перемещение вверх направлено против усилия пружины 264, а находящийся под давлением рабочий воздух, действующий на область реакции A1 на верхней стороне поршня 252, приспособлен к созданию усилия FA1, которое дополняет усилие пружины 264 для приложения заранее заданного направленного вниз усилия FD, прикладываемого к поршневому элементу по причинам, указываемым ниже. В этом конкретном варианте воплощения область реакции A1 для верхней поверхности поршня 252 в случае такого находящегося под давлением рабочего воздуха ограничена сильфоном 266, который преимущественно предохраняет от утечки рабочего воздуха при условии, что направленное вниз перемещающее усилие независимо от любого усилия, необходимого для преодоления фрикционного уплотняющего сцепления между поршневым элементом и цилиндрическим элементом 254. Устройство в этом конкретном варианте воплощения выгодно способствует приложению заранее заданного направленного вниз усилия FD к поршню 252, что позволяет последнему перемещаться вниз из своего рабочего положения в свое положение контакта с соплом 256 без необходимости прерывания потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру 262. Предпочтительно, такое направленное вниз усилие FD определяется усилием FS пружины 264, а усилие FA2, создаваемое давлением рабочего воздуха, действующим на область A1 верхней поверхности поршня 252 внутри сильфона 266 по крайней мере в полтора раза больше, чем направленное вверх усилие F4, которым является усилие FA2, создаваемое давлением воздуха, используемого при формировании дуги, действующим на поверхность реакции A2 на нижней стороне поршня 252.
Исходя из фиг. 12 и вышеизложенного описания, следует признать, что сумма усилий FS и FA1 обеспечивает наличие заранее заданного усилия FD, предназначенного для обеспечения контакта электрода 252 с соплом 256 и направленного против направленного вверх или "размыкающего" усилия FU, создаваемого усилием FA2. Чтобы находящийся под давлением воздух, используемый при формировании дуги, мог перемещать поршень 252 вверх из положения, изображенного на фиг. 12, в рабочее положение электрода, связанное с формированием вспомогательной дуги, усилие FA2 должно быть больше, чем усилие FS пружины. Аналогично, чтобы усилие FD могло обеспечить перемещение электрода обратно в положение контакта с соплом 256 без прерывания притока воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262, сумма усилий FA1 и FS должна быть больше, чем направленное вверх усилие FA2. Как упоминалось выше, предпочтительно, чтобы сумма усилий FA1 и FS была по крайней мере в 1,5 раза больше, чем FA2. Это соотношение достигается в примере, приведенном на фиг. 12, в котором усилие пружины FS имеет значение 1, FA1 имеет значение 5, а FA2 имеет значение 3. В этом примере желаемое соотношением - 6 к 3, вследствие чего направленное вверх усилие FD вдвое больше направленного вверх усилия FU.
На фиг. 13 изображен график картины усилий, показывающий, как используется усилие FA1 в связи с включением и повторным включением горелки, а также отображающий выбор времени или момента, когда инициируется приток воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262. Если составляющие детали находятся в положении, изображенном на фиг. 12, электрод 250 отклоняется вниз усилием FS пружины, и перед операцией включения горелки, например путем нажатия курка горелки, находящийся под давлением рабочий воздух не подается в сильфон 266. Поэтому, обращаясь к нарисованной линии FA1, замечаем, что до включения горелки усилие FA1 равно нулю. Включение горелки инициируется в момент P1, и в этот момент находящийся под давлением рабочий воздух подается в сильфон 266, вследствие чего усилие FA1 прикладывается к поршню 252 вместе с усилием FS пружины, чтобы обеспечить приложением заранее заданного направленного вниз усилия к электроду 250, как показано стрелкой 268. Это направленное вниз усилие вводит электрод 250 в контакт с соплом 256, а усилие сочленения контакта обеспечивает выполнение функции очистки, как указано выше, а также способствует надлежащему электрическому контакту между электродом и соплом.
Как показано нарисованными линиями FA2 в примере 1 и примере 2 на фиг. 13, протекание воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262 может либо предшествовать процедуре включения горелки, либо следовать за ней в момент P1. Как следует признать, исходя из приведенного здесь описания различных усилий, усилие FA2 меньше, чем направленное вниз усилие FD, вследствие чего в примере 1 направленное вниз усилие будет преодолевать направленное вверх усилие, вводя электрод 250 в контакт с соплом 256. В примере 2 протекание воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262 после приложения направленного вниз усилия FD не окажет влияние на перемещение электрода 250 верх.
В момент P2 находящийся под давлением рабочий воздух в сильфоне 266 выпускается из него, вследствие чего усилие FA1 падает до нуля, а усилие FA2, создаваемое находящимся под давлением воздухом, используемым при формировании дуги, в камере 262 задействует для перемещения поршня 252, а значит, и электрода 250 вверх из положения контакта с соплом 256, как показано стрелкой 270. В предложении, что электрод и сопло соединены с источником тока дугового разряда, получим, что вспомогательная дуга возникает, когда электрод выводится из контакта с соплом, если после этого вспомогательная дуга будет непреднамеренно погашена при эксплуатации горелки, то, исходя из вышеизложенного описания, следует признать, что можно подавать находящийся под давлением рабочий воздух в сильфон 266 без прерывания притока воздуха, используемого при формировании дуги, в камеру 262 или без отключения источника тока дугового разряда. Так, например, в момент P3 находящийся под давлением рабочий воздух поступает в сильфон 266, после чего усилие FA1 возрастает до своего заранее заданного значения, и электрод 250 перемещается вниз в подложке контакта с соплом 256. В момент P4 рабочий воздух в сильфоне 266 выпускается из него, после чего усилие FA1 снова падает до нуля, газ, используемый при формировании дуги, в камере 262 перемещает электрод 250 вверх из положения контакта с соплом 256, а между электродом и соплом формируется вспомогательная дуга для повторного включения горелки. Как и в приведенных здесь предшествующих конкретных вариантах воплощения, следует признать, что электрод 250 можно последовательно перемещать между его исходным положением и его рабочим положением относительно сопла 256 любое количество раз при одновременном проведении операции очистки и/или контроля на безопасность при включении.
Предполагается, что улучшенные рабочие характеристики и преимущества, достигаемые за счет относительного перемещения электрода и наконечника горелки для плазменно-дуговой обработки в соответствии с настоящим изобретение, станут более понятными из нижеследующего описания известного устройства, изображенного на фиг. 14. Горелка для плазменно-дуговой обработки содержит в основном цилиндрический корпусной элемент 272, электрод 274 и сопло 276, имеющее сквозное отверстие 278 для выпуска плазмы. Электрод 276 включает в себя поршневой элемент 280, расположенный с возможностью скольжения в осевом направлении в цилиндрической камере 282 в корпусном элементе 272, и электрод отклоняется вниз в свое исходное положение контакта с соплом 276 посредством пружины сжатия 284. Находящийся под давлением газ, используемый при формировании дуги, приспособлен к протеканию через канал 286 и радиальные отверстия 288 в камеру 290 вспомогательной дуги, а впускной конец канала 286 сообщается с источником 292 находящегося под давлением газа, используемого при формировании дуги, посредством питающего трубопровода 294, протеканием по которому управляет электромагнитный вентиль 296. Схемы управления горелкой включают в себя нормально разомкнутый триггерный переключатель 298, который управляет нормально разомкнутым релейным переключателем 300. Переключатель 300 включает в себя контакт 302 для размыкания и замыкания электрической цепи в катушке электромагнитного вентиля 296 и контакт 304 для размыкания и замыкания цепи подачи тока дугового разряда между электродом 274 и соплом 276.
При эксплуатации триггерный переключатель 298 замкнут, вследствие чего релейный переключатель 300 задействуется для замыкания цепей катушки вентиля и подачи тока дугового разряда, после чего вентиль 296 газа, используемого при формировании дуги, открывается для протекания газа, используемого при формировании дуги, в камеру 290 вспомогательной дуги, и ток дугового разряда протекает между электродом и соплом. Находящийся под давлением газ, используемый при формировании дуги, воздействует на нижнюю сторону поршня 280, перемещая электрод 274 вверх из положения контакта с соплом 276, в направлении, противоположном отклонению, сообщаемому пружиной 284. Когда электрод 274 перемещается вверх из положения контакта с соплом 276, формируется вспомогательная дуга, а находящийся под давлением газ, используемый при формировании дуги, поддерживает электрод в его верхнем положении в процессе эксплуатации горелки. Если дуга непреднамеренно погашена при эксплуатации горелки, следует прервать и подачу газа, используемого при формировании дуги, и подачу тока дугового разряда, чтобы повторно включить горелку. В этом отношении невозможно вернуть электрод 274 в его исходное положение контакта с соплом 276 без прерывания потока газа, используемого при формировании дуги, в камеру 290 вспомогательной дуги, и такое прерывание потока газа, используемого при формировании дуги, требует размыкания триггерного переключателя 298, а значит, и размыкания цепи тока дугового разряда. Следовательно, время цикла повторного включения горелки нежелательно увеличивается, поскольку оператор должен подождать отключения подачи воздуха, восстановления подачи электропитания и восстановления подачи воздуха перед тем, как можно будет повторно включить горелку. Кроме того, ввиду относительно малой области на нижней стороне поршня 280, пригодной для формирования "размыкающего" усилия, и ввиду того, что такое усилие ограничено давлением газа, используемого при формировании дуги, отклоняющая пружина 284 должна обладать относительно малым усилием, чтобы гарантировать надлежащее перемещение электрода в его рабочее положение, отстоящее от сопла 276, и фиксацию электрода в его рабочем положении. Соответственно, когда направленное вверх усилие снято, пружина 284 не отклоняет электрод 274 в положение контакта с соплом 276 с усилием, достаточным для того, чтобы гарантировать разрушение любых оксидных наслоений на электроде и/или сопле и гарантировать надлежащий электрический контакт между ними. Таким образом, сопло нужно часто демонтировать, а электрод и сопло нужно очищать от оксидных наслоений, чтобы гарантировать достаточный электрический контакт между электродом и соплом для обеспечения формирования возбуждающей дуги.
Хотя значительное внимание здесь было уделено проиллюстрированным и раскрытым конкретным вариантам воплощения, следует признать, что здесь можно порекомендовать другие конкретные варианты воплощения и что приведенные конкретные варианты воплощения можно модифицировать без отступления от принципов изобретения. Поэтому следует ясно представлять, что вышеизложенное следует интерпретировать именно в плане иллюстрации, а не ограничения изобретения.
Формула изобретения: 1. Горелка для плазменно-дуговой обработки, содержащая электрод и сопло, установленные с возможностью относительного перемещения из положения контакта электрода с соплом в положение, в котором создается вспомогательная дуга, когда электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, газовую камеру, образованную между электродом и соплом, в котором выполнено отверстие для выпуска плазмы, средство для обеспечения протекания газа в камеру, средство для обеспечения протекания тока дугового разряда между электродом и соплом и поршень или соленоидный плунжер для относительного перемещения электрода и сопла из одного из положений в другое, отличающаяся тем, что поршень или соленоидный плунжер присоединен к электроду и выполнен с возможностью перемещения электрода для повторного зажигания вспомогательной дуги без прерывания тока дугового разряда и/или потока газа, используемого для формирования плазменной дуги.
2. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что поршень или соленоидный плунжер установлен в корпусе с возможностью осевого перемещения относительно сопла, причем рабочая поверхность поршня, обращенная к электроду, выполнена с меньшей площадью, чем вторая рабочая поверхность.
3. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что содержит клапан, обеспечивающий подачу находящейся под давлением рабочей текучей среды ко второй рабочей поверхности.
4. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что содержит средство, отклоняющее поршень от усилия, создаваемого рабочей текучей средой.
5. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что клапан выполнен с возможностью управления находящейся под давлением рабочей текучей средой, воздействующей на рабочую поверхность поршня, обращенную к электроду, для смещения электрода в положение, в котором создается вспомогательная дуга.
6. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что корпус поршня включает в себя управляющую камеру, при этом вторая рабочая поверхность обращена к управляющей камере, а клапан выполнен с возможностью управления находящейся под давлением рабочей текучей средой для ее подачи в управляющую камеру и опорожнения камеры в атмосферу.
7. Горелка по п. 3, отличающаяся тем, что содержит пружину, создающую упругое усилие, воздействующее на поршень для смещения электрода в положение контакта с соплом, причем средство, обеспечивающее протекание газа в камеру, выполнено с возможностью управления находящегося под давлением потока газа для воздействия на рабочую поверхность, обращенную к электроду для его смещения в положение, в котором создается вспомогательная дуга, при этом клапан выполнен с возможностью управления рабочей текучей средой для воздействия на вторую рабочую поверхность для взаимодействия с пружиной для смещения электрода в положение контакта с соплом.
8. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что вторая рабочая поверхность герметично соединена со складывающейся стенкой.
9. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что средство, обеспечивающее протекание газа в камеру, выполнено с возможностью управления находящегося под давлением потока газа для воздействия на рабочую поверхность поршня для смещения электрода в положение, в котором создается вспомогательная дуга, а средство, воздействующее на вторую рабочую поверхность, обеспечивает усилие, преодолевающее усилие, создаваемое потоком газа, воздействующим на рабочую поверхность поршня, обращенную к электроду, для его смещения в положение контакта с соплом.
10. Горелка по п. 2, отличающаяся тем, что содержит пружину, воздействующую на вторую рабочую поверхность для смещения электрода в положение контакта с соплом, камера с рабочей текучей средой отделена от газовой камеры, а клапан выполнен с возможностью соединения камеры с рабочей текучей средой с источником текучей среды под давлением для воздействия на рабочую поверхность поршня, обращенную к электроду для его смещения в положение, в котором создается вспомогательная дуга.
11. Горелка по п. 10, отличающаяся тем, что содержит электроуправляемый соленоид, обеспечивающий смещение клапана из положения контакта в положение разъединения, обеспечивая пружине перемещение электрода в положение контакта с соплом.
12. Горелка по п. 11, отличающаяся тем, что соленоидный плунжер соединен с клапаном для обеспечения перемещения последнего между положениями контакта и разъединения.
13. Горелка по п. 1, отличающаяся тем, что поршень или соленоидный плунжер представляют собой соленоидный плунжер, перемещаемый соленоидом в противоположные направления для обеспечения перемещения электрода в одно из его положений, причем соленоид имеет режим отключения, в котором плунжер перемещает электрод в положение, в котором создается вспомогательная дуга, и режим подключения, в котором плунжер перемещает электрод в положение контакта с соплом.
14. Горелка для плазменно-дуговой обработки, содержащая электрод и сопло, установленные с возможностью относительного перемещения из положения контакта электрода с соплом в положение, в котором создается вспомогательная дуга, когда электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, газовую камеру, образованную между электродом и соплом и имеющую отверстие для выпуска плазмы, средство для обеспечения протекания газа в камеру и средство для создания возбуждающей дуги, когда электрод перемещен из положения контакта с соплом, отличающаяся тем, что она содержит систему управления созданием вспомогательной дуги, обеспечивающую создание напряжения между электродом и соплом, и содержащую детектор, определяющий состояние замкнутой цепи, при котором электрод находится в контакте с соплом, и электрическую цепь, обеспечивающую создание вспомогательной дуги в том случае, когда детектор определил состояние замкнутой цепи.
15. Горелка по п. 14, отличающаяся тем, что детектор выполнен с возможностью определения состояния открытой цепи, при котором электрод находится в положении, в котором создается вспомогательная дуга, и электрическая цепь обеспечивает создание возбуждающей дуги только тогда, когда детектор определит последовательность открытого и закрытого состояний цепи.
16. Горелка по п. 15, отличающаяся тем, что электрическая цепь выполнена с возможностью запрета создания возбуждающей дуги, когда детектор не определил последовательность открытого и закрытого состояний цепи.
17. Горелка по п. 15, отличающаяся тем, что электрод выполнен с возможностью удержания в каждом из его положений в течение заранее заданного периода времени.
18. Способ испытаний горелки для плазменно-дуговой обработки, перед ее включением, преимущественно для горелки, выполненной с возможностью относительного перемещения электрода и сопла из положения контакта электрода с соплом в положение формирования и вспомогательной дуги, когда электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, включающий приложение испытательного напряжения между электродом и соплом, определение состояния электрической цепи при расположении электрода в положение контакта с соплом, разрешение формирования возбуждающей дуги между электродом и соплом только при наличии замкнутой электрической цепи между электродом и соплом при установке сопла в положение контакта с электродом.
19. Способ по п. 18, отличающийся тем, что последовательно перемещают электрод относительно сопла из положения контакта с ним в положение формирования вспомогательной дуги, определяют наличие состояния разомкнутой электрической цепи между электродом и соплом при установке электрода в положение формирования вспомогательной дуги, разрешают формирование вспомогательной дуги между электродом и соплом только при наличии последовательности состояний разомкнутой и замкнутой электрической цепи при последовательной установке электрода в положение формирования вспомогательной дуги и положение контакта с соплом.
20. Способ по п. 19, отличающийся тем, что определение состояния замкнутой и разомкнутой электрических цепей осуществляют в течение заранее заданного интервала времени.
21. Способ по п. 19, отличающийся тем, что сопло образует газовую камеру, имеющую отверстие для плазмы и тем, что при формировании дуги используют подачу газа в газовую камеру.
22. Способ по п. 21, отличающийся тем, что подачу газа, используемого при формировании дуги, осуществляют до последовательного перемещения электрода и сопла.
23. Способ по п. 21, отличающийся тем, что подачу газа, используемого при формировании дуги, осуществляют одновременно с последовательным перемещением электрода и сопла.
24. Способ по п. 21, отличающийся тем, что подачу газа, используемого при формировании дуги, осуществляют после последовательного перемещения электрода и сопла.
25. Способ по п. 19, отличающийся тем, что в положении контакта прилагают заранее заданное усилие между электродом и соплом.
26. Горелка для плазменно-дуговой обработки, содержащая электрод и сопло, установленные с возможностью относительного перемещения из положения контакта электрода с соплом в положение, в котором создается вспомогательная дуга, когда электрод отведен на рабочее расстояние от сопла, газовую камеру, образованную между электродом и соплом, в котором выполнено отверстие для впуска плазмы, средство для обеспечения протекания газа в камеру, средство для обеспечения протекания тока дугового разряда между электродом и соплом, и поршень или соленоидный плунжер для относительного перемещения электрода и сопла из одного из положений в другое, отличающаяся тем, что она содержит средство избирательного формирования первого усилия для поддержания электрода и сопла в положении создания вспомогательной дуги и средство избирательного формирования второго усилия для преодоления первого усилия и относительного перемещения электрода и сопла в положение контакта с противодействием первому усилию.
27. Горелка по п. 26, отличающаяся тем, что средство относительного перемещения электрода и сопла включает в себя поршень, выполненный с возможностью перемещения в противоположных направлениях относительно сопла и имеющий противоположные стороны, причем электрод соединен с одной из противоположных сторон поршня для перемещения вместе с ним в указанных противоположных направлениях, а средство избирательного формирования второго усилия включает в себя средство для приложения второго усилия к другой из противоположных сторон поршня.
28. Горелка по п. 27, отличающаяся тем, что средство избирательного формирования первого усилия включает в себя средство для избирательной подачи находящейся под давлением рабочей текучей среды к одной из сторон поршня.
29. Горелка по п. 27, отличающаяся тем, что средство формирования первого усилия включает в себя пружину.
30. Горелка по п. 27, отличающаяся тем, что средство избирательного формирования второго усилия включает в себя камеру для поршня, причем одна из сторон поршня расположена в камере, и клапан, имеющий первое и второе положения соответственно, обеспечивающие сообщение камеры с источником находящейся под давлением текучей среды и опорожнения камеры в атмосферу.
31. Горелка по п. 27, отличающаяся тем, что средство избирательного формирования второго усилия включает в себя средство избирательной подачи находящейся под давлением рабочей текучей среды к одной из сторон поршня и пружину, прикладывающую усилие к другой стороне поршня.
32. Горелка по п. 31, отличающаяся тем, что средство избирательного формирования первого усилия включает в себя средство для обеспечения протекания газа, используемого при формировании дуги, в газовую камеру к одной из противоположных сторон поршня, причем первое усилие больше, чем усилие пружины.
33. Горелка по п. 32, отличающаяся тем, что она содержит средство формирования поверхности реакции на стороне поршня, расположенной в камере, причем площадь поверхности реакции меньше площади поверхности поршня.
34. Горелка по п. 32, отличающаяся тем, что содержит складывающуюся стенку, герметично соединенную со стороной поршня, расположенной в камере.
35. Горелка по п. 26, отличающаяся тем, что средство для обеспечения протекания газа выполнено с возможностью подачи газа к одной стороне поршня для создания первого усилия.
36. Горелка по п. 26, отличающаяся тем, что средство относительного перемещения электрода и сопла содержит электроуправляемый соленоид, включающий в себя плунжер, выполненный с возможностью перемещения в противоположных направлениях относительно сопла, причем электрод жестко соединен с плунжером, а соленоид имеет режим отключения, в котором плунжер устанавливает электрод в положение создания вспомогательной дуги, и режим подключения, в котором плунжер перемещает электрод в положение контакта с соплом, а соленоид выполнен с возможностью создания первого усилия и создания второго усилия.
37. Горелка по п. 35, отличающаяся тем, что средство для создания первого усилия обеспечивает отклонение плунжера для установки электрода в положение создания вспомогательной дуги в режиме отключения соленоида.