2013-05等离子体加工要点

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
▪ 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
▪ 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
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
5.4 等离子喷涂(Plasma Spraying )
传统的热喷涂பைடு நூலகம்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
5.2 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
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
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
▪ 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)
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
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