層流電弧等離子體技術(shù)及其在材料熱加工中的應(yīng)用

層流電等離子技術(shù)及其在料熱加中的用

摘要

四川大制科學(xué)與工學(xué)院610065、涂、焊接及柔性技術(shù)方所軸梯小影響域、作命、可性。關(guān)鍵詞：

0在代熱工領(lǐng)域中，焊、切、熱噴涂、表熱處等加工應(yīng)廣。隨科學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，傳統(tǒng)的加工足新型材料及特殊結(jié)構(gòu)的加工要求。究其原因，是因?yàn)閭鹘y(tǒng)的加工熱源本身存在局限性，無法滿足新材料的加工要求。常用的傳統(tǒng)熱源如炔氧焰、氫氧應(yīng)用簡便，成本低，但其最高溫度只有℃右難加高點(diǎn)屬耐溫瓷材料；利用電弧放電產(chǎn)生的熱源多用于焊接領(lǐng)域，技術(shù)成熟，但對(duì)于特種焊接及陶瓷、復(fù)合材料的焊接卻難以實(shí)現(xiàn)。最近幾十年內(nèi)，高能束熱源研究速發(fā)展，以激光、電子束、熱等離子體的研究應(yīng)用最為廣泛，這三種熱流都具有很高的能量度，加工溫度高，升溫快。其中，激光的加工精度高，但激光器成本高，一次性投資大，功率也較小，目前工業(yè)用半導(dǎo)體泵浦激器最率為10kW能量轉(zhuǎn)效左右了工業(yè)上的推廣用[1]；電子束利用加速狀態(tài)電子轟擊工件產(chǎn)生熱能，屬于密微細(xì)加工方法，但加工條件復(fù)雜，需要整套專用設(shè)備真空統(tǒng)格昂電子轟料生的X線會(huì)損害人體細(xì)胞[，安全問題不容忽視。等離子體技術(shù)利用電能將普通氣體電離以產(chǎn)生等離子體，使等離子體攜帶能量并傳輸給工件和激光及電子束相比，具有加工應(yīng)用簡單，設(shè)備成本低，安全性高等優(yōu)點(diǎn)表1對(duì)比了用熱源的最溫度及量密度。熱源平最能量度/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離子3000010-3104~1061種及目，熱離子技術(shù)的應(yīng)領(lǐng)域得到了較的擴(kuò)展，在統(tǒng)的應(yīng)用領(lǐng)域熱等子技術(shù)已趨向成熟，并有所發(fā)展，于此同又?jǐn)U展了許多新的應(yīng)用領(lǐng)域[3]如煤的氣，有害廢物焚燒。當(dāng)前針對(duì)熱等離子體應(yīng)用的研究內(nèi)容主要有：等離子體參數(shù)的控制、等離子發(fā)生設(shè)備的改和轉(zhuǎn)化率[離體射流的狀可熱等子分為流離子（圖1和層流等子（1于前者更產(chǎn)和維持，目的究用比較廣泛層等離子體與湍流等離子射流相比，流動(dòng)更穩(wěn)定、高溫區(qū)更長、軸向溫度梯度小、噪聲低、對(duì)環(huán)境氣體的卷吸量少、流參數(shù)可以通過改變發(fā)生器的工氣體流量或弧電流（電壓）方便地加以到到[6]調(diào)節(jié)，這為提高材料工過程的重復(fù)性與加工質(zhì)量、善操作人員的工作環(huán)境創(chuàng)造了條件，但由于產(chǎn)生和維持層流離子體比較困難，對(duì)其研究應(yīng)相對(duì)較少。在國內(nèi)，中國科學(xué)院力學(xué)研究所開發(fā)了層氬氣等離子體，射流長，工作穩(wěn)定（1陽流科技有限公司聯(lián)合四川大學(xué)智能控研究所及四川大學(xué)制造科學(xué)與程學(xué)院，研發(fā)出新型層流電弧等離子體發(fā)生，作狀非穩(wěn)定產(chǎn)的氮層等離體流可1圖11等離子

圖等離子體射實(shí)中的體流動(dòng)一般都湍流紊流）狀態(tài)，沒有對(duì)層流狀的體。想層流狀態(tài)下的流體在受到外干擾時(shí)，流體粘滯性產(chǎn)生的切力會(huì)因失去平衡而激發(fā)渦流的產(chǎn)生。在電弧電離工作氣產(chǎn)生等離子體時(shí)，為了盡可能獲趨于層流態(tài)的射流發(fā)生器的結(jié)構(gòu)、作電源、工作氣流穩(wěn)定性是關(guān)鍵。基于對(duì)等離子體生原理的充分認(rèn)識(shí)和理解，成都陽流科技發(fā)展有限公司聯(lián)合川大學(xué)智能控制研究所、四川學(xué)制造科學(xué)與工程學(xué)院，設(shè)計(jì)了新的等離子發(fā)生器采用更加穩(wěn)定的工作電源系和氣路統(tǒng)發(fā)5kW20kW60kW、120kW不功的層流電弧離體備?？刹捎脷鈿濉⒑饧盎鞖鉃樽鳉怏w子射流狀口度高達(dá)8000~20000℃可化、、等熔屬料及玉石英非屬材，可連穩(wěn)工100小時(shí)上，陰、陽極命達(dá)數(shù)百小時(shí)（小流工作時(shí)壽命長在利其做接、熱、熱方研究驗(yàn)。2等離子體熱加工技術(shù)應(yīng)用等子體應(yīng)用領(lǐng)域廣泛下面四個(gè)方面對(duì)層等離體在熱加工領(lǐng)的研應(yīng)用及發(fā)做要紹離體表面；）層流離子熱噴；）層流等離子焊；（4層等子柔成。2.1流等離體表面淬火處理常等離體射流表面硬包括等離子相硬化熔凝化，它是用離子體射流對(duì)金屬料表進(jìn)行快速加熱，并利基體的自身急冷實(shí)現(xiàn)料表面的相變硬化或凝硬化。[5]。鐵材料的等離子體面淬火常用于強(qiáng)化諸如齒輪和軸承等高應(yīng)力機(jī)械零部件，它提高了材料的耐磨性，同時(shí)也提了由工件表面殘余壓應(yīng)力導(dǎo)致的疲勞強(qiáng)度，該殘余壓應(yīng)力是淬火工藝中的組織轉(zhuǎn)變產(chǎn)生的。等離子體表面淬火工藝和傳統(tǒng)鐵基材料的淬火相比，都是通過將材料從奧氏體區(qū)域淬火形高硬度馬體來提高度和強(qiáng)度但等離子體表面淬火將表面很薄的一加熱奧氏體化溫度，工件心部基本上不受影響。與其他表面淬火技術(shù)（激光、電子束表面化、高頻淬火）相比，等離子體表面硬化技術(shù)具有設(shè)備資少、生產(chǎn)效率高和理成本低的點(diǎn)，近幾年得的研究和應(yīng)用。在用等子體進(jìn)行表面處理，通過控制工電壓流、工作氣體量、嘴與工件距離、等離子體與工件相對(duì)移動(dòng)速度等，以獲得所需的表面相變硬化或熔凝硬化。與湍流等離體比層流電弧等離子體在面淬火時(shí)的優(yōu)點(diǎn)有（1衰減，可控性更強(qiáng)，對(duì)復(fù)雜零件的深孔、凹槽處也可處;（2）能量更集中，件熱力產(chǎn)生的變形也更小在研究成果方面，中科院力學(xué)研究所的費(fèi)群星等利用非轉(zhuǎn)移弧層流等離子體射流，對(duì)鑄鐵表面進(jìn)行了表面熔凝實(shí)驗(yàn)研究，結(jié)果明，熔凝后鑄鐵表面初晶滲碳體萊體組成的過共晶組硬度和耐性有了明的提高。2為實(shí)驗(yàn)結(jié)果a區(qū)熔區(qū)b區(qū)為淬過渡區(qū)c區(qū)為基組[7]。圖2等離子射流鑄鐵表面熔凝層截面形貌[7]2.2流等離子體熱噴涂等離子噴是20世60年出的一進(jìn)表防護(hù)與強(qiáng)的噴技，于面強(qiáng)化領(lǐng)域的技術(shù)。它是以等離子體（?。闊嵩矗砸欢ǔ煞值暮辖鸱勰┳鳛樘畛浣饘俚奶胤N粉工，點(diǎn)[8]。在航石化、等領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。等離子體可以噴涂復(fù)合材料，通過控制粉體的不同配比和等離子體射流本身的參數(shù)，如功率、速度等可以實(shí)現(xiàn)涂層致密度及孔隙率的優(yōu)化，達(dá)到最佳噴涂效果。目前已經(jīng)商業(yè)化的通離子噴涂率40kW~80kW如上海瑞法噴涂機(jī)械有限公司的九離子噴GP-80型的等離噴設(shè)備，以美國MMetco備已成市場。和湍等離子體涂相，流態(tài)等子射在噴應(yīng)用面勢顯1射流更長，粉末在射流中飛行的時(shí)間更長，融化更充分（）層狀態(tài)的射對(duì)圍氣的卷吸少使得大環(huán)境噴易氧粉成為能（）攜帶融化粉末的射流在工件上的掃描半徑更小，粉末的利用率更高，且可實(shí)現(xiàn)小型零件的局部噴涂。圖和圖4顯了湍和層等離子體噴涂的工作狀態(tài)。圖3流涂2.3流等子體焊

圖4流等離子體噴涂[10][10]鎢極惰性氣體（TIG）目前主要焊接方法的種，接品質(zhì)佳，尤其是薄焊接，它也是等離子體焊接一種形式。但只能作為手工焊接，對(duì)操作者的要求高，焊接速度相對(duì)較低，且能焊接金屬材料離焊(鎢極氬弧焊礎(chǔ)發(fā)展起來的一種重要高能密度焊接方法。它是助水冷噴嘴的外部拘束，使電弧的弧柱區(qū)橫截面受到限制，使電弧的溫度、能量密度、電離和它的流速都顯著增大。等離子電弧具有能量集中、溫度高、焰流速度大、剛直好特點(diǎn)廣泛高、密焊[焊接鎢極惰能焊接所金（鎂除外）以部分非金屬材（用非轉(zhuǎn)移?。┣覍?shí)自化焊接藝取惰體首圖和6分別是T和等離子弧焊電弧可以看出這兩焊接的工作原基本同圖5

圖6目國內(nèi)離子弧焊的研主要西北工業(yè)學(xué)脈動(dòng)離子噴焊術(shù)究、京航空工藝研究所的沖等離子弧焊“一一孔”工藝研究等，重要的應(yīng)用方面，西航空發(fā)動(dòng)機(jī)司利用自制的電源設(shè)配以進(jìn)口的等離子焊槍，實(shí)現(xiàn)某航空發(fā)動(dòng)機(jī)工藝的改進(jìn)。可以看出，國內(nèi)等離子焊接的研究成果不多，剛剛開始走出實(shí)室，商業(yè)化的設(shè)備較，主要是由焊槍零件壽命短，工藝參數(shù)難以控制。層流電弧等離體能量更集中，可以有效減少薄板件焊接時(shí)的熱變，發(fā)生器長的工作壽命也能有效降低成本，實(shí)驗(yàn)證明，良好水冷情況下，發(fā)生器連續(xù)作2內(nèi)零的燒率低，較的可性工業(yè)應(yīng)的關(guān)焊接時(shí)，根據(jù)電弧的一極在發(fā)生器或工件上，將等離子體分為轉(zhuǎn)移弧等離子體和轉(zhuǎn)移弧等離子體。利用非轉(zhuǎn)移弧層流等離體射流，可以焊接薄板、非金材料；轉(zhuǎn)移弧層流等離子體將工件作為一極后，電弧附著點(diǎn)附近的溫度極高，可快速融化金屬可用于較厚的金屬板的焊接。在數(shù)可調(diào)方面：（1）層電等離體熱量溫可在大圍內(nèi)節(jié)（2）工作氣氛的可控使得等離子本身可具有氧化還及惰性（3）離體射的擊力性調(diào)，過改變壓發(fā)生結(jié)和氣流量進(jìn)而調(diào)節(jié)適用于不焊接要求沖擊力層流等離子體柔性成形金薄板彎曲成形是實(shí)工業(yè)常見的工藝方之一在航空航天器汽車船舶及化工容器領(lǐng)域應(yīng)用廣泛。實(shí)際加工時(shí)，一般大批量生產(chǎn)助于模具完成，如沖壓成形。但模具的設(shè)計(jì)周期長，成本高，不適用于于單件小批量生產(chǎn)。利熱應(yīng)力代替機(jī)械應(yīng)力薄板柔性成形技解決了上述問題最典如彎形技術(shù)如前言所激的能轉(zhuǎn)換效率約為等離子體的四分之一），設(shè)備本高的問題難以解決制約了其研究發(fā)展。等子體性成形技術(shù)是用熱力和熱應(yīng)來現(xiàn)板成形的新技，在內(nèi)外逐漸成為研究的熱點(diǎn)。因?yàn)榈入x子體與其他熱源相比更經(jīng)、安全、靈活、實(shí)用。前研究主要是針對(duì)碳鋼、不鋼的直線掃描彎曲。對(duì)于復(fù)雜曲面，直線掃描難以實(shí)現(xiàn)，因此曲面掃描成形及組合掃成形是未來研究的主方向柔性成形要用熱應(yīng)力來得需熱形層電等子作柔成的源優(yōu)勢要現(xiàn)在下個(gè)方：1）工作穩(wěn)定，熱源過大的波將引起成形件變形的均勻而達(dá)不到成形效果，此熱源的定性十分要2）量中，對(duì)于小成件言，集中能免需的變，工度；3）備單效高可于場生，是激光、電子難以實(shí)現(xiàn)的3本對(duì)等子體和其他加熱源行了比較，并述了流電弧等子的特和優(yōu)點(diǎn)，進(jìn)而分析了其在熱加工技術(shù)方面的應(yīng)用，結(jié)果表明，流電弧等離子體技術(shù)作為熱加工技術(shù)研究的重點(diǎn)，將不斷推動(dòng)熱加工制造向著高效率、低能耗短流程、高性能、高能、數(shù)字化向發(fā)?？嘉模篬1]丁陽周立志光表面處理的現(xiàn)及發(fā)展[J].熱加工36）：[2]

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