层流电弧等离子体技术及其在材料热加工中的应用

层流电等离子技术及其在料热加中的用

摘要

四川大制科学与工学院610065、涂、焊接及柔性技术方所轴梯小影响域、作命、可性。关键词：

0在代热工领域中，焊、切、热喷涂、表热处等加工应广。随科学技术的不断发展，传统的加工足新型材料及特殊结构的加工要求。究其原因，是因为传统的加工热源本身存在局限性，无法满足新材料的加工要求。常用的传统热源如炔氧焰、氢氧应用简便，成本低，但其最高温度只有℃右难加高点属耐温瓷材料；利用电弧放电产生的热源多用于焊接领域，技术成熟，但对于特种焊接及陶瓷、复合材料的焊接却难以实现。最近几十年内，高能束热源研究速发展，以激光、电子束、热等离子体的研究应用最为广泛，这三种热流都具有很高的能量度，加工温度高，升温快。其中，激光的加工精度高，但激光器成本高，一次性投资大，功率也较小，目前工业用半导体泵浦激器最率为10kW能量转效左右了工业上的推广用[1]；电子束利用加速状态电子轰击工件产生热能，属于密微细加工方法，但加工条件复杂，需要整套专用设备真空统格昂电子轰料生的X线会损害人体细胞[，安全问题不容忽视。等离子体技术利用电能将普通气体电离以产生等离子体，使等离子体携带能量并传输给工件和激光及电子束相比，具有加工应用简单，设备成本低，安全性高等优点表1对比了用热源的最温度及量密度。热源平最能量度/W最能量密度/Wcm-2氧-乙焰337010-2103~104弧800010-3104~105光>10810-3105~107子束1000010-7109离子3000010-3104~1061种及目，热离子技术的应领域得到了较的扩展，在统的应用领域热等子技术已趋向成熟，并有所发展，于此同又扩展了许多新的应用领域[3]如煤的气，有害废物焚烧。当前针对热等离子体应用的研究内容主要有：等离子体参数的控制、等离子发生设备的改和转化率[离体射流的状可热等子分为流离子（图1和层流等子（1于前者更产和维持，目的究用比较广泛层等离子体与湍流等离子射流相比，流动更稳定、高温区更长、轴向温度梯度小、噪声低、对环境气体的卷吸量少、流参数可以通过改变发生器的工气体流量或弧电流（电压）方便地加以到到[6]调节，这为提高材料工过程的重复性与加工质量、善操作人员的工作环境创造了条件，但由于产生和维持层流离子体比较困难，对其研究应相对较少。在国内，中国科学院力学研究所开发了层氩气等离子体，射流长，工作稳定（1阳流科技有限公司联合四川大学智能控研究所及四川大学制造科学与程学院，研发出新型层流电弧等离子体发生，作状非稳定产的氮层等离体流可1图11等离子

图等离子体射实中的体流动一般都湍流紊流）状态，没有对层流状的体。想层流状态下的流体在受到外干扰时，流体粘滞性产生的切力会因失去平衡而激发涡流的产生。在电弧电离工作气产生等离子体时，为了尽可能获趋于层流态的射流发生器的结构、作电源、工作气流稳定性是关键。基于对等离子体生原理的充分认识和理解，成都阳流科技发展有限公司联合川大学智能控制研究所、四川学制造科学与工程学院，设计了新的等离子发生器采用更加稳定的工作电源系和气路统发5kW20kW60kW、120kW不功的层流电弧离体备。可采用气氩、氦气及混气为作气体子射流状口度高达8000~20000℃可化、、等熔属料及玉石英非属材，可连稳工100小时上，阴、阳极命达数百小时（小流工作时寿命长在利其做接、热、热方研究验。2等离子体热加工技术应用等子体应用领域广泛下面四个方面对层等离体在热加工领的研应用及发做要绍离体表面；）层流离子热喷；）层流等离子焊；（4层等子柔成。2.1流等离体表面淬火处理常等离体射流表面硬包括等离子相硬化熔凝化，它是用离子体射流对金属料表进行快速加热，并利基体的自身急冷实现料表面的相变硬化或凝硬化。[5]。铁材料的等离子体面淬火常用于强化诸如齿轮和轴承等高应力机械零部件，它提高了材料的耐磨性，同时也提了由工件表面残余压应力导致的疲劳强度，该残余压应力是淬火工艺中的组织转变产生的。等离子体表面淬火工艺和传统铁基材料的淬火相比，都是通过将材料从奥氏体区域淬火形高硬度马体来提高度和强度但等离子体表面淬火将表面很薄的一加热奥氏体化温度，工件心部基本上不受影响。与其他表面淬火技术（激光、电子束表面化、高频淬火）相比，等离子体表面硬化技术具有设备资少、生产效率高和理成本低的点，近几年得的研究和应用。在用等子体进行表面处理，通过控制工电压流、工作气体量、嘴与工件距离、等离子体与工件相对移动速度等，以获得所需的表面相变硬化或熔凝硬化。与湍流等离体比层流电弧等离子体在面淬火时的优点有（1衰减，可控性更强，对复杂零件的深孔、凹槽处也可处;（2）能量更集中，件热力产生的变形也更小在研究成果方面，中科院力学研究所的费群星等利用非转移弧层流等离子体射流，对铸铁表面进行了表面熔凝实验研究，结果明，熔凝后铸铁表面初晶渗碳体莱体组成的过共晶组硬度和耐性有了明的提高。2为实验结果a区熔区b区为淬过渡区c区为基组[7]。图2等离子射流铸铁表面熔凝层截面形貌[7]2.2流等离子体热喷涂等离子喷是20世60年出的一进表防护与强的喷技，于面强化领域的技术。它是以等离子体（弧）为热源，以一定成分的合金粉末作为填充金属的特种粉工，点[8]。在航石化、等领域应用广泛。等离子体可以喷涂复合材料，通过控制粉体的不同配比和等离子体射流本身的参数，如功率、速度等可以实现涂层致密度及孔隙率的优化，达到最佳喷涂效果。目前已经商业化的通离子喷涂率40kW~80kW如上海瑞法喷涂机械有限公司的九离子喷GP-80型的等离喷设备，以美国MMetco备已成市场。和湍等离子体涂相，流态等子射在喷应用面势显1射流更长，粉末在射流中飞行的时间更长，融化更充分（）层状态的射对围气的卷吸少使得大环境喷易氧粉成为能（）携带融化粉末的射流在工件上的扫描半径更小，粉末的利用率更高，且可实现小型零件的局部喷涂。图和图4显了湍和层等离子体喷涂的工作状态。图3流涂2.3流等子体焊

图4流等离子体喷涂[10][10]钨极惰性气体（TIG）目前主要焊接方法的种，接品质佳，尤其是薄焊接，它也是等离子体焊接一种形式。但只能作为手工焊接，对操作者的要求高，焊接速度相对较低，且能焊接金属材料离焊(钨极氩弧焊础发展起来的一种重要高能密度焊接方法。它是助水冷喷嘴的外部拘束，使电弧的弧柱区横截面受到限制，使电弧的温度、能量密度、电离和它的流速都显著增大。等离子电弧具有能量集中、温度高、焰流速度大、刚直好特点广泛高、密焊[焊接钨极惰能焊接所金（镁除外）以部分非金属材（用非转移弧）且实自化焊接艺取惰体首图和6分别是T和等离子弧焊电弧可以看出这两焊接的工作原基本同图5

图6目国内离子弧焊的研主要西北工业学脉动离子喷焊术究、京航空工艺研究所的冲等离子弧焊“一一孔”工艺研究等，重要的应用方面，西航空发动机司利用自制的电源设配以进口的等离子焊枪，实现某航空发动机工艺的改进。可以看出，国内等离子焊接的研究成果不多，刚刚开始走出实室，商业化的设备较，主要是由焊枪零件寿命短，工艺参数难以控制。层流电弧等离体能量更集中，可以有效减少薄板件焊接时的热变，发生器长的工作寿命也能有效降低成本，实验证明，良好水冷情况下，发生器连续作2内零的烧率低，较的可性工业应的关焊接时，根据电弧的一极在发生器或工件上，将等离子体分为转移弧等离子体和转移弧等离子体。利用非转移弧层流等离体射流，可以焊接薄板、非金材料；转移弧层流等离子体将工件作为一极后，电弧附着点附近的温度极高，可快速融化金属可用于较厚的金属板的焊接。在数可调方面：（1）层电等离体热量温可在大围内节（2）工作气氛的可控使得等离子本身可具有氧化还及惰性（3）离体射的击力性调，过改变压发生结和气流量进而调节适用于不焊接要求冲击力层流等离子体柔性成形金薄板弯曲成形是实工业常见的工艺方之一在航空航天器汽车船舶及化工容器领域应用广泛。实际加工时，一般大批量生产助于模具完成，如冲压成形。但模具的设计周期长，成本高，不适用于于单件小批量生产。利热应力代替机械应力薄板柔性成形技解决了上述问题最典如弯形技术如前言所激的能转换效率约为等离子体的四分之一），设备本高的问题难以解决制约了其研究发展。等子体性成形技术是用热力和热应来现板成形的新技，在内外逐渐成为研究的热点。因为等离子体与其他热源相比更经、安全、灵活、实用。前研究主要是针对碳钢、不钢的直线扫描弯曲。对于复杂曲面，直线扫描难以实现，因此曲面扫描成形及组合扫成形是未来研究的主方向柔性成形要用热应力来得需热形层电等子作柔成的源优势要现在下个方：1）工作稳定，热源过大的波将引起成形件变形的均匀而达不到成形效果，此热源的定性十分要2）量中，对于小成件言，集中能免需的变，工度；3）备单效高可于场生，是激光、电子难以实现的3本对等子体和其他加热源行了比较，并述了流电弧等子的特和优点，进而分析了其在热加工技术方面的应用，结果表明，流电弧等离子体技术作为热加工技术研究的重点，将不断推动热加工制造向着高效率、低能耗短流程、高性能、高能、数字化向发。考文：[1]丁阳周立志光表面处理的现及发展[J].热加工36）：[2]

张朱.子束加工技术及其表面工程中应新技术工，2003,8[3]昌明德.热离子体炬技术及其应用现[J].核工南物理研究院报2005,1139-141.[4]元成竹学富宏杰.热离在材加工应用[J].建材科技：[5]张增歧，张磊，仇军．高碳铬轴承零件处理变形分[轴承，(6)2l-25．[6]袁建军，谢艳，洪芝，张金玲汽车发动机缸体灰铸铁等离