层流电弧等离子体技术及其在材料热加工中的应用

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1、层流电弧等离子体技术及其在材料热加工中的应用袁洁朱华古钟璧姚进四川大学制造科学与工程学院610065摘要分析了常压下层流电弧等离子体射流的特征，和其他热加工热源相比，层流电弧等离子体具有加工温度较高，能量密度大，参数易调节，设备成本低等优点；阐述了层流电弧等离子体在表面热处理、热喷涂、焊接及柔性成形等热加工技术方面所具有的轴向温度梯度小、热影响区域小、工作寿命长、参数可调节性强等优点。关键词：常压层流电弧等离子体热加工0前言在现代热加工领域中，焊接、切割、热喷涂、表面热处理等加工应用广泛。随着科学技术的不断发展，传统的加工工艺已

2、难以满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、氢氧焰应用简便，成本低，但其最高温度只有3000℃左右，难以加工高熔点金属、耐高温陶瓷材料；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，高能束热源研究快速发展，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密度，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

3、半导体泵浦激光器最大功率为10kW左右，加上能量转化效率低（20%左右），极大限制了其在工业上的推广运用[1]；电子束利用加速状态的电子轰击工件产生热能，属于精密微细加工方法，但加工条件复杂，需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，且电子束轰击材料产生的X射线会损害人体细胞[2]，安全问题不容忽视。热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对比了常用热源的最高温度及能量密度。热源最高温度/K平均最低能量密度/Wcm-2

4、最高能量密度/Wcm-2氧-乙炔焰337010-2103~104电弧800010-3104~105激光>10810-3105~107电子束1000010-7109等离子3000010-3104~106表1各种热源温度及能量密度比较目前，热等离子技术的应用领域得到了较大的扩展，在传统的应用领域，热等离子技术已趋向成熟，并有所发展，于此同时又扩展了许多新的应用领域[3]，如煤的气化，有害废弃物焚烧等。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进和热转化效率[4]。根据等离子体射流的状态，可将热等离

5、子体分为湍流等离子体（图1-a）和层流等离子体（图1-b,c），由于前者更易产生和维持，目前的研究应用比较广泛。层流等离子体与湍流等离子体射流相比，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、射流参数可以通过改变发生器的工作气体流量或弧电流（电压）方便地加以调节，这为提高材料加工过程的重复性与加工质量、改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等离子体比较困难，对其研究应用相对较少。在国内，中国科学院力学研究所开发了层流氩气等离子体，射流较长，工作稳定（图1-b）。成都阳流科技发展有限公司，

6、联合四川大学智能控制研究所及四川大学制造科学与工程学院，研发出新型层流电弧等离子体发生器，工作状态非常稳定，产生的氮气层流等离子体射流可长达100cm。（图1-c）。图1等离子体射流1层流等离子体实际中的流体流动一般都是湍流（紊流）状态，而没有绝对层流状态的流体。理想层流状态下的流体在受到外界干扰时，流体粘滞性产生的切应力会因失去平衡而激发涡流的产生。在电弧电离工作气体产生等离子体时，为了尽可能获得趋于层流状态的射流，发生器的结构、工作电源、工作气流的稳定性是关键。基于对等离子体产生原理的充分认识和理解，成都阳流科技发展有限公司

7、联合四川大学智能控制研究所、四川大学制造科学与工程学院，设计了新的等离子发生器，并采用更加稳定的工作电源系统和气路系统，研发出1kw、5kW、10kW、20kW、60kW、120kW等不同功率的层流电弧等离子体设备。可采用氮气、氩气、氦气及混合气作为工作气体，产生的等离子体射流状态稳定，出口温度高达8000~20000℃，可融化钨、钼、钛等难熔金属材料及刚玉、石英等非金属材料，且可连续稳定工作100小时以上，阴、阳极寿命均可达数百小时（小电流工作时寿命更长）。目前正在利用其做焊接、表面热处理、热喷涂方面的研究实验。2层流等离子体

8、热加工技术应用等离子体的应用领域广泛，下面就四个方面对层流等离子体在热加工领域的研究应用及发展做简要介绍：（1）层流等离子体表面淬火热处理；（2）层流等离子体热喷涂；（3）层流等离子体焊接；（4）层流等离子体柔性成形。2.1层流等离子体表面淬火热处理常压等离子体