（機(jī)械電子工程專業(yè)論文）等離子弧表面淬火電源設(shè)備的研究.pdf

沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 摘要 等離子弧淬火是一種表面熱處理方法，它是利用高能量密度的等離子弧來快速 加熱材料表面，使其發(fā)生相變，形成馬氏體淬硬層的過程。它可以提高零件表面的 硬度和耐磨性，而使其內(nèi)部保持良好的韌性。與感應(yīng)加熱淬火、火焰加熱淬火、激 光表面強(qiáng)化相比，等離子弧表面淬火工藝具有裝最簡(jiǎn)單，體積小，易操作，成本 低，熱效率高等優(yōu)點(diǎn)。在工業(yè)發(fā)達(dá)的國家，對(duì)等離子弧表面淬火技術(shù)的研究已進(jìn)入 實(shí)際應(yīng)用階段。國內(nèi)對(duì)等離子弧表面淬火工藝及設(shè)備的研究也取得了一些優(yōu)秀成 果，但實(shí)際應(yīng)用仍然不多。因此，實(shí)現(xiàn)等離子弧表面淬火技術(shù)的工業(yè)化應(yīng)用，具有 顯著的經(jīng)濟(jì)和社會(huì)效益。 在實(shí)際的生產(chǎn)中，往往由于工藝條件( 如等離子槍的噴嘴和鎢極的燒損等) 變化而 影響了淬火效果的穩(wěn)定性。所以本文從實(shí)際出發(fā)，著重解決以下幾方面： ( 1 ) 建立一個(gè)由計(jì)算機(jī)控制的等離子表面淬火的電源系統(tǒng)，對(duì)淬火過程的電壓、電 流和能量輸出狀態(tài)進(jìn)行實(shí)時(shí)檢測(cè)控制，以解決等離子弧表面淬火過程中的由于溫度變化 導(dǎo)致的熔化、加熱電流沖擊等生產(chǎn)實(shí)際問題。 ( 2 ) 本文采用p l c 為核心控制單元，與p c 機(jī)連接，利用m g c s 組態(tài)軟件采集整個(gè) 淬火過程的電壓和電流信號(hào)，并用m a t l a b 進(jìn)行數(shù)據(jù)處理，從而得出整個(gè)淬火過程的 電壓和電流曲線，通過研究淬火過程的主要能量參數(shù)的變化規(guī)律，積累了開發(fā)集成智能 化專用等離子表面淬火電源的經(jīng)驗(yàn)。 ( 3 ) 為了驗(yàn)證此系統(tǒng)淬火的穩(wěn)定性，結(jié)合實(shí)際科研項(xiàng)目的需要，對(duì)4 5 、4 0 c r 、 3 5 c r m 。、4 5 h b 、3 8 c r s i 等材料進(jìn)行了表面強(qiáng)化處理。實(shí)踐證明，該系統(tǒng)可使淬火過程 性能穩(wěn)定，工藝實(shí)用性強(qiáng)，同時(shí)積累了大量的淬火優(yōu)化工藝參數(shù)。此項(xiàng)研究為等離子弧 表面淬火專家系統(tǒng)的建立奠定了基礎(chǔ)。 關(guān)鍵詞：等離子弧，表面淬火，電源，p l c 控制 沈陽工業(yè)人學(xué)碩士學(xué)位論文 r e s e a r c ho fp o w e r s u p p l ye q u i p m e n t f o rp l a s m aa r cs u r f a c e h a r d e n i n g a b s t r a c t t h ep l a s m aa r cs u r f a c eh a r d e n i n gi sam e t h o do fs u r f a c eh e a t i n g i ti sap r o c e s st h a t m a t e r i a ls u r f a c ei sq u i c k l yh e a t e db yh i g he n e r g yd e n s i t yp l a s m aa r gt oc a u s et h ep h a s ec h a n g e ， t of o r mh a r d e n i n gz o n eo ft h em a r t e n s i t e h a r d n e s sa n dw e a r i n gr e s i s t a n c eo fp a r t sa r e i n c r e a s e db yt h es u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g ya n dt h ei n t e r i o ro f p a r t sh a sb e t t e rt o u g h n e s s c o m p a r e d w i t hi n d u c t i o nh e a t ，b l a z eh e a ta n dl a s e rs u r f a c e h a r d e n i n g ，t h ep l a s m a a r c h a r d e n i n g t e c h n o l o g yh a ss o m ea d v a n t a g e ss u c ha ss i m p l es 仃u c t u r e ，s m a l lv o l u m e s e a s ym a n i p u l a t i o n ， e c o n o m y ，a n dh i 吐h e a te f f i c i e n c y i nd e v e l o p e di n d u s t r yc o u n t r i e s ，t h ep l a s m aa r cs u r f a c e h a r d e n i n gh a sc o m ei n t op r a c t i c a la p p l i c a t i o ns t a g e t h ed o m e s t i cs t u d yo ft h ep l a s m aa r c h a r d e n i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n t h a s g a i n e ds o m e e x c e l l e n ta c h i e v e m e n t ，b u tf e wh a sb e e n p u t i n t o a p p l i c a t i o n t h e r e f o r e t h e i n d u s t r i a l i z a t i o n so fp l a s m aa r cs u r f a c e h a r d e n i n g t e c h n o l o g y w i l lh a v e p r o m i n e n t e c o n o m i c p r o f i ta n ds o c i e t y b e n e f i t s d u et ot h ec h a n g eo ft h et e c h n o l o g yp a r a m e t e r s ( s p o u ta n dt u n g s t e ne l e c t r o d eo fp l a s m a g u n b u r n e t c ) ，t h es t a b i l i t yo f h a r d e n i n g i su s u a l l ya f f e c t e di nt h e p r a c t i c a lp r o d u c t i o n b a s e d o n t h e s ep r o b l e m s ，t h i sp a p e rs t r e s so n p r a c t i c a l l ys o l u t i o ns e v e r a l f a c e t s ： ( 1 ) e s t a b l i s hap o w e r - s u p p l ys y s t e mo f p l a s m a a r cs u r f a c eh a r d e n i n gw h i c hi sc o n t r o l l e d b yc o m p u t e r ，d u r i n gh a r d e n i n gp r o c e s s t h i ss y s t e mr e a l - t i m ec h e c ka n dc o n t r o lv o l t a g e ，e l e c t r i c c u r r e n ta n dt h eo u t p u ts t a t u so f e n e r g y ( 2 ) t h i sp a p e ra d o p tp l c a sc o r ec o n t r o lu n i t ，p l cc o n n e c t 、v i t l lc o m p u t e r , u s em g c s c o n f i g u r a t i o ns o f t w a r et og a t h e rt h ev o l t a g ea n dc u r r e n ts i g n a ld u r i n gt h eh a r d e n i n gp r o c e s s ， a n dt h e np r o c e s sd a t aw i t hm a t l a b ，s oa st og e tt h ec u r v eo fv o l t a g ea n dc u r r e n td u r i n g h a r d e n i n g a f a r w er e s e a r c ht h em a i n e n e r g yp a r a m e t e r so f h a r d e n i n gp r o c e s s ，w ea c c u m u l a t e m a n ye x p e r i e n c e st od e v e l o pi n t e g r a t e di n t e l l i g e n ta n ds p e c i a lp l a s m aa r cs u r f a c eh a r d e n i n g p o w e rs u p p l y ( 3 ) i no r d e rt ov e r i f yt h es t a b i l i t yo f t h i sh a r d e n i n gs y s t e m ，a n d a c c o r d i n gt ot h en e e d so f p r a c t i c a lr e s e a r c hi t e m ，w ed e a l 謝t 1 14 5 ，4 0 c r ，3 5 c r m o ，4 5 m n ，a n d 3 8 c r s ii no u r e x p e r i m e n t s 2 沈陽工業(yè)大學(xué)碩七學(xué)位論文 p r a c t i c ep r o v e dt h a tt h i ss y s t e mi sm o r es t a b l e ，t h et e c h n o l o g y p r a c t i c a b i l i t yi sb e t t e r i ts e t su p t h ef o u n d a t i o nt oe s t a b l i s h e x p e r ts y s t e mo f p l a s m a a r cs u r f a c eh a r d e n i n g k e yw o r d s ：p l a s m aa r c ，s u r f a c eh a r d e n i n g , p o w e r s u p p l y , p l c c o n t r o l 一3 一 獨(dú)創(chuàng)性說明 本人鄭重聲明：所呈交的論文是我個(gè)人在導(dǎo)師指導(dǎo)下進(jìn)行的研究工 作及取得的研究成果。盡我所知，除了文中特別加以標(biāo)注和致謝的地方 外，論文中不包含其他人已經(jīng)發(fā)表或撰寫的研究成果，也不包含為獲得 沈陽工業(yè)大學(xué)或其他教育機(jī)構(gòu)的學(xué)位或證書所使用過的材料。與我一同 工作的同志對(duì)本研究所做的任何貢獻(xiàn)均已在論文中做了明確的說明并表 示了謝意。 戳：肆牛醐： 關(guān)于論文使用授權(quán)的說明 d e o f ；。r o 本人完全了解沈陽工業(yè)大學(xué)有關(guān)保留、使用學(xué)位論文的規(guī)定，即： 學(xué)校有權(quán)保留送交論文的復(fù)印件，允許論文被查閱和借閱；學(xué)校可以公 布論文的全部或部分內(nèi)容，可以采用影印、縮印或其他復(fù)制手段保存論 文。 ( 保密的論文在解密后應(yīng)遵循此規(guī)定) 簽名：囤罌 導(dǎo)師簽名：蘭璺壘牟 日期：毗多，z 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 1 緒論 在機(jī)械制造行業(yè)中，有很多零件的破壞是從自身表面開始的，其所造成的能源與材 料的消耗是十分j 晾人的【l 】。因而材料的磨損與腐蝕問題已受到國內(nèi)外機(jī)械設(shè)計(jì)與制造部 門、材料研究和生產(chǎn)部門的普遍重視，而對(duì)材料進(jìn)行表面處理則是表面工程的一部分。 表面工程技術(shù)是一門邊緣科學(xué)，它主要包括表面堆焊、熱嚷涂、表面熱處理、刷 鍍、激光表面合金化、電火花表面沉積等技術(shù)【2 】。傳統(tǒng)的表面技術(shù)，隨著科學(xué)技術(shù)的進(jìn) 步而不斷創(chuàng)新。在電弧噴涂方面，發(fā)展了高速電弧噴涂，使噴涂質(zhì)量大大提高。在等離 子噴涂方面，已研究出射頻感應(yīng)藕合式等離子噴涂、反應(yīng)等離子噴涂、用三陰極槍等離 子噴槍噴涂及微束等離子噴涂。在電刷鍍方面研究出摩擦電噴鍍及復(fù)合電刷鍍技術(shù)。在 涂裝技術(shù)方面開發(fā)出了粉末涂料技術(shù)等。在粘結(jié)技術(shù)方面，開發(fā)了高性能環(huán)保型粘結(jié)技 術(shù)、納米膠粘結(jié)技術(shù)、微膠囊技術(shù)。在高能束應(yīng)用方面發(fā)展了激光或電子束表面熔覆、 表面淬火、表面合金化、表面熔凝等技術(shù)。在離子注入方面，繼強(qiáng)流氮離子注入技術(shù)之 后，又研究出強(qiáng)流金屬離子注入技術(shù)和金屬等離子體浸沒注入技術(shù)。在解決產(chǎn)品表面工 程問題時(shí)，新興的表面技術(shù)與傳統(tǒng)的表面技術(shù)相互補(bǔ)充，為表面工程工作者提供了寬廣 的選擇余地。 表面工程具有學(xué)科的綜合性，手段的多樣性，廣泛的功能性、潛在的創(chuàng)新性、環(huán)境 的保護(hù)性，具有很強(qiáng)的實(shí)用性和巨大的增效性，因而受到各行各業(yè)的重視。其產(chǎn)生的經(jīng) 濟(jì)效益更是令人矚目。目前，我國技術(shù)門類齊全，部分表面技術(shù)的設(shè)備、材料和工藝已 達(dá)到了國際先進(jìn)水平。據(jù)不完全統(tǒng)計(jì)，僅我國自第6 個(gè)五年計(jì)劃以來，通過表面工程在 設(shè)備維修領(lǐng)域和制造領(lǐng)域推廣應(yīng)用，已取得了幾百億元的經(jīng)濟(jì)效益【3 】。表面工程已經(jīng)發(fā) 展成為橫跨材料學(xué)、摩擦學(xué)、物理學(xué)、化學(xué)、界面力學(xué)和表面力學(xué)、材料失效與防護(hù)、 金屬熱處理學(xué)、焊接學(xué)、腐蝕與防護(hù)學(xué)、光電子學(xué)等學(xué)科的邊緣性、綜合性、復(fù)合型學(xué) 科。 表面熱處理是其中的一部分，它是通過快速淬火使金屬表層發(fā)生相變，從而產(chǎn)生高 硬度、耐磨損、抗腐蝕的表面，從而極大地改善金屬表面地機(jī)械性能。因此，該技術(shù)是 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 解決材料耐磨、抗腐蝕問題的有效途徑。所以，研究開發(fā)表面淬火新技術(shù)，仍是工業(yè)發(fā) 展的重要課題。 1 1 表面淬火技術(shù)的分類、比較及其發(fā)展 表面熱處理方法可分為兩類：一類叫化學(xué)熱處理，它即改變表層化學(xué)成分又改變表 層組織，它包括滲碳、氮化、氰化、滲硼、滲金屬等。一類叫表面淬火只改變表層的組 織而不改變表層的化學(xué)成分，包括火焰加熱表面淬火、高中頻加熱表面淬火、接觸電加 熱表面淬火、電解液加熱表面淬火、激光電子束加熱表面淬火等。這類技術(shù)是利用快速 淬火的方法使金屬表層發(fā)生相變，如碳鋼由奧氏體轉(zhuǎn)化為馬氏體，產(chǎn)生硬度高、耐磨 損、耐腐蝕的表面，從而極大的改善金屬表面的機(jī)械性能。目前普遍采用的快速淬火的 表面熱處理方法包括：火焰加熱表面淬火、感應(yīng)加熱表面淬火和激光表面強(qiáng)化熱處理 等。 火焰表面淬火是一種用乙炔一氧火焰( 最高溫度達(dá)3 1 0 0 v ) 或煤氣一氧火焰( 最高溫 度達(dá)2 0 0 0 。c ) 將工件表面高速加熱，隨后噴水冷卻的一種淬火方法【4 】。一般常用乙炔一 氧火焰表面淬火，其優(yōu)點(diǎn)是： ( 1 ) 設(shè)備簡(jiǎn)單、投資少、成本低； ( 2 ) 適用于單件或小批生產(chǎn)，也適用于大型工件的局部淬火要求，如大齒輪、軋 輥、大型殼體( 馬達(dá)殼體) 、導(dǎo)軌等； ( 3 ) 不易產(chǎn)生表面氧化與脫碳； ( 4 ) 不受現(xiàn)場(chǎng)環(huán)境與工件大小的限制，適用性廣，操作簡(jiǎn)便。 缺點(diǎn)是： ( 1 ) 不易穩(wěn)定地控制質(zhì)量； ( 2 ) 大部分是手工操作和憑肉眼觀察來掌握溫度。表面容易燒化、熱與淬裂，很難 達(dá)到均勻的淬火層與高的表面硬度； ( 3 ) 實(shí)現(xiàn)機(jī)械化流水生產(chǎn)較為困難。 感應(yīng)加熱表面淬火，工件是間接的由外加電磁感應(yīng)線圈在工件中產(chǎn)生的感應(yīng)電流進(jìn) 行加熱，這種技術(shù)也有許多不足之處。例如：對(duì)工件材質(zhì)有一定的要求：局部溫度控制 比較困難，尤其是有銳邊或厚度不均的零件更是如此；由于感應(yīng)加熱效果取決于在具體 一2 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 工件上的感應(yīng)電流。因此，某些工件由于它們的幾何形狀而不能有效加熱，如：內(nèi)孔表 面等：而且不同形狀或尺寸的工件都需要各自特殊設(shè)計(jì)的感應(yīng)圈，以使感應(yīng)加熱工藝最 優(yōu)化，當(dāng)生產(chǎn)批量不大或工件尺寸很大時(shí)，這些特殊感應(yīng)線圈設(shè)計(jì)、制造和使用的費(fèi)用 也是難以承受的1 5 j 。 激光器的出現(xiàn)為表面強(qiáng)化處理提供了一種新型能源1 6 。上世紀(jì)7 0 年代開始發(fā)現(xiàn)激 光輻照金屬能改變表面層的微觀結(jié)構(gòu)，并能提高金屬表面的硬度、耐磨性和抗腐蝕性。 現(xiàn)在激光表面處理已作為機(jī)械零件表面強(qiáng)化的重要手段被廣泛研究和應(yīng)用 7 1 。激光表面 改性處理已成為當(dāng)前最引人注目的表面強(qiáng)化處理技術(shù)之一，也是未來工業(yè)應(yīng)用潛力最大 的表面改性技術(shù)之一，具有很大的技術(shù)經(jīng)濟(jì)效益，廣泛應(yīng)用于航空、航天、機(jī)械、電 器、兵器和汽車等制造行業(yè)，利用激光處理技術(shù)在一些表面性能差和價(jià)格便宜的基體金 屬表面上能制出耐磨，耐蝕和耐高溫的表面合金層，用于取代昂貴的整體合金，節(jié)約貴 重金屬和戰(zhàn)略材料，使廉價(jià)材料獲得應(yīng)用，從而大幅度降低成本。另外，還可以用來研 制新材料和代用材料，制造出在性能上與傳統(tǒng)冶金方法根本不同的表面合金，應(yīng)用在太 空，高溫和化學(xué)腐蝕陛強(qiáng)的環(huán)境條件下工作的機(jī)械零件上，如軸承、氣缸、襯套、活塞 環(huán)、凸輪和傳動(dòng)機(jī)構(gòu)等。目前，美國正在研究用激光淬火處理硬化飛機(jī)的重載齒輪的技 術(shù)，該技術(shù)不需要研磨工藝，可以大大降低生產(chǎn)成本，提高生產(chǎn)率。另外，采用激光硬 化處理的飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)氣缸內(nèi)壁比氮化處理的效率要快1 4 倍，且所得到的硬化層比經(jīng)過 1 0 - - , 2 0 小時(shí)氮化處理的硬化層還厚，質(zhì)量優(yōu)良，幾乎無變形【8 】，耐磨性顯著改善。 近年來，隨著機(jī)械工業(yè)，材料工業(yè)的迅速發(fā)展，對(duì)金屬表面熱處理技術(shù)的要求不斷 提高，表面淬火新技術(shù)不斷涌現(xiàn)。i n # i , 表面淬火技術(shù)的發(fā)展方向有以下幾個(gè)方面 9 1 ： ( 1 ) 選擇淬火方法； ( 2 ) 淬火槽中傳熱模式會(huì)保證在淬火件范圍內(nèi)均勻冷卻； ( 3 ) 水和惰性氣體淬火方法要超過鹽浴和油淬： ( 4 ) 將計(jì)算機(jī)和機(jī)器人引入熱處理過程，向生產(chǎn)自動(dòng)化發(fā)展； ( 5 ) 防止對(duì)環(huán)境的污染。 當(dāng)代新技術(shù)，特別是物理學(xué)和電子學(xué)方面的發(fā)展，對(duì)新的加熱源的開發(fā)和利用 產(chǎn)生了巨大的推動(dòng)作用，從而使許多新工藝得到實(shí)現(xiàn)，其中，尤以高能量密度熱源 3 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 表面熱處理技術(shù)最引人注目u o l 。所謂高能量密度熱源表面熱處理，即是對(duì)工件表面 施加非常高的能量密度，在很短的時(shí)間內(nèi)，將工件表層加熱到相變溫度以上，達(dá)到 接近熔融狀態(tài)，然后靠工件自身傳熱冷卻，實(shí)現(xiàn)表面硬化，以提高表面耐磨性和耐 腐蝕性。 等離子束與激光束和電子束并稱為高能量密度束。但是與后兩者相比，等離子束具 有發(fā)生裝置簡(jiǎn)單、成本低、操作維護(hù)方便、對(duì)工件表面無特殊要求等突出的優(yōu)點(diǎn)，非 常適合于工業(yè)化應(yīng)用。在美、歐等激光表面淬火技術(shù)發(fā)達(dá)的國家，等離子弧表面淬火的 研究已進(jìn)行了多年。據(jù)有關(guān)資料介紹 1 2 1 ，美國，俄羅斯等國早在二十世紀(jì)八十年代 就已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn)室研究階段，開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)，并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國 對(duì)等離子弧表面淬火技術(shù)的研究落后于西方國家多年，八十年代末，我國的研究人員才 開始進(jìn)行機(jī)理性試驗(yàn)研究，工業(yè)化開發(fā)至今剛剛起步，若能將其應(yīng)用于工業(yè)設(shè)備上，并 發(fā)揮抗磨減磨作用，無疑是具有深遠(yuǎn)的意義。 高能量密度表面熱處理的特點(diǎn)是： ( 1 ) 高能量密度熱源作用在材料表面上的功率密度高、作用時(shí)間極其短暫，即加 熱速度快、冷卻速度也快，處理效率高； ( 2 ) 進(jìn)行處理的面積可根據(jù)需要任意選擇，并且能量的作用被集中在一定的范圍 和深度，因此，加熱作用僅發(fā)生在表面和一個(gè)深度不大的表面層，故能量的利用率高， 有很好的節(jié)能效果； ( 3 ) 其熱處理過程是靠工件自身冷卻，不需要任何冷卻介質(zhì)。因此處理環(huán)境清 潔，無污染； ( 4 ) 高能量密度加熱的可控性能好，通過磁場(chǎng)或電場(chǎng)信號(hào)對(duì)激光束、電子束、離 子束的強(qiáng)度、位置、聚焦等參數(shù)可用計(jì)算機(jī)精確控制，便于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)處理； ( 5 ) 高能量密度熱源，尤其是激光可以遠(yuǎn)離傳輸或通過真空室對(duì)特種放射性或易 氧化材料進(jìn)行表面處理。 高能量密度熱源主要有激光、電子束、等離子電弧、太陽能等。在發(fā)達(dá)國家 中，利用激光、電子束、等離子電弧作為熱源進(jìn)行鋼鐵表面淬火的技術(shù)得到廣泛的 研究與開發(fā)，并有許多成功的應(yīng)用與投產(chǎn)的實(shí)例。特別是由于激光、電子束、等離 4 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 予電弧的自身特點(diǎn)，使在熱處理過程中引入電子計(jì)算機(jī)和機(jī)器人控制成為可能。隨 著熱處理的精確性和可控性的不斷提高，高能量密度熱源表面熱處理必將成為很有 前途的熱處理方式。 等離子弧表面淬火是應(yīng)用等離子束將金屬材料表面加熱到相變點(diǎn)以上，隨著材料自 身的冷卻，奧氏體轉(zhuǎn)變成馬氏體，在表面形成由超細(xì)化馬氏體組成的硬化帶，具有比常 規(guī)淬火更高的表面硬度和強(qiáng)化效應(yīng)【l ”。同時(shí)硬化層內(nèi)殘留有相當(dāng)大的壓應(yīng)力，從而增加 了表面的疲勞強(qiáng)度。利用這一特點(diǎn)對(duì)零件表面實(shí)施等離子淬火，則可以提高材料的耐磨 性和抗疲勞性能。而且，由于等離子表面淬火速度快，進(jìn)入工件內(nèi)部的熱量少，由此帶 來的熱畸變小( 畸變量為高頻淬火的i 3 1 1 0 ) 。因此，可以減少后道工序( 矯正或磨制) 的工作量，降低工件的制造成本。另外該工藝為自冷卻方式，是種清潔衛(wèi)生的熱處理 方法。此外對(duì)于解決引進(jìn)設(shè)備零部件修復(fù)及國產(chǎn)化問題，支持高技術(shù)和新技術(shù)發(fā)展以及 節(jié)約材料，節(jié)約能源等各方面都具有十分重要的意義。所以，近年來，各種各樣的表面 技術(shù)的研究與開發(fā)異?；钴S，發(fā)展非常迅速，在科技界成為一個(gè)令人矚目的新興領(lǐng)域。 等離子弧表面淬火可用于用常規(guī)硬化方法不能處理、或者幾乎不可能處理到的表面【1 4 1 如：絲杠螺紋部分、齒輪和齒條的齒部、凸輪和靠模的工作面以及許多零件的各種槽、 溝、孔的局部硬化處理。對(duì)于表面積很大的工件一導(dǎo)軌、主軸、轉(zhuǎn)軸、軸、桿等而言， 運(yùn)用等離子弧表面淬火來獲得連續(xù)的硬化層也頗有前途。同樣作為新型表面淬火技術(shù)， 等離子弧熱源是僅次于激光熱源的高能量密度熱源，用等離子弧熱源進(jìn)行表面淬火具有 與激光淬火相同的一些優(yōu)點(diǎn)，更具有激光淬火無法比擬的顯著優(yōu)點(diǎn)： ( 1 ) 等離子弧表面淬火設(shè)備只需在普通應(yīng)用的等離子弧發(fā)生器的基礎(chǔ)上作些改進(jìn) 即可實(shí)現(xiàn)表面淬火要求，在技術(shù)上、制造上都很容易實(shí)現(xiàn)。而目前國內(nèi)只能生產(chǎn)功率較 低的激光表面淬火設(shè)備，限制了激光表面淬火技術(shù)的應(yīng)用范圍： ( 2 ) 在激光淬火前，工件需進(jìn)行磷化( 即黑化) 處理，以提高光的吸收系數(shù)，這 樣就增加了淬火工序，并且，黑化質(zhì)量對(duì)激光熱處理的效果影響很大，而等離子表面淬 火不需類似的工序即可完成； ( 3 ) 由于技術(shù)和設(shè)各的原因，目前激光器的工業(yè)效率( 即電光能量轉(zhuǎn)換效率) 很 低，不超過1 5 ，而等離子弧表面淬火設(shè)備的熱效率要高出許多； 5 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 ( 4 ) 激光表面淬火設(shè)備的價(jià)格昂貴，體積龐大，對(duì)操作人員的技術(shù)要求高，造成 安裝場(chǎng)地要求高，生產(chǎn)成本高，而等離子弧表面淬火設(shè)備價(jià)格便宜，體積小，降低了生 產(chǎn)成本； ( 5 ) 由于激光設(shè)備的原因，激光淬火在內(nèi)孔表面等部位的淬火長度受到限制，等 離子弧表面淬火通過采用合適的工裝，可以實(shí)現(xiàn)對(duì)深孔表面強(qiáng)化。 當(dāng)然，等離子弧表面淬火也存在一些不足。等離子弧表面淬火外部影響因素很多， 在淬火過程中都需要控制，對(duì)實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的淬火工藝增加了難度。等離子弧表面淬火對(duì)于 工件的小的局部，窄的溝、槽等表面實(shí)現(xiàn)比較困難，而且，硬化層深度較淺，有一定的 應(yīng)用限制。 11 2 等離子弧表面淬火技術(shù)及其發(fā)展 等離子體技術(shù)是2 0 世紀(jì)6 0 年代以來，在物理學(xué)、化學(xué)、電子學(xué)、真空技術(shù)等學(xué)科 交叉發(fā)展的基礎(chǔ)上形成的- - i 新興學(xué)科 _ 7 1 。采用等離子體技術(shù)可使物質(zhì)通過吸收電能 實(shí)現(xiàn)一系列傳統(tǒng)化學(xué)所不能實(shí)現(xiàn)的新的化學(xué)反應(yīng)。4 0 年來，等離子體技術(shù)在電子學(xué)、 化學(xué)、物理學(xué)、醫(yī)藥學(xué)、生物學(xué)、高分子科學(xué)、環(huán)境科學(xué)、材料學(xué)、冶金化工、輕工紡 織等廣泛領(lǐng)域以應(yīng)用為中心的技術(shù)開發(fā)十分活躍1 1 8 1 。而等離子弧表面淬火技術(shù)又是近十 年來出現(xiàn)的一種很有前途的表面熱處理技術(shù)。該技術(shù)是對(duì)金屬進(jìn)行非接觸式加熱，沒有 機(jī)械應(yīng)力作用，而且加熱速度和冷卻速度快，熱應(yīng)力也小，因此處理后工件的變形很 小，生產(chǎn)效率高。它與激光表面淬火都是無污染且高效率的表面淬火方法。但等離子弧 的熱源裝置筒單，工作成本低，操作方便。所以，它在定范圍內(nèi)可以替代激光熱源。 等離子弧表面淬火技術(shù)在工業(yè)發(fā)達(dá)國家?guī)缀跬瑫r(shí)進(jìn)行了可行性研究。其中，美國、 俄羅斯、日本、德國等激光表面技術(shù)先進(jìn)的國家在等離子弧表面淬火技術(shù)方面也處于領(lǐng) 先地位。據(jù)有關(guān)資料介紹，美國、俄羅斯等國家早在二十世紀(jì)八十年代就已經(jīng)完成實(shí)驗(yàn) 室研究階段，開始應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。并且取得了良好的經(jīng)濟(jì)效益。我國對(duì)等離子弧表面 淬火技術(shù)的研究落后于西方國家多年，八十年代末，我國的研究人員才開始進(jìn)行機(jī)理性 試驗(yàn)研究，工業(yè)化開發(fā)至今剛剛起步。 目前，國外的等離子弧表面淬火技術(shù)比較成熟且自動(dòng)化水平也很高，國內(nèi)對(duì)等離子 弧表面淬火的工藝性和淬火效果的研究較多。如何實(shí)現(xiàn)淬火過程的自適應(yīng)功能研究尚 6 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 少。本文就是以提高工藝穩(wěn)定性為目的，對(duì)p l c 控制等離子弧表面淬火設(shè)備進(jìn)行了研 究，為今后等離子弧表面淬火工藝的廣泛推廣應(yīng)用做準(zhǔn)備和鋪墊工作。 等離子弧自二十世紀(jì)二十年代被開發(fā)成功以來，以其熱源裝置簡(jiǎn)單，工作成本低， 操作方便等優(yōu)點(diǎn)，表現(xiàn)出巨大的發(fā)展?jié)摿?。七十年代能源危機(jī)的出現(xiàn)，更加速了它的發(fā) 展。等離子弧作為高能量密度的熱源被廣泛應(yīng)用于工業(yè)多種領(lǐng)域。等離子弧焊接、等離 子弧切割、等離子弧噴涂等技術(shù)，己為人們所熟知【l 。進(jìn)入八十年代，又先后出現(xiàn)了等 離子弧加熱切削，等離子弧加熱旋壓波紋管等新技術(shù)、新工藝l ，同時(shí)，伴隨著激光表 面淬火技術(shù)的迅速發(fā)展，給人們研究等離子弧表面淬火以很大的希望。 在國內(nèi)，等離子弧表面淬火的具體應(yīng)用如下1 2 1 l ：內(nèi)燃機(jī)搖臂件，材料為4 5 ，經(jīng)等 離子弧表面淬火后可達(dá)到硬度5 8 6 2 h r c ，回火后5 2 5 5 h r c ，淬火層深為2 m m ，并 使用等離子弧表面淬火機(jī)床，顯著提高產(chǎn)品質(zhì)量和性能，實(shí)現(xiàn)了工藝半自動(dòng)化。汽車掛 車的無芯軌道，材料q t 5 0 5 ，經(jīng)淬火后硬度達(dá)4 0 5 0 h r c ，徑向變形量不超過 o 0 3 m m ，并顯著提高了耐磨性。噴塑機(jī)絲杠，不僅提高硬度，還保證了強(qiáng)度。采用等 離子弧表面淬火新工藝對(duì)換熱器生產(chǎn)線的托輥進(jìn)行了表面淬火，托輥的材質(zhì)為4 5 c r 鋼，表面淬火硬度達(dá)到5 0 6 0 h r c 。托輥無變形，淬火層的機(jī)械性能和使用壽命明顯 提高。對(duì)油田井下沖擊鉆具缸套表面進(jìn)行等離子弧表面淬火，實(shí)現(xiàn)了對(duì)長工件深孑l 內(nèi)表 面的淬火要求。另外，還用于工模具、玻璃馬賽克軋輥、機(jī)床導(dǎo)軌等零件，均取得了良 好效果。近年來在等離子表面淬火領(lǐng)域中又取得了一些新的進(jìn)展，其中較為突出的是對(duì) 淬火用等離子束流截面功率密度分布的研究和在等離子束掃描淬火的同時(shí)進(jìn)行多元共滲 合金化閻。該技術(shù)已在內(nèi)燃機(jī)氣缸套中大面積推廣使用，收到了很好的效果1 2 3 。國 外，工業(yè)發(fā)達(dá)的國家尤以俄羅斯、美國、日本、德國等激光表面淬火技術(shù)先進(jìn)的國家在 等離子弧表面淬火技術(shù)方面也處于領(lǐng)先地位。日本在九十年代初就研究了等離子弧表面 淬火的條件和金相組織1 2 4 1 ，并用小口徑噴嘴進(jìn)行碳鋼的等離子弧表面淬火口”，證明如 果考慮加熱方法，則和激光同樣可進(jìn)行局部硬化。前蘇聯(lián)將等離子弧表面淬火法成功地 用于強(qiáng)化鑄鐵軋輥，使軋輥使用壽命提高了1 4 6 倍，獲得很大經(jīng)濟(jì)效益閉。后又用氬 熱等離子弧噴射局部硬化高碳鋼，同樣獲得良好效果 2 7 1 。m v s e l i v a n o v 用以氬為源離 子的等離子弧發(fā)生器硬化鑄鐵部件幽 ，研究其抗磨層特性，其硬度可達(dá)5 2 6 0 h r c 。 7 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 v v g r i s h a n o v 等將激光表面淬火工藝和等離子弧表面淬火工藝相結(jié)合【”i ，證明可有效 的避免表面裂紋、涂層剝落、工件翹曲的缺陷。y m d o m b r o v s k i i 用空氣等離子弧掃描 7 0 號(hào)高碳鋼表面p o 3 ”，進(jìn)行表面強(qiáng)化，表面硬化層寬為4 0 m m ，厚2 5 r a m ，并對(duì)處理 后金屬表面的機(jī)械性能進(jìn)行了研究，論證了結(jié)構(gòu)強(qiáng)度的變化。a g s a a k o v 提出等離子 弧強(qiáng)化輪副口2 1 ，可以有效的提高其接觸疲勞應(yīng)力。 1 3 等離子弧表面淬火設(shè)備的研究現(xiàn)狀 由于等離子弧表面淬火技術(shù)是一項(xiàng)綜合性的高新技術(shù)，等離予弧的影響因素較多， 淬火重復(fù)性差，必須采取自動(dòng)控制才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的淬火過程田1 。國外在在等離子弧表面 設(shè)備和自動(dòng)化控制方面研究的較早，也取得了很大的成就，并已應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)。國內(nèi) 在這方面還處于研究階段。 等離子弧表面淬火要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的淬火過程，其中尤以等離子弧表面淬火專用電源最 為關(guān)鍵。等離子弧表面淬火電源是空載電壓約為7 0 8 0 伏，并要求其外特性是陡降的 專用直流電源。該電源與等離子弧弧焊接電源相似。由于沒有等離子弧表面淬火專用電 源，目前以弧焊電源作為等離子弧表面淬火加熱電源。 等離子電弧所采用的電源，一般為具有陡降外特性的直流電源。自上二十世紀(jì)七十 年代以來采用過普通旋轉(zhuǎn)式直流電源、硅整流式電源、可控硅式電源和逆變式電源等作 為等離子弧電源 3 4 - - 3 6 。 目前，旋轉(zhuǎn)式直流電源和硅整流式直流電源已被可控硅式直流電源和逆變式直流電 源所取代。 在二十世紀(jì)六十年代初，隨著大功率晶閘管的問世，出現(xiàn)了以晶閘管為整流元件的 電源一晶閘管式電源( 又稱可控硅式直流電源) 。由于其本身具有良好的可控性，因 而，對(duì)外特性形狀的控制、工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)，都可以通過改變晶閘管的導(dǎo)通角來實(shí)現(xiàn)， 而無需要磁放大器。該電源的性能更優(yōu)于磁放大器式硅整流器，已成為目前一種主要的 直流電源。日本已用晶閘管式整流器逐步代替磁放大式整流器。德國、芬蘭、美國、英 國等許多大的電源公司也大多生產(chǎn)晶閘管式電源。我國的科研人員于二十世紀(jì)六十年代 后期開始了這方面的研究工作，并研制成功了z x 5 系列和z d k - 5 0 0 型晶閘管式直流電 源。 8 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 早在二十世紀(jì)七卜年代初，逆變器已應(yīng)用于中頻加工領(lǐng)域。1 9 7 8 年開始出現(xiàn)了晶 閘管式弧焊逆變器，1 9 8 1 年又出現(xiàn)晶體管式弧焊逆變器。在1 9 8 1 年世界焊接與切割博 覽會(huì)上，首次展出四個(gè)廠家的晶閘管式和晶體管式弧焊逆變器，主要用于焊條電弧焊、 低壓引弧式的鎢極氬弧焊和c 0 2 氣體保護(hù)焊，最大電流為3 5 0 a 。 1 9 8 9 年在同樣的博覽會(huì)上已有3 0 多個(gè)廠家展出逆變式電源。除場(chǎng)效應(yīng)管、晶體管 式逆變器以較大的比例增加外，開始出現(xiàn)i g b t 式逆變器，最大容量達(dá)5 0 0 a ，其用途 進(jìn)一步擴(kuò)大到等離子弧切割、微機(jī)控制等。 在1 9 9 3 年的焊接與切割博覽會(huì)上，絕大多數(shù)參展公司均推出他們的逆變式電源產(chǎn) 品，并出現(xiàn)了場(chǎng)效應(yīng)管式和i g b t 式并舉的格局，技術(shù)水平達(dá)到了新的境界，額定電流 1 3 0 a 、負(fù)載持續(xù)率為3 5 的場(chǎng)效應(yīng)管式逆變器，質(zhì)量僅有4 k g ，逆變頻率為l o o 1 3 0 k h z 。 在我國，逆變式電源的發(fā)展速度也很快，前景十分可觀。上世紀(jì)七十年代末，我國 著手研制晶閘管逆變式電源，8 0 年代初取得初步成果。特別可喜的是，1 9 8 2 年我國華 南理工大學(xué)的學(xué)者在德國首次研制出世界第一臺(tái)場(chǎng)效應(yīng)管式逆變式電源實(shí)驗(yàn)樣機(jī)，麗大 功率場(chǎng)效應(yīng)管在1 9 8 1 年才出現(xiàn)在世界工業(yè)博覽會(huì)上。1 9 8 9 年又出現(xiàn)新型大功率開關(guān)元 件i g b t ，1 9 9 0 年華南理工大學(xué)就研制出i g b t 逆變式電源。上述兩種逆變器的逆 變頻率分別為5 0 k h z 和2 0 k h z 。3 1 5 a 場(chǎng)效應(yīng)管逆變式電源質(zhì)量僅為2 0 k g 多，效率達(dá) 8 8 6 ；6 3 0 a i g b t 式弧焊逆變器的質(zhì)量僅為5 0 k g 多。目前部分弧焊器已進(jìn)入小批量 的生產(chǎn)階段，正在為大批量生產(chǎn)和大面積推廣作努力，以m o s f e t 和i g b t 為主并舉 發(fā)展，可應(yīng)用于焊條電弧焊、m a g c o z m i g 焊、等離子弧焊和空氣等離子弧切割、矩 形波交流弧焊、機(jī)器人焊接，以及電腦控制的高性能焊接等場(chǎng)合。具有更新?lián)Q代意義的 高效、節(jié)能、重量輕、體積小的逆變式電源，自上個(gè)世紀(jì)末問世以來已有了很大發(fā)展， 并被榮稱為“明天的電源”。 1 4 本課題的提出 目前使用的等離子弧表面淬火電源存在以下問題：在采用轉(zhuǎn)移型等離子弧進(jìn)行表面 淬火過程中，由于起弧的瞬間噴嘴與工件的電路瞬時(shí)接通存在工作電流、電壓的突變， 產(chǎn)生起弧部位過熱熔化，溝、槽斷弧和邊界過熱問題，嚴(yán)重影響工件的表面質(zhì)量；在淬 。9 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 火過程中，由于工藝條件( 等離子弧噴嘴和鎢極的燒損等) 的逐漸變化，會(huì)導(dǎo)致設(shè)定的 電源參數(shù)不合適而影響淬火表面的硬度和深度，現(xiàn)有電源不具有自適應(yīng)功能，因此影響 工藝的穩(wěn)定性。 基于上述原因，本課題以實(shí)現(xiàn)等離子弧表面淬火的自適應(yīng)功能，在前人研究成果的 基礎(chǔ)上，設(shè)計(jì)等離子表面淬火的p l c 控制。并利用現(xiàn)有的淬火電源，對(duì)等離子表面淬 火加熱電源進(jìn)行閉環(huán)控制。以穩(wěn)定電弧的能量為控制目標(biāo)量，電源輸出的電流和電壓為 反饋信號(hào)，對(duì)等離子弧表面淬火電源進(jìn)行控制。我們利用這套設(shè)備和事先準(zhǔn)備好的材料 進(jìn)行了試驗(yàn)，對(duì)采集到的數(shù)據(jù)進(jìn)行分析。最終得出了淬火過程中電流和電壓的變化關(guān) 系，根據(jù)變化關(guān)系，用p l c 進(jìn)行補(bǔ)償淬火電壓，從而使淬火過程更加穩(wěn)定，效果更加 理想。此項(xiàng)研究為等離子弧表面淬火技術(shù)的推廣應(yīng)用奠定了基礎(chǔ)。 1 5 本課題研究的目的和內(nèi)容 由于等離子弧的影響因素較多，淬火重復(fù)性較差，必須采取自動(dòng)控制才能實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定 的淬火過程，其中等離子弧加熱電源的性能是最為關(guān)鍵。由于沒有等離子弧表面淬火專 用電源，目前，以硅整流式弧焊機(jī)、可控硅整流式弧焊機(jī)等作為等離子弧表面淬火加熱 電源。雖然傳統(tǒng)的弧焊電源的技術(shù)比較完善，但是用于等離子表面淬火電源還存在以下 問題： ( 1 ) 小弧轉(zhuǎn)到大弧時(shí)，產(chǎn)生的電流沖擊容易造成工件表面燒傷。 ( 2 ) 在淬火過程中，由于工藝條件( 鎢極、噴嘴燒損等) 的變化，會(huì)導(dǎo)致設(shè)定參數(shù) 不合理，而現(xiàn)有電源不具有自適應(yīng)功能，因此影響工藝的穩(wěn)定性，因而限制了該技術(shù) 的應(yīng)用推廣。以模糊邏輯、人工神經(jīng)網(wǎng)絡(luò)和專家系統(tǒng)為標(biāo)志的人工智能技術(shù)成為控制 領(lǐng)域中的重要研究方向，取得了很多重大的理論成果，并在實(shí)際中有大量成功的應(yīng)用 實(shí)例。為了適應(yīng)等離子弧表面淬火工藝自動(dòng)化的需要，研制開發(fā)各種微機(jī)控制式的自 動(dòng)化等離子弧表面淬火設(shè)備已成為一大趨勢(shì)。 由于等離子弧的影響因素較多，等離予表面淬火技術(shù)雖然在部分廠家進(jìn)行了應(yīng)用， 取得了良好的效果，但由于受到自動(dòng)化控制水平和工藝穩(wěn)定性的限制，目前還未能形成 穩(wěn)定的工業(yè)生產(chǎn)工藝，限制了該技術(shù)的推廣應(yīng)用。基于上述原因，本課題以實(shí)現(xiàn)工業(yè)生 產(chǎn)為目的，在前人研究成果的基礎(chǔ)上，通過分析不同條件下等離子表面淬火溫度場(chǎng)與金 1 0 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 屬相變過程的關(guān)系，對(duì)各種工件材料進(jìn)行等離子弧表面淬火工藝參數(shù)優(yōu)化，升發(fā)等離子 弧表面淬火工藝參數(shù)優(yōu)化控制的專家系統(tǒng)，從而降低對(duì)操作者技術(shù)水平的要求。具體內(nèi) 容如f ： ( 1 ) 利用p l c ，以穩(wěn)定等離子電弧的能量為目標(biāo)，以電源輸出的電流和電壓為采樣 信號(hào)，對(duì)等離子弧表面淬火加熱專用電源進(jìn)行摔制。 ( 2 ) 在此控制系統(tǒng)的基礎(chǔ)地上，利用實(shí)驗(yàn)室已有的實(shí)驗(yàn)設(shè)備，對(duì)具有典型意義的 4 5 、4 0 c r 、球墨鑄鐵等材料進(jìn)行實(shí)驗(yàn)。通過改變加熱功率、掃描速度、掃描螺距、噴嘴 的孔徑等_ _ _ = 藝參數(shù)，分析淬火過程中后材料的表面硬度層分布和金相組織。取得等南子 弧表面淬火最佳工藝參數(shù)的一般規(guī)律和推理方法，為建立等離子弧表面淬火工藝參數(shù)優(yōu) 化控制的專家系統(tǒng)打下基礎(chǔ)。 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 2 等離子弧的基本原理及系統(tǒng)設(shè)備的組成 完全電離或部分電離的氣體，即等離子體。等離子體是能夠?qū)щ姷臍怏w，它是由負(fù) 的電子、正的離子或部分原子和分子組成的混合物p ”。它類似氣體，并服從氣體的規(guī) 律。當(dāng)工作時(shí)，在陰極和陽極之問加一高頻高壓電，使其間的氣體介質(zhì)電離形成電弧， 此電弧柱在經(jīng)過細(xì)孑l 道的噴嘴時(shí)被強(qiáng)迫縮小，這種作用稱為“機(jī)械壓縮”。同時(shí)通過的 高壓氣體介質(zhì)均勻地包圍在電弧周圍，使弧柱受到強(qiáng)烈地冷卻，迫使帶電粒子流向弧柱 中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮，這種作用稱“熱壓縮”。此外帶電粒子在弧柱中的運(yùn)動(dòng) 可看成是在一束平行的“導(dǎo)線”內(nèi)移動(dòng)，其自身地磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力，使這些“導(dǎo) 線”互相吸引靠近，弧柱又進(jìn)一步被壓縮，這種壓縮作用稱為“磁壓縮”。在上述三種 壓縮作用下，弧柱被縮小到很細(xì)的范圍內(nèi)，并且由柔性變?yōu)閯傂?，能量密度高度集中?稱為等離子弧。用這種等離子弧加熱工件表面能形成很大的溫度梯度，可使工件表面薄 層內(nèi)迅速升溫至熔點(diǎn)或者相變溫度以上，弧柱移走后依靠工件自身的熱傳導(dǎo)，加熱區(qū)迅 速冷卻，形成細(xì)密的白口或隱針馬氏體類的高硬度組織，提高表面的硬度與耐磨性，而 且處理工件變形小、效率高。 2 1 等離子弧的結(jié)構(gòu)形式 根據(jù)導(dǎo)電方式，可將等離子弧結(jié)構(gòu)分為三種形式。 ( 1 ) 非轉(zhuǎn)移型等離子弧 用這種等離子弧加工時(shí)，工件不接電源。軸向分布不均勻。這種等離子弧的形式是 在電極與噴嘴之間通以氣體，在外加電場(chǎng)作用下，從陰極激發(fā)的電子，使氣體電離，而 產(chǎn)生等離子弧。其特點(diǎn)是以噴嘴約束電弧直徑，同時(shí)噴嘴為電弧的陽極，工件不接電 路。這種電弧熱的有效利用率不高。 ( 2 ) 轉(zhuǎn)移型等離子弧 這種等離子弧，工件是導(dǎo)體并作為陽極，噴嘴用來約束電弧，在工作狀態(tài)時(shí)，噴嘴 不接入電路，但在產(chǎn)生這種等離子弧之前，需要先引燃較小電流的非轉(zhuǎn)移型等離子弧， 并使其焰流接觸工件，以焰流作為導(dǎo)體來溝通電極與工件之間的電流通路。當(dāng)轉(zhuǎn)移弧電 路接通時(shí)，則電流由工件經(jīng)過噴嘴中心通向電極，使通過噴嘴中心的氣體得到高度電 一1 2 一 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 離，而形成等離子弧。同時(shí)用繼電器切斷起初引弧用的非轉(zhuǎn)移型等離子弧。存在于電極 和工件之間的電弧，稱為轉(zhuǎn)移型等離子弧。它的特點(diǎn)是：噴嘴能對(duì)弧柱進(jìn)行良好的壓 縮，使弧柱有很高的能量密度，由于工件是陽極，熱的有效利用率高。 ( 3 ) 聯(lián)合型等離子弧 這種等離子弧是非轉(zhuǎn)移型等離子弧與轉(zhuǎn)移型等離子弧聯(lián)合而成的。在工作過程中， 轉(zhuǎn)移與非轉(zhuǎn)移型等離子弧同時(shí)存在。在微束等離子弧使用過程中，可使電弧穩(wěn)定。 2 2 等離子弧的伏安特性 除了金屬、電解質(zhì)可以導(dǎo)電外，在一定的條件下氣體也可以導(dǎo)電口射。在通常的情況 下，氣體的分子是中性的，僅有極少量的離子，所以氣體是良好的絕緣體。但是，氣體 中如有足夠多的電子和離子存在，那么在氣體中也能產(chǎn)生電流，即氣體導(dǎo)電。金屬導(dǎo)電 時(shí)，導(dǎo)電部分的電流和電壓之間的關(guān)系遵循歐姆定律而氣體導(dǎo)電時(shí)，其導(dǎo)電部分電流 與電壓的關(guān)系也遵循歐姆定律，但是一個(gè)復(fù)雜的關(guān)系，這是因?yàn)榻饘賹?dǎo)電時(shí)，在整個(gè)導(dǎo) 電區(qū)間其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)基本不發(fā)生變化，而氣體放電時(shí)，在不同條件下和不同的導(dǎo)電區(qū)間， 其導(dǎo)電機(jī)構(gòu)也顯著不同。在較小的電流區(qū)間，氣體導(dǎo)電所需要的帶電粒子不能通過導(dǎo)電 過程本身產(chǎn)生，而需要外加措施來造成帶電粒子，隨著外加措施的有無，決定了帶電粒 子的存在與否，即決定了它的導(dǎo)電性能。這種氣體導(dǎo)電現(xiàn)象稱為非自持放電。當(dāng)電流大 于一定數(shù)值時(shí)，氣體導(dǎo)電過程本身就可以產(chǎn)生維持導(dǎo)電所需要的帶電粒子，這種氣體放 電只在開始時(shí)需要外加措旌制造帶電粒子，一旦放電開始取消外加措施，放電過程仍可 以自己繼續(xù)下去，放電過程自身能產(chǎn)生維持放電所需的帶電粒子，這時(shí)的過程稱為自持 放電區(qū)間。當(dāng)電流再繼續(xù)增加，即進(jìn)入了輝光放電區(qū)。其伏安特性如圖2 1 所示： 圖2 1 氣體放電的伏安特性 1 3 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 電弧是幾種自持放電形式中電壓最低、電流最大、溫度最高、發(fā)光最強(qiáng)的一種 氣體放電現(xiàn)象。因此，電弧在工業(yè)中作為熱源被廣泛使用。等離子弧伏安特性即指 電弧電壓與電流的關(guān)系，它們通過電阻聯(lián)系起來。等離子弧柱電阻與弧長成正比， 與弧柱橫截面積及電導(dǎo)率的乘積成反比，由此得： 月：上( 2 1 ) 冊(cè) 式中：，一電弧長度： p 一弧柱電導(dǎo)率； s 弧柱截面積： r 弧柱電阻。 由于p ，s 均為電流的函數(shù)，所以弧柱電阻也可以表示為電流的函數(shù) r = c f ( i ) “導(dǎo) ( 2 2 ) 其中：c ，d 為常系數(shù)。 則電壓為： u = 職= c 1 1 4 ( 2 3 ) 當(dāng)d l 時(shí)，隨電流的增大電壓降低，形成下降伏安特性； 當(dāng)d 一1 時(shí)，電弧電壓不隨電流而變化，形成平的伏安特性； 當(dāng)d l 時(shí)，隨電流的增加電壓升高，形成上升伏安特性。 弧長一定，電流較小時(shí)，隨著電流的增大，電壓降低。因?yàn)椋S電流的增加，溫度 升高，結(jié)果使弧柱電阻減小，電壓下降。但當(dāng)電流增加到一定值時(shí)，電離度達(dá)到飽和， 就會(huì)形成平的甚至上升的伏安特性。表面熱處理用等離子弧的伏安特性曲線是一條開始 下降，而后稍平略有上升的曲線，如圖2 2 中曲線1 所示： 。1 4 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 u i 圖2 2 等離子弧的伏安特性曲線( 1 ) 和電源外特性曲線( 2 ) 在等離子弧中，由于噴嘴限制了弧柱尺寸的增大，造成了其伏安特性與自由電 弧的差別。這種差別表現(xiàn)在兩方面：一方面，等離子弧通常有較高電壓；另一方 面，等離子弧比較容易形成平的及上升的特性。另外，噴嘴直徑的不同對(duì)電弧的伏 安特性也有很大的影響，如圖2 3 所示： u i 圈2 3 噴嘴直徑不同時(shí)的伏安特性藍(lán)線 在等離子弧柱中，電位梯度是比較低的，同時(shí)其數(shù)值受氣體種類、氣體壓力 ( 流量) 、電極材料、電弧的冷卻以及處界的機(jī)械力和電磁力等外界因素的影響， 其中氣體的種類極大影響著弧電壓。 惰性氣體( 如氬氣和氦氣等) 不形成分子，其熱電離所需的能量比多原子氣體小得 多，因此等離子弧電壓較低。此外增加電弧周圍介質(zhì)的氣體壓力，等離子弧電壓升高， 如圖2 4 、圖2 5 所示： 一1 5 沈陽工業(yè)大學(xué)碩士學(xué)位論文 u 圖2 4 工作氣體流量對(duì)伏安特性曲線的影響圖2 5 保護(hù)氣對(duì)伏安特性曲線的影響 在等離子弧中，氣體的電離度比自由電弧更高，導(dǎo)電截面被壓縮的更小，能量密度 更高，溫度更高，具有很高的導(dǎo)電導(dǎo)熱性能，并且比一般電弧穩(wěn)定。 2 3 等離子弧的特點(diǎn) 由于等離子的作用，等離子弧在工作中具有“機(jī)械