CN104947102B - 基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置。包括进料装置、永磁体、硅钢片、保护套和电极，进料装置中装有经过研磨的精细金属粉末并充满有用于产生等离子体的气体；进料装置的出口连接到由保护套所包围的喷射通道，位于喷射通道的两侧均设有电极，两侧的电极之间形成内部电场区域；永磁体夹于上下硅钢片之间，并包裹在保护套外，形成外部磁场区域，电极产生内部强电场，保护套位于由永磁体和硅钢片构成的外部磁场区域及电极产生的内部电场区域之间。本发明能快速、有效产生等离子体，并且由等离子体包裹着喷射出的金属粉末温度高、速度快、纯度高，可以广泛地应用于金属切割、非同种金属焊接、表面喷涂等领域。

Description

基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置

技术领域

本发明涉及了一种喷射装置，具体是涉及了一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置。

背景技术

在金属切割领域，市场上使用较多的是线切割、高温乙炔切割及高温水枪切割的方法。现有这些方法存在以下问题：线切割技术在切割金属内部时需要穿孔，且在多次作业后需要更换，增加了操作的复杂性；高温、高速乙炔气体流切割和高压水枪切割金属的方法在切割精度上不够高。

另一应用领域金属焊接，现有焊接技术很难实现高致密、高纯度非氧化金属焊接，尤其是在非同种金属断面的焊接上，容易造成断面氧化及腐蚀。

发明内容

针对现有技术及装置存在的上述问题，本发明提出了一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，通过电场下金属粉末产生局部感应强电场的效应，有效激发气体电离产生等离子体，快速简便，同时等离子体在由永磁体提供的强磁场环境中受磁力作用下向前运动，将包裹的金属粉末喷射出去，具有喷射速度大，纯度高、稳定可控等特点。

本发明的技术方案如下：

本发明包括进料装置、永磁体、硅钢片、保护套和电极，进料装置中装有经过研磨的精细金属粉末并充满有用于产生等离子体的气体；进料装置的出口连接到由保护套所包围的喷射通道，位于喷射通道的两侧均设有电极，两侧的电极之间形成内部电场区域；永磁体夹于上下硅钢片之间，并包裹在保护套外，形成外部磁场区域，电极产生内部强电场，保护套位于由永磁体和硅钢片构成的外部磁场区域及电极产生的内部电场区域之间。

所述永磁体与两侧的电极均在同一平面上，使得施加在电极上电流所产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向为顺磁方向。

所述上下硅钢片的内侧面均设有突出的梯形凸条，保护套定位在上下硅钢片的梯形凸条之间。

所述的精细金属粉末为经研磨后颗粒直径不大于0.1mm的金属粉末。

所述的永磁体采用钕铁硼或钐钴，用于产生喷射通道中的外部磁场。

所述的电极是石墨电极，用于激发气体电离产生等离子体。

所述的用于产生等离子体的气体是还原性气体或者惰性气体。

所述的惰性气体采用氦气。

所述的还原性气体采用氮气。

本发明采用处于电场中的金属粉末具有局部感应强电场的效应，激发气体电离产生等离子体，高温等离子体包裹着金属粉末通过一个永磁体产生、硅钢片聚拢的强磁场通道，在强磁场力作用下实现金属粉末的喷射。

相比线切割技术，本发明装置通过产生高温高速的带金属粉末等离子体喷射流，在特定磁场作用下，聚焦产生极细的喷射流，该喷射流可以用于切割金属，同时速度可控、精度更高，对于金属内部的切割也更方便。

相比焊接技术，本发明装置通过改变参入金属粉末的种类或者增大金属注入量，可将此金属焊接在其它金属表面，形成良好的异种金属焊接层，不易受氧化及腐蚀，大大延长了焊接产品的寿命，同时该高温高速的含金属粉末射流，可实现喷射速度与温度的可控，亦可实现将金属喷涂在非金属如玻璃的表面，而传统工艺很难达到此效果。

本发明的有益效果在于：

本发明利用电场下金属粉末的局部感应强电场效应，快速激发气体的电离，产生等离子体简便有效；同时在等离子喷射过程中始终处于喷射通道长电极强电场环境中，产生的等离子体稳定持久。

本发明利用永磁体产生强磁场，在通道中磁场力的作用下使等离子体包裹着金属粉末运动实现喷射效果，作用力均匀稳定，喷射速度快。

本发明中金属粉末在还原性/惰性气体等离子体包裹运动实现喷射，避免了金属在高温喷射下的氧化，具有纯度高，喷涂细腻的特点。

附图说明

图1为本发明装置的结构示意图。

图2为等离子体推进示意图。

图3为金属粉末激发气体电离的原理图。

图4为本发明装置的截面磁场分布图。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施例对本发明作进一步详细说明。

如图1所示，本发明包括进料装置1、永磁体2、硅钢片3、保护套4和电极5，进料装置1中装有经过研磨的精细金属粉末并充满有用于产生等离子体的气体；进料装置1的出口连接到由保护套4所包围的喷射通道，位于喷射通道的两侧均设有电极5，两侧的电极5之间形成内部电场区域；永磁体2夹于上下硅钢片3之间，并包裹在保护套4外，形成外部磁场区域，通过硅钢片3聚拢强磁场至电极5之间，电极5产生内部强电场，保护套位于由永磁体2和硅钢片3构成的外部磁场区域及电极5产生的内部电场区域之间。

永磁体2与两侧的电极5均在同一平面上，使得施加在电极上电流所产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向为顺磁方向，避免永磁体产生退磁现象。

上下硅钢片3的内侧面均设有突出的梯形凸条，保护套4定位在上下硅钢片3的梯形凸条之间。

精细的金属粉末可采用经研磨后颗粒直径不大于0.1mm的铜粉或铝粉。

永磁体2采用钕铁硼或钐钴，用于产生喷射通道中的外部磁场。

电极5是石墨电极，耐高温，电源激励下，正负极间产生强电场，用于激发气体电离产生等离子体，具体采用还原性或者惰性气体，优选的惰性气体采用氦气，优选的还原性气体采用氮气，同时具有较低的电离能，利用电离产生的等离子体包围金属粉末，避免产生氧化现象。

硅钢片3磁导率大、涡流损耗小，用于聚拢由永磁体3产生的磁场，并引导至电极5的所在的喷射通道中。

保护套4为陶瓷材料，具有良好的隔热效果，并且磁导率低，不易产生漏磁，包围内部强磁强电高温区域，与外部硅钢片、永磁体隔断，减少热量向外传导，避免永磁体的退磁。

金属粉末在电极5上电后，进料装置打开将其通入到电场入口，并在电场作用下产生局部感应强电场，用于更快地激发气体电离。

本发明的进料装置用于混合氮气(或者氦气或其他还原性/惰性气体)及经研磨的精细金属粉末，并在电极上电后，打开装置进料口，将金属粉末与气体的混合物通入到喷射通道入口。

本发明装置的喷射原理过程为：电极在电源激励后，电极中有电流通过，正负极间产生电场；电场稳定后，进料装置通道打开，将金属粉末与气体的混合物通入到喷射通道入口处；在电场作用下的金属粉末产生局部感应强电场，强烈激发气体的电离，产生等离子体；产生的等离子体在喷射通道中永磁体强磁场作用下，包裹着金属粉末不断加速，向通道出口运动，最终喷射出来。

图2为本实施方式中等离子体电流推进示意图。上层为石墨电极的阳极，下层为石墨电极的阴极。气体在金属粉末激发的局部感应强电场作用下击穿产生等离子体。等离子体在石墨电极间电场的作用下运动形成等离子体电流，方向从阳极指向阴极。喷射通道中存在由永磁体产生的强磁场，磁场方向朝里。等离子体电流在喷射通道的磁场下，受到向右的洛伦兹力作用，包裹着金属粉末向通道出口运动，最终从装置中射出。

本发明的实施例及其具体过程如下：

电极5采用石墨电极，永磁体2采用剩磁为1.2T的钕铁硼，保护套4为陶瓷材料，永磁体2的极向均为上表面N极，下表面S极，进料装置1中装有经过研磨后颗粒直径为0.1mm的铝粉并充满用于产生等离子体的氮气。

永磁体产生的强磁场通过硅钢片汇聚到喷射通道中，通道中的磁感应强度可达0.4T；在1000V电源激励下石墨电极完成上电，喷射通道中的电场建立；将进料装置打开，将铝粉与氮气的混合物通入到喷射通道入口；铝粉在电场作用下，产生局部感应强电场，激发氮气快速产生等离子体；气体等离子体在通道电场作用下形成两电极间的等离子体电流，等离子体电流在通道强磁场的作用下，受到洛伦兹力F＝BIl的作用向通道出口运动(B是通道中磁感应强度，I是等离子体电流，l是喷射通道宽度)，气体等离子体包裹着铝粉一同向出口运动。

通道中，电场始终存在，铝粉导致的局部感应强电场对气体的电离作用始终存在，等离子体电流不断加速。同时气体电离产生的热量将金属粉末加热至高温，可能发生液化情况。

高温高速的金属粉末/液滴在气体等离子的保护氛围下避免受氧化，最终被携带着冲出装置。喷射出金属粉末速度可达2km/s，并且在氮气等离子体包裹下温度高、纯度高。同时喷射的铝粉等离子体的速度v是与通道中磁感应强度B和电极间电场V相关的函数，温度T是与电极间电场V相关的函数，因此铝粉射流的速度与温度均能实现可靠控制。聚焦后的极细铝粉喷射流可用于高精度的金属切割；细腻高纯度的铝粉射流用于异种金属断面焊接、表面喷涂等场合，可避免氧化与腐蚀。

图3为本实施例电离仿真图。图中左右两块灰色矩形区域面为石墨电极，加入了2000V的电压激励，两个电极之间的距离为10mm，另外在两电极之间加了颗粒直径为0.1mm的铜粉。通过仿真结果可看到，铜粉颗粒间的电场强度达到了2.3*e6V/m，远远大于两电极间真空处的电场强度。

当现实装置中铜粉末颗粒的形状更加不规则，颗粒间的间隙更小，分布更加无序的情况下，金属粉末颗粒将产生非常巨大的局部感应强电场，使气体更加容易击穿产生等离子体。

图4为本发明装置的截面磁场分布图。图中左右两块永磁体都是上表面为N极，下表面为S极。左侧电极通垂直纸面朝里的正向电流，右侧电极通垂直纸面向外的负向电流，两电极通电后感应产生的磁场与永磁体磁场为顺磁方向。图中可见，永磁体产生的磁场通过硅钢片的导磁，聚拢到喷射通道中。聚磁后通道中的磁感应强度可达到永磁体自身磁感应强度的1/3。

由此可见，本发明能快速激发气体的电离，简便有效地产生等离子体，并且稳定持久，喷射速度快；且金属粉末喷射中避免了高温喷射的氧化，纯度高，喷涂细腻，具有突出显著的技术效果。

Claims (9)

1.一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：包括进料装置（1）、永磁体（2）、硅钢片（3）、保护套（4）和电极（5），进料装置（1）中装有经过研磨的精细金属粉末并充满有用于产生等离子体的气体；进料装置（1）的出口连接到由保护套（4）所包围的喷射通道，位于喷射通道的两侧均设有电极（5），两侧的电极（5）之间形成内部电场区域；永磁体（2）夹于上下硅钢片（3）之间，并包裹在保护套（4）外，形成外部磁场区域，电极（5）产生内部强电场，保护套位于由永磁体（2）和硅钢片（3）构成的外部磁场区域及电极（5）产生的内部电场区域之间。

2.根据权利要求1所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述永磁体（2）与两侧的电极（5）均在同一平面上，使得施加在电极上电流所产生的磁场方向与永磁体产生的磁场方向为顺磁方向。

3.根据权利要求1所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述上下硅钢片（3）的内侧面均设有突出的梯形凸条，保护套（4）定位在上下硅钢片（3）的梯形凸条之间。

4.根据权利要求1所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的精细金属粉末为经研磨后颗粒直径不大于0.1mm的金属粉末。

5.根据权利要求1所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的永磁体（2）采用钕铁硼或钐钴，用于产生喷射通道中的外部磁场。

6.根据权利要求1所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的电极（5）是石墨电极，用于激发气体电离产生等离子体。

7.根据权利要求6所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的用于产生等离子体的气体是还原性气体或者惰性气体。

8.根据权利要求7所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的惰性气体采用氦气。

9.根据权利要求7所述的一种基于等离子体磁场推进的金属粉末喷射装置，其特征在于：所述的还原性气体采用氮气。