2013-05等离子体加工要点
等离子加工.
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。
4）等离子体冶炼
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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。
2、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 应决定： （1）机械压缩效应：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 效应的影响很大。 （2）热收缩效应：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 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。 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 效应越明显。 （3）磁收缩效应：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。
等离子制备技术PPT课件
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等离子体的基本概念
• 等离子体与气体的区别 • 等离子体是导电流体而又整体上保持电中性 • 组成中带电粒子间存在库仑力 • 等离子体的运动行为受到电磁场的影响和制约
• 并非任何电离气体都是等离子体。只要当电离度大到一定程度，使带电粒子密度达到所产生的空间电荷足 以限制其自身运动时，这样的“电离气体”才算转变成等离子体。否则，体系中虽有少数粒子电离，仍不 过是互不相关的各部分的简单加和，而不具备作为物质的第四态的典型性和特征，仍属于气态。
• 高致密度、细晶粒陶瓷和金属陶瓷：在SPS过程中，样品中每一个粉末颗粒及其相互间的空隙本身都 可能是发热源。用通常方法烧结时所必需的传热过程在SPS过程中可以忽略不计。因此烧结时间可以 大为缩短，烧结温度也明显降低。对于制备高密度、细晶粒陶瓷，SPS是一种很有优势的烧结手段。
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等离子放电烧结
• 电子-电子
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等离子放电烧结
• 等离子体烧结技术SPS（Spark Plasma Sintering ）：在粉末间直接通入脉冲电流进行加热烧结，也被 称为等离子活化烧结或等离子体辅助烧结
• 等离子体烧结发展始： • 1930年，美国科学家提出利用等离子体脉冲烧结原理 • 1965年，脉冲电流烧结技术在美国和日本等国得到应用 • 1988年，日本研制出第一台工业型等离子体烧结装置 • 1996年，日本组织了等离子体烧结研讨会，每年召开一次 • 1998年，瑞典购进等离子体烧结系统，对碳化物、氧化物及生物陶瓷等进行较多研究工作 • 2006年6月武汉理工大学购置了国内首台等离子体烧结装置，此后国内多所高校及研究所相继引进该 装置，成为材料制备的全新技术
不同材料的等离子弧焊接工艺要点浅谈
2007.07不同材料的等离子弧焊接工艺要点浅谈蒋才城（岳阳工业技术学院湖南岳阳414000）摘要：本文结合等离子弧焊接原理，具体介绍了高温合金、铝及铝合金、钛及钛合金、银与铂等金属材料等离子弧焊接的工艺要点及工艺参数。
关键词：等离子弧焊接焊接工艺小孔型等离子弧焊熔透型等离子弧焊微束等离子弧焊中图分类号：TG47文献标识码：A 文章编号：1007-8320(2007）07-0011-02The Technologic Point of Plasma arc Welding for Assorted MaterialJiang Caicheng（Yueyang technology institute Hunan Yueyang 414000）Abstract:This text introduces the technologic point of plasma arc welding for high temperature alloy,aluminium and alumin-um alloy,titanium and titanium alloy,argentum ,platinum,etc.Key words:Plasma arc welding ,welding technology ,keyhole-mode welding ,fusion type plasma arc welding ,micro-plasma arc welding等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法，它是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。
钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。
等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。
两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。
由于等离子弧弧柱温度高，能量密度大，因而对焊件加热集中，熔透能力强，一次可焊透的厚度如表1所示，在同样熔深下其焊接速度比TIG 焊高，故可提高焊接生产率。
等离子体加工
采用等离子体表面加工技术， 采用等离子体表面加工技术，还可提高 某些金属材料的硬度，例如： 某些金属材料的硬度，例如：使钢板表面氮 化，可大大提高钢材的硬度。 可大大提高钢材的硬度。 等离子体还用于人体器官的表面加工， 等离子体还用于人体器官的表面加工，采 用氨和氰等离子体，对人造心脏表面进行加工， 用氨和氰等离子体，对人造心脏表面进行加工， 使其表面生成一种氨基酸，这样， 使其表面生成一种氨基酸，这样，人造心脏就 不易受人体组织排斥和血液排斥， 不易受人体组织排斥和血液排斥，是人造心脏 手术更容易获得成功。 手术更容易获得成功。
一、基本原理 等离子体加工又称为等离子弧加工， 等离子体加工又称为等离子弧加工，是利用 电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束， 电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束， 考局部熔化及气体去除材料的。等离子体又被成 考局部熔化及气体去除材料的。 为物质的第四种状态。 为物质的第四种状态。 等离子体是高温电离的气体， 等离子体是高温电离的气体，它由气体原 子或分子在高温下获得能量电离之后， 子或分子在高温下获得能量电离之后，理解成 带正电荷的离子和带负电荷的自由电子， 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仍相等， 的正负离子数目和正负电荷仍相等，因此称为 等离子体。 等离子体。
等离子体加工时会产生噪声， 等离子体加工时会产生噪声，烟雾和强 光，故要求对其工作地点进行控制和防护。 故要求对其工作地点由： 等离子体具有极高的能量密度，主要由： 机械压缩效应、 机械压缩效应、热收缩效应和磁收缩效应等 造成的。 造成的。 2.设备和工具 设备和工具 简单的等离子体加工装置有手持等离子体 切割器和小型手提式装置， 切割器和小型手提式装置，比较复杂的有程 序控制和数字程序控制的设备， 序控制和数字程序控制的设备，多喷嘴的设 备；还有采用光学跟踪的设备。 还有采用光学跟踪的设备。
离子束和等离子体加工
离子束与等离子体加工的原理与特点及这两种加工技术在高精度表面抛光中应用。
1、离子束加工的基本原理所谓离子束抛光, 就就是把惰性气体氩、氮等放在真空瓶中, 用高频电磁振荡或放电等方法对阴极电流加热, 使之电离成为正离子, 再用5千至10万伏高电压对这些正离子加速, 使它们具有一定的能量。
利用电子透镜聚焦,将它们聚焦成一细束,形成高能量密度离子流,在计算机的控制下轰击放在真空室经过精磨的工件表面, 从其表面把工件物质一个原子一个原子地溅射掉。
用这种方法对工件表面进行深度从100 埃到10微米左右的精密加工。
2、等离子体加工的基本原理等离子体加工又称为等离子弧加工,就是利用电弧放电使气体电离成过热的等离子气体流束,靠局部熔化及气体去除材料的。
等离子体又被成为物质的第四种状态。
等离子体就是高温电离的气体,它由气体原子或分子在高温下获得能量电离之后,理解成带正电荷的离子与带负电荷的自由电子,整体的正负离子数目与正负电荷仍相等,因此称为等离子体,具有极高的能量密度。
3、离子束加工主要的特点(1)属于原子级逐层去除加工,加工精度高(2)加工生产污染小(3)加工应力、变形小(4)加工范围广(利用机械碰撞能量加工)(5)易实现自动化(6)设备复杂、价格贵4、等离子体加工主要的特点由于等离子体电弧对材料直接加热,因而比用等离子体射流对材料的加热效果好得多。
因此,等离子体射流主要用于各种材料的喷镀及热处理等方面;等离子体电弧则用于金属材料的加工、切割以及焊接等。
等离子弧不但具有温度高、能量密度大的优点,而且焰流可以控制。
适当的调节功率大小、气体类型、气体流量、进给速度与火焰角度,以及喷射距离,可以利用一个电极加工不同厚度与多种材料。
5、离子束抛光的典型应用离子束抛光就是 1965 年美国亚利桑那大学的工作人员发现并研制成功的。
目前,美国离子光学公司、法兰克福兵工厂早已研制成功离子束抛光设备,并应用于生产。
此外,日本、英国、法国等国也已开发与研究了这一新技术。
等离子加工
聚焦离子束在超精密加工检测中的应用摘要：随着科技的发展聚焦离子速在加工中的应用越来越广泛，因而本文主要介绍了聚焦离子速的加工原理、分类等，同时还着重介绍了聚焦离子速在加工超精密刀具（金刚石刀具）以及抛光方面的一些加工应用。
关键词：聚焦离子束技术、金刚石刀具、抛光引言一系统介绍离子速加工技术1离子束加工的原理：离子束加工的原理是在真空条件下，将离子源产生的离子束经过加速聚焦，使之撞击到工件表面，靠微观的机械撞击能量来加工的。
与电子束相比：1)相同点①在真空条件中进行②粒子束加工2)不同点①带正电荷的离子。
质量比电子大数千、数万倍，如氩离子的质量是电子的7.2万倍。
②靠微观的机械撞击能量来加工的。
离子束比电子束具有更大的撞击动能[1]。
2离子束加工的物理基础：离子束射到材料表面时所发生的撞击效应、溅射效应、注入效应1)离子的撞击效应和溅射效应：具有一定动能的离子斜射到工件材料(或靶材)表面时，可以将表面的原子撞击出来，这就是离子的撞击效应和溅射效应。
离子刻蚀(离子铣削) 、离子溅射沉积和离子镀①离子刻蚀(离子铣削) ：如果将工件直接作为离子轰击的靶材，工件表面就会受到离子刻蚀(也称离子铣削加工)。
②离子溅射沉积和离子镀：如果将工件放置在靶材附近，靶材原子就会溅射到工件表面而被溅射沉积吸附，使工件表面镀上一层靶材原子的薄膜。
2)注入效应：如果离子能量足够大并垂直工件表面撞击时，离子就会钻进工件表面，这就是离子的注入效应。
3离子束加工的特点离子束加工技术是作为一种微细加工手段出现，成为制造技术的一个重要补充，随着电子工业和机械的发展获得成功的应用，其特点如下：（1）易于精确控制。
离子束可以通过离子光学系统进行聚焦扫描，共聚焦光斑可达到1um 以内，因而可以精确控制尺寸范围。
（2）加工时产生污染少。
加工时在较高真空状态下进行，特别适用于加工易氧化的金属、合金及半导体材料。
（3）加工应力小、变形小，对材料适应性强。
等离子体加工的原理
等离子体加工的原理
1. 等离子体加工是利用等离子体的特性来进行材料加工的技术。
2. 在真空腔室中充入工质气体,施加电压ion化气体形成等离子体。
3. 等离子体中的离子、电子、自由基、激发态原子等具有强烈的化学活性。
4. 这些活性粒子与待加工工件材料互相作用,使材料表面发生物理化学变化。
5. 根据要达到的加工目的,可以选择不同的工质气体,如氧、氮、氩气体等。
6. 通过调节工艺参数,控制等离子体的性质,选择性地与材料反应从而实现加工。
7. 应用等离子体腐蚀、溅射、沉积等效应,可以进行清洗、蚀刻、改性、镀膜等。
8. 等离子体可以精确控制,实现对材料表面层的选择性处理。
9. 等离子体表面处理可以改善材料的表面性能,提高耐腐蚀、硬度、导电性等。
等离子体加工技术
等离子体加工技术随着科学技术的不断发展，工业需求的不断提高，各种高新设备应运而生，然而要加工这些设备就要使用更先进的加工技术。
而等离子体加工方法就是一种不断发展的新型加工技术。
目前科学与工程技术的发展对新材料、新结构、新工艺的要求日益迫切。
人们不仅要对材料的表面性能进行改进，而且还要了解元素（原子）的相互作用，新相的形成，亚稳态、非晶态的形成等机制；对一些结构器件的要求已达到了μm、nm 量级。
在实现这些要求的过程中，作为特种加工手段之一的等离子体加工工艺的应用越来越广泛，实际上，等离子体之所以成为现代制造技术的重要手段之一，是由其能量状态决定的。
物体由固体到等离子体态的转化过程中，都伴随有足够能量的输入。
所以作为一种物质形态的等离子体具有最高的能量状态，为现代材料加工提供了巨大潜力。
主要应用当光打在金属表面时，二维光或是等离子体就会被激发。
等离子体可以被看作是光子和电子的连接。
可以建立一个混合原则，由光转变成的等离子体在金属表面传播时（该等离子体的波长比原始光波的波长小的多）；等离子体能被二维光学仪器（镜子、波导、透镜等）处理，等离子体能再次转变成光或者电信号。
等离子体传感器和癌症治疗仪：NaomiHalas描述了等离子体怎样激发小金属层表面的，米粒形状的粒子能量很大，做光谱学试验的光是微分子数量级。
等离子体在米粒状粒子弯曲顶端处等离子体电场比用来激发等离子体的电场强很多，并且它在很大程度上改进了光谱的速率和精确性。
换一种说法，纳米数量级的等离子体不仅可以用来鉴定，还可以用来杀死癌细胞。
等离子体显微镜：IgorSmolyaninov、/m/products.aspx?TypeId=68&fid=t3:68:3报道称他和他的同事能够拍下来空间分辨率在60nm的物体（如果是实用材料，分辨率能达到30nm），而用激光激发只能达到515nm。
换句话说，用这种分辨率制造的显微镜会比平常使用的衍射方法好的多；而且，这更是远场显微镜光源不用放在少于光波长的范围内。
射流等离子加工技术.
等离子体概念
等离子体是物质的第四态, 即电离了的“气体”, 它呈现出高度激发的不
稳定态, 其中包括离子( 具有不同符号和电荷)、电子、原子和分子。
能ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ量
等离子体构成
由处于激发状态的粒子构成，粒子组成包括分子、原子、分子碎片、离子、基团、准分子等
• 各种气体的电离能
气体 N2 O H Ar He C Ti F
（生物医疗类）应用实例
超精细清洁和消毒杀菌
细菌和真菌可导致疾病，甚至带来毒性反应
镀膜涂层和自清洁
仪器、设备、衣物等的表面纳米镀膜，创造无菌环境
等离子体药物
使用等离子体直接治疗人体细胞
等离子体引发
新型引发方式：利用等离子体引发生物、化学反应
新型医用材料
创造复合新型医疗材料，用于例如器官移植
四川大学 高分子科学与工程学院 陈军
表面处理=表面清洗+表面涂层
表面清洗（除油） • 有机溶剂除油 煤油、汽油、苯类、酮类等 • 电化学除油 电解溶液 • 紫外线-臭氧清洗 有机污染物分子被紫外线激发或分解，和氧原子反应形成气体 • 等离子清洗 瞬间使有机污染物分子蒸发、气化或分解
表面涂层
• 电化学方法 电镀、氧化、 • 化学方法 化学转化膜处理、化学镀 • 热加工方法 热浸镀、热喷涂、热烫印、化学热处理、堆焊 • 沉积法 离子注入、物理气相沉积（PVD）、化学气相沉积（CVD）
SiOx膜的SEM 照片
SiOX薄膜组分分析
SiOX薄膜中各元素含 量 Si（AT%） 30.33 C（AT%） 13.96 O（AT%） 55.70 O/Si 1.84
元素 含量
SiOX薄膜电子能谱分 析
沉积时间对薄膜表面形貌的影响
等离子体加工的方法及应用
等离子体加工的方法及应用摘要：等离子体是高温下获得能量电离之后，离解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数值仍相等，因此称为等离子体。
以下具体论述等离子体加工的方法及实际应用。
关键词：等离子加工电弧一、等离子体的三种效应1.机械压缩效应。
电弧在被迫通过喷嘴通道喷出时，通常对电弧产生机械压缩作用，而喷嘴通道的直径和长度对机械压缩效应的影响很大。
2.热收缩效应。
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，导电性差，电弧中心导电性好，电离度高，电弧电流被迫在电弧中心高温区通过，使电弧的有效截面缩小，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，一般高速等离子气体流量越大，压力越大，冷却越充分，则热收缩效应越强烈。
3.磁收缩效应。
由于电弧电流周围磁场的作用，迫使电弧产生强烈的收缩作用，使电弧变得更细，电弧区中心电流密度更大，电弧更稳定而不扩散。
上述三种压缩效应的综合作用，使等离子体的能量高度集中，电流密度、等离子体电弧的温度都很高，达到11000~28000℃（普通电弧仅5000~8000℃），气体的电离度也随着剧增，并以极高的速度从喷嘴孔喷出，具有很大的动能和冲击力，当达到金属表面时，可以释放出大量的热能，加热和熔化金属，并将熔化的金属材料吹除。
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。
二、材料去除速度和加工精度等离子体切割的速度是很高的，成形切割厚度为25mm的铝板时的切割速度为760mm/min，而厚度为6.4mm钢板的切割速度为4060mm/min，采用水喷时可增加碳钢的切割速度，对厚度为5mm的钢板，切割速度为6100mm/min。
切边的斜度一般为2—7°，仔细控制工艺参数时，斜度可保持在1—2°。
厚度小于25mm的金属，切缝宽度为2.5—5mm；厚度可达150mm的金属，切缝宽度为10—20mm。
等离子体切割技术的使用技巧总结
等离子体切割技术的使用技巧总结等离子体切割技术是一种广泛应用于工业领域的切割工艺，它以高温等离子体为切割工具，具有快速、高效、精确的特点。
在各行各业中，等离子体切割技术已成为不可或缺的工具之一。
本文将总结一些等离子体切割技术的使用技巧，希望能对广大读者有所帮助。
一、选择合适的等离子体切割设备在进行等离子体切割前，首先需要根据切割物体的规模、材质以及工作环境等因素选择合适的等离子体切割设备。
不同的切割设备具有不同的功率、切割深度和切割速度等性能指标，因此要根据实际情况选择合适的设备，以提高切割效率和质量。
二、正确设置等离子体切割参数等离子体切割参数的设置对于切割效果至关重要。
一般来说，切割速度、气体流量和等离子体功率是三个主要参数。
切割速度的选择应根据材料的厚度以及切割质量要求来确定，过大或过小的切割速度都会影响切割效果。
气体流量应根据材料的种类和厚度来调节，以保证切割过程中产生的等离子体稳定和原料气体的充分供应。
等离子体功率的选择要根据切割材料的导电性和厚度来决定，过大的功率会导致切割过度，过小则无法达到预期的切割效果。
在实际操作中，也可根据经验进行参数的微调，以获得更好的切割效果。
三、保持切割设备的清洁与维护等离子体切割设备的清洁和维护对于切割质量和设备寿命有着重要的影响。
切割过程中会产生大量的金属屑、灰尘等杂质，如果不及时清理，会堵塞切割喷嘴，影响等离子体的稳定产生。
因此，应定期清理切割设备，保持其正常的工作状态。
同时，还要注意对切割设备的维护，如定期更换切割喷嘴、保持压缩空气的干燥和干净，以确保切割设备的正常运行。
四、合理控制切割速度和切割深度在进行等离子体切割时，切割速度和切割深度的控制至关重要。
切割速度过快会导致切割质量下降，切割缝隙不平整，而切割速度过慢则会降低切割效率。
切割深度的选择应根据需要进行调整，切割不同材料时需要采用不同的切割深度，以保证切割质量和效率的最佳平衡。
五、加强操作培训与安全措施等离子体切割技术属于高温加工工艺，操作时存在一定的危险性。
等离子体在材料加工中的应用
等离子体在材料加工中的应用材料加工是制造业中至关重要的一环，而等离子体技术的应用则为材料加工带来了新的突破和可能性。
等离子体技术具有高温、高能量密度以及可控性强等特点，使其在材料加工中发挥着重要作用。
本文将从等离子体切割、等离子体焊接以及等离子体表面处理这几个方面讨论等离子体在材料加工中的应用。
一、等离子体切割等离子体切割是等离子体在材料加工中一个重要的应用领域。
通过将气体电离并加热至高温状态，产生等离子体切割火焰，以高温等离子体激活氧化剂对材料进行切割。
等离子体切割技术具有高效、精确、灵活等特点，适用于各种金属材料的切割，尤其在自动化生产线和大规模生产中应用广泛。
二、等离子体焊接等离子体焊接是一种将两个或多个材料通过高温等离子体相互熔接的方法。
通过加热两个材料的接触面，并利用等离子体产生的高温和高能量，使两种材料相互融合从而实现焊接。
等离子体焊接技术在航天、汽车、电子等行业得到了广泛应用。
与传统焊接方式相比，等离子体焊接对焊接材料的要求较低，具有焊接面准备简便、焊缝质量好等优势。
三、等离子体表面处理等离子体表面处理是利用等离子体的高温、高能量特性对材料表面进行处理和改性的技术。
等离子体表面处理可以提高材料表面的粗糙度、增强附着力、改善耐腐蚀性等性能。
此外，等离子体表面处理还可以在材料表面形成薄膜、合金化等，从而赋予材料更多的功能。
等离子体表面处理技术广泛应用于材料的清洗、喷涂、涂层、硬化等领域。
综上所述，等离子体技术在材料加工中的应用极为广泛。
等离子体切割、等离子体焊接以及等离子体表面处理等应用领域，为材料加工带来了新的选择和可能性。
随着科学技术的不断进步，相信等离子体技术在材料加工中的应用将会越来越广泛，为制造业的发展注入新的活力。
等离子加工
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，10～12mm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。
2、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 应决定： （1）机械压缩效应：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 效应的影响很大。 （2）热收缩效应：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 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。 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 效应越明显。 （3）磁收缩效应：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。
本讲内容
1、等离子体加工的原理
等离子体
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，也称为电浆。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导电性、 导热性，同时又是一个高温热源。
等离子体实验技术及其操作要点
等离子体实验技术及其操作要点等离子体是一种高度激发的气体，具有高能量和特殊性质。
它在各种领域都有广泛的应用，如物理学、化学、医学和工程等。
为了有效地研究和应用等离子体，掌握相应的实验技术和操作要点是非常重要的。
一、等离子体实验技术1. 设备选型：选择合适的实验设备是进行等离子体实验的基础。
根据实验需求，选择适合的玻璃或金属容器、电极和高频电源等。
2. 气体选择：气体的选择直接影响等离子体的性质和实验结果。
根据实验需要，选择适合的气体，如氮气、氩气、氧气等。
3. 气体准备：在进行实验前，必须对气体进行准备和处理。
通常需要使用压缩气体瓶和气体净化系统，确保气体的纯度和流量稳定。
4. 等离子体起源：根据实验目的不同，可以采用不同的方法产生等离子体。
常见的方法有射频放电、微波放电、直流电弧等。
5. 参数控制：实验过程中，需要对等离子体的多个参数进行精确控制，如电压、电流、气体流量和温度等。
这些参数的合理控制对实验结果的准确性和可重复性至关重要。
二、等离子体实验操作要点1. 安全措施：等离子体实验中涉及高电压和高温等危险因素，必须遵守相关的安全规定，如佩戴防护手套、穿戴绝缘服装和使用绝缘工具等。
2. 实验前准备：在实验开始之前，必须对实验设备进行检查和清洁，并确保所有连接和管道的紧密性和稳定性。
3. 气体控制：在实验过程中，对气体的流量和纯度进行监测和调整。
需要确保气体输入量的稳定性和均匀性。
4. 等离子体形成：根据实验所需，选择合适的方法产生等离子体。
在实验过程中，需要根据实验要求调整电压、电流和气体流量等参数。
5. 实验数据记录：及时记录和保存实验数据是进行后续分析和总结的关键。
在实验过程中要注意实验数据的准确性和完整性。
6. 实验结束处理：实验结束后，需要关闭电源和气源，并进行设备和实验环境的清理。
确保设备在下次使用之前的可靠性和安全性。
总结：等离子体实验技术的应用广泛，但也需要严格的操作要点来确保实验的准确性和可重复性。
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等离子体
当作用于气体的电场强度超过临 界值时就会发生气体放电现象，这时气体就从 绝缘态变为导电态，放电形式与气体的压力和 电流密度有着重要的关系。低气压小电流密度 下的放电称为辉光放电，大气压或更高气压下 的大电流放电称为电弧放电。 气体放电的基本内涵是放电中的带电粒子在电 场的作用下，气体就从绝缘态变为导电态即物 质的第四态—等离子态
等离子体射流主要用于各种材料的喷 涂及热处理 等离子体电弧主要用于金属材料的切 割，加工及焊接
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等离子弧喷涂 等离子弧切割 等离子焊接
等离子加工
等离子弧喷涂
等离子喷涂等离子喷涂是一 种材料表面强化和表面改性 的技术，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。 等离子 涂技术是采用由直流电驱动 的等离子电弧作为热源，将 陶瓷、合金、金属等材料加 热到熔融或半熔融状态，并 以高速喷向经过预处理的工 件表面而形成附着牢固的表 面层的方法。
等离子加工
目 录
目 录
核聚变中的等离子体
扩展
等离子隐形技术
等离子体隐身技术的原理是利用电磁波与等离子体互相 作用的特性来实现的，其中等离子体频率起着重要的作 用。等离子体频率指等离子体电子的集体振荡频率，频 率的大小代表等离子体对电中性破坏反应的快慢，它是 等离子体的重要特征。若等离子体频率大于入射电磁波 频率，则电磁波不会进入等离子体．此时，等离子体反 射电磁波，外来电磁波仅进入均匀等离子体约2mm，其 能量的86%就被反射掉了。但是当等离子体频率小于入 射电磁波频率时，电磁波不会被等离于体截止，能够进 入等离子体并在其中传播，在传播过程中．部分能量传 给等离子体中的带电粒子，被带电粒子吸收，而自身能 量逐渐衰减。
特种加工技术 第2版 第6章 等离子体加工
第6章 等离子体加工
特种加工技术
1.等离子体加工基础
等离子体加工基础
特种加工技术
等离子体(plasma)又叫做电浆，是由部分电子被剥夺后的原子及原子团被电离后产生 的正负离子组成的离子化气体状物质，尺度大于德拜长度的宏观电中性电离气体，其运动主 要受电磁力支配，并表现出显著的集体行为。它广泛存在于宇宙中，常被视为是除去固、液、 气外，物质存在的第四态。等离子体是一种很好的导电体。
等离子体切割
特种加工技术
等离子体切割过程不是依靠氧化反应来切割金属，而且靠电弧本身热量熔化 被切割金属，通过高速气流排除熔渣。它比氧燃气火焰切割的适用性更广，可以 对各种材料进行下料，切割出不同直径的圆形工件，也可以借助仿型和数控装置 结合起来进行各种曲线形零件的切割。它还具有切割速度快、切口处变形量小的 特点。
等离子体加工已广泛应用于切割。各种金属 材料，特别是不锈钢、铜、铝的成型切割，已获 得重要的工业应用。它可以快速而整齐切割软钢、 合金钢、钛、铸铁、钨、钼等金属。
等离子体切割是利用极细而高温的等离子弧， 使局部金属迅速熔化，再用气流把熔化的金属吹 走的切割方法。等离子弧切割由于切割效率高、 损耗低、适用范围广等优点已广泛应用于各类工 程建设、制造等行业。
等离子体切割
特种加工技术
等离子体切割
等离子体切割设备
特种加工技术
等离子切割系统主要由供气装置水装置、电源以及割枪几部分组成。水冷枪还需有冷却 循环水装置。
(1)供气装置 空气等离子弧切割的供气装置的主要设备是一台大于l.5kw的空气压缩机， 切割时所需气体压力为0.3-0．6MPa。如选用其他气体，可采用瓶装气体经减压后供切割 时使用。
2.等离子弧与钨极氩弧相比具有下列特点： （1）电弧能量集中和温度高 （2）电弧挺直性好
大气压等离子体加工技术
大气等离子体加工 原理
• 大气等离子体加工是在大气压下， 采用施加在电极之间的射频电压，使 得反应气体在等离子体氛围中被激发 产生活性粒子，与工件表面的原子发 生化学反应生成挥发性产物，实现对 光学零件的加工。该方法无需真空设 备，加工成本较低，并且是基于原子 之间的化学反应，属于非接触式加工， 可以避免接触应力造成的表层及亚表 层损伤。因此，大气等离子体加工在 光学制造领域有很大的应用潜力。
等离子焊接
• （1）等离子弧焊接在石油工业中的应用。
在机械加工中，焊接是一种非常重要的手段，在石 油工业中也非常重要。由于其焊接质量比较高，在液化 石油气加工以及管道加工中，已经得到了广泛的运用。 比如焊接不锈钢时，利用等离子弧焊接能够单面焊接双 面成型，这样不但能够提高焊接的质量还能够提高焊接 效率。
等离子体化学蒸发加工
•
20 世纪 90 年代初，日本大阪大学
提出了等离子体化学蒸发加工（Plasma
Chemical Vaporization Machining，
PCVM）。PCVM 方法基于容性耦合等
离子体（Capacitively Coupled Plasma，
CCP）放电原理，通常将 13.56MHz 或
150MHz的高频电压施加在不同形状的
电极上，工作台接地，通过在加工区域
形成稳定的介质阻挡放电来激发产生等
离子体，进而实现材料的去除。反应原子等离子体技术• 美国 Lawrence Liver2more 实验室开发了反应原子等离子 体技术（RAPT, Reactive Atom Plasma Technology）. 该技术采用电感耦合式等离子 体炬产生腐蚀性气体，比 PCVM 技术产生的等离子体稳 定，减少了影响等离子体的影 响因素。RAPT 技术有效解决 了 PCVM 技术加工重复性问 题。
现代加工技术-11等离子体加工-文档资料
等离子体还用于金属的穿孔加工。 等离于体弧还作为热辅助加工。 这是一种机械切削和等
离子弧的复合加工方法，在切削前，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 加工具有切削力小、效率高、刀具寿命长等优点，已用于车 削、开槽、刨削等。 数控等离子相贯线切割 国冶数控 高清.mp4
哈工大(威海) 现代加工技术
等离子体加工
Plasma Arc Machining
PAM
贾宝贤
5687026
1
哈工大(威海) 现代加工技术
课程内容大纲
绪论1♥ 电火花加工2♥ 电火花线切割加工3♥ 电化学加工4♥ 超声波加工5♥ 磨料与水喷射加工6♥ 激光加工7♥ 快速原型制造8♥ 电子束、离子束加工9♥ 等离子体、磁性磨料加工、挤压珩磨、化学加工10♥
实际应用
广泛用于切割 穿孔 热辅助加工（热切削复合加工） 焊接 表面加工
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哈工大(威海) 现代加工技术
实际应用-切削
等离子体加工已广泛用于切割各种金属材料特别是不锈 钢、铜、铝的成形切割。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、钛、铸铁、钨、钼等。 切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为n。
切边斜度 切边的斜度一般为2o~7o，当仔细控制工艺参数时 ，斜度可保持在1o~2o。
切缝宽度 对厚度小于25mm的金属，切缝宽度通常为2.5~5
mm：厚度达150mm的金属，切缝宽度为10~20mm。
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哈工大(威海) 现代加工技术
二、加工精度和表面粗糙度
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哈工大(威海) 现代加工技术
等离子体
等离子体被称为物质存在的第四种状态，物质存在的通常
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快
(薄板)
火焰切割
0.5～1mm 100mm
大
慢 (中厚度板)
慢
(薄板)
激光切割
0.05~0.2mm 25mm
小
慢
(中厚度板)
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
额定电流小于100A
传统的切割方法 气体保护切割（防止切割时氧化切割表面）
额定电流达到750A
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）
等离子弧温度分布
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
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
5.2 等离子切割(Plasma Cutting)
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
③表面处理
④等离子喷涂
等离子喷涂修复过程-3
⑤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（Vacuum Plasma Spraying）
▪ 低真空（4～13kPa）
喷气机引擎叶片 (镍合金) 汽轮机叶片
▪ 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
单位：mm
等离子焊接样件
等离子焊接样件
SUS430 t=0.3 φ1365×H270
等离子焊接样件
焊接前
焊接后
Байду номын сангаас
5.4 等离子喷涂(Plasma Spraying )
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
机体 Cr2O3
涂层剖面
涂层表面
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
5.等离子体加工
(Plasma Arc Machining, PAM)
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 氦（He） 氖（Ne） 氩（Ar） 氪（Kr） 氙（Xe）
阳极层 红色 黄色 桃色
阴极辉光 桃色 橙色 暗青色 绿色 橙绿色
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-1
① 已磨损件
②车削磨损表面
等离子喷涂修复过程-2
▪ 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
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(Plasma Welding)
TIG 焊接
等离子焊接
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
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 切割清除
艺术品的制作 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
阳极光柱 赤色~紫色
红茶色 暗红色 青紫色 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
▪能量密度：106 W/cm2 ▪温度：5000～28000℃ ▪速度：104～107m/s
▪ 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
▪ Ra1.6～3.2m，热影响层分布的深度为1～5mm
三种切割方法对比
①
②
③
切割精度 最大切割厚度 热影响 切割速度 切割速度
等离子切割
0.2~0.8mm 40mm
小
快 (中厚度板)
▪ 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