CH687354A5

CH687354A5 - Elettrodo per torcia per taglio al plasma e torcia atta ad utilizzare detto elettrodo.

Info

Publication number: CH687354A5
Application number: CH01923/92A
Authority: CH
Inventors: Bruno Basler
Original assignee: Rodasky Etablissement
Priority date: 1992-06-18
Filing date: 1992-06-18
Publication date: 1996-11-15
Also published as: AT404913B; ATA119393A

Description

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CH 687 354 A5

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Descrizione

L'invenzione concerne un elettrodo per torcia per taglio al plasma ed una torcia atta ad utilizzare detto elettrodo.

È noto che le torce al plasma vengono impiegate per il taglio di metallo ed utilizzano allo scopo un flusso di plasma costituito da un gas che viene portato allo stato di ionizzazione tramite un campo elettromagnetico.

Nella loro forma esecutiva standard le torce al plasma sono composte da un elettrodo frontalmente al quale è disposta una cappa provvista di un ugello. Fra l'elettrodo e la cappa viene definita una camera di ionizzazione nella quale fluisce il gas da ionizzare e nella quale fra elettrodo e cappa, tramite un sistema ad alta frequenza oppure per contatto, viene fatto scoccare un arco che ionizza il gas e genera attraverso l'ugello la fuoriuscita del getto di plasma.

Data la grande quantità di calore che durante il taglio viene prodotta è indispensabile che il raffreddamento della torcia ed in particolare dell'elettrodo e della cappa sia efficace poiché da esso dipende oltre che il buon rendimento della torcia anche e soprattutto la sua durata.

Per il raffreddamento viene generalmente impiegato il medesimo gas ionizzabile il quale prima di entrare nella camera di ionizzazione viene fatto circolare con un percorso sinuoso all'interno di camere anulari ricavate nella torcia in modo da lambire le parti che la compongono asportandone il calore.

Il gas ionizzabile, che nella maggior parte dei casi è costituito da aria, viene a tale scopo prelevato dalla tubazione di adduzione e viene convogliato nella camera di ionizzazione passando attraverso una serie di camere anulari definite tra i vari elementi tra loro accoppiati che compongono la torcia medesima.

Tale sistema di raffreddamento presenta però alcuni inconvenienti.

Un primo inconveniente è costituito dal fatto che il raffreddamento che il gas ionizzabile produce sia sull'elettrodo che sulla cappa lambendoli quando passa nella camera di ionizzazione e prima di fuoriuscire sotto forma di plasma dall'ugello, è piuttosto scarso e, come conseguenza, limita la durata dell'elettrodo e della cappa alla quale detto elettrodo è accoppiato.

Un ulteriore inconveniente è costituito dal fatto che anche il raffreddamento della torcia risulta poco efficace.

Infatti lungo il percorso sinuoso del gas ionizzabile attraverso le camere anulari della torcia, vi sono dei punti ove la circolazione è piuttosto scarsa e nei quali si vengono a creare delle sacche di aria calda che provocano in quel punto il surriscaldamento della torcia.

È evidente che questo comporta una diminuzione di efficienza del raffreddamento e conseguentemente la torcia lavora ad una temperatura media più elevata con conseguenti problemi sia per l'impugnatura e sia di durata della torcia stessa.

È nel tentativo di eliminare o per lo meno di ridurre gli inconvenienti citati che l'invenzione realizza un elettrodo per torcia per taglio al plasma ed una torcia atta ad utilizzare detto elettrodo provvisti di un sistema di raffreddamento più efficace rispetto ai sistemi di raffreddamento realizzati nelle torce per il taglio al plasma di tipo noto.

Lo scopo descritto è raggiunto mediante la realizzazione di un elettrodo per torcia per il taglio al plasma avente un corpo essenzialmente cilindrico rastremato in corrispondenza di una estremità, che in accordo con la rivendicazione principale è caratterizzato dal fatto di presentare una camera centrale comunicante con uno o più fori praticati passanti nel corpo stesso.

La torcia per il taglio al plasma atta ad impiegare l'elettrodo descritto comprende:

- un manicotto centrale collegato da un lato al corpo torcia tramite un corpo isolante ed accoppiato dal lato opposto all'elettrodo;

- una cappa provvista di un ugello, disposta frontalmente all'elettrodo dal quale risulta separata tramite un elemento distanziatore isolante che la collega al manicotto centrale;

- un conduttore tubolare disposto passante nel corpo torcia e connesso da un lato ad un gruppo esterno di alimentazione del gas ionizzabile in pressione;

- una camera di ionizzazione compresa tra la cappa e l'ettrodo, ed è caratterizzata dal fatto che il conduttore tubolare interno al corpo torcia è collegato al manicotto centrale in corrispondenza di una camera collettrice ricavata nel manicotto centrale stesso e comunicante con la camera centrale dell'elettrodo nella quale viene introdotto il gas ionizzabile addotto da detto conduttore tubolare.

Secondo una preferita forma di realizzazione i fori praticati nell'elettrodo presentano l'asse disposto sostanzialmente tangente alla sezione trasversale della camera di raffreddamento centrale realizzata nell'elettrodo in modo da indirizzare l'aria all'interno della camera di ionizzazione secondo un andamento spiraliforme discendente verso l'ugello.

Il miglioramento del raffreddamento è ottenuto in primo luogo dal miglior scambio termico che si realizza facendo attraversare direttamente l'elettrodo dal flusso di gas ionizzabile, in questo caso aria, prima della sua introduzione nella camera di ionizzazione anziché, come avviene nelle realizzazioni di tipo noto, facendolo lambire esternamente. Così facendo infatti si sostituisce al raffreddamento per convezione e irraggiamento, il raffreddamento diretto per conduzione. Inoltre il profilo interno della cappa non presenta un andamento sostanzialmente ogivale e sostanziale parallelo al profilo dell'elettrodo come si riscontra nelle realizzazioni di tipo noto ma all'interno della camera di ionizzazione vengono invece realizzate variazioni di sezione che comportano successive compressioni ed espansioni del gas ionizzabile che favoriscono il raffreddamento della torcia.

L'invenzione presenta quindi una serie di vantaggi che consistono in:

- maggior durata della torcia in generale e dell'elettrodo e della relativa cappa in particolare;

- aumento del rendimento della torcia;

- aumento della velocità di taglio;

- riduzione della tensione necessaria a far avvenire

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il taglio in confronto a torce di tipo noto atte a realizzare il taglio sui medesimi spessori.

Gli scopi ed i vantaggi descritti verranno meglio evidenziati durante la descrizione di una preferita forma di esecuzione dell'invenzione data a titolo indicativo e non limitativo e rappresentata nelle allegate tavole di disegno ove:

- in fig. 1 è rappresentato in sezione longitudinale l'elettrodo dell'invenzione;

- in fig. 2 è rappresentata in sezione longitudinale la parte terminale della torcia che impiega l'elettrodo dell'invenzione;

- in fig. 3 è rappresentato in vista dall'alto l'elettrodo di fig. 1 sezionato secondo il piano l-l;

- in fig. 4 è rappresentato il particolare dell'accoppiamento tra elettrodo e cappa della torcia di fig. 2.

Come si osserva in fig. 1 l'elettrodo dell'invenzione, complessivamente indicato con 1, viene applicato ad una torcia, complessivamente indicata con

2 c visibile in fig. 2.

Nella torcia 2 frontalmente all'elettrodo 1 e disposta una cappa 3 che delimita una camera di ionizzazione 4 nella quale avviene la ionizzazione di un gas ionizzabile compresso 7, preferibilmente aria, che viene inviato tramite un conduttore tubolare 5 passante nel corpo torcia 6 e collegato elettricamente ad un generatore di corrente (non rappresentato in figura), che serve sia per la generazione del plasma 8 di taglio e sia per il raffreddamento della torcia.

Si osserva in particolare in fig. 1 che l'elettrodo 1 presenta un corpo essenzialmente cilindrico con una camera centrale 10, visibile anche nelle fig. 2,

3 e 4, la quale comunica con una camera collettrice 11, ricavata in una manicotto centrale 12 al quale l'elettrodo 1 è collegato, la quale a sua volta riceve l'aria in pressione che fluisce con direzione 13 internamente al conduttore tubolare 5.

Coassiale esternamente al manicotto centrale 12, è disposto un anello intermedio 14 esternamente al quale è disposto coassiale un corpo isolante 15 fissato nella parte superiore al corpo torcia 6.

Esternamente al corpo isolante 15 è inoltre disposto un manicotto intermedio 16 ed esternamente a quest'ultimo infine è accoppiato un manicotto esterno 17 che risulta anch'esso fissato nella parte superiore del corpo torcia 6.

Infine, come già detto, frontalmente all'elettrodo 1 e applicata una cappa 3 provvista di un ugello 18 la quale risulta collegata al manicotto centrale 12 tramite un elemento distanziale e isolante 19 che la mantiene separata dall'elettrodo 2 in modo da creare la camera di ionizzazione 4.

Fra il manicotto centrale 12 e l'anello intermedio 14 e fra il corpo isolante 15 e il manicotto intermedio 16 sono definite due camere anulari periferiche di raffreddamento rispettivamente 20 e 21 ove la camera 20 comunica tramite il condotto 22 con la camera collettrice 11 ed ambedue comunicano nella parte inferiore con l'ambiente esterno tramite un ulteriore condotto 23 ed un condotto anulare 24 definito fra la cappa 3 ed il manicotto intermedio 16.

La maggior parte dell'aria che viene introdotta nella camera collettrice 11 giunge immediatamente nella camera centrale 10 ove, attraverso i fori 30 praticati nell'elettrodo 1, viene immessa direttamente nella camera di ionizzazione 4 mentre una parte di detta aria attraverso i condotti 22 entra nelle camere di raffreddamento periferiche 20 e 21 e quindi esce all'esterno attraverso la calotta anulare 24.

Internamente a dette camera 20 e 21 l'aria che viene introdotta svolge prima la funzione di raffreddare gli elementi della torcia e poi di raffreddare il pezzo in lavorazione quando la medesima aria attraverso il condotto anulare 24 e fuoriesce con direzione 25.

L'aria passa con direzione 33 nei fori 30 praticati nell'elettrodo 1 ed entra nella camera di ionizzazione 4, come si osserva in fig. 4, con andamento elicoidale discendente 31 poiché, come si osserva in fig. 3, i fori 30 sono disposti con l'asse 32 sostanzialmente tangente alla parete della camera di raffreddamento centrale 10 realizzata nell'elettrodo 1.

Poiché l'aria tramite i fori 30 passa attraverso il corpo dell'elettrodo 1, il raffreddamento avviene prima per contatto diretto e poi viene ulteriormente integrato durante il percorso elicoidale discendente 31 dell'aria stessa che lambisce la superficie esterna dell'elettrodo 1 ed interna della cappa 3. Si ottiene in tal modo un maggior raffreddamento della torcia soprattutto in corrispondenza dell'elettrodo 1 e della cappa 3 dove maggiore è la produzione di calore.

Si comprende che al notevole miglioramento del raffreddamento, corrisponde come conseguenza una maggior durata dell'elettrodo e della cappa.

L'azione di raffreddamento dell'aria viene ulteriormente integrata dal particolare profilo della parete interna della cappa 3 che delimita la camera di ionizzazione 4. Si osserva infatti che detto profilo è composto da una parte cilindrica 41 unita tramite un raccordo intermedio 44 ad una parte troncoconica 42 convergente verso l'ugello 18 tramite un raccordo terminale 43.

Tale profilo genera nell'aria in uscita dai fori 30 una prima espansione in corrispondenza della zona 50 immediatamente dopo i fori stessi, espansione che continua per tutta la zona 51, all'incirca fino alla fine del raccordo intermedio 44.

Successivamente all'incirca in corrispondenza dello spigolo 53 dell'elettrodo 1 si ha un restringimento della sezione che comporta una compressione dell'aria e successivamente nella zone 54 una ulteriore espansione.

Poiché è noto dalla termodinamica dei fluidi che ad ogni espansione di un gas corrisponde un raffreddamento del medesimo, si comprende che il particolare profilo della camera di ionizzazione che comporta espansioni e compressioni successive dell'aria, contribuisce ulteriormente al miglioramento del raffreddamento delia torcia.

Questo particolare profilo che genera la successione di espansioni e compressioni dell'aria prima dell'uscita attraverso l'ugello 18, comporta anche il vantaggio di modificare le condizioni fluidodinamiche dell'aria lungo il percorso elicoidale 31 e quindi di recuperare l'eventuale disomogeneità del flusso

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stesso nella camera di ionizzazione 4 dovuta per esempio ad un cattivo montaggio della calotta 3 sulla torcia oppure a qualche lieve difetto di fabbricazione. Infatti, poiché l'accensione dell'arco avviene all'incirca in corrispondenza del raccordo intermedio 44, il percorso dell'aria dall'uscita dal foro 30 fino al punto di innesco è sufficientemente lungo da consentire, tramite le espulsioni e compressioni suddette, la regolarizzazione del flusso stesso così da realizzare un getto di plasma ottimale.

Tale miglioramento del raffreddamento comporta la possibilità sia di aumentare la velocità di taglio della torcia e sia di ridurre la tensione di funzionamento e conseguentemente di impiegare potenze inferiori per il taglio dei medesimi spessori di materiale rispetto a torce di tipo analogo.

Uno dei maggiori vantaggi è costituito comunque dalla maggior durata della cappa e dell'elettrodo che consente di ridurre notevolmente i costi di saldatura. Infatti prove sperimentali hanno permesso di verificare che impiegando l'elettrodo forato si ottengono durate della cappa e dell'elettrodo anche cinque volte superiori rispetto a torce impieganti elettrodi di tipo noto.

Questo fatto fa sperare nell'estensione dell'impiego del taglio al plasma anche in settori che fino ad ora non erano stati interessati a causa degli elevati costi dovuti soprattutto all'incidenza dei ricambi delle torce.

Si è visto quindi come la torcia dell'invenzione raggiunge tutti gli scopi prefissati.

In fase di realizzazione potranno essere apportate modifiche al numero e alle dimensioni o alla posizione dei fori realizzati sull'elettrodo oppure al profilo interno della cappa delimita la camera di ionizzazione intendendo comunque che tutte dette eventuali modifiche o varianti si debbono intendere protette dalla presente invenzione.

Claims

Rivendicazioni

1. Elettrodo per torcia per il taglio al plasma, avente un corpo essenzialmente cilindrico rastremato in corrispondenza di una estremità, caratterizzato dal fatto di presentare una camera centrale (10) comunicante con uno o più fori (30) praticati passanti nel corpo stesso.

2. Elettrodo secondo la rivendicazione 1 caratterizzato dal fatto che ciascuno dei fori passanti (30) presenta l'asse (32) disposto sostanzialmente tangente alla sezione trasversale della camera centrale (10) dell'elettrodo stesso.

3. Torcia per il taglio al plasma atta ad impiegare l'elettrodo secondo la rivendicazione 1 comprendente:

- un manicotto centrale (12) collegato da un lato al corpo torcia (6) tramite un corpo ìsolante (15) ed accoppiato dal lato opposto all'elettrodo (2);

- una cappa (3), provvista di un ugello (18), disposto frontalmente all'elettrodo (1) dal quale risulta separata tramite un elemento distanziatore isolante (19)) che la collega al manicotto centrale (12);

- un conduttore tubolare (5) disposto passante nel corpo torcia (6) e connesso da un lato ad un gruppo esterno di alimentazione del gas ionizzabile in pressione;

- una camera di ionizzazione (4) compresa tra la cappa (3) e l'elettrodo (1), caratterizzata dai fatto che il conduttore tubolare (5), interno al corpo torcia (6), è collegato al manicotto centrale (12) in corrispondenza di una camera collettrice (11) ricavata nel manicotto centrale (12) stesso e comunicante con la camera centrale (10) dell'elettrodo (1) nella quale viene introdotto il gas ionizzabile (7) addotto da detto conduttore tubolare (5).

4. Torcia secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che la cappa (3) presenta il profilo della parete interna affacciata all'elettrodo (1) che delimita la camera di ionizzazione (4) composto da una parte essenzialmente cilindrica (41) che tramite un raccordo intermedio (44) è unita ad una parte sostanzialmente tronco-conica (42) convergente verso l'ugello (18) al quale si raccorda tramite un raccordo terminale (43), detto profilo definendo nella camera di ionizzazione (4) due zone (51, 54) ambedue divergenti in corrispondenza dei raccordi (44, 43) citati e comunicanti tra loro tramite una sezione convergente disposta in corrispondenza dello spigolo (53) dell'elettrodo (1).

5. Torcia secondo la rivendicazione 3 caratterizzata dal fatto che la camera collettrice (11) comunica tramite un condotto (22) praticato nel manicotto centrale (12) con una o più camere di raffreddamento periferiche (20, 21) definite tra il manicotto centrale (12) ed un manicotto esterno (17) collegato al corpo torcia (6) dove in dette camere di raffreddamento periferiche fluisce parte del gas ionizzabile (7) addotto dal conduttore tubolare (5) nella camera collettrice (11).

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