等離子體在機械工程中的應用課件

等離子體弧在機械工程中的應用武文斌教授河南工業(yè)大學機電工程學院

2011年9月等離子體弧在機械工程中的應用1非傳統(tǒng)加工的概念非傳統(tǒng)加工（Non-TraditionalMachining)

是指應用物理的（力、熱、聲、光、電）或化學的方法，對具有特殊要求或特殊加工對象（難加工材料、形狀復雜或尺寸微小件、低剛度工件等）進行加工的手段。也稱特種加工。非傳統(tǒng)加工的概念非傳統(tǒng)加工21等離子體弧的基本知識1.1什么是等離子體？1.2等離子體弧的特點1.3等離子體弧的種類1等離子體弧的基本知識1.1什么是等離子體？3

當任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵作用后,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,這樣原來中性氣體就因電離而轉(zhuǎn)變成由大量自由電子、正電離子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106K--108K，在太陽表面、核聚變和激光聚變中獲得。低溫等離子體的溫度為室溫到3х104K，其中熱等離子體一般為稠密等離子體。當任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵作用后,4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電離燃燒等離子體的產(chǎn)生人工等離子體放電激光照射放射線真空紫外線5

利用電場作用獲得等離子體利用電場作用獲得等離子體6等離子體科學等離子體是包含足夠多的正負電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng)。等離子體科學是一門典型的物理、化學和材料等學科的交叉科學，它包含了電磁學、空氣動力學、化學反應動力學和表面科學等分支學科。等離子體科學等離子體是包含足夠多的正負電荷數(shù)目近于相等的帶電71.2等離子體弧的特點溫度高能量集中有高的導電和導熱性能具有較大的沖擊力比一般電弧穩(wěn)定各項有關參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍廣等離子體弧柱1.2等離子體弧的特點溫度高能量集中等離子體弧柱81.3等離子體弧的種類[1]非轉(zhuǎn)移型等離子體弧[2]轉(zhuǎn)移型等離子體弧[3]聯(lián)合型等離子體弧1.3等離子體弧的種類[1]非轉(zhuǎn)移型等離子體弧[2]轉(zhuǎn)移型9采用回旋氣流法原理的噴槍采用回旋氣流法原理的噴槍102等離子體弧在機械工程中應用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2.6等離子體噴涂2.7等離子體拋光

2等離子體弧在機械工程中應用2.1等離子體弧切割112.1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，隨著弧柱的移動而形成裂縫。由于弧柱溫度高、能量集中，不管金屬的熔點多高，導熱性能如何好，粘滯性如何大，可以對目前的絕大部分金屬進行切割，而且切削速度快、裂縫光潔、成本低。半自動仿形切割水下切割多件切割示意圖2.1等離子體弧切割等離子體弧切割的原理主要是12

右圖為等離子體弧切割示意圖。直流電源供電，鎢電極接陰極，工件接陽極，兩極之間通以工作氣體。由于高速流動的電子與氣體原子、分子發(fā)生激烈碰撞使之電離，形成強大的等離子電弧和高速等離子流，將融化金屬從割口吹除形成連續(xù)割口。2.1.1等離子體弧切割基本原理右圖為等離子體弧切割示意圖。直流電源供電，鎢電極接13氣割與等離子弧切割對比氣割與等離子弧切割對比14◆高精度等離子體弧切割技術

◆電極和噴嘴壽命的提高（新材料）

◆等離子體弧切割設備的自動化、數(shù)控化（開放式，操作系統(tǒng)）

2.1.2等離子體弧切割技術發(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,歐洲主要采用場效應晶體管。①大功率②高頻率◆高精度等離子體弧切割技術◆電極和噴嘴壽命的提高（新材料）15幾種厚度變化的工件幾種厚度變化的工件16

如圖為15mm/s速度下，8mm厚度板切割后的試件如圖為15mm/s速度下，8mm厚度板切17對斜板、階梯板進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較斜板嚴重階梯板的熱影響區(qū)寬度有明顯的變化對斜板、階梯板進行的等離子切割情況斜板的切割質(zhì)量隨著板厚的變18等離子弧切割實例—破口等離子弧切割實例—破口192.2等離子體弧焊接

等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發(fā)展起來的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態(tài)下的自由電弧，簡稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強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2.2等離子體弧焊接等離子弧焊是在鎢極氬弧焊20等離子體表面修復技術

熔覆修復宏觀形貌等離子體表面修復技術熔覆修復宏觀形貌21(a)

光學照片(40×)(b)

掃描電鏡照片(1000×)熔覆層與基體結合面的微觀形貌(a)光學照片(40×)(b)掃描電鏡照片(1000×)22等離子體在機械工程中的應用課件232.2等離子體弧焊接等離子弧焊接的特點：[1]能量集中、熔深大、焊縫窄、熱影響??；[2]焊件不開坡口，單面焊雙西瓜形，生產(chǎn)率高；[3]電弧調(diào)節(jié)性能好(電弧粗細長短、剛?cè)?、溫度高低可調(diào))，穩(wěn)定，對弧長變化敏感性小，便于操作掌握；[4]焊接設備比較容易加工制造。2.2等離子體弧焊接等離子弧焊接的特點：242.3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)展起來的金屬板件成形技術，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而產(chǎn)生非均勻熱應力場，當熱應力超過材料相應溫度下的屈服極限時，便會在材料內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，使板材成形為預期要求的形狀。

等離子體弧柔性成形示意圖2.3金屬薄板等離子體弧柔性成形金屬薄板等25水火彎板機器人水火彎板機器人26等離子體弧柔性成形設備等離子體弧柔性成形設備27(a)t=0.5208s(b)t=2.083s(c)t=8.854s(d)t=13.542s溫度場的動態(tài)變化過程

(a)t=0.5208s28(a)t=1.042s(b)t=5.208s板的變形情況(a)t=1.042s29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等離子體弧成形件等離子體弧成形件30成形件展示汽車門板雛形S形成形件成形件展示汽車門板雛形S形成形件31成形件展示封閉圓筒件成形不同半徑的圓弧成形件展示封閉圓筒件成形不同半徑的圓弧32等離子體在機械工程中的應用課件332.4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成形,經(jīng)被襯、脫模、強化等處理,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示意圖等離子熔射成形技術342.4等離子熔射成形

等離子熔射成形薄壁件關鍵步驟圖解2.4等離子熔射成形等離子熔射成形薄壁件關鍵步驟圖解352.5等離子體表面改性技術

材料表面處理技術是目前材料科學的前沿領域,利用它在一些表面性能差和價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,已廣泛應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)勢和低廉成本，已成為材料科學領域最活躍的研究方向之一。2.5等離子體表面改性技術材料表面處理技術是目前36等離子體表面改性技術主要內(nèi)容

1、低壓（冷）等離子體表面處理技術（1）、濺射和離子鍍（2）、離子注入（3）、等離子化學熱處理2、熱等離子體表面處理技術（1）、等離子噴涂（2）、等離子束表面淬火與合金共滲相變強化（3）、等離子束熔覆（4）、微等離子體氧化等離子體表面改性技術主要內(nèi)容1、低壓（冷）等離子體表面處37試樣基體及未處理齒顯微組織(150x)

齒與槽部分顯微組織(25x)

硬化層（齒）與基體顯微組織分布（50x）

硬化層（齒）顯微組織（2000x）

試樣基體及未處理齒顯微組織(150x)齒與槽部分顯微組織38等離子弧表面淬火處理后的SEM金相組織等離子弧表面淬火處理后的SEM金相組織392.6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)設置的電場作用下，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、耐熱、抗腐蝕、抗高溫氧化、隔熱等特點。

等離子體弧噴槍示意圖2.6等離子體噴涂等離子噴涂是以等離子弧為40等離子噴涂機器人等離子噴涂機器人41快速制造陶瓷零件技術快速制造陶瓷零件技術42納米結構WC-12Co涂層表面形貌（SEM）微米結構WC-12Co涂層表面形貌（SEM）等離子噴涂納米結構涂層納米結構WC-12Co涂層表面形貌（SEM）微米結構WC-1432.7等離子體拋光拋光后所獲得的表面形貌

500倍放大2.7等離子體拋光拋光后所獲得的表面形貌500倍放大44

歡迎指導

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45等離子體弧在機械工程中的應用武文斌教授河南工業(yè)大學機電工程學院

2011年9月等離子體弧在機械工程中的應用46非傳統(tǒng)加工的概念非傳統(tǒng)加工（Non-TraditionalMachining)

是指應用物理的（力、熱、聲、光、電）或化學的方法，對具有特殊要求或特殊加工對象（難加工材料、形狀復雜或尺寸微小件、低剛度工件等）進行加工的手段。也稱特種加工。非傳統(tǒng)加工的概念非傳統(tǒng)加工471等離子體弧的基本知識1.1什么是等離子體？1.2等離子體弧的特點1.3等離子體弧的種類1等離子體弧的基本知識1.1什么是等離子體？48

當任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵作用后,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,這樣原來中性氣體就因電離而轉(zhuǎn)變成由大量自由電子、正電離子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106K--108K，在太陽表面、核聚變和激光聚變中獲得。低溫等離子體的溫度為室溫到3х104K，其中熱等離子體一般為稠密等離子體。當任何不帶電的普通氣體在受到外界的高能激勵作用后,49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電離燃燒等離子體的產(chǎn)生人工等離子體放電激光照射放射線真空紫外線50

利用電場作用獲得等離子體利用電場作用獲得等離子體51等離子體科學等離子體是包含足夠多的正負電荷數(shù)目近于相等的帶電粒子的非凝聚系統(tǒng)。等離子體科學是一門典型的物理、化學和材料等學科的交叉科學，它包含了電磁學、空氣動力學、化學反應動力學和表面科學等分支學科。等離子體科學等離子體是包含足夠多的正負電荷數(shù)目近于相等的帶電521.2等離子體弧的特點溫度高能量集中有高的導電和導熱性能具有較大的沖擊力比一般電弧穩(wěn)定各項有關參數(shù)的調(diào)節(jié)范圍廣等離子體弧柱1.2等離子體弧的特點溫度高能量集中等離子體弧柱531.3等離子體弧的種類[1]非轉(zhuǎn)移型等離子體弧[2]轉(zhuǎn)移型等離子體弧[3]聯(lián)合型等離子體弧1.3等離子體弧的種類[1]非轉(zhuǎn)移型等離子體弧[2]轉(zhuǎn)移型54采用回旋氣流法原理的噴槍采用回旋氣流法原理的噴槍552等離子體弧在機械工程中應用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2.6等離子體噴涂2.7等離子體拋光

2等離子體弧在機械工程中應用2.1等離子體弧切割562.1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，隨著弧柱的移動而形成裂縫。由于弧柱溫度高、能量集中，不管金屬的熔點多高，導熱性能如何好，粘滯性如何大，可以對目前的絕大部分金屬進行切割，而且切削速度快、裂縫光潔、成本低。半自動仿形切割水下切割多件切割示意圖2.1等離子體弧切割等離子體弧切割的原理主要是57

右圖為等離子體弧切割示意圖。直流電源供電，鎢電極接陰極，工件接陽極，兩極之間通以工作氣體。由于高速流動的電子與氣體原子、分子發(fā)生激烈碰撞使之電離，形成強大的等離子電弧和高速等離子流，將融化金屬從割口吹除形成連續(xù)割口。2.1.1等離子體弧切割基本原理右圖為等離子體弧切割示意圖。直流電源供電，鎢電極接58氣割與等離子弧切割對比氣割與等離子弧切割對比59◆高精度等離子體弧切割技術

◆電極和噴嘴壽命的提高（新材料）

◆等離子體弧切割設備的自動化、數(shù)控化（開放式，操作系統(tǒng)）

2.1.2等離子體弧切割技術發(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,歐洲主要采用場效應晶體管。①大功率②高頻率◆高精度等離子體弧切割技術◆電極和噴嘴壽命的提高（新材料）60幾種厚度變化的工件幾種厚度變化的工件61

如圖為15mm/s速度下，8mm厚度板切割后的試件如圖為15mm/s速度下，8mm厚度板切62對斜板、階梯板進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較斜板嚴重階梯板的熱影響區(qū)寬度有明顯的變化對斜板、階梯板進行的等離子切割情況斜板的切割質(zhì)量隨著板厚的變63等離子弧切割實例—破口等離子弧切割實例—破口642.2等離子體弧焊接

等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發(fā)展起來的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態(tài)下的自由電弧，簡稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強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2.2等離子體弧焊接等離子弧焊是在鎢極氬弧焊65等離子體表面修復技術

熔覆修復宏觀形貌等離子體表面修復技術熔覆修復宏觀形貌66(a)

光學照片(40×)(b)

掃描電鏡照片(1000×)熔覆層與基體結合面的微觀形貌(a)光學照片(40×)(b)掃描電鏡照片(1000×)67等離子體在機械工程中的應用課件682.2等離子體弧焊接等離子弧焊接的特點：[1]能量集中、熔深大、焊縫窄、熱影響??；[2]焊件不開坡口，單面焊雙西瓜形，生產(chǎn)率高；[3]電弧調(diào)節(jié)性能好(電弧粗細長短、剛?cè)?、溫度高低可調(diào))，穩(wěn)定，對弧長變化敏感性小，便于操作掌握；[4]焊接設備比較容易加工制造。2.2等離子體弧焊接等離子弧焊接的特點：692.3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)展起來的金屬板件成形技術，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而產(chǎn)生非均勻熱應力場，當熱應力超過材料相應溫度下的屈服極限時，便會在材料內(nèi)部產(chǎn)生塑性變形，使板材成形為預期要求的形狀。

等離子體弧柔性成形示意圖2.3金屬薄板等離子體弧柔性成形金屬薄板等70水火彎板機器人水火彎板機器人71等離子體弧柔性成形設備等離子體弧柔性成形設備72(a)t=0.5208s(b)t=2.083s(c)t=8.854s(d)t=13.542s溫度場的動態(tài)變化過程

(a)t=0.5208s73(a)t=1.042s(b)t=5.208s板的變形情況(a)t=1.042s74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等離子體弧成形件等離子體弧成形件75成形件展示汽車門板雛形S形成形件成形件展示汽車門板雛形S形成形件76成形件展示封閉圓筒件成形不同半徑的圓弧成形件展示封閉圓筒件成形不同半徑的圓弧77等離子體在機械工程中的應用課件782.4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成形,經(jīng)被襯、脫模、強化等處理,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示意圖等離子熔射成形技術792.4等離子熔射成形

等離子熔射成形薄壁件關鍵步驟圖解2.4等離子熔射成形等離子熔射成形薄壁件關鍵步驟圖解802.5等離子體表面改性技術

材料表面處理技術是目前材料科學的前沿領域,利用它在一些表面性能差和價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,已廣泛應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)勢和低廉成本，已成為材料科學領域最活躍的研究方向之一。2.5等離子體表面改性技術材料表面處理技術是目前81等離子體表面改性技術主要內(nèi)容

1、低壓（冷）等離子體表面處理技術