等离子弧加工的基本原理及应用

图7.4-1 等离子弧加工示意图

1—切缝 2—工件 3—等离子弧 4—喷嘴 5—阴极 6—冷却水 7—保护气体

7.4.1.1 等离子弧产生的机理

等离子弧加工又称等离子体加工。等离子体是由大量正负带电粒子和中性粒子组成的，并表现出集体行为的一种准中性气体。等离子体是高温下电离的气体，当气体加热到几千摄氏度时，气体原子、分子之间急剧碰撞，从而产生电离，离解成带正电的离子和带负电荷的自由电子，正负电荷是等量的，因此从整体看等离子体是电中性的，但在一个很小的体积中就有可能出现某一符号的纯电荷。此外，等离子体的准中性还存在一个时间尺度的问题，因为带电粒子在等离子体中不是静止不动的，由于运动，在某一个时间间隔内可能出现同号电荷的局部集中，使这个空间偏离电中性。等离子体具有能通过较大电流的导电特性。

图7.4-1所示为等离子弧加工示意图。直流电源供电，钨电极5接阴极，工件2接阳极，两级之间通以工作气体（一般为氮气、氩气），电弧在钨电极5与工件2之间形成，钨电极发射的电子高速奔向工件，由于高速流动的电子与气体原子、分子发生碰撞使之电离，电离后的气体原子又继续与气体中的其他原子、分子碰撞，又使之产生电离，从而使两极间的气体产生“雪崩式”的电离，形成强大的等离子弧。此外，由于电弧的温度很高，也使气体原子、分子获得很高的能量，电子冲破原子核的束缚，成为自由电子，而原来中性的原子由于失去电子而成为正离子，也导致气体“雪崩式”的电离，形成强大的等离子电弧。

等离子体可分为三大类：

1）高温高压等离子体，电离度100%，温度可达几亿摄氏度，用于核聚变的研究。

2）低温低压等离子体，电离度不足1%，温度仅为50～250°C。

3）高温低压等离子体，约有1%以上的气体被电离，具有几万摄氏度的温度。离子、自由电子、未电离的原子的动能接近于热平衡。热喷涂所利用的正是这类等离子体。

7.4.1.2 等离子弧的类型及特点

按接电方法不同，等离子弧有三种形式，如图7.4-2所示。三种形式等离子弧的异同见表7.4-1。

图7.4-2 等离子弧基本类型(www.xing528.com)

a）非转移弧 b）转移弧 c）联合弧

表7.4-1 三种形式等离子弧的异同

与普通钨极氩弧比较，等离子弧有突出的特点，见表7.4-2。

表7.4-2 等离子弧的特点

（续）

7.4.1.3 等离子弧的加工机理

目前广泛采用的压缩电弧的方法是将钨极缩入喷嘴内部，并且在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧，此时电弧受到三种压缩作用，见表7.4-3。

表7.4-3 电弧受到三种压缩作用的机理及特点

电弧在三种压缩效应的作用下，直径变小，温度升高，气体的离子化程度提高，能量密度增大，最后与电弧的热扩散作用相平衡，形成稳定的压缩电弧，这就是工业中应用的等离子弧。作为热源，等离子弧获得了广泛的应用，可进行等离子弧焊接、等离子弧切割、等离子弧堆焊、等离子弧喷涂等。