CN112024885B - 一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种等离子弧喷头，其设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧，电弧经过喷孔压缩和喷射产生等离子弧；连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；喷孔为环形喷孔；在喷头的被环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道；环形喷孔汇聚和喷射来自至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。本发明还涉及一种具有等离子弧喷头的等离子发生装置和三维打印设备。应用本发明的自动焊接或增材制造系统所需的控制系统简单、精度更高，具有极高的实用性；在喷头外获得稳定可控的流场；材料适用范围更广。

Description

一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备

技术领域

本发明涉及一种等离子弧喷头，尤其是涉及一种能产生环形等离子弧的喷头以及具有该等离子弧喷头的等离子发生装置和三维打印设备，属于等离子技术领域，可应用于喷涂、焊接和增材制造等领域。

背景技术

等离子体是除固体、液体、气体之外的第四种物质态。等离子被广泛应用于生产和生活中，例如：生产领域的等离子焊接、等离子熔炼、等离子切割、等离子刻蚀、真空等离子镀膜、等离子表面处理、等离子喷涂、等离子废物无害化处理，生活电器当中的等离子电视机。在等离子焊接、等离子切割和等离子增材制造(即3D打印)领域，所使用等离子体束通常是通过等离子炬(即等离子枪/等离子焊枪)产生的等离子弧。电弧是等离子的一种存在形式。

对自由电弧的弧柱进行强迫性“压缩”，从而使能量密度更高，弧柱中气体充分电离，这样的电弧称为等离子弧。等离子弧又称为压缩电弧，等离子弧不同于一般的电弧。一般电弧(例如电弧焊所产生的电弧)，因不受外界的约束，故也被称为自由电弧。通常，提高电弧弧柱的温度是通过增大电弧功率的方法来解决，但自由电弧的温度一般平均只有几千开左右。

当在电极和工件之间加上一个较高场强的电压和经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。电弧在通过等离子炬的特殊孔型的喷嘴(喷头)时，受到了机械压缩，使截面积小，功率密度增加。另外，当电弧通过低温特种喷嘴内，例如水冷却的喷嘴，水冷喷嘴孔道内壁表面形成一层冷气膜，以及受到导热性良好的水冷喷嘴孔道壁的冷却作用，使电弧柱外围气体受到了强烈冷却，可使等离子弧柱有效截面收缩，进而：导电截面缩小，产生热收缩效应，电弧进一步被压缩，造成电弧电流只能从弧柱中心通过，这时的电弧电流密度急剧增加。由于电弧内带电粒子在弧柱内的运动产生内禀磁场的电磁力，使带电粒子之间相互吸引，也就是电磁收缩效应，使电弧再被进一步压缩，这样被压缩后的电弧能量密度更高，温度极高(约1至2万摄氏度)，弧柱内的气体电离度极高。当压缩效应的作用与电弧内部的热扩散达到平衡后，这时的电弧便变成为稳定的等离子弧。

等离子弧按电源的供电方式分为非转移弧、转移弧及联合弧三种形式，其中的非转移弧和转移弧是基本的等离子弧形式。非转移弧：电弧建立在电极与喷嘴之间，离子气强迫等离子弧从喷嘴的喷孔喷出，也称等离子焰。转移弧：电弧建立在电极与工件之间，一般要先引燃非转移弧，然后再将电弧转移至电极与工件之间(需要切断电极与喷嘴之间的电弧)；这时工件成为另一个电极，转移弧能把较多的能量传递给工件，能量利用率高，金属材料的焊接及切割一般都采用转移弧。联合弧：非转移弧和转移弧同时存在的等离子弧；联合弧通常需用两个独立电源供电，一般用于电流小于30A以下的微束等离子弧焊接。

现有的适用于焊接、切割和增材制造的等离子炬诞生历史较长，技术成熟，已经被广泛使用，有大量的专利，例如申请号为200980123241.2、名称为“等离子切割枪”的中国专利申请。但是现有的等离子炬所产生的等离子弧弧柱的中心是电离度最高、温度最高的区域，即等离子弧不是空心的，固态物质(例如金属粉末、金属丝)从等离子弧中心通过时都无法保持固态、都会被剧烈加热。现有的等离子炬喷嘴(喷头)一般是在轴心区设置小圆孔的旋转体，等离子体在通过小圆孔时被压缩，之后从小圆孔喷射出去。使用现有的等离子炬作为焊接或者增材制造的加热源，无法实现从等离子弧中心送料，即无法在等离子束内同轴送粉或同轴送丝，只能采用旁轴送料方式，导致控制原料沉积所需的控制系统复杂，并且熔融原料沉积之后的表面形态粗糙。例如申请号为201710036247.2、名称为“一种铝合金丝材微束等离子弧增材制造设备与方法”的中国专利申请和申请号为201610458932.X、名称为“一种等离子弧填丝增材制造钛合金结构的方法”的中国专利申请，都采用旁轴送料方式。

发明内容

本发明的目的之一在于提供一种能产生环形等离子弧的喷头，尤其是一种可以实现在等离子束内同轴送料的等离子喷头。

本发明的目的之二在于提供一种能产生环形等离子弧的装置，尤其是一种可以实现在等离子束内同轴送料的等离子发生装置(本文中也称之为“等离子炬”)。

本发明的目的之三在于提供一种可调控等离子弧分布区域的等离子发生装置，即从等离子炬喷出的等离子弧在工件上作用的区域是可调控，既可产生封闭的环形等离子弧，也可产生非封闭的等离子弧(例如半环形等离子弧)，能适应增材制造领域所需的复杂和灵活加热的需求。

本发明的目的之四在于提供一种三维打印设备，可以实现使得打印设备结构更简单、成本更低，控制更精确、方便等。

为了实现上述的发明目的，根据本发明的其中一个方面，本发明采用的技术方案是：

一种等离子弧喷头，设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧(电弧属于等离子体的一种存在形式；电极的放电过程是由外部的电路驱动的)，电弧经过所述喷孔压缩和喷射产生等离子弧；

所述的连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；

所述的喷孔为环形喷孔；在喷头的被所述环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道(该孔道可作为输送通路，例如喷射固态粉末原料、输送固态线材原料)；

所述的环形喷孔汇聚和喷射来自所述的至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。

可选地：

所述孔道沿所述环形喷孔的轴向延伸。

可选地：

在喷头内设置环形腔体，环形腔体与所述的环形喷孔相连通；等离子体流经环形腔体之后再从环形喷孔喷出(环形腔体可以对不同电极产生的等离子体产生混合作用)。

可选地：

所述的环形腔体在与所述环形喷孔交界处收窄(环形喷孔处相当于“瓶颈”)。

可选地：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体(电弧)沿着环形腔体内壁切线方向射入所述的环形腔体内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

可选地：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体(电弧)沿着电极和环形腔体的共同轴截面(即同时经过电极的轴心和环形腔体的轴心的截面)往所述的环形喷孔方向射入所述的环形腔体内的环形空间，最后经环形喷孔喷出。

可选地：

所述环形腔体能容置所述的至少两组等离子发生单元的电极的前端以汇聚所述电极产生的电弧。

可选地：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

可选地：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形喷孔的共同轴截面(即同时经过电极的轴心和环形喷孔的轴心的截面)往环形喷孔的出口方向射入环形喷孔内的环形空间。

可选地：

在所述的喷头的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路(可用于在所产生的环形等离子弧外围形成包围环形等离子弧的流体，例如气幕或水幕)。

可选地：

在所述的喷头设置冷却液通路，以对喷头进行冷却；

所述的喷头由至少两个部件组合而成，例如：两个部件通过焊接方式连接起来，在两个部件下端之间的交界处组合出圆环形喷孔。又如：通过螺纹连接方式，组合出流通冷却水的腔体，对喷头进行冷却。

可选地：

所述的环形喷孔内部空间呈喇叭的壁的形态(喇叭的实心壁所占据的空间所呈现的形态)，并且环形喷孔的出口端口径较入口端口径小。

可选地：

所述的环形喷孔为圆环形间隙。

可选地：

所述喷头中的所述等离子弧的流动方向在所述环形喷孔的径向上由外向内渐靠近所述环形喷孔的中心轴。

可选地：

在所述的喷头外周设置屏蔽罩。

可选地：

在所述的喷头外周设置陶瓷套。

根据本发明的其中另一个方面，本发明采用的技术方案是：

一种等离子发生装置，包括等离子发生单元和喷头，所述等离子发生单元包括壳体和电极，所述壳体与喷头连接，电极的前端位于壳体内或伸出壳体的前端并位于喷头内；所述喷头采用上述任一项所述的等离子弧喷头；对应的，所述的等离子发生单元的数量至少为两组，所述的至少两组的等离子发生单元分别通过对应的连接结构与所述喷头相连接。

可选地：

所有的等离子发生单元产生的电弧(等离子体)都经同一个环形喷孔喷出。

可选地：

所述等离子发生单元还包括电极座，用于安装所述电极；电极座设置于所述壳体内或者设置于壳体的远离所述喷头的后端。

可选地：

所述的电极座连接外部电源，并将电流引入电极。

可选地：

所述电极座设置有气体通路，将工作气体引入壳体内。

可选地：

所述电极座设置有冷却液通路，对所述电极进行散热。

可选地：

所述电极座设置有气体通路和冷却液通路，工作气体经由气体通路流至电极处以被电极电离。

可选地：

所述的壳体为绝缘体。

可选地：

所述的壳体由金属材料制造，在壳体与所述电极之间的空间设置绝缘体。

可选地：

所述的电极，每组电极配套一路独立的工作气流(即每路工作气流可以被独立控制，例如气流的流速、流量)。

可选地：

所有电极共用同一路工作气流。

可选地：

部分电极共用同一路工作气流。

可选地：

每组电极相互独立工作，即每组电极的放电过程是独立的，可被单独控制。

可选地：

在壳体内设置气流调制器件，用于对流经电极表面的气流进行调制。

可选地：

在壳体内设置气流调制器件，用于对流经电极表面的气流进行调制，在电极表面形成环绕电极旋转的涡流(涡流可以驱动电弧的弧根移动，避免弧根停留在一个位置，从而延长电极的寿命)。

可选地：

在每组电极与喷头之间设置一个独立的腔体，该腔体通过一通道与喷头内的环形腔体连通；等离子体流经所述通道、环形腔体之后再从环形喷孔喷出。

可选地：

在每组电极与喷头之间设置一个独立的腔体，该腔体通过一通道与喷头内的环形喷孔连通。

可选地：

每组电极产生的等离子体(电弧)沿着环形腔体内壁切线方向射入，在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

可选地：

每组电极产生的等离子体(电弧)沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔，在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

可选地：

每组电极产生的等离子体(电弧)沿着电极和环形腔体的共同轴截面(即同时经过该组的电极的轴心和环形腔体的轴心的截面)往所述的环形喷孔方向射入环形腔体，最后经环形喷孔喷出。

可选地：

所有电极的前端设置于同一个环形腔体内，共用同一个环形腔体，环形腔体与喷头的环形喷孔连通。

可选地：

每组电极产生的等离子体(电弧)沿着电极和环形喷孔的共同轴截面(即同时经过该组的电极的轴心和环形喷孔的轴心的截面)往所述的环形喷孔出口方向射入所述的环形喷孔内的环形空间，经环形喷孔喷出。

可选地：

产生的等离子体为联合弧。

可选地：

所述的电极具有轴心，电极的轴心与所述喷头的环形喷孔的中心轴相交于所述喷头外且靠近环形喷孔的一侧(例如，当环形喷孔出口位于喷头的下端面时，相交点位于喷头的下端面下方，而不是位于喷头的上端面的上方)。

在所述的电极设置水冷通路，以对电极进行冷却。

根据本发明的再一个方面，本发明采用的技术方案是：

一种三维打印设备，包括上述任一项所述的等离子发生装置。

可选地：

所述等离子发生装置用于对工件进行加热以在所述工件表面产生熔池，打印原料穿过所述孔道后被加热装置加热熔化以与所述熔池融合。

本发明的有益效果如下：

(1)本发明可实现在等离子体束围成的空间中进行送丝(送丝路径可以选择沿着等离子体束围成的空间的轴向进行送丝，这里称之为“同轴送料”)，在工件的表面上沉积熔融原料时，原料丝材在工件表面的平面内移动没有方向约束，所需的控制系统简单，尤其是在增材制造领域(三维打印领域)，控制系统简单所带来的益处多，例如：增材制造设备所需的三维运动平台，使用XYZ三轴平台就能满足需要，即每层成型层由XY两轴控制，切换成型层时由Z轴控制，原料丝材以垂直于成型层平面的方向往成型层移动，不需要五轴甚至更复杂的运动平台，原料丝材的驱动和定位系统也十分简单，并且所需的控制算法简单；而常规等离子弧增材制造采用在等离子体束围成的空间之外进行送丝的方式(这里称之为“旁轴送料”)，带来诸多问题，例如路径规划困难、多轴机器人编程复杂、成形效率低、难以打印复杂结构等问题；因此，本发明具有极高的实用性。

(2)本发明实现在等离子体束围成的空间中同轴送料(同轴送粉或同轴送丝)，可以控制原料在抵达工件前的被加热程度，例如在抵达工件前原料不被加热熔化，原料抵达工件表面之后才被加热熔化，可以避免被等离子束的极高温度破坏材料的成分，例如使用碳化钨材料时不容易分解，又如TC4钛铝合金中的铝这种沸点较低的成分损失少；因此，本发明能适用于更广泛的材料。

(3)本发明实现等离子体束内同轴送料，尤其是同轴送丝，原料丝材垂直抵达工件表面，接触面积更小(相对于旁轴送料方式而言)，熔融原料在工件表面沉积之后，表面形态更精细；因此，本发明可用于更高精度的焊接或增材制造。

(4)本发明通过环形喷孔强制多个电极产生的等离子体合成一个整体，能在环形喷孔出口外获得均匀稳定且可控的流场，这对于使用粉末原料的场合十分有益；而对于多个等离子炬分别使用独立的喷头(喷嘴)的方案(例如公布号CN109175639A的中国专利申请)，不使用环形喷孔调制不同喷头产生等离子体束(即多束等离子体并不合成为一束等离子体)，导致不同等离子体束在喷头外互相碰撞或干扰，使流场不稳定和不可控。

(5)本发明可调控等离子弧分布区域，既可产生封闭的环形等离子弧，也可产生非封闭的等离子弧(例如半环形等离子弧)，可实现对工件表面的即将沉积(累积)熔融原料的区域进行加热，而不对刚刚沉积的熔融原料进行加热，避免对刚完成沉积的熔融原料过度加热(过度加热会导致流动性更高或者气化)，可以获得更高的成型精度，这对于增材制造的应用而言，意义更大；因此，本发明可用于更高精度的焊接或增材制造。

综上所述，本发明的有益效果众多，例如：应用本发明的自动焊接或增材制造系统所需的控制系统简单，具有极高的实用性；在喷头外获得稳定可控的流场；材料适用范围更广；应用本发明的自动焊接或增材制造系统能实现更高的成型精度。本发明具有实质性进步。

附图说明

图1是本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例的三维透视图；

图2是本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例的俯视图；

图3是本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例的仰视图；

图4是本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例的前视图；

图5是沿着图4中的A-A所示的剖切面剖切获得的断面图；

图6是本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例的左视图；

图7是沿着图6中的B-B所示的剖切面剖切获得的剖视图；

图8是图1至图7所示的等离子发生装置应用于三维打印设备的工作原理示意图之一；

图9至图12用于说明图1至图7所示的本发明等离子发生装置中的等离子弧喷头的结构；其中：图9是等离子弧喷头的三维透视图，图10是等离子弧喷头的前视图；图11是沿着图10中C-C所示的剖切面剖切获得的断面图，用于说明等离子弧喷头的内部结构；图12是沿着垂直于图10中C-C所示剖切面的轴截面剖切获得的断面图；

图13至图14，用于说明本发明第一个具体实施例使用金属线材作为原料的情形；其中：图13是三维透视图；图14是图13应用于三维打印设备的工作原理示意图；

图15至图18用于说明本发明一种等离子发生装置的第二个具体实施例的原理；其中：图15是三维透视图，图16是俯视图，图17是仰视图，图18是等离子弧喷头内部的离子气的流动示意图；

图19是本发明一种等离子发生装置的第三个具体实施例的断面图。

其中的标号：10-整流喷头一，11-环形喷孔一，12-中心孔一，13-冷却液接口一，14-冷却液接口二，15-冷却液接口三，16-冷却液接口四，17-环形冷却腔一，18-环形冷却腔二，19-环形混合腔一；20-等离子发生单元阵列一，21-电极座一，22-涡流绝缘套一，23-壳体一，24-电极一，25-电极座二，26-涡流绝缘套二，27-壳体二，28-电极二，29-电极腔一；30-冷却水，31-环形等离子弧，32-工件，33-熔池，34-控制电路；40-等离子发生单元安装槽，41-等离子发生单元阵列二；50-线状固态原料引导管，51-陶瓷套，52-线状固态原料，53-电阻加热控制电路；60-整流喷头二，61-环形喷孔二，62-中心孔二；70-环形混合腔二，71-连接孔道二，72-等离子发生单元产生的等离子束；80-整流喷头三，81-环形冷却腔三，82-环形混合腔三，83-环形喷孔三，84-中心孔三，85-环形冷却腔四；90-等离子发生单元阵列三；100-连接孔道一；101-焊缝一，102-焊缝二，103-焊缝三，104-焊缝四，105-焊缝五；

F1-携带粉末的气流；F2-工作气体，F3-冷却水流一，F4-冷却水流二；

D1-线状固态原料的递进方向；符号θ表示夹角。

具体实施方式

下面列举本发明的较佳具体实施例并结合附图对本发明进行详细描述。

如图1至图14所示的本发明一种等离子发生装置的第一个具体实施例：主要由喷头(即，整流喷头一10)和等离子发生单元的阵列一20组成；喷头设置有与等离子发生单元连接的连接结构，所有的等离子发生单元通过连接结构连接到一个共同的喷头(整流喷头一10)，整流喷头一10将所有等离子发生单元产生的等离子体(即电弧，电弧是等离子体的一种存在形式)汇聚、混合和整流并从通过一个喷孔(即，环形喷孔一11)喷出。

等离子发生单元阵列一20由6组等离子发生单元组成，相邻两组等离子发生单元之间夹角60°(以图2所示的视角观察)。每组等离子发生单元主要由壳体、电极座、电极组成，各个电极的前端位于下述的环形腔体中以在环形腔体中汇聚各个电极产生的电弧。当然，等离子发生单元的数量也可以是2个、3个、4个或5个等，不以此为限。

如图5、图7、图9至图12所示，喷头(整流喷头一10)由4个紫铜材料旋转体部件通过455nm蓝色激光焊接组合而成的，焊缝包括焊缝一101、焊缝二102、焊缝三103、焊缝四104和焊缝五105。整流喷头一10内部设置有：用于喷射等离子体弧的环形喷孔(即，环形喷孔一11)、用于对气流和等离子体进行混合的环形腔体(即，环形混合腔一19)、用于喷射固态粉末原料或输送固态线材原料的孔道(即，中心孔一12)、两个流通冷却水的环形冷却腔一17和环形冷却腔二18，环形冷却腔一17和环形冷却腔二18形成冷却液通路。优选的，孔道沿环形喷孔一11的轴向延伸。环形混合腔一19与所述的环形喷孔一11相连通，等离子体流经环形混合腔一19之后再从环形喷孔一11喷出。环形冷却腔一17通过冷却液接口三15和冷却液接口四16与外界的散热系统(未在附图中示出)连接。环形冷却腔二18通过冷却液接口一13和冷却液接口二14与外界的散热系统(未在附图中示出)连接。环形混合腔一19在与环形喷孔一11交界处收窄，环形喷孔一11处相当于“瓶颈”，不同电极产生的等离子体在该交界处实现混合。环形喷孔一11汇聚和喷射来自各个等离子发生单元的电极电离产生的电弧。环形喷孔一11为圆环形间隙，其内部空间呈喇叭的壁的形态(喇叭的实心壁所占据的空间所呈现的形态)，即：环形喷孔一11上端(入口端)的内径大于下端(出口端)内径，上端外径大于下端外径，也即，环形喷孔一11的出口端口径较入口端口径小。也可以理解为：环形喷孔一11其内部空间呈漏斗的壁的形态(漏斗的实心壁所占据的空间呈现的形态)，具体如图5、图7、图11或图12所示，环形喷孔一11的截断面相对于环形喷孔的中心轴对称并且截断面整体上呈喇叭形状或汉字的倒“八”形状或漏斗形状。图11中的符号θ表示环形喷孔一11其内部腔体空间在同一轴截面上的夹角。同样的，环形混合腔一19其内部空间呈喇叭形态，即：环形混合腔一19上端(入口端)的内径大于下端(出口端)内径，上端外径大于下端外径，具体如图5、图7、图11或图12所示，环形混合腔一19的截断面相对于环形喷孔的中心轴对称并且截断面整体上呈喇叭形状或汉字的倒“八”形状或漏斗形状。中心孔一12与环形喷孔一11共轴。在工作状态下，在下述的连接结构对电极指向的限定作用下，每组电极产生的等离子体(电弧)沿着电极和环形腔体(环形混合腔一19)的共同轴截面(即同时经过电极的轴心和环形腔体的轴心的截面，如图4中A-A所示的剖切面)往环形喷孔(环形喷孔一11)方向射入环形腔体(环形混合腔一19)内的环形空间，最后经环形喷孔(环形喷孔一11)喷出，如图8所示。并且，整流喷头一10中的等离子弧的流动方向在环形喷孔一11的径向上由外向内渐靠近环形喷孔一11的中心轴。

电极座设置于壳体内或者设置于壳体的远离整流喷头一10的后端，本实施例具体采用后者。在壳体与电极之间的空间(在壳体与电极座之间)设置绝缘套，以附图5所示的两组等离子发生单元为例进行说明：其中的一组由壳体一23、电极座一21、电极一24和涡流绝缘套一22组成，另一组由壳体二27、电极座二25、电极二28和涡流绝缘套二26组成；在绝缘套(即，涡流绝缘套一22和涡流绝缘套二26)内壁设置有螺旋槽，气流经螺旋槽引导射入壳体与电极之间的空间后形成涡流；电极座(即，电极座一21和电极座二25)内部设置有气体通路和冷却水通路，气体通路与壳体与电极之间的空间连通，冷却水通路连接到电极座内部与电极之间的空间。涡流绝缘套一22和涡流绝缘套二26由高纯度氧化铝陶瓷制成，壳体一23、壳体二27、电极座一21和电极座二25均采用黄铜材料。电极一24和电极二28的前端为镧钨，镧钨镶嵌在紫铜帽上，紫铜帽通过螺纹与电极座连接，电极座内的冷却水流过紫铜帽的内壁。每组电极的轴心与环形喷孔(环形喷孔一11)的中心轴不共轴。电极具有轴心，电极的轴心与环形喷孔一11的中心轴相交于整流喷头一10外且靠近环形喷孔一11的一侧，具体的，每组电极的轴心与环形喷孔(即，环形喷孔一11)的中心轴相交于环形喷孔一11的下方，也就是相交于中心孔一12的正下方。

每组等离子发生单元通过一个等离子发生单元安装槽40(如图9和图10所示)与整流喷头一10连接，所述的连接结构包括该等离子发生单元安装槽40。此外，连接结构还包括一个圆锥形槽，圆锥形槽与电极前端所在的壳体(例如壳体一23)内部空间一起组成电极腔(例如电极腔一29)，相当于普通的等离子炬的燃烧室/燃烧腔，连接结构限定对应的电极的指向。在每个电极腔与整流喷头一10内部的环形混合腔一19之间设置一个通道(例如连接孔道一100)，每组等离子发生单元对应的圆锥形槽通过该通道连接到共同的环形混合腔一19。圆锥形槽将气流和电极放电产生的自由电弧引导进入环形混合腔一19。

优选的，在整流喷头一10的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路(未图示)，流体喷射通路可用于在所产生的环形等离子弧外围形成包围环形等离子弧的流体，例如气幕或水幕，从而使得等离子弧更稳定。

如图8所示，当本发明的第一个具体实施例处于工作状态时，控制电路34启动，电极被接入电源的负极(电源属于控制电路34的一部分)，整流喷头一10被接入电源的正极，通过高频高压脉冲在电极与整流喷头一10之间引燃电弧，等离子体(电弧，此时属于非转移弧)经环形喷孔一11喷射至工件32表面，之后工件32被接入电源的正极，待电极与工件32之间的电弧被引燃之后，控制电路34切断整流喷头一10与电源正极的连接，最后形成转移弧。整流喷头一10由紫铜制造，具有高热传导效率，快速流动的冷却水30对环形喷孔一11、环形混合腔一19和电极腔(例如电极腔一29)进行急速冷却。在环形喷孔一11、环形混合腔一19和电极腔(例如电极腔一29)内壁表面形成一层冷气膜，以及受到导热性良好的内壁的冷却作用，使电弧柱与这些腔体内壁、喷孔内壁之间的气体受到了强烈冷却，可使等离子弧柱有效截面收缩。通过环形喷孔一11强制多个电极产生的等离子体合成一个整体(即，所有的电极电离产生的电弧共用同一个环形喷孔喷出)，在环形喷孔一11出口外形成环形等离子弧31，能在环形喷孔一11出口外获得均匀稳定且可控的流场。环形等离子弧31在工件32表面形成环形熔池，然后环形熔池通过热传导方式将其中心区域熔化，形成熔池33。工件32属于阳极，转移弧对阳极产生高效地加热。所有电极共用一路工作气体F2，冷却水流一F3、冷却水流二F4分别对电极一24和电极二28进行冷却。携带粉末的气流F1从中心孔一12喷出并在熔池33上沉积。携带粉末的气流F1携带TC4(Ti-6Al-4V)钛合金粉末，工件32的材料也是TC4。图8所示的应用情形，可以是热喷涂、焊接，也可以是3D打印。当应用于3D打印时，工件32就是打印体(即，先前沉积的融化原料固化之后形成的构件)。在环形喷孔一11出口与工件32之间形成均匀稳定且可控的流场，对从环形等离子弧31中心区域穿过的粉末原料流的形态可控性、稳定性都具有极大的好处，可以实现高成型精度和高原料利用率。相比之下，现有的使用多个(两个或两个以上)独立等离子炬(每个等离子炬使用独立的喷头/喷嘴)的方案(例如公布号CN109175639A/申请号201811279445.2的中国专利申请)，不使用环形喷孔调制不同喷头产生等离子体束(即多束等离子体并不合成为一束等离子体)，导致不同等离子体束在喷头外互相碰撞、互相干扰，使流场不稳定和不可控，等离子束形态不可控，导致被等离子弧加热的区域不断变动，加热范围和加热面积也都变大(能量密度降低)，影响加热效果，并且会加热(误伤)不该被加热的区域。

如图8所示，携带粉末的气流F1从中心孔一12喷出，环形等离子弧31所包围的中心区域没有流体排泄通路，环形等离子弧31所包围的中心区域气压相对环形等离子弧31外围空间高，环形等离子弧31被迫往外周排泄，形成整体往外周折弯的形态。在环形喷孔一11出口处内外径不变的情况下，通过改变图11中θ所示的夹角的大小，可以调控环形等离子弧31所包围的中心区域内无等离子弧的空间的直径。在环形等离子弧31的工作气体流速不变的前提下，也可以通过调节携带粉末的气流F1的流速来调控环形等离子弧31所包围的中心区域内无等离子弧的空间的直径。

如图13和图14所示，本发明第一个具体实施例使用金属丝(即，线状固态原料52)作为固态原料的应用情景：在整流喷头一10的中心孔一12处设置线状固态原料引导管50和陶瓷套51；线状固态原料引导管50为旋转体结构，采用氧化铝铜(一种由紫铜和氧化铝颗粒组成的复合材料)材料制造，其中心的管道用于引导线状固态原料52穿过环形等离子弧31的无等离子弧的中心区域并抵达工件32上表面的熔池33(箭头D1为线状固态原料的递进方向)；陶瓷套51采用高纯度氧化陶瓷材料，对整流喷头一10与线状固态原料引导管50进行电气隔离；线状固态原料引导管50和工件32可控地被连接到电阻加热控制电路53的电源(未在附图中示出)。电阻加热控制电路53的电源可以是直流电源，也可以是交流电源(例如输出频率50kHz的大功率交流电源)。在工作过程，电阻加热控制电路53施加在线状固态原料52与熔池33之间的电能产生的电阻加热作用将线状固态原料52的与熔池33接触的区域熔化，与此同时也将熔池33与线状固态原料52接触的区域进一步加热，使线状固态原料52被局部熔化产生的熔融原料与熔池33实现充分的冶金融合。利用线状固态原料52与线状固态原料引导管50下端面之间的仍保持固态的金属丝作为“自耗型”机械部件，来拽住即时产生的熔融原料(熔融原料的发生部位始终位于线状固态原料52的下端，熔融原料始终黏附在线状固态原料52的下端)，与此同时控制即时产生的熔融原料在工件32上表面的与D1方向垂直的面上的沉积(累积)位置。因为整流喷头一10的中心孔一12被线状固态原料引导管50、陶瓷套51和线状固态原料52占据，环形等离子弧31所包围的中心区域没有流体排泄通路，环形等离子弧31被迫往外周排泄，形成整体往外周折弯的形态，在环形等离子弧31所包围的中心区域内形成无等离子弧的空间，在线状固态原料52在与D1所示方向上的递进速度足够高的前提下，线状固态原料52在环形等离子弧31所包围的无等离子弧空间内不会被环形等离子弧31产生的热辐射和该空间内存在的较高温气体所熔化而保持固态(即线状固态原料52在该空间内被热辐射和较高温气体加热的时间短，不足以被加热熔化)。也可以在线状固态原料引导管50与中心孔一12之间的空间设置空隙，用于输送气流。这种应用场景，尤其是应用于3D打印，可以实获得高成型精度，并且能打印高熔点材料(例如钛、钨)。在打印高熔点材料打印时，即时产生的熔融原料与线状固态原料引导管50之间始终隔着未熔化的线状固态原料，熔融原料始终无法接触到线状固态原料引导管50及陶瓷套51和整流喷头一10的下端，熔融原料不会对这些结构产生熔蚀破坏作用。由于在线状固态原料52与熔池33之间的交界处实时生成熔融原料，熔融原料始终在环形等离子弧31对工件32上表面进行环形加热的区域的中心累积(也就是始终在熔池33的中心累积/沉积)，整流喷头一10与线状固态原料52一起在工件32上表面的与D1方向垂直的平面内往任何一个方向移动，都能确保熔融原料沉积的位置被环形等离子弧31预先加热(产生熔池)，使得应用本发明的3D打印系统的三维运动平台和原料供应系统的结构简单，比现有的基于等离子加热、电弧加热、激光加热、电子束加热且使用旁轴送丝的三维打印系统更简单、更易于实施。使用丝材作原料，材料成本低，对材料存储条件要求低，原料输送机构简单。

本发明的第一个具体实施例，可以根据需要，一个时段内部分电极工作、其它电极不工作(例如图2中所示的6个等离子发生单元当中的1个工作，其它5个不工作)，使等离子弧主要分布在环形喷孔一11喷射产生的环形气流内的特定区域，从而产生非封闭的等离子弧(例如半环形等离子弧)，能适应增材制造领域所需的复杂和灵活加热的需求。在3D打印中应用图14所示的应用情景时，本发明第一个具体实施例作为3D打印设备的打印头的组成部分，等离子弧始终加热打印体(工件)表面的即将累积熔融原料的区域(例如打印头移动路径上的与当前累积熔融原料位置相邻的下一个位置)，在打印头的移动速率足够快的情况下，可以确保熔融原料始终在熔池上累积(沉积)，与此同时，又不对先前累积但还没凝固的熔融原料进行过度加热(过度加热导致流动性增加、甚至气化)，避免过度加热对先前成型的精细结构的破坏，可以获得更高的成型精度。原理：对打印体的即将累积熔融原料的区域进行加热，而不是对正在累积熔融原料的区域进行加热，在三维打印过程中，打印体逐层累积成型，加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位转换为将来的熔融原料累积区，加热区的位于当前成型层熔融原料累积方向前方的部位定义为即将累积区；设定即将累积区与当前累积区的在当前成型层平面内的距离为L，当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率为V，L与V之比为t，即L/V＝t，当前累积区由熔融状态转变为非熔融状态所需的时间T；当t<T时，在即将累积区转变为当前累积区时可依赖其先前携带的热量而保持熔融状态；通过调节当前累积区的在当前成型层平面内的移动速率V和调节加热源(等离子体弧)对打印体的加热功率来调节当前累积区的温度或熔融状态。

优选的，还可以在壳体内设置气流调制器件(未图示)，用于对流经电极表面的气流进行调制，从而使得气流更稳定。

如图15至图18所示的本发明一种等离子发生装置的第二个具体实施例：由等离子发生单元阵列二41和整流喷头二60组成；等离子发生单元阵列二41由6个等离子发生单元组成，每个等离子发生单元的组成和结构与前述第一个具体实施例的等离子发生单元相同。整流喷头二60的结构与前述第一个具体实施例的整流喷头一10基本相同，主要差别在于：第二个具体实施例的每个等离子发生单元与整流喷头二60的位置关系、每两个相邻的等离子发生单元之间的位置关系，均与前述第一个具体实施例有差异。整流喷头二60也包含这些结构：用于喷射等离子体弧的环形喷孔(即，环形喷孔二61)，用于对气流和等离子体进行混合的环形腔体(即，环形混合腔二70)，用于喷射固态粉末原料或输送固态线材原料的孔道(即，中心孔二62)，两个流通冷却水的环形冷却腔(未在附图中示出)，连通环形腔体(即，环形混合腔二70)与电极腔(未在附图中示出)的通道(即，连接孔道二71)。整流喷头二60上的用于与等离子发生单元连接的结构与前述第一个具体实施例有差异，引导每个等离子发生单元的走向相对前述第一个具体实施例发生变化：每组电极产生的等离子体束(即电弧)，也就是附图18中所示的等离子发生单元产生的等离子束72，在等离子发生单元安装槽40(连接结构)对电极指向进行调控限定下沿着环形腔体(环形混合腔二70)内壁切线方向射入环形腔体内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流，从而在环形喷孔二61出口外形成涡旋气流。

图19是示意图，示出本发明一种等离子发生装置的第三个具体实施例：整流喷头三80和等离子发生单元阵列三90组成。整流喷头三80也包含这些结构：环形喷孔三83、中心孔三84、环形混合腔三82、环形冷却腔三81、环形冷却腔四85。本第三具体实施例与前述的本发明第一个具体实施例的关键区别在于：各个连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形喷孔三83的共同轴截面往环形喷孔三83的出口方向射入环形喷孔三83内的环形空间。每组电极前端直接伸入环形混合腔三82，在每组电极前端与整流喷头三80之间并不设置独立的电极腔，而是所有电极的前端共用一个整体的环形腔体。本第三具体实施例的每组等离子发生单元与前述的本发明第一个具体实施例的等离子发生单元一致。

在其他实施例中，也可以是，各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

本发明还可以在前述的具体实施例基础上，进行扩展。例如：在所述的喷嘴内不设置所述的环形腔体，各个电极产生的等离子体(电弧)直接进入所述的环形喷孔，各个所述的连接结构确定对应的电极的指向，使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。例如：在所述的喷头的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路，可以喷射气体(例如惰性气体)，在所述的环形等离子弧外围形成包围环形等离子弧的保护性气幕，增强对熔池的保护(例如隔绝氧气)，也可以喷射液体(例如在打印304不锈钢时，使用去离子水)对打印体(工件)进行快速冷却。例如：所述的电极，每组电极配套一路独立的工作气流(例如使用独立的气阀控制，配备独立的压力和流速传感器)，可以独立调节每组电极所配套的气流；每组电极相互独立工作，每组电极由控制电路单独控制，即每组电极的放电过程是独立的(例如每组电极连接到一个独立的电源模块，通过继电器或开关电路控制每组电极与电源的连通状态)。例如：在喷头内不设置所述的环形腔体(环形腔体可以产生流体混合作用)，在每组电极与喷头之间设置一个独立的腔体，该腔体通过一通道与喷头内的环形喷孔连通，每组电极放电产生的电弧直接进入环形喷孔，在环形喷孔内进行混合调制。例如：在所述的喷头外围再设置一个金属罩，起到屏蔽作用；在该屏蔽罩外围再设置一个氧化铝陶瓷罩，进一步提供电气绝缘保护。例如：为了提供小电流(低功率)工作状态下等离子弧的稳定性，本发明采用“联合弧”，即每组电极与所述喷嘴之间都可控地连接一个独立的电源模块，在部分电极或所有电极与喷头之间放电形成非转移弧，每组电极与工件(打印体)之间还可控地产生转移弧。例如：所属的等离子发生单元的壳体采用绝缘材料制造(例如高纯度氧化铝陶瓷)。例如：某些部分的等离子发生单元共用同一路工作气体(例如氩气)，某些电极共用同一路冷却水，以减少管路的复杂度。

以上所述，仅作为本发明的较佳具体实施例，不能以此限定本发明的实施范围，即依据本发明权利要求书及说明书内容所做的等效变换与修饰，皆仍属于本发明涵盖的范围。

Claims (22)

1.一种等离子弧喷头，设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧，电弧经过所述喷孔压缩和喷射产生等离子弧；

其特征在于：

所述的连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；

所述的喷孔为环形喷孔，所述的环形喷孔为圆环形间隙；在喷头的被所述环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道，所述孔道沿所述环形喷孔的轴向延伸；所述的环形喷孔汇聚和喷射来自所述的至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。

2.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

在喷头内设置环形腔体，环形腔体与所述的环形喷孔相连通；等离子体流经环形腔体之后再从环形喷孔喷出。

3.根据权利要求2所述的等离子弧喷头，其特征在于：

所述的环形腔体在与所述环形喷孔交界处收窄。

4.根据权利要求2所述的等离子弧喷头，其特征在于：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形腔体内壁切线方向射入所述的环形腔体内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

5.根据权利要求2所述的等离子弧喷头，其特征在于：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形腔体的共同轴截面往所述的环形喷孔方向射入所述的环形腔体内的环形空间，最后经环形喷孔喷出。

6.根据权利要求2所述的等离子弧喷头，其特征在于：

所述环形腔体能容置所述的至少两组等离子发生单元的电极的前端以汇聚所述电极产生的电弧。

7.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。

8.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形喷孔的共同轴截面往环形喷孔的出口方向射入环形喷孔内的环形空间。

9.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

在所述的喷头的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路。

10.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

在所述的喷头设置冷却液通路，以对喷头进行冷却；

所述的喷头由至少两个部件组合而成。

11.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

所述的环形喷孔内部空间呈喇叭的壁的形态，并且环形喷孔的出口端口径较入口端口径小。

12.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：

所述喷头中的所述等离子弧的流动方向在所述环形喷孔的径向上由外向内渐靠近所述环形喷孔的中心轴。

13.一种等离子发生装置，包括等离子发生单元和喷头，所述等离子发生单元包括壳体和电极，所述壳体与喷头连接，电极的前端位于壳体内或伸出壳体的前端并位于喷头内；其特征在于：所述喷头采用权利要求1至12任一项所述的等离子弧喷头；对应的，所述的等离子发生单元的数量至少为两组，所述的至少两组的等离子发生单元分别通过对应的连接结构与所述喷头相连接。

14.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

所述等离子发生单元还包括电极座，用于安装所述电极；电极座设置于壳体内或者设置于壳体的远离所述喷头的后端。

15.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

所有等离子发生单元产生的电弧都经同一个所述环形喷孔喷出。

16.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

所述的电极，每组电极配套一路独立的工作气流；

每组电极相互独立工作，即每组电极的放电过程是独立的。

17.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

在所述壳体内设置气流调制器件，用于对流经电极表面的气流进行调制。

18.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

所述喷头内设置有环形腔体，环形腔体与所述的环形喷孔相连通，等离子体流经环形腔体之后再从环形喷孔喷出；

在每组电极与喷头之间设置一个独立的腔体，该腔体通过一通道与喷头内的环形腔体连通；等离子体流经所述通道、环形腔体之后再从环形喷孔喷出。

19.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

在每组电极与喷头之间设置一个独立的腔体，该腔体通过一通道与喷头内的环形喷孔连通。

20.根据权利要求13所述的等离子发生装置，其特征在于：

所述的电极具有轴心，电极的轴心与所述喷头的环形喷孔的中心轴相交于所述喷头外且靠近环形喷孔的一侧。

21.一种三维打印设备，其特征在于：包括权利要求13至20任一项所述的等离子发生装置。

22.根据权利要求21所述的三维打印设备，其特征在于：

所述等离子发生装置用于对工件进行加热以在所述工件表面产生熔池，打印原料穿过所述孔道后被加热装置加热熔化以与所述熔池融合。

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