CN1293533A

CN1293533A - 产生长弧等离子体射流的装置及方法

Info

Publication number: CN1293533A
Application number: CN 99121825
Authority: CN
Inventors: 吴承康; 潘文霞; 张文华; 张文宏; 林烈
Original assignee: Institute of Mechanics of CAS
Current assignee: Institute of Mechanics of CAS
Priority date: 1999-10-18
Filing date: 1999-10-18
Publication date: 2001-05-02

Abstract

一种产生长弧等离子体射流的装置,包括:一由起弧性好而输出纹波系数小于7%的直流电源、一电路控制操作部分、一流量波动小于±3%的气体流量控制部分和一电弧等离子体发生器;其中该直流电源与电路控制操作部分相连接,电路控制操作部分与电弧等离子体发生器相连接,该气体流量控制部分与电弧等离子体发生器相连接。本发明的射流的脉动小,电弧对周围气体的卷吸少,电弧轴向温度变化梯度小,能量延轴向衰减慢,高温弧区长度长,射流喷射所产生的噪音不高于生活噪音。

Description

产生长弧等离子体射流的装置及方法

本发明涉及产生长弧等离子体射流的装置及方法，利用电弧等离子体射流在大气压条件下产生的装置及方法，其弧长／直径比高于12，特别是电弧稳定性的控制。

直流大气压电弧等离子体是研究与应用最广的一种热等离子体状态。目前，用于材料制备与加工的非转移式直流电弧等离子体射流基本上是湍流状态，电弧等离子体的高温高速气流在离开发生器喷嘴后，对周围气体的卷吸严重，冷热气流很快混合，射流能量衰减很快，温度梯度大，表现为射流长度短，使之用于材料加工的工艺条件难以控制，有用热效率低，噪音大而操作运转环境很差。形成这种状态的原因是由于电弧在发生器中产生的过程中受到多种复杂因素的综合影响，使得等离子体射流有很强的脉动性，也就是湍动性。只有克制这种脉动，才能产生出高温区域长、能量衰减慢而分布均匀、噪音小、有利于电弧能量的有效利用和材料加工工艺控制的等离子体射流。因此，射流的长度也就是其气流脉动性和能量分布特征的标志。然而，要控制形成长射流，需要把握等离子体在发生器电弧通道中形成的各个环节，控制所有影响电弧稳定性的扰动因素，目前没有查得有关大气压条件下，长弧等离子体射流的产生和长度控制方法及其相关的发生器装置的专利文献。这种长弧射流的稳定性和能量分布特点，将很大程度地开阔电弧等离子体射流的应用前景。

本发明的目的在于提供一种产生长弧等离子体射流的装置及方法，其可控制等离子体射流形成过程中影响电弧稳定性的各种扰动因素，产生电弧的长度与直径比为12-50的长射流，突出改善其应用于材料加工的工艺稳定可控性，以开创电弧等离子体加工技术的新工艺。

本发明采用的技术路线是将影响等离子体射流稳定性的因素归类为：发生器的电弧通道结构、气体供给、电源性能等三个大的方面；在选用适应于高压起弧、工作性能稳定的电源的条件下，设计了主要由阴极，中间段，和阳极组成的定弧长式电弧等离子体射流发生器；电弧通道结构的特征在于保证气流自身在其中的流动不受扰动而产生紊乱，同时控制电弧弧根在发生器通道中的轴向跳动，以控制等离子体的气流脉动；根据所需产生的射流状态的要求，主气的进气方式可为切向、轴向、或切向加轴向进气，也可同时加入切向辅气，以此组合作用控制气体流动行为，影响电弧弧根在通道中的位置，减少发生器电弧通道的烧蚀；气体流量的大小也影响射流的脉动性和电弧弧根的位置，减小射流湍动的适当供入气体流量与发生器通道尺寸和电弧的功率有关，选择范围为2-10米／秒。

本发明一种产生长弧等离子体射流的装置，其中包括：一由起弧性好而输出纹波系数小于7％的直流电源、一电路控制操作部分、一流量波动小于±3％的气体流量控制部分和一电弧等离子体发生器；其特征在于，其中该直流电源与电路控制操作部分相连接，电路控制操作部分与电弧等离子体发生器相连接，该气体流量控制部分与电弧等离子体发生器相连接。

其中该电弧等离子体发生器包括：一外壳，为内空圆柱体；一阴极，为内空柱状，固接在外壳的一端；一中间段，其剖面概似T形固定在外壳的中间，且中间有一通孔；一阳极，其剖面概似工字形，且中间有一通孔，固定在外壳内的一端；一绝缘片，安装在阳极与中间段之间；一铈钨棒，固定在阴极的一端。

其中在外壳的侧壁上开有多个主气流入口，与中间段的侧壁上开的主气流入口相通。

其中在外壳的侧壁的中间位置上开有多个辅气流入口，与绝缘片的侧壁上开的辅气流入口相通。

其中在外壳的侧壁的另一端开有一冷却水通路，该冷却水通路与外壳和阳极之间的冷却室相通，该冷却室并与阴极的冷却水通路连通。

本发明一种产生长弧等离子体射流的方法，其特征在于，将主气体从电弧等离子体发生器的阴极与中间段间隙的起弧端供入，将辅气从辅气流入口供入，不需要过渡性辅助阳极的作用，以起弧电路一次起弧，同时控制供气方式和气体流量、弧电流和电压、以及形状等各项参数，限制电弧弧根在发生器通道中的轴向跳动，减少射流的脉动和湍流度，增加射流的稳定性和长度。

其中该发生器的气路有主气和辅气，主气的供入方式可为切向、轴向、及其混合形式，适合的气流量范围为2-10米／秒。

其中主气或辅气的气体种类可选择氩气、氮气、氩气与氮气的混合、氢气与氮气或氩气的混合、以及氩气与氮气和氢气的混合。

为进一步说明本发明的结构和特征，以下结合实施例对本发明作进一步的详细描述，其中：

图1是非转移式直流电弧等离子体射流的初始湍流度与射流温度分布的关系图。

图2是电弧等离子体射流发生装置示意图；

图3是发生器部分的结构简图；

图4是图3中的A-A剖视图；

图5是图3中的B-B剖视图。

首先请参阅图1，是对两种状态的电弧等离子体射流进行数值模拟的结果，显示了射流离开发生器喷口后的等温线图，在相同的工作气流量0．15g／s条件下，由于气流状况控制的不同，形成等离子体射流在离开发生器喷口时的湍流度不同，导致气流的温度分布，特别是气流温度沿射流轴向的衰减情况很不相同；图的横轴为电弧离开发生器喷口的纵向距离，纵轴为自发生器喷口中心向外的距离，两条等温线之间的温度差为1000K，最外侧线所示温度为2000K，上图所示射流在发生器喷口处的湍动能为K=0．005u²，u为气流速度，下图所示射流在发生器喷口处的湍动能为K=0．5×10^-30u²，湍流度大则会对射流周围的气体产生强烈的卷吸，使射流的高温气体与周围冷气掺混进行得很快，因而射流的能量沿轴向传递的距离短，直观结果表现为射流的长度短，实际内容还包含了射流的脉动性强、能量分布不均匀、不稳定、射流内气体成分难以控制等缺点，这种状态的射流用于材料加工，结果是加工工艺的重复可控性差，质量难以保证；控制电弧在发生器中的产生过程，减少各因素对气流的扰动，也就是减小等离子体射流的湍流度，这种湍流度小的射流与周围冷气体的掺混少，能量损失也就相对减小，根据发生器的结构和对气流扰动状况控制的不同，射流长度可以在很大范围内变化，可根据使用条件的需求，产生适当长度和能量分布的电弧等离子体射流，并通过对等离子体射流状态的控制，满足不同应用领域的实际需求，仅就材料加工领域而言，例如可用于切割以往的转移式等离子体法所不能切割的非导电体材料；用于金属材料的表面相变、致密化、合金化、反应强化，熔敷等处理，比激光处理法成本低而能量利用率高，处理层的应力状况更易于控制；用于等离子体喷涂，粉末被加热的时间和距离增加，射流能量实际利用率增高，有利于在小功率的条件下进行高熔点或大颗粒粉末的喷涂。所有在这些方面的应用，都将有远远高于以往等离子体射流处理法的工艺可控性。

请再参阅图2、图3、图4和图5，一种产生长弧等离子体射流的装置，其中包括：一由起弧性好而输出纹波系数小于7％的直流电源1、一电路控制操作部分2、一流量波动小于±3％的气体流量控制部分3和一电弧等离子体发生器4；其中该直流电源1与电路控制操作部分2相连接，电路控制操作部分2与电弧等离子体发生器4相连接，该气体流量控制部分3与电弧等离子体发生器4相连接。其中所说的直流电源1、电路控制操作部分2、气体流量控制部分3为已有技术，不是本发明的重点。

其中该电弧等离子体发生器4(图3所示)包括：一外壳10，为内空圆柱体；一阴极9，为内空柱状，固接在外壳10的一端；一中间段8，其剖面概似T形固定在外壳10的中间，且中间有一通孔；一阳极6，其剖面概似工字形，且中间有一通孔，固定在外壳10内的一端；一绝缘片7，安装在阳极6与中间段8之间；一铈钨棒13，固定在阴极9的一端。其中在外壳10的侧壁上开有多个主气流入口14，与中间段8的侧壁上开的主气流入口81相通(图5中)。其中在外壳10的侧壁的中间位置上开有多个辅气流入口12，与绝缘片7的侧壁上开的辅气流入口71相通(图4中)。其中在外壳10的侧壁的另一端开有一冷却水通路11，该冷却水通路11与外壳10和阳极6之间的冷却室61相通，该冷却室61并与阴极9的冷却水通路15连通。

本发明一种产生长弧等离子体射流的方法，是将主气体从电弧等离子体发生器的阴极9与中间段8间隙的起弧端供入，将辅气从辅气流入口12供入，不需要过渡性辅助阳极的作用，以起弧电路一次起弧，同时控制供气方式和气体流量、弧电流和电压、以及形状等各项参数，限制电弧弧根在发生器通道中的轴向跳动，减少射流的脉动和湍流度，增加射流的稳定性和长度。其中该发生器的气路有主气和辅气，主气的供入方式可为切向、轴向、及其混合形式，适合的气流量范围为2-10米／秒。其中主气或辅气的气体种类可选择氩气、氮气、氩气与氮气的混合、氢气与氮气或氩气的混合、以及氩气与氮气和氢气的混合。

本发明的等离子体射流产生装置，电源输出的纹波系数应小于7％，气流量波动应小于±3％，主气由阴极和电弧通道的间隙供入，气路沿电弧通道轴向对称均匀布置，选择合理的供入位置，确保供气均匀，气路和电弧通道要光滑，以减少对初始气流产生扰动；辅气可使用与主气相同的气体，也可同时添加氧、甲烷、氨气等各种气体，也就是等离子体的气体可为氧化性，还原性，以及材料加工和处理所需要的热特性和反应性的各种实用范围的气体；以起弧电路一次起弧，进而调节弧电流和电压，然后在一定的输入功率条件下维持电弧的稳定工作；根据需要产生的电弧长度的要求，发生器的阳极喷口可为定截面或变截面，同时阳极和中间段的直径和长度尺寸可在较大范围变动。

本发明的装置和产生方法的电源稳定性、供气均匀稳定性、电弧通道的合理设计，这三方面的因素不能任意忽略某一因素，弧电流、气流量、和通道尺寸的变动，都需要根据所要产生的射流状态的要求，综合调节各因素的组合作用，以其综合作用的效果，控制射流的长度，参数的选择可参照实施例进行理解。

本发明所产生的等离子体射流的弧电压波动小，因而射流的脉动小，电弧对周围气体的卷吸少，电弧轴向温度变化梯度小，能量延轴向衰减慢，高温弧区长度长，电弧长度与电弧直径之比可达到12-50，射流喷射所产生的噪音不高于生活噪音。

实施例1

以此直流电弧等离子体射流发生装置，在大气压条件下，采用氮气与氩气的混合气体，在供气流量为8米／秒，输入功率为10kW的条件下，可产生长／径比为45的射流，射流喷射所产生的噪音远低于电源和换气系统所产生的噪音。

实施例2

在大气压条件下，采用氩气单一气体，在供气流量为4米／秒，输入功率为6kW的条件下，产生出长／径比为25的射流。

Claims

1、一种产生长弧等离子体射流的装置，其中包括：

一由起弧性好而输出纹波系数小于7％的直流电源、一电路控制操作部分、一流量波动小于±3％的气体流量控制部分和一电弧等离子体发生器；其特征在于，其中该直流电源与电路控制操作部分相连接，电路控制操作部分与电弧等离子体发生器相连接，该气体流量控制部分与电弧等离子体发生器相连接。

2、根据权利要求1所述的产生长弧等离子体射流的装置，其特征在于，其中该电弧等离子体发生器包括：

一外壳，为内空圆柱体；

一阴极，为内空柱状，固接在外壳的一端；

一中间段，其剖面概似T形固定在外壳的中间，且中间有一通孔；

一阳极，其剖面概似工字形，且中间有一通孔，固定在外壳内的一端；

一绝缘片，安装在阳极与中间段之间；

一铈钨棒，固定在阴极的一端。

3、根据权利要求1所述的产生长弧等离子体射流的装置，其特征在于，其中在外壳的侧壁上开有多个主气流入口，与中间段的侧壁上开的主气流入口相通。

4、根据权利要求1所述的产生长弧等离子体射流的装置，其特征在于，其中在外壳的侧壁的中间位置上开有多个辅气流入口，与绝缘片的侧壁上开的辅气流入口相通。

5、根据权利要求1所述的产生长弧等离子体射流的装置，其特征在于，其中在外壳的侧壁的另一端开有一冷却水通路，该冷却水通路与外壳和阳极之间的冷却室相通，该冷却室并与阴极的冷却水通路连通。

6、一种产生长弧等离子体射流的方法，其特征在于，

将主气体从电弧等离子体发生器的阴极与中间段间隙的起弧端供入，将辅气从辅气流入口供入，不需要过渡性辅助阳极的作用，以起弧电路一次起弧，同时控制供气方式和气体流量、弧电流和电压、以及形状等各项参数，限制电弧弧根在发生器通道中的轴向跳动，减少射流的脉动和湍流度，增加射流的稳定性和长度。

7、根据权利要求6所述的产生长弧等离子体射流的方法，其特征在于，其中该发生器的气路有主气和辅气，主气的供入方式可为切向、轴向、及其混合形式，适合的气流量范围为2-10米／秒。

8、根据权利要求6所述的产生长弧等离子体射流的方法，其特征在于，其中主气或辅气的气体种类可选择氩气、氮气、氩气与氮气的混合、氢气与氮气或氩气的混合、以及氩气与氮气和氢气的混合。