等离子体加工

5.1等离子体——物质的第四状态等离子体的组成原子的激发与电离等离子体的产生方法利用电场作用获得等离子体气体种类气体种类阳极层阴极辉光阳极光柱氦（He）红色桃色赤色~紫色氖（Ne）黄色橙色红茶色氩（Ar）桃色暗青色暗红色氪（Kr）绿色青紫色氙（Xe）橙绿色白绿色等离子弧形成过程激活开路电压、气体流向割炬气流稳定后，激活高频电路利用等离子弧进行加工关闭高频电路，同时打开主电源常用等离子弧等离子弧形成中的三效应机械压缩效应，热收缩效应，磁收缩效应等离子弧温度分布能量密度：106W/cm2温度：5000～28000℃速度：104～107m/s等离子弧的分类等离子喷嘴孔径D决定对等离子弧的压缩能力，但过小时易导致等离子弧不稳定孔径与工作电流大小有关，1～400A时，孔径为0.5～5mm喷嘴的长度L越长，压缩能力越强，但过长时损耗大，切割时L/L=1.5～2.5；喷涂时L/D=5～6电极电极材料：钍钨、铈钨、锆钨直径：工作电流为1～400A时，0.25～4mm电极端部：30～60度锥角（电弧稳定性）等离子弧的特点能量密度大(106W/cm2)、温度高(5000～28000℃)电弧的方向性好（刚性）较好的稳定性和可控性（电流可小于0.1A）有双弧现象，影响加工精度设备投资大5.2等离子切割(PlasmaCutting)等离子弧切割等离子弧切割系统的组成等离子体切割工艺指标厚度为25mm铝板：切割速度为760mm/min厚度为6.4mm钢板：切割速度为4060mm/min切边的斜度：一般为2～7度；最好1～2度切缝宽度：厚度小于25mm的金属：切缝宽度为2.5～5mm厚度150mm的金属，切缝宽度为10～20mm加工精度：孔径10mm以内，钢板厚度4mm时，±0.25mm钢板厚度35mm，精度为±0.8mm表面粗糙度Ra1.6～3.2m，热影响层分布的深度为1～5mm三种切割方法对比等离子切割火焰切割激光切割①②③切割精度0.2~0.8mm0.5～1mm0.05~0.2mm最大切割厚度40mm100mm25mm热影响小大小切割速度快(中厚度板)慢(中厚度板)慢(中厚度板)切割速度快(薄板)慢(薄板)快(薄板)气割与等离子弧切割对比气割原理气割等离子切割改进的等离子切割传统的切割方法气体保护切割（防止切割时氧化切割表面）水保护切割（防氧化、冷却工件和喷嘴）水射流保护切割（水压缩）额定电流小于100A额定电流达到750A等离子切割工艺方法手动切割机动切割机器人切割刨削破口打标等离子切割工艺应用造船行业切割钢板各种金属结构加工等离子切割工艺应用各种钢材原材料切割建筑行业各种金属结构加工等离子切割工艺应用装饰品的切割艺术品的制作切割清除拆毁等离子弧切割质量改善切口质量的方法：回旋气流切割法存在问题回旋气流法割法回旋气流喷枪及加工机床回旋气流切割效果等离子回旋气流切割法等离子精细切割5.3等离子焊接(PlasmaWelding)等离子焊接TIG焊接焊缝的形成等离子焊接系统的组成等离子焊接机器人等离子焊接机器人等离子焊接的特点能量密度大，焊接速度快电弧方向性强，无电极损耗，焊接过程稳定，易于自动化熔池内温度高，电弧搅动性好，以排除熔池内气泡熔透能力强，焊缝深宽比较大，热影响区小单位：mm等离子焊接样件等离子焊接样件SUS430t=0.3φ1365×H270等离子焊接样件焊接前焊接后5.4等离子喷涂(PlasmaSpraying)传统的热喷涂原理等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂结合涂层剖面涂层表面Cr2O3机体等离子喷涂设备组成等离子喷涂的特点热源温度高，适用于难熔材料的喷涂、难熔材料的复合涂层射流速度大（几十至几百米／秒），涂层结合强度高、气孔率低（体积百分比：15%左右）喷涂过程对基体的热影响较小（30～180℃），可对已成型工件进行表面喷涂采用惰性气体保护和加氢气体还原等方法，降低喷涂颗粒氧化喷涂工艺规程稳定，操作比较简便，喷涂效率较高等离子喷涂等离子喷涂工艺根据对涂层的性能要求，确定涂层的材料和厚度确定工艺参数：压力、粒度、喷枪与工件的相对运动速度表面预处理：表面清理（酸浸、机械打磨、喷砂）：清除油污，铁锈，漆层等表面粗化（喷砂、开槽车螺纹、拉毛）：增强结合力，消除应力非喷涂部位的保护喷涂前预热工件（100~200℃）→喷结合层打底（厚度100~200μm，距离在般控制在180~200mm）→除去灰粉和氧化膜喷涂工作层：距离控制在180~200mm，相对移动速度70~150mm/s，温度＜250℃喷后工件冷却：自然冷却封孔→机械加工等离子喷涂的应用——零件修复等离子喷涂修复过程-1①已磨损件②车削磨损表面等离子喷涂修复过程-2④等离子喷涂③表面处理等离子喷涂修复过程-3⑤磨削喷涂表面①已磨损件等离子喷涂的应用——改善表面性能等离子喷涂的应用——改善表面性能热交换器(提高热传导)加热管（提高高温耐蚀性）真空等离子喷涂（VacuumPlasmaSpraying）低真空（4～13kPa）喷气机引擎叶片(镍合金)汽轮机叶片医疗真空等离子喷涂低真空（4～13kPa）喷气机引擎叶片(镍合金)汽轮机叶片真空等离子喷涂的特点涂层结合强度高热能利用率高，粉末沉积效率高涂层残余应力小，可以制备厚涂层涂层过程中喷涂粒子无氧化或被污染设备复杂，运行成本高超音速等离子喷涂金属及其合金涂层喷涂粒子速度为350-450m/s粉末沉积效率70-80%孔隙率≤2%金属陶瓷涂层粒子速度为400-500m/s粉末沉积效率50-65%孔隙率1-2%氧化物陶瓷涂层粒子速度为550-750m/s粉末沉积效率40-60%孔隙率1-5%5.5等离子堆焊(PlasmaTransferredArc)等离子堆焊等离子堆焊—修复5.6放电等离子烧结（SparkPlasmaSintering）在粉末颗粒间直接通入脉冲电流进行加热烧结放电等离子烧结模具粉末脉冲电压加压加压放电等离子烧结原理传统的热压烧结：[焦耳加热+加压]→塑性变形→促进烧结放电等离子烧结：[焦耳加热+加压]+粉末颗粒放电脉冲放电→粉体间产生火花放电（瞬间产生高温等离子体）→瞬时高温场→实现致密化的快速烧结模具粉末+模具粉末加压加压焦耳加热+加压粉末颗粒放电放电等离子烧结放电等离子烧结设备组成放电等离子烧结设备放电等离子烧结的优势-1脉冲放电冲击波、电子和离子的高速流动→去除粉末表面吸附的气体及氧化膜→净化和活化粉末放电等离子烧结的优势-2高频脉冲→（颗粒未接触部位产生放电热+颗粒接触部位产生焦耳热）→促进颗粒表面原子的扩散→烧结速度↑放电等离子烧结的优势-3ON-OFF快速脉冲→使颗粒内的放电部位及焦耳发热部位都会快速移动→烧结均匀性↑放电等离子烧结的应用放电等离子烧结的应用放电等离子烧结法快速制造模具放电等离子烧结法连接技术不锈钢+铜铝+钢铝+黄铜+紫铜细管内接钢球异形件等离子体冶炼用于普通方法难于冶炼的材料高熔点的锆(Zr)、钛(Ti)、钽(Ta)、铌(Nb)、钒(V)、钨(W)等金属用于简化工艺过程直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别获得Zr、Mo、Ta和Ti等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末碳化钨-钴、Mo-Co、Mo-Ti-Zr-C等