等离子体在机械工程中的应用课件

等离子体弧在机械工程中的应用武文斌教授河南工业大学机电工程学院

2011年9月等离子体弧在机械工程中的应用1非传统加工的概念非传统加工（Non-TraditionalMachining)

是指应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法，对具有特殊要求或特殊加工对象（难加工材料、形状复杂或尺寸微小件、低刚度工件等）进行加工的手段。也称特种加工。非传统加工的概念非传统加工21等离子体弧的基本知识1.1什么是等离子体？1.2等离子体弧的特点1.3等离子体弧的种类1等离子体弧的基本知识1.1什么是等离子体？3

当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用后,部分原子中的电子脱离原子核束缚成为自由电子,原子因失去电子而成为带正电的离子,这样原来中性气体就因电离而转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的宏观仍呈电中性的电离气体,这类气体称为等离子体。等离子体被认为是继固态、液态和气态三种形态之外的第四态物质即等离子态。

1.1什么是等离子体？

气体分子

中性原子

离子电子

光热根据温度不同，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的温度高达106K--108K，在太阳表面、核聚变和激光聚变中获得。低温等离子体的温度为室温到3х104K，其中热等离子体一般为稠密等离子体。当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用后,4等离子体的产生人工等离子体放电激光照射放射线真空紫外线电场电离燃烧等离子体的产生人工等离子体放电激光照射放射线真空紫外线5

利用电场作用获得等离子体利用电场作用获得等离子体6等离子体科学等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。等离子体科学是一门典型的物理、化学和材料等学科的交叉科学，它包含了电磁学、空气动力学、化学反应动力学和表面科学等分支学科。等离子体科学等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电71.2等离子体弧的特点温度高能量集中有高的导电和导热性能具有较大的冲击力比一般电弧稳定各项有关参数的调节范围广等离子体弧柱1.2等离子体弧的特点温度高能量集中等离子体弧柱81.3等离子体弧的种类[1]非转移型等离子体弧[2]转移型等离子体弧[3]联合型等离子体弧1.3等离子体弧的种类[1]非转移型等离子体弧[2]转移型9采用回旋气流法原理的喷枪采用回旋气流法原理的喷枪102等离子体弧在机械工程中应用2.1等离子体弧切割2.2等离子体弧焊接2.3金属薄板等离子体弧柔性成形2.4等离子熔射成形2.5等离子体表面改性技术2.6等离子体喷涂2.7等离子体抛光

2等离子体弧在机械工程中应用2.1等离子体弧切割112.1等离子体弧切割

等离子体弧切割的原理主要是依靠高温高速的等离子体弧及其焰流，把部分金属熔化及蒸发，并吹离基体，随着弧柱的移动而形成裂缝。由于弧柱温度高、能量集中，不管金属的熔点多高，导热性能如何好，粘滞性如何大，可以对目前的绝大部分金属进行切割，而且切削速度快、裂缝光洁、成本低。半自动仿形切割水下切割多件切割示意图2.1等离子体弧切割等离子体弧切割的原理主要是12

右图为等离子体弧切割示意图。直流电源供电，钨电极接阴极，工件接阳极，两极之间通以工作气体。由于高速流动的电子与气体原子、分子发生激烈碰撞使之电离，形成强大的等离子电弧和高速等离子流，将融化金属从割口吹除形成连续割口。2.1.1等离子体弧切割基本原理右图为等离子体弧切割示意图。直流电源供电，钨电极接13气割与等离子弧切割对比气割与等离子弧切割对比14◆高精度等离子体弧切割技术

◆电极和喷嘴寿命的提高（新材料）

◆等离子体弧切割设备的自动化、数控化（开放式，操作系统）

2.1.2等离子体弧切割技术发展现状◆等离子切割电源的发展

日本主要采用双极晶体管和IGBT,欧洲主要采用场效应晶体管。①大功率②高频率◆高精度等离子体弧切割技术◆电极和喷嘴寿命的提高（新材料）15几种厚度变化的工件几种厚度变化的工件16

如图为15mm/s速度下，8mm厚度板切割后的试件如图为15mm/s速度下，8mm厚度板切17对斜板、阶梯板进行的等离子切割情况斜板的切割质量随着板厚的变化也有所不同阶梯板的挂渣情况也较斜板严重阶梯板的热影响区宽度有明显的变化对斜板、阶梯板进行的等离子切割情况斜板的切割质量随着板厚的变18等离子弧切割实例—破口等离子弧切割实例—破口192.2等离子体弧焊接

等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。9.5mm铝板焊缝剖面图9.5mm铝板焊缝正面图2.2等离子体弧焊接等离子弧焊是在钨极氩弧焊20等离子体表面修复技术

熔覆修复宏观形貌等离子体表面修复技术熔覆修复宏观形貌21(a)

光学照片(40×)(b)

扫描电镜照片(1000×)熔覆层与基体结合面的微观形貌(a)光学照片(40×)(b)扫描电镜照片(1000×)22等离子体在机械工程中的应用课件232.2等离子体弧焊接等离子弧焊接的特点：[1]能量集中、熔深大、焊缝窄、热影响小；[2]焊件不开坡口，单面焊双西瓜形，生产率高；[3]电弧调节性能好(电弧粗细长短、刚柔、温度高低可调)，稳定，对弧长变化敏感性小，便于操作掌握；[4]焊接设备比较容易加工制造。2.2等离子体弧焊接等离子弧焊接的特点：242.3金属薄板等离子体弧柔性成形

金属薄板等离子体弧柔性成形是近三年发展起来的金属板件成形技术，其基本思想是：以等离子体弧为热源，在不借助工模具和外加压力条件下，合理控制弧柱扫描轨迹和速率，并辅以有序的冷却措施，使材料内部形成可控的温度梯度进而产生非均匀热应力场，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限时，便会在材料内部产生塑性变形，使板材成形为预期要求的形状。

等离子体弧柔性成形示意图2.3金属薄板等离子体弧柔性成形金属薄板等25水火弯板机器人水火弯板机器人26等离子体弧柔性成形设备等离子体弧柔性成形设备27(a)t=0.5208s(b)t=2.083s(c)t=8.854s(d)t=13.542s温度场的动态变化过程

(a)t=0.5208s28(a)t=1.042s(b)t=5.208s板的变形情况(a)t=1.042s29成形件展示等离子体弧成形件等离子体弧成形件成形件展示等离子体弧成形件等离子体弧成形件30成形件展示汽车门板雏形S形成形件成形件展示汽车门板雏形S形成形件31成形件展示封闭圆筒件成形不同半径的圆弧成形件展示封闭圆筒件成形不同半径的圆弧32等离子体在机械工程中的应用课件332.4等离子熔射成形等离子熔射成形示意图等离子熔射成形技术是以等离子射流为热源,在特定工艺条件下,使材料在原模表面集结成形,经被衬、脱模、强化等处理,得到具有一定功能的零件及型腔的制造方法。等离子熔射成形法制造模具工艺流程图2.4等离子熔射成形等离子熔射成形示意图等离子熔射成形技术342.4等离子熔射成形

等离子熔射成形薄壁件关键步骤图解2.4等离子熔射成形等离子熔射成形薄壁件关键步骤图解352.5等离子体表面改性技术

材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域,利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层,取代昂贵的整体合金,节约贵金属和战略材料,从而大幅度降低成本。激光束,电子束,离子束同为高密度束,由于能量密度高,穿透性强,已广泛应用于金属表面改性方面.目前等离子体表面处理因其性能优势和低廉成本，已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。2.5等离子体表面改性技术材料表面处理技术是目前36等离子体表面改性技术主要内容

1、低压（冷）等离子体表面处理技术（1）、溅射和离子镀（2）、离子注入（3）、等离子化学热处理2、热等离子体表面处理技术（1）、等离子喷涂（2）、等离子束表面淬火与合金共渗相变强化（3）、等离子束熔覆（4）、微等离子体氧化等离子体表面改性技术主要内容1、低压（冷）等离子体表面处37试样基体及未处理齿显微组织(150x)

齿与槽部分显微组织(25x)

硬化层（齿）与基体显微组织分布（50x）

硬化层（齿）显微组织（2000x）

试样基体及未处理齿显微组织(150x)齿与槽部分显微组织38等离子弧表面淬火处理后的SEM金相组织等离子弧表面淬火处理后的SEM金相组织392.6等离子体喷涂等离子喷涂是以等离子弧为热源的热喷涂，是热喷涂技术中的一种。它以氮、氩等惰性气体作为工作介质，在专用喷枪膛内设置的电场作用下，产生压缩型电弧，弧柱中气体随着电离度的提高而成为等离子体，此时往前枪体的送粉管中输送粉状材料，粉料在等离子焰流中被加热到熔融状态，并高速喷送到被涂工件表面上，形成涂层。这些涂层一般具有耐磨、耐热、抗腐蚀、抗高温氧化、隔热等特点。

等离子体弧喷枪示意图2.6等离子体喷涂等离子喷涂是以等离子弧为40等离子喷涂机器人等离子喷涂机器人41快速制造陶瓷零件技术快速制造陶瓷零件技术42纳米结构WC-12Co涂层表面形貌（SEM）微米结构WC-12Co涂层表面形貌（SEM）等离子喷涂纳米结构涂层纳米结构WC-12Co涂层表面形貌（SEM）微米结构WC-1432.7等离子体抛光抛光后所获得的表面形貌

500倍放大2.7等离子体抛光抛光后所获得的表面形貌500倍放大44

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45等离子体弧在机械工程中的应用武文斌教授河南工业大学机电工程学院

2011年9月等离子体弧在机械工程中的应用46非传统加工的概念非传统加工（Non-TraditionalMachining)

是指应用物理的（力、热、声、光、电）或化学的方法，对具有特殊要求或特殊加工对象（难加工材料、形状复杂或尺寸微小件、低刚度工件等）进行加工的手段。也称特种加工。非传统加工的概念非传统加工471等离子体弧的基本知识1.1什么是等离子体？1.2等离子体弧的特点1.3等离子体弧的种类1等离子体弧的基本知识1.1什么是等离子体？48

当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用后,部分原子中的电子脱离原子核束缚成为自由电子,原子因失去电子而成为带正电的离子,这样原来中性气体就因电离而转变成由大量自由电子、正电离子和部分中性原子组成的宏观仍呈电中性的电离气体,这类气体称为等离子体。等离子体被认为是继固态、液态和气态三种形态之外的第四态物质即等离子态。

1.1什么是等离子体？

气体分子

中性原子

离子电子

光热根据温度不同，等离子体可分为高温等离子体和低温等离子体(包括热等离子体和冷等离子体)。高温等离子体的温度高达106K--108K，在太阳表面、核聚变和激光聚变中获得。低温等离子体的温度为室温到3х104K，其中热等离子体一般为稠密等离子体。当任何不带电的普通气体在受到外界的高能激励作用后,49等离子体的产生人工等离子体放电激光照射放射线真空紫外线电场电离燃烧等离子体的产生人工等离子体放电激光照射放射线真空紫外线50

利用电场作用获得等离子体利用电场作用获得等离子体51等离子体科学等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电粒子的非凝聚系统。等离子体科学是一门典型的物理、化学和材料等学科的交叉科学，它包含了电磁学、空气动力学、化学反应动力学和表面科学等分支学科。等离子体科学等离子体是包含足够多的正负电荷数目近于相等的带电521.2等离子体弧的特点温度高能量集中有高的导电和导热性能具有较大的冲击力比一般电弧稳定各项有关参数的调节范围广等离子体弧柱1.2等离子体弧的特点温度高能量集中等离子体弧柱531.3等离子体弧的种类[1]非转移型等离子体弧[2]转移型等离子体弧[3]联合型等离子体弧1.3等离子体弧的种类[1]非转移型等离子体弧[2]转移型54采用回旋气流法原理的喷枪采用回旋气流法原理的喷枪552等离子体弧在机械工程中应用2.1等离子体弧切割2.2等离子体弧焊接2.3金属薄板等离子体弧柔性成形2.4等离子熔射成形2.5等离子体表面改性技术2.6等离子体喷涂2.7等离子体抛光

2等离子体弧在机械工程中应用2.1等离子体弧切割562.1等离子体弧切割

等离子体弧切割的原理主要是依靠高温高速的等离子体弧及其焰流，把部分金属熔化及蒸发，并吹离基体，随着弧柱的移动而形成裂缝。由于弧柱温度高、能量集中，不管金属的熔点多高，导热性能如何好，粘滞性如何大，可以对目前的绝大部分金属进行切割，而且切削速度快、裂缝光洁、成本低。半自动仿形切割水下切割多件切割示意图2.1等离子体弧切割等离子体弧切割的原理主要是57

右图为等离子体弧切割示意图。直流电源供电，钨电极接阴极，工件接阳极，两极之间通以工作气体。由于高速流动的电子与气体原子、分子发生激烈碰撞使之电离，形成强大的等离子电弧和高速等离子流，将融化金属从割口吹除形成连续割口。2.1.1等离子体弧切割基本原理右图为等离子体弧切割示意图。直流电源供电，钨电极接58气割与等离子弧切割对比气割与等离子弧切割对比59◆高精度等离子体弧切割技术

◆电极和喷嘴寿命的提高（新材料）

◆等离子体弧切割设备的自动化、数控化（开放式，操作系统）

2.1.2等离子体弧切割技术发展现状◆等离子切割电源的发展

日本主要采用双极晶体管和IGBT,欧洲主要采用场效应晶体管。①大功率②高频率◆高精度等离子体弧切割技术◆电极和喷嘴寿命的提高（新材料）60几种厚度变化的工件几种厚度变化的工件61

如图为15mm/s速度下，8mm厚度板切割后的试件如图为15mm/s速度下，8mm厚度板切62对斜板、阶梯板进行的等离子切割情况斜板的切割质量随着板厚的变化也有所不同阶梯板的挂渣情况也较斜板严重阶梯板的热影响区宽度有明显的变化对斜板、阶梯板进行的等离子切割情况斜板的切割质量随着板厚的变63等离子弧切割实例—破口等离子弧切割实例—破口642.2等离子体弧焊接

等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。9.5mm铝板焊缝剖面图9.5mm铝板焊缝正面图2.2等离子体弧焊接等离子弧焊是在钨极氩弧焊65等离子体表面修复技术

熔覆修复宏观形貌等离子体表面修复技术熔覆修复宏观形貌66(a)

光学照片(40×)(b)

扫描电镜照片(1000×)熔覆层与基体结合面的微观形貌(a)光学照片(40×)(b)扫描电镜照片(1000×)67等离子体在机械工程中的应用课件682.2等离子体弧焊接等离子弧焊接的特点：[1]能量集中、熔深大、焊缝窄、热影响小；[2]焊件不开坡口，单面焊双西瓜形，生产率高；[3]电弧调节性能好(电弧粗细长短、刚柔、温度高低可调)，稳定，对弧长变化敏感性小，便于操作掌握；[4]焊接设备比较容易加工制造。2.2等离子体弧焊接等离子弧焊接的特点：692.3金属薄板等离子体弧柔性成形

金属薄板等离子体弧柔性成形是近三年发展起来的金属板件成形技术，其基本思想是：以等离子体弧为热源，在不借助工模具和外加压力条件下，合理控制弧柱扫描轨迹和速率，并辅以有序的冷却措施，使材料内部形成可控的温度梯度进而产生非均匀热应力场，当热应力超过材料相应温度下的屈服极限时，便会在材料内部产生塑性变形，使板材成形为预期要求的形状。

等离子体弧柔性成形示意图2.3金属薄板等离子体弧柔性成形金属薄板等70水火弯板机器人水火弯板机器人71等离子体弧柔性成形设备等离子体弧柔性成形设备72(a)t=0.5208s(b)t=2.083s(c)t=8.854s(d)t=13.542s温度场的动态变化过程

(a)t=0.5208s73(a)t=1.042s(b)t=5.208s板的变形情况(a)t=1.042s74成形件展示等离子体弧成形件等离子体弧成形件成形件展示等离子体弧成形件等离子体弧成形件75成形件展示汽车门板雏形S形成形件成形件展示汽车门板雏形S形成形件76成形件展示封闭圆筒件成形不同半径的圆弧成形件展示封闭圆筒件成形不同半径的圆弧77等离子体在机械工程中的应用课件782.4等离子熔射成形等离子熔射成形示意图等离子熔射成形技术是以等离子射流为热源,在特定工艺条件下,使材料在原模表面集结成形,经被衬、脱模、强化等处理,得到具有一定功能的零件及型腔的制造方法。等离子熔射成形法制造模具工艺流程图2.4等离子熔射成形等离子熔射成形示意图等离子熔射成形技术792.4等离子熔射成形

等离子熔射成形薄壁件关键步骤图解2.4等离子熔射成形等离子熔射成形薄壁件关键步骤图解802.5等离子体表面改性技术

材料表面处理技术是目前材料科学的前沿领域,利用它在一些表面性能差和价格便宜的基材表面形成合金层,取代昂贵的整体合金,节约贵金属和战略材料,从而大幅度降低成本。激光束,电子束,离子束同为高密度束,由于能量密度高,穿透性强,已广泛应用于金属表面改性方面.目前等离子体表面处理因其性能优势和低廉成本，已成为材料科学领域最活跃的研究方向之一。2.5等离子体表面改性技术材料表面处理技术是目前81等离子体表面改性技术主要内容

1、低压（冷）等离子体表面处理技术