等离子弧全解析（原理、应用及优缺点）-科能江南app官方入口下载苹果

一、等离子弧概述

1、等离子弧的工作原理

等离子弧是通过对穿过喷嘴小孔的电弧进行压缩而产生的。其工作原理涉及以下几个方面：

电弧的产生：
- 在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧。
- 自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中。
电弧的压缩：
- 机械压缩效应：电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。
- 热压缩效应：当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。
- 电磁收缩效应：定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使弧柱进一步收缩。
等离子弧的形成：
- 电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。
等离子弧的类型：
- 转移型等离子弧（也称直接弧）：钨极接负极，工件接正极，等离子弧产生在钨极与工件之间，主要用于焊接。
- 非转移型等离子弧（也称间接弧）：钨极接负极，喷嘴接正极，等离子弧产生在钨极与喷嘴之间，主要用于等离子喷镀或加热非导电材料。

2、等离子弧的应用领域

等离子弧在工业中的应用非常广泛，主要包括以下几个方面：

焊接：
- 等离子弧焊（PAW）是利用钨极与工件之间的压缩电弧（转移弧）或钨极与喷嘴之间的压缩电弧（非转移弧）进行焊接的一种方法。它适用于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料（如钨、钼、铜、镍、钛等）的焊接。
- 等离子弧焊可分为微束等离子弧焊（适合焊接箔材和薄板）、中等电流等离子弧焊和小孔型等离子弧焊（适合焊接厚度为1/16~3/4in（1.6~19mm）的工件）。
切割：
- 等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法。它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口。可以切割所有导电材料，包括钣金和非铁金属，对于厚度达50mm的材料能实现出色的切割质量，最大切割厚度为150mm。
喷涂：
- 等离子喷涂既可使用粉末喷涂材料，也可使用丝状喷涂材料。利用非转移型等离子弧电流通过喷嘴流到喷嘴内部的钨极，然后再回到电源，非转移型电弧主要用于等离子喷涂，还用于加热非金属部件。
其他应用：
- 高温等离子体主要利用等离子弧的高温、能量集中以及电热转换效率高等特性而应用于垃圾处理以及作为工业加热、民用加热等的热源。
- 在新能源行业中，可应用于太阳能电池板、风力发电叶片等材料的切割；在新材料行业中，可应用于陶瓷、复合材料、玻璃等材料的切割。

3、等离子弧的优缺点

优点

焊接方面
- 等离子弧近似呈柱形，发散角不超过(5^{\circ})，其加热区域大小与喷嘴离工件的距离基本无关，因此，喷嘴离工件的距离对焊缝质量的影响不像TIG焊那样敏感，这对于手工操作非常有利。
- 等离子弧的温度高，电离度大，电流小至(0.1A)时仍很稳定，可焊接微型精密零件。
- 等离子弧能量密度大、等离子流力大，等离子弧焊不仅具有很大的熔深能力，而且还具有很强的小孔效应，适合于不加衬垫的单面焊双面成形。焊接同样的厚度所需的电流较小，焊接热影响区小，焊接变形小，等离子弧焊焊缝形状非常理想，呈酒杯状，而且影响区小。
- 能量密度大、流速快的等离子弧具有很好的稳定性和刚直性，因此适于高速焊，而且接头的对中要求显著降低。等离子弧焊缝窄而深，焊接速度快，因此能量利用率高，焊接生产率显著提高。
- 钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象。
切割方面
- 可以切割所有导电材料，包括钣金和非铁金属，对于厚度达(50mm)的材料能实现出色的切割质量，最大切割厚度为(150mm)。
- 一些不能用氧气切割的金属材料，可以使用它进行切割，而且对某些非金属材料也适用。
其他方面
- 能够切割所有金属。
- 它可以更好地控制电弧。
- 由于产生的热量更高，而等离子射流可实现更快的行进速度。
- 热影响区类似于GTAW。
- 等离子的高热量集中可产生小孔效应，通过单道焊接多个接头实现完全熔透。
- 它提供了更多的缺席和控制焊接的自由度。
- 它可以比氧气焊接更快地切割金属。
- PAW焊接很容易实现自动化。
- 它留下更窄的切口。

缺点

焊接方面
- 可焊厚度有限，一般在(25mm)以下。
- 焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低。
- 焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。
切割方面
- 设备成本较高。
- 嘈杂的操作。
- 更多辐射。
- 需要高技能的劳动力。
- 维护成本高。

等离子弧是一种高效的热源，其独特的物理性质使其在多种工业应用中发挥着重要作用。随着技术的进步，等离子弧的应用范围和效率有望进一步提升。

二、等离子弧在金属切割过程中是如何实现材料的加热和熔化的

等离子弧在金属切割过程中实现材料加热和熔化的原理如下：

1、等离子弧的产生

等离子弧是通过在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受机械压缩效应、热压缩效应和电磁收缩效应三个压缩作用形成等离子弧。

2、加热和熔化过程

等离子弧的特性
- 等离子弧柱的温度极高，可达10000℃～30000℃，远远超过了所有金属或非金属材料的熔点。
- 等离子弧具有高能量密度，能够迅速加热并熔化金属材料。
加热和熔化机制
- 在等离子弧切割过程中，等离子弧发生器产生的等离子弧作为热源，通过喷枪中的钨电极和工件材料之间的相互作用形成高温等离子弧。这个高温的等离子弧经过枪口压缩后能量非常集中，可以对工件进行加热。
- 高速、高温和高能的等离子体迅速加热熔化被切割的材料，并借助内部或外部的高速气流将熔化的材料排出，直到等离子气流束穿透工件背面而形成切口。

3、等离子弧切割的特点

切割速度快：等离子切割速度快，尤其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法的5~6倍。
切割质量好：切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区。
适用范围广：可以切割各种氧—乙炔切割难以切割的金属，尤其是对于有色金属（不锈钢、铝、铜、钛、镍）切割效果更佳。
切口窄：切口窄（中薄板材），切割厚度可达160mm。

综上所述，等离子弧在金属切割过程中通过产生高温等离子弧来加热和熔化材料，利用高速气流将熔化的材料排出，从而实现切割。这个过程不依赖于氧化反应，适用于多种金属和非金属材料的切割，具有高效率和高质量的特点。

三、等离子弧焊接与传统焊接相比有哪些优势

等离子弧焊接相对于传统焊接方法，具有以下几个显著优势：

高能量密度：等离子弧焊接使用的等离子弧具有极高的能量密度，能够迅速加热并熔化焊接材料，实现高效率的焊接。
操作灵活性：等离子焊接适用于多种金属材料的焊接，包括钢、铝、铜、镍等，并且可以实现手工焊接、自动化焊接以及机器人焊接等多种操作方式。
焊接速度快：由于等离子焊接的高能量密度和高温特点，焊接过程快速进行，相比传统焊接方法，等离子焊接可以大幅提高焊接速度，提高生产效率。
焊接质量高：等离子焊接可以实现高质量的焊缝，焊接强度高、密封性好。等离子焊接的高能量输入使得焊接区域的熔池深度较大，焊缝形成良好，焊接强度高，可以满足高强度焊接的要求。
热影响区小：等离子焊接的热影响区相对较小，热输入较少，对焊接材料和周围热敏感区域的影响减小。这对于一些热敏感的材料和工件来说尤为重要，可以降低变形和变质的风险。
电弧稳定性：等离子电弧由于压缩效应及高稳定性，电流较小时仍很稳定，电流小至0.1A时仍可稳定燃烧；并且电弧挺度好，弧长波动对电弧影响较小。
熔透能力强：在不开坡口、不加填充焊丝的情况下，等离子弧焊接可以一次焊透8～10mm厚的不锈钢板，焊接效率高。
焊接缺陷少：等离子焊接的焊接缺陷少，可焊材料多，焊接质量高，焊接可以优异的重复生产性，电极收缩在喷嘴内，不易污染和烧坏。

综上所述，等离子弧焊接在能量密度、操作灵活性、焊接速度、焊接质量、热影响区控制、电弧稳定性、熔透能力和焊接缺陷减少等方面均优于传统焊接方法，特别适合于高精度、高效率的焊接任务。

四、等离子弧在表面处理中通常采用哪种方式来沉积涂层

在表面处理中，等离子弧沉积涂层通常采用以下几种方式：

物理气相沉积（PS-PVD）：这种技术结合了等离子喷涂与物理气相沉积技术，通过等离子射流的高能环境进行化学反应制备涂层或新材料。在PS-PVD过程中，粉末材料被输送到等离子射流内部，并在高温下熔化或部分熔化，然后以高速喷向基体表面形成涂层。涂层的微观结构可以通过调节喷涂距离和载气流量来控制。
电弧等离子射流反应沉积：这种方法利用电弧等离子体射流的高能环境进行化学反应制备涂层或新材料。主要设备是电弧等离子喷枪，通过在放电室中施加电压引燃放电，产生高温高速等离子体射流。这种方法可以用于制备金刚石膜、金属涂层等多种材料。
等离子喷涂：等离子喷涂是一种热喷涂技术，采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向工件表面形成涂层。等离子喷涂按照接电方法不同，可以分为非转移弧、转移弧和联合弧三种类型。
阴极等离子电解沉积：这种技术通过阴极等离子电解沉积金属、合金及复合涂层，可以获得均匀、致密的涂层。该技术的关键在于控制阴极电流密度和电解液成分，以实现涂层的高质量沉积。
反应等离子喷涂与等离子增强化学气相沉积技术：这些技术利用等离子焰流作为热源，引发所喷涂粉末发生高温自蔓延反应，合成所需产物，并以极高的速度喷出，沉积到基体上形成涂层。这些技术可以提高工件的耐蚀、耐磨、耐热等性能。
多弧离子镀沉积：这种技术利用电弧放电产生高离化率的等离子体，使得涂层材料离子在基材表面获得高能量，从而实现高质量的沉积。多弧离子镀沉积技术广泛应用于航空航天、机械、电子、生物医学等领域，提高材料的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
等离子沉积镀膜：这是一种利用高能量的离子束辅助沉积物质形成涂层的过程。通过控制离子束的能量和流量，使其与待涂层的基材相互作用，从而在基材表面形成一层均匀、致密的涂层。等离子沉积镀膜具有高沉积速率、精确控制、均匀性和致密性、多功能性和低温处理等特点。