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1、5.5.等离子体加工等离子体加工 (Plasma Arc Machining,PAM)5.1 5.1 等离子体等离子体物质的第四状态物质的第四状态等离子体的组成等离子体的组成原子的激发与电离原子的激发与电离等离子体的产生方法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利用电场作用获得等离子体气体种类气体种类气体种类气体种类气体种类阳极层阳极层阳极层阳极层阴极辉光阴极辉光阴极辉光阴极辉光阳极光柱阳极光柱阳极光柱阳极光柱氦（氦（氦（氦（HeHeHeHe）红色红色红色红色桃色桃色桃色桃色赤色赤色赤色赤色 紫色紫色紫色紫色氖（氖（氖（氖（NeNeNeNe）黄色黄色黄色黄色橙色橙色橙色橙色红茶色红
2、茶色红茶色红茶色氩（氩（氩（氩（ArArArAr）桃色桃色桃色桃色暗青色暗青色暗青色暗青色暗红色暗红色暗红色暗红色氪（氪（氪（氪（KrKrKrKr）绿色绿色绿色绿色青紫色青紫色青紫色青紫色氙（氙（氙（氙（XeXeXeXe）橙绿色橙绿色橙绿色橙绿色白绿色白绿色白绿色白绿色等离子弧形成过程等离子弧形成过程 激活开路电压、气体流向割炬激活开路电压、气体流向割炬 气流稳定后，激活高频电路气流稳定后，激活高频电路 利用等离子弧进行加工利用等离子弧进行加工 关闭高频电路，同时打开主电源关闭高频电路，同时打开主电源 常用等离子弧常用等离子弧等离子弧形成中的三效应等离子弧形成中的三效应机械压缩效应，热收缩效应
3、，磁收缩效应机械压缩效应，热收缩效应，磁收缩效应等离子弧温度分布等离子弧温度分布能量密度：能量密度：106 W/cm2温度：温度：500028000速度：速度：104107m/s等离子弧的分类等离子弧的分类等离子喷嘴等离子喷嘴孔径孔径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不稳定孔径与工作电流大小有关，孔径与工作电流大小有关，1400A时，孔径为时，孔径为5mm喷嘴的长度喷嘴的长度L越长，压缩能力越强，但过长时损耗大，切割时越长，压缩能力越强，但过长时损耗大，切割时；喷涂时；喷涂时L/D=56电极电极电极材料：电极材料：钍钨、铈钨
4、、锆钨钍钨、铈钨、锆钨直径：直径：工作电流为工作电流为1400A时，时，4mm电极端部：电极端部：3060度锥角（电弧稳定性）度锥角（电弧稳定性）等离子弧的特点等离子弧的特点能量密度大能量密度大(10106 6W/cmW/cm2 2)、温度高、温度高(500050002800028000)电弧的方向性好电弧的方向性好（刚性刚性）较好的稳定性和可控性（电流可小于）较好的稳定性和可控性（电流可小于）有双弧现象，影响加工精度有双弧现象，影响加工精度设备投资大设备投资大5.2 5.2 等离子切割等离子切割(PlasmaCutting)等离子弧切割等离子弧切割等离子弧切割系统的组成等离子弧切割系统的组成
5、等离子体切割工艺指标等离子体切割工艺指标 厚度为厚度为厚度为厚度为25mm25mm25mm25mm铝板：切割速度为铝板：切割速度为铝板：切割速度为铝板：切割速度为760mm/min760mm/min760mm/min760mm/min 厚度为钢板：切割速度为厚度为钢板：切割速度为厚度为钢板：切割速度为厚度为钢板：切割速度为4060mm/min4060mm/min4060mm/min4060mm/min 切边的斜度：一般为切边的斜度：一般为切边的斜度：一般为切边的斜度：一般为2 2 2 27 7 7 7度；最好度；最好度；最好度；最好1 1 1 12 2 2 2度度度度 切缝宽度：切缝宽度：切缝
6、宽度：切缝宽度：厚度小于厚度小于厚度小于厚度小于25mm 25mm 25mm 25mm 的金属：切缝宽度为的金属：切缝宽度为的金属：切缝宽度为的金属：切缝宽度为5mm5mm5mm5mm 厚度厚度厚度厚度150mm150mm150mm150mm的金属，切缝宽度为的金属，切缝宽度为的金属，切缝宽度为的金属，切缝宽度为1010101020mm20mm20mm20mm 加工精度：加工精度：加工精度：加工精度：孔径孔径孔径孔径10mm10mm10mm10mm以内，钢板厚度以内，钢板厚度以内，钢板厚度以内，钢板厚度4mm4mm4mm4mm时，时，时，时，钢板厚度钢板厚度钢板厚度钢板厚度35mm35mm35
7、mm35mm，精度为，精度为，精度为，精度为 表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度表面粗糙度 m m m m，热影响层分布的深度为，热影响层分布的深度为，热影响层分布的深度为，热影响层分布的深度为1 1 1 15mm5mm5mm5mm三种切割方法对比三种切割方法对比等离子切割等离子切割 火焰切割火焰切割 激光切割激光切割切割精度切割精度0.20.8mm0.51mm0.050.2mm最大切割厚度最大切割厚度40mm100mm25mm热影响热影响小小大大小小切割速度切割速度快快 (中厚度板中厚度板)慢慢 (中厚度板中厚度板)慢慢 (中厚度板中厚度板)切割速度切割速度快快 (薄板薄板)慢慢 (薄板薄板)快
8、快 (薄板薄板)气割与等离子弧切割对比气割与等离子弧切割对比气割原理气割原理气割气割 等离子切割等离子切割改进的等离子切割改进的等离子切割 传统的切割方法传统的切割方法 气体保护切割（防止切割时氧化切割表面）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）水保护切割（防氧化、冷却工件和喷嘴）水射流保护切割（水压缩）水射流保护切割（水压缩）额定电流小于额定电流小于100A100A额定电流达到额定电流达到750A750A等离子切割工艺方法等离子切割工艺方法 手动切割手动切割 机动切割机动切割 机器人切割机器人切割 刨削刨削 破口破口 打标打标等离子切割工艺应用等离子切割工
9、艺应用 造船行业切割钢板造船行业切割钢板各种金属结构加工各种金属结构加工 等离子切割工艺应用等离子切割工艺应用 各种钢材原材料切割各种钢材原材料切割建筑行业各种金属结构加工建筑行业各种金属结构加工等离子切割工艺应用等离子切割工艺应用装饰品的切割装饰品的切割 艺术品的制作艺术品的制作 切割清除切割清除 拆毁拆毁等离子弧切割质量等离子弧切割质量改善切口质量的方法：改善切口质量的方法：回旋气流切割法回旋气流切割法存在问题存在问题回旋气流法割法回旋气流法割法回旋气流喷枪及加工机床回旋气流喷枪及加工机床回旋气流切割效果回旋气流切割效果等离子回旋气流切割法等离子回旋气流切割法等离子精细切割等离子精细切割5
10、.3 5.3 等离子焊接等离子焊接(PlasmaWelding)等离子焊接等离子焊接TIG TIG 焊接焊接焊缝的形成焊缝的形成等离子焊接系统的组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机器人等离子焊接机器人等离子焊接的特点等离子焊接的特点能量密度大，焊接速度快能量密度大，焊接速度快电弧方向性强，电弧方向性强，无电极损耗，焊接过程稳定，易于自动化无电极损耗，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，热影响区小熔透能力强，焊缝深宽比较大，热影响区小单位：单位：mmmm等离子焊
11、接样件等离子焊接样件等离子焊接样件等离子焊接样件SUS430 t=0.3 1365H270SUS430 t=0.3 1365H270等离子焊接样件等离子焊接样件焊接前焊接前 焊接后焊接后5.4 5.4 等离子喷涂等离子喷涂(PlasmaSpraying)传统的热喷涂原理传统的热喷涂原理等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂等离子喷涂结合等离子喷涂结合 涂层剖面涂层剖面 涂层表面涂层表面 Cr2O3机体机体等离子喷涂设备组成等离子喷涂设备组成等离子喷涂的特点等离子喷涂的特点热源温度高，适用于难熔材料的喷涂热源温度高，适用于难熔材料的喷涂、难熔材料的、难熔材料的复合涂层复合涂层射流速度大（几十至
12、几百米秒），涂层结合强度射流速度大（几十至几百米秒），涂层结合强度高、气孔率低（体积百分比：高、气孔率低（体积百分比：15%左右）左右）喷涂过程对基体的热影响较小（喷涂过程对基体的热影响较小（30180），可），可对已成型工件进行表面喷涂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等离子喷涂工艺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根据对涂层的性能要求，确定涂层的材料和厚度确定工艺
13、参数：压力、粒度、喷枪与工件的相对运动速度确定工艺参数：压力、粒度、喷枪与工件的相对运动速度表面预处理：表面预处理：表面清理（酸浸、机械打磨、喷砂表面清理（酸浸、机械打磨、喷砂）：清除油污，铁锈，漆层等）：清除油污，铁锈，漆层等表面粗化（喷砂、开槽车螺纹、拉毛表面粗化（喷砂、开槽车螺纹、拉毛）：增强结合力，消除应力）：增强结合力，消除应力非喷涂部位的保护非喷涂部位的保护 喷涂前预热工件（喷涂前预热工件（100200）喷结合层打底（厚度喷结合层打底（厚度100200m，距离在般控制在，距离在般控制在180200mm）除去灰粉和氧除去灰粉和氧化膜化膜喷涂工作层：距离控制在喷涂工作层：距离控制在18
14、0200mm，相对移动速度，相对移动速度70150mm/s，温度，温度250 喷后工件冷却：自然冷却喷后工件冷却：自然冷却封孔封孔机械加工机械加工 等离子喷涂的应用等离子喷涂的应用零件修复零件修复等离子喷涂修复过程等离子喷涂修复过程-1-1 已磨损件已磨损件车削磨损表面车削磨损表面等离子喷涂修复过程等离子喷涂修复过程-2-2等离子喷涂等离子喷涂表面处理表面处理等离子喷涂修复过程等离子喷涂修复过程-3-3磨削喷涂表面磨削喷涂表面 已磨损件已磨损件等离子喷涂的应用等离子喷涂的应用改善表面性能改善表面性能等离子喷涂的应用等离子喷涂的应用改善表面性能改善表面性能热交换器热交换器(提高热传导提高热传导)
15、加热管（提高高温耐蚀性）加热管（提高高温耐蚀性）真空等离子喷涂真空等离子喷涂（VacuumPlasmaSpraying）低真空（低真空（413kPa）喷气机引擎叶片喷气机引擎叶片(镍合金镍合金)汽轮机叶片汽轮机叶片 医疗医疗真空等离子喷涂真空等离子喷涂低真空（低真空（413kPa）喷气机引擎叶片喷气机引擎叶片(镍合金镍合金)汽轮机叶片汽轮机叶片真空等离子喷涂的特点真空等离子喷涂的特点涂层结合强度高涂层结合强度高热能利用率高，粉末沉积效率高热能利用率高，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涂层过程中喷涂粒子无氧化或被污染设备复
16、杂，运行成本高设备复杂，运行成本高超音速等离子喷涂超音速等离子喷涂 金属及其合金涂层金属及其合金涂层喷涂粒子速度为喷涂粒子速度为350-450m/s350-450m/s粉末沉积效率粉末沉积效率70-80%70-80%孔隙率孔隙率2%2%金属陶瓷涂层金属陶瓷涂层粒子速度为粒子速度为400-500 m/s400-500 m/s粉末沉积效率粉末沉积效率50-65%50-65%孔隙率孔隙率1-2%1-2%氧化物陶瓷涂层氧化物陶瓷涂层粒子速度为粒子速度为550-750 m/s550-750 m/s粉末沉积效率粉末沉积效率40-60%40-60%孔隙率孔隙率1-5%1-5%5.5 5.5 等离子堆焊等离子
17、堆焊(PlasmaTransferredArc)等离子堆焊等离子堆焊等离子堆焊等离子堆焊修复修复5.6 5.6 放电等离子烧结放电等离子烧结（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放电等离子烧结模具模具粉末粉末脉脉冲冲电电压压加压加压加压加压放电等离子烧结原理放电等离子烧结原理传统的热压烧结：传统的热压烧结：焦耳加热焦耳加热+加压加压 塑性变形塑性变形促进烧结促进烧结放电等离子烧结：放电等离子烧结：焦耳加热焦耳加热+加压加压 +粉末颗粒放电粉末颗粒放电脉冲放电脉冲放电粉体间产生火花放电（瞬间产生高
18、温等离子体）粉体间产生火花放电（瞬间产生高温等离子体）瞬时高温场瞬时高温场实现致密化的快速烧结实现致密化的快速烧结模模具具粉粉末末+模具模具粉末粉末加压加压加压加压 焦耳加热焦耳加热+加压加压 粉末颗粒放电粉末颗粒放电放电等离子烧结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组成放电等离子烧结设备放电等离子烧结设备放电等离子烧结的优势放电等离子烧结的优势-1-1脉冲放电冲击波、电子和离子的高速流动脉冲放电冲击波、电子和离子的高速流动去除粉去除粉末表面吸附的气体及氧化膜末表面吸附的气体及氧化膜净化和活化粉末净化和活化粉末放电等离子烧结的优势放电等离子烧结的优势-2-2高频脉冲高频脉冲（
19、颗粒未接触部位产生放电热（颗粒未接触部位产生放电热+颗粒接颗粒接触部位产生焦耳热）触部位产生焦耳热）促进颗粒表面原子的扩散促进颗粒表面原子的扩散烧结速度烧结速度放电等离子烧结的优势放电等离子烧结的优势-3-3ON-OFFON-OFF快速脉冲快速脉冲使颗粒内的放电部位及焦耳发热使颗粒内的放电部位及焦耳发热部位都会快速移动部位都会快速移动烧结均匀性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快速制造模具放电等离子烧结法连接技术放电等离子烧结法连接技术 不锈钢不锈钢+铜铜 铝铝+钢钢 铝铝+黄铜黄铜+紫铜紫铜
20、细管细管 内接钢球内接钢球 异形件异形件等离子体冶炼等离子体冶炼用于普通方法难于冶炼的材料用于普通方法难于冶炼的材料高熔点的锆高熔点的锆(Zr)(Zr)、钛、钛(Ti)(Ti)、钽、钽(Ta)(Ta)、铌、铌(Nb)(Nb)、钒、钒(V)(V)、钨、钨(W)(W)等金属等金属用于简化工艺过程用于简化工艺过程直接从直接从ZrClZrCl、MoSMoS、TaOTaO和和TiClTiCl中分别中分别 获得获得ZrZr、MoMo、TaTa和和TiTi等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末等离子体熔化快速固化法可开发硬的高熔点粉末碳化钨碳化钨-钴、钴、Mo-CoMo-Co、Mo-Ti-Zr-CMo-Ti-Zr-C等等