1、等離子體弧在機(jī)械工程中的應(yīng)用武文斌 教授河南工業(yè)大學(xué)機(jī)電工程學(xué)院 2011年9月非傳統(tǒng)加工的概念非傳統(tǒng)加工（Non-Traditional Machining)是指應(yīng)用物理的（力、熱、聲、光、電）或化學(xué)的方法，對(duì)具有特殊要求或特殊加工對(duì)象（難加工材料、形狀復(fù)雜或尺寸微小件、低剛度工件等）進(jìn)行加工的手段。也稱特種加工。1 等離子體弧的基本知識(shí)1.1 什么是等離子體？1.2 等離子體弧的特點(diǎn)1.3 等離子體弧的種類 當(dāng)任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵(lì)作用后,部分原子中的電子脫離原子核束縛成為自由電子,原子因失去電子而成為帶正電的離子,這樣原來(lái)中性氣體就因電離而轉(zhuǎn)變成由大量自由電子、正電離子

2、和部分中性原子組成的宏觀仍呈電中性的電離氣體,這類氣體稱為等離子體。等離子體被認(rèn)為是繼固態(tài)、液態(tài)和氣態(tài)三種形態(tài)之外的第四態(tài)物質(zhì)即等離子態(tài)。 1.1 什么是等離子體？ 氣體分子 中性原子 離子 電子 光 熱 根據(jù)溫度不同，等離子體可分為高溫等離子體和低溫等離子體(包括熱等離子體和冷等離子體)。高溫等離子體的溫度高達(dá)106K-108K，在太陽(yáng)表面、核聚變和激光聚變中獲得。低溫等離子體的溫度為室溫到3104K，其中熱等離子體一般為稠密等離子體。等離子體的產(chǎn)生人工等離子體放 電激光照射放射線真空紫外線電場(chǎng)電離燃 燒等離子體科學(xué)等離子體是包含足夠多的正負(fù)電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng)。等離子體科

3、學(xué)是一門典型的物理、化學(xué)和材料等學(xué)科的交叉科學(xué)，它包含了電磁學(xué)、空氣動(dòng)力學(xué)、化學(xué)反應(yīng)動(dòng)力學(xué)和表面科學(xué)等分支學(xué)科。1.2 等離子體弧的特點(diǎn)溫度高能量集中有高的導(dǎo)電和導(dǎo)熱性能具有較大的沖擊力比一般電弧穩(wěn)定各項(xiàng)有關(guān)參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍廣等離子體弧柱采用回旋氣流法原理的噴槍2 等離子體弧在機(jī)械工程中應(yīng)用2.1 等離子體弧切割2.2 等離子體弧焊接2.3 金屬薄板等離子體弧柔性成形2.4 等離子熔射成形2.5 等離子體表面改性技術(shù)2.6 等離子體噴涂2.7 等離子體拋光 2.1 等離子體弧切割 等離子體弧切割的原理主要是依靠高溫高速的等離子體弧及其焰流，把部分金屬熔化及蒸發(fā)，并吹離基體，隨著弧柱的移動(dòng)而形成裂

4、縫。由于弧柱溫度高、能量集中，不管金屬的熔點(diǎn)多高，導(dǎo)熱性能如何好，粘滯性如何大，可以對(duì)目前的絕大部分金屬進(jìn)行切割，而且切削速度快、裂縫光潔、成本低。半自動(dòng)仿形切割水下切割多件切割示意圖氣割與等離子弧切割對(duì)比高精度等離子體弧切割技術(shù) 電極和噴嘴壽命的提高（新材料） 等離子體弧切割設(shè)備的自動(dòng)化、數(shù)控化（開(kāi)放式，操作系統(tǒng)） 2.1.2 等離子體弧切割技術(shù)發(fā)展現(xiàn)狀等離子切割電源的發(fā)展 日本主要采用雙極晶體管和IGBT,歐洲主要采用場(chǎng)效應(yīng)晶體管。 大功率 高頻率 如圖為 15mm/s速度下，8mm厚度板切割后的試件對(duì)斜板、階梯板進(jìn)行的等離子切割情況斜板的切割質(zhì)量隨著板厚的變化也有所不同階梯板的掛渣情況也

5、較斜板嚴(yán)重階梯板的熱影響區(qū)寬度有明顯的變化等離子弧切割實(shí)例破口2.2 等離子體弧焊接 等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來(lái)的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態(tài)下的自由電弧，簡(jiǎn)稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強(qiáng)化之后而獲得電離度更高的電弧等離子體，稱等離子弧，又稱壓縮電弧。兩者在物理本質(zhì)上沒(méi)有區(qū)別，僅是弧柱中電離程度上的不同。經(jīng)壓縮的電弧其能量密度更為集中，溫度更高。9.5mm鋁板焊縫剖面圖9.5mm鋁板焊縫正面圖等離子體表面修復(fù)技術(shù) 熔覆修復(fù)宏觀形貌(a) 光學(xué)照片(40)(b) 掃描電鏡照片(1000)熔覆層與基體結(jié)合面的微觀形貌2.2 等離子體弧焊接等離子弧焊

6、接的特點(diǎn)：1能量集中、熔深大、焊縫窄、熱影響小；2焊件不開(kāi)坡口，單面焊雙西瓜形，生產(chǎn)率高；3電弧調(diào)節(jié)性能好(電弧粗細(xì)長(zhǎng)短、剛?cè)帷囟雀叩涂烧{(diào))，穩(wěn)定，對(duì)弧長(zhǎng)變化敏感性小，便于操作掌握；4焊接設(shè)備比較容易加工制造。2.3 金屬薄板等離子體弧柔性成形 金屬薄板等離子體弧柔性成形是近三年發(fā)展起來(lái)的金屬板件成形技術(shù)，其基本思想是：以等離子體弧為熱源，在不借助工模具和外加壓力條件下，合理控制弧柱掃描軌跡和速率，并輔以有序的冷卻措施，使材料內(nèi)部形成可控的溫度梯度進(jìn)而產(chǎn)生非均勻熱應(yīng)力場(chǎng)，當(dāng)熱應(yīng)力超過(guò)材料相應(yīng)溫度下的屈服極限時(shí)，便會(huì)在材料內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，使板材成形為預(yù)期要求的形狀。 等離子體弧柔性成形示意圖

7、等離子體弧柔性成形設(shè)備(a) t=0.5208s (b) t=2.083s(c) t=8.854s (d) t=13.542s溫度場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化過(guò)程 (a) t=1.042s (b) t=5.208s板的變形情況成形件展示等離子體弧成形件等離子體弧成形件成形件展示汽車門板雛形S形成形件成形件展示封閉圓筒件成形不同半徑的圓弧2.4 等離子熔射成形等離子熔射成形示意圖等離子熔射成形技術(shù)是以等離子射流為熱源,在特定工藝條件下,使材料在原模表面集結(jié)成形,經(jīng)被襯、脫模、強(qiáng)化等處理,得到具有一定功能的零件及型腔的制造方法。等離子熔射成形法制造模具工藝流程圖2.4 等離子熔射成形等離子熔射成形薄壁件關(guān)鍵步驟圖

8、解2.5 等離子體表面改性技術(shù) 材料表面處理技術(shù)是目前材料科學(xué)的前沿領(lǐng)域,利用它在一些表面性能差和價(jià)格便宜的基材表面形成合金層,取代昂貴的整體合金,節(jié)約貴金屬和戰(zhàn)略材料,從而大幅度降低成本。激光束,電子束,離子束同為高密度束,由于能量密度高,穿透性強(qiáng),已廣泛應(yīng)用于金屬表面改性方面.目前等離子體表面處理因其性能優(yōu)勢(shì)和低廉成本，已成為材料科學(xué)領(lǐng)域最活躍的研究方向之一。 等離子體表面改性技術(shù)主要內(nèi)容 1、低壓（冷）等離子體表面處理技術(shù) （1）、濺射和離子鍍 （2）、離子注入 （3）、等離子化學(xué)熱處理 2、熱等離子體表面處理技術(shù) （1）、等離子噴涂 （2）、等離子束表面淬火與合金共滲相變強(qiáng)化 （3）、等離子束熔覆 （4）、微等離子體氧化 試樣基體及未處理齒顯微組織(150 x) 齒與槽部分顯微組織(25x) 硬化層（齒）與基體顯微組織分布（50 x） 硬化層（齒）顯微組織（2000 x） 等離子弧表面淬火處理后的SEM金相組織 2.6 等離子體噴涂 等離子噴涂是以等離子弧為熱源的熱噴涂，是熱噴涂技術(shù)中的一種。它以氮、氬等惰性氣體作為工作介質(zhì)，在專用噴槍膛內(nèi)設(shè)置的電場(chǎng)作用下，產(chǎn)生壓縮型電弧，弧柱中氣體隨著電離度的提高而成為等離子體，此時(shí)往前槍體的送粉管中輸送粉狀材料，粉料在等離子焰流中被加熱到熔融狀態(tài)，并高速噴送到被涂工件表面上，形成涂層。 這些涂層一般具有耐磨、