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等离子加工等离子加工本讲内容本讲内容等离子体加工的原理等离子体加工特点等离子体加工设备实际应用1、等离子体加工的原理、等离子体加工的原理等离子体等离子体 物质存在的通常三种状态是气、液、固三态。等离子物质存在的通常三种状态是气、液、固三态。等离子体被称为物质的第四种状体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离体被称为物质的第四种状体，它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后，变成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目之后，变成带正电荷的离子和带负电荷的自由电子，整体的正负离子数目和正负电荷相等，仍保持电中性，称为等离子体，也称为和正负电荷相等，仍保持电中性，称为等离子体，也称为电浆电浆。虽然等离虽然等离子体在电的性质方面呈中性，但是在外电场的作用下却具有良好的子体在电的性质方面呈中性，但是在外电场的作用下却具有良好的导电性导电性、导热性导热性，同时又是一个高温热源。，同时又是一个高温热源。宇宙中宇宙中90%90%物质处于等离子体态。地球上天然存在的等离物质处于等离子体态。地球上天然存在的等离子体主要是极光、闪电的形式，由地球表面向外，等离子体是子体主要是极光、闪电的形式，由地球表面向外，等离子体是几乎所有可见物质的存在形式，如大气外侧的电离层、日地空几乎所有可见物质的存在形式，如大气外侧的电离层、日地空间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，间的太阳风、太阳日冕、太阳内部、星际空间、星云及星团，毫无例外的都是等离子体。毫无例外的都是等离子体。除了自然存在的等离子体，还有除了自然存在的等离子体，还有人工等离子体，例如霓虹灯灯管中的人工等离子体，例如霓虹灯灯管中的等离子气体、等离子电视、火箭喷射等离子气体、等离子电视、火箭喷射的高温电离气体、人工核聚变产生等的高温电离气体、人工核聚变产生等离子体等。离子体等。5 等离子加工又称为等离子加工又称为等离子弧等离子弧加工加工，是利用电弧放电使气体电，是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束，靠离成过热的等离子气体流束，靠局部熔化及汽化局部熔化及汽化去除材料的。去除材料的。将喷嘴接直流电源的阳极，将喷嘴接直流电源的阳极，钨电极接阴极，使阴极钨电极和钨电极接阴极，使阴极钨电极和阳极喷嘴的内壁之间发生电弧放阳极喷嘴的内壁之间发生电弧放电，吹入的工质气体受电弧作用电，吹入的工质气体受电弧作用加热膨胀，从喷嘴喷出形成射流，加热膨胀，从喷嘴喷出形成射流，称之为等离子体射流，作用于喷称之为等离子体射流，作用于喷嘴前面的材料。嘴前面的材料。2、等离子体加工的特点、等离子体加工的特点等离子体具有极高的能量密度，主要由等离子体的三种效等离子体具有极高的能量密度，主要由等离子体的三种效应决定：应决定：（1 1）机械压缩效应机械压缩效应：电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通道：电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通道对电弧产生机械压缩作用，喷嘴通道的直径和长度对机械压缩对电弧产生机械压缩作用，喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。效应的影响很大。（2 2）热收缩效应热收缩效应：喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷：喷嘴内部通入冷却水，使喷嘴内壁受到冷却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性却，温度降低，因而靠近内壁的气体电离度急剧下降，导电性差，电弧中心电离度高，导电性好，电弧电流被迫在在电弧中差，电弧中心电离度高，导电性好，电弧电流被迫在在电弧中心高温区通过，使电弧的优先截面缩小，电流密度大大增加。心高温区通过，使电弧的优先截面缩小，电流密度大大增加。这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一这种因冷却而形成的电弧截面缩小作用，就是热收缩效应，一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却月充分，热收缩般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却月充分，热收缩效应越明显。效应越明显。（3 3）磁收缩效应磁收缩效应：电弧电流周围磁场作用迫使电弧强烈收缩，：电弧电流周围磁场作用迫使电弧强烈收缩，电流密度更大，电弧更细更稳定。电流密度更大，电弧更细更稳定。双击添加标题文字由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体由于上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的的能量高度集中能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，可达都很高，可达11000280001100028000摄氏度，气体的电离度摄氏度，气体的电离度随之剧增，并以极高的速度从喷嘴喷出，具有很大随之剧增，并以极高的速度从喷嘴喷出，具有很大的动能和冲击力，当到达金属表面时，可以释放大的动能和冲击力，当到达金属表面时，可以释放大量的热能，加热和熔化金属，并将融化了的金属材量的热能，加热和熔化金属，并将融化了的金属材料吹处。等离子电弧不但具有温度高、能量密度大料吹处。等离子电弧不但具有温度高、能量密度大的优点，而且焰流可以控制。等离子弧适当的调节的优点，而且焰流可以控制。等离子弧适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰功率大小、气体类型、气体流量、进给速度和火焰角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同角度，以及喷射距离，可以利用一个电极加工不同厚度和多种材料。厚度和多种材料。双击添加标题文字3.等离子体加工设备等离子体加工设备简单的设备有:手持等离子切割器、小型手提式装置。复杂的设备有程序控制和数字程序控制的设备、多喷嘴设备，采用光学跟踪的设备。在数控机床上可安装先进的等离子体切割系统，在数控机床上可安装先进的等离子体切割系统，并实现喷嘴的自适应控制，以自动寻找和保持喷嘴并实现喷嘴的自适应控制，以自动寻找和保持喷嘴与板材的正确距离。除了平面成形切割外，还有用与板材的正确距离。除了平面成形切割外，还有用于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。于车削、开槽、钻孔和刨削的等离子体加工设备。切割用的直流电源空载电压为切割用的直流电源空载电压为300V300V左右，用氩左右，用氩气作为工质气体时空载电压可降低为气作为工质气体时空载电压可降低为100V100V左右，左右，电极材料为铈钨或钍钨。用压缩空气作为工质气体电极材料为铈钨或钍钨。用压缩空气作为工质气体时，电极材料为时，电极材料为锆锆或铪。使用的喷嘴材料一般为纯或铪。使用的喷嘴材料一般为纯铜或锆铜。铜或锆铜。4、实际应用、实际应用1）等离子体切割由于等离子弧具有高温、能量集中，吹力大的特点，而且还可以采用惰性气体保护，这对切割难熔金属、有色金属、非金属材料以及提高切割质量是一种行之有效的办法。等离子体切割是利用高温等离子弧将工件熔透，利用高速等离子流的机械冲刷力将熔化的金属或非金属吹除，形成狭窄的切口。等离子体加工己广泛用于切割各种金属或非金属材料，特别是不锈钢、铜、铝、花岗石的成形切割，已获得重要的工业应用。它可以快速而较整齐地切割软钢、合金钢、钦、铸铁、钨、钼等，切口质量好，生产效率高。2）等离子体电弧焊由于等离子焊接温度高、能量集中，不需大量焊丝、生产率高、焊接质量好，对焊接过程中各种参数变化敏感小等优点，已日益广泛地应用于生产。等离子体电弧焊可用以焊接钢、铝、铜、钛等及其合金，其特点是a、等离子弧的稳定性好，它既可用大电流(如几百安培)来焊接厚板，又可以用小电流(10安培以下)采用细孔径的喷嘴来焊接薄板(0.05-1mm)；b、等离子弧能量密度大，弧柱温度高，穿透能力强，1012mm厚度钢材可不开坡口，能一次焊透双面成形，焊接速度快，生产率高，应力变形小。c、被焊工件热影响区小，工件变形小，焊接口干净平整。3）等离子体喷涂为了使许多设备的部件能耐磨耐腐蚀、抗高温，需要在其表面喷涂一层具有特殊性能的材料。等离子喷涂是利用等离子焰流为热源的热喷涂，利用等离子体枪产生的等离子体流将粉末加热和加速，在熔融或接近熔融的状态下喷向基体材料表面形成涂层。等离子弧产生的温度高达16000，喷流速度达300-400m/s，因而可以喷涂各种高熔点、耐磨、耐热涂层。等离子喷涂使材料得到表面强化和表面改性，可以使基体表面具有耐磨、耐蚀、耐高温氧化、电绝缘、隔热、防辐射、减磨和密封等性能。单击此处添加段落文字内容单击此处添加段落文字内容单击此处添加段落文字内容单击此处添加段落文字内容4）等离子体冶炼由于等离子体温度高、气流可控、设备简单等特点，因此它在冶炼方面也已获得一定程度上的应用，特别是在精炼和重熔方面，等离子电弧及高温气流可以快迅加热熔炼炉中的炉料。等离子冶炼可以用于普通方法难于冶炼的材料,例如高熔点的锆（Zr）、钛（Ti）、铌（Nb）、钒（V）、钨（W）等金属；还用于简化工艺过程，例如直接从ZrCl、MoS、TaO和TiCl中分别等离子体获得Zr、Mo、Ta和Ti；用等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末，例如碳化钨-钴、Mo-Co等粉末等离子体冶炼其产品成分及微结构的一致性好。5）等离子体热辅助加工这是一种机械切削和等离子弧的复合加工方法，在切削过程中，用等离子弧对工件待加工表面进行加热，使工件材料变软，强度降低，从而使切削加工具有切削刀小、效率高、刀具寿命长等优点，已用于车削、开槽、刨削等。谢谢！结束结束