等离子体加工的方法及应用

等离子体加工的方法及应用

王雷

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。等离子体加工孔的直径在10mm以内，钢板厚度为4mm时，加工精度为±0.25mm，当钢板厚度达35mm,加工孔或槽的精度为±0.8mm。加工后的表面粗糙度通常为Ra1.6—3.2um，热影响层分布的深度为1—5mm，决定于工件的热学性质、加工速度、切割深度，以及所采用的加工参数。

三、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；比较复杂的有程序控制和数字程序控制的设备；还有采用光学跟踪的设备。工作台尺寸达13.4m×25m，切割速度为50—6100mm/min，在大型程序控制成形切削机床上可安装先进的等离子体切割系统，有喷嘴的自适应控制，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一般为300∨左右，用氩气作为切割气体时空载电压可以降低为100∨左右。常用的电极为铈钨或钍钨。用压缩空气作为工质气体切割使用的电极为金属锆或铪。使用的喷嘴材料一般为鈍铜或锆铜。

四、实际应用

等离子字体加工已广泛用于切割。各种金属材料，特别好似不绣钢、铜、铝的成形切割，以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。切割不绣钢、铝及其合金的厚度一般为3—100mm。等离子体还用于金属的穿孔加工。此外，等离子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。

等离子体电弧焊接已得到广泛应用，使用的气体为氩气。用直流电源可以焊接不绣钢和各种合金钢，焊接厚度一般在1—10mm，1mm以下的金属材料用微束等离子弧焊接。近代又发展了交流及脉冲等离子体弧焊铝及其合金的新技术。等离子体弧还用于各种合金钢的熔炼，熔炼速度快，质量好。

等离子体表面加工技术近年来有了很大的发展。日本近年试制成功一种很容易加工的超塑性高速钢，就是采用这一技术实现的；采用等离子体对钢材进行预热处理和再结晶处理，使钢材内部形成微细化的金属结晶微粒。结晶微粒之间联系韧性很好，所以具有超塑性能，加工时不易碎裂。

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，例如使钢板表面氮化，可大大提高钢材的硬度。在氧等离子体中，采用微波放电，可使硅、铝等进行氧化，制得超高纯度的氧化硅和氧化铝。采用无线电波放电，在氮等离子体中，对钛、锆、铌等金属进行氮化，可制得氮化钛、氮化锆、氮化铌等化合物。

等离子体还用于人造器官的表面加工；采用氨和氢-氮等离子体，对人造心脏表面进行加工，使其表面生成一种氨基酸，这样，人造心脏就不易受人体组织排斥和血液排斥，使人造心脏植入手术更易获得成功。

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，常采用的方法就是采用高速流动的水屏，即高速流动的水通过一个围绕在切削头上的环管喷出，这样就形成了一个水的屏幕或防护罩，从而大大减少了等离子体加工过程中产生的光、烟和噪声的不良影响。在水中混入染料，可以降低电弧的照射强度。

参考文献：

[1]赵万生，刘晋春，等.实用电加工技术[M].北京：机械工业出版社，2002.