專利名稱：產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置及方法
技術領域：
本發(fā)明涉及產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置及方法，利用電弧等離子體射流在大氣壓條件下產(chǎn)生的裝置及方法，其弧長／直徑比高于12，特別是電弧穩(wěn)定性的控制。
直流大氣壓電弧等離子體是研究與應用最廣的一種熱等離子體狀態(tài)。目前，用于材料制備與加工的非轉(zhuǎn)移式直流電弧等離子體射流基本上是湍流狀態(tài)，電弧等離子體的高溫高速氣流在離開發(fā)生器噴嘴后，對周圍氣體的卷吸嚴重，冷熱氣流很快混合，射流能量衰減很快，溫度梯度大，表現(xiàn)為射流長度短，使之用于材料加工的工藝條件難以控制，有用熱效率低，噪音大而操作運轉(zhuǎn)環(huán)境很差。形成這種狀態(tài)的原因是由于電弧在發(fā)生器中產(chǎn)生的過程中受到多種復雜因素的綜合影響，使得等離子體射流有很強的脈動性，也就是湍動性。只有克制這種脈動，才能產(chǎn)生出高溫區(qū)域長、能量衰減慢而分布均勻、噪音小、有利于電弧能量的有效利用和材料加工工藝控制的等離子體射流。因此，射流的長度也就是其氣流脈動性和能量分布特征的標志。然而，要控制形成長射流，需要把握等離子體在發(fā)生器電弧通道中形成的各個環(huán)節(jié)，控制所有影響電弧穩(wěn)定性的擾動因素，目前沒有查得有關大氣壓條件下，長弧等離子體射流的產(chǎn)生和長度控制方法及其相關的發(fā)生器裝置的專利文獻。這種長弧射流的穩(wěn)定性和能量分布特點，將很大程度地開闊電弧等離子體射流的應用前景。
本發(fā)明的目的在于提供一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置及方法，其可控制等離子體射流形成過程中影響電弧穩(wěn)定性的各種擾動因素，產(chǎn)生電弧的長度與直徑比為12-50的長射流，突出改善其應用于材料加工的工藝穩(wěn)定可控性，以開創(chuàng)電弧等離子體加工技術的新工藝。
本發(fā)明采用的技術路線是將影響等離子體射流穩(wěn)定性的因素歸類為發(fā)生器的電弧通道結構、氣體供給、電源性能等三個大的方面；在選用適應于高壓起弧、工作性能穩(wěn)定的電源的條件下，設計了主要由陰極，中間段，和陽極組成的定弧長式電弧等離子體射流發(fā)生器；電弧通道結構的特征在于保證氣流自身在其中的流動不受擾動而產(chǎn)生紊亂，同時控制電弧弧根在發(fā)生器通道中的軸向跳動，以控制等離子體的氣流脈動；根據(jù)所需產(chǎn)生的射流狀態(tài)的要求，主氣的進氣方式可為切向、軸向、或切向加軸向進氣，也可同時加入切向輔氣，以此組合作用控制氣體流動行為，影響電弧弧根在通道中的位置，減少發(fā)生器電弧通道的燒蝕；氣體流量的大小也影響射流的脈動性和電弧弧根的位置，減小射流湍動的適當供入氣體流量與發(fā)生器通道尺寸和電弧的功率有關，選擇范圍為2-10米／秒。
本發(fā)明一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其中包括一由起弧性好而輸出紋波系數(shù)小于7％的直流電源、一電路控制操作部分、一流量波動小于±3％的氣體流量控制部分和一電弧等離子體發(fā)生器；其特征在于，其中該直流電源與電路控制操作部分相連接，電路控制操作部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接，該氣體流量控制部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接。
其中該電弧等離子體發(fā)生器包括一外殼，為內(nèi)空圓柱體；一陰極，為內(nèi)空柱狀，固接在外殼的一端；一中間段，其剖面概似T形固定在外殼的中間，且中間有一通孔；一陽極，其剖面概似工字形，且中間有一通孔，固定在外殼內(nèi)的一端；一絕緣片，安裝在陽極與中間段之間；一鈰鎢棒，固定在陰極的一端。
其中在外殼的側壁上開有多個主氣流入口，與中間段的側壁上開的主氣流入口相通。
其中在外殼的側壁的中間位置上開有多個輔氣流入口，與絕緣片的側壁上開的輔氣流入口相通。
其中在外殼的側壁的另一端開有一冷卻水通路，該冷卻水通路與外殼和陽極之間的冷卻室相通，該冷卻室并與陰極的冷卻水通路連通。
本發(fā)明一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的方法，其特征在于，將主氣體從電弧等離子體發(fā)生器的陰極與中間段間隙的起弧端供入，將輔氣從輔氣流入口供入，不需要過渡性輔助陽極的作用，以起弧電路一次起弧，同時控制供氣方式和氣體流量、弧電流和電壓、以及形狀等各項參數(shù)，限制電弧弧根在發(fā)生器通道中的軸向跳動，減少射流的脈動和湍流度，增加射流的穩(wěn)定性和長度。
其中該發(fā)生器的氣路有主氣和輔氣，主氣的供入方式可為切向、軸向、及其混合形式，適合的氣流量范圍為2-10米／秒。
其中主氣或輔氣的氣體種類可選擇氬氣、氮氣、氬氣與氮氣的混合、氫氣與氮氣或氬氣的混合、以及氬氣與氮氣和氫氣的混合。
為進一步說明本發(fā)明的結構和特征，以下結合實施例對本發(fā)明作進一步的詳細描述，其中

圖1是非轉(zhuǎn)移式直流電弧等離子體射流的初始湍流度與射流溫度分布的關系圖。
圖2是電弧等離子體射流發(fā)生裝置示意圖；圖3是發(fā)生器部分的結構簡圖；圖4是圖3中的A-A剖視圖；圖5是圖3中的B-B剖視圖。
首先請參閱圖1，是對兩種狀態(tài)的電弧等離子體射流進行數(shù)值模擬的結果，顯示了射流離開發(fā)生器噴口后的等溫線圖，在相同的工作氣流量0．15g／s條件下，由于氣流狀況控制的不同，形成等離子體射流在離開發(fā)生器噴口時的湍流度不同，導致氣流的溫度分布，特別是氣流溫度沿射流軸向的衰減情況很不相同；圖的橫軸為電弧離開發(fā)生器噴口的縱向距離，縱軸為自發(fā)生器噴口中心向外的距離，兩條等溫線之間的溫度差為1000K，最外側線所示溫度為2000K，上圖所示射流在發(fā)生器噴口處的湍動能為K=0．005u2，u為氣流速度，下圖所示射流在發(fā)生器噴口處的湍動能為K=0．5×10-30u2，湍流度大則會對射流周圍的氣體產(chǎn)生強烈的卷吸，使射流的高溫氣體與周圍冷氣摻混進行得很快，因而射流的能量沿軸向傳遞的距離短，直觀結果表現(xiàn)為射流的長度短，實際內(nèi)容還包含了射流的脈動性強、能量分布不均勻、不穩(wěn)定、射流內(nèi)氣體成分難以控制等缺點，這種狀態(tài)的射流用于材料加工，結果是加工工藝的重復可控性差，質(zhì)量難以保證；控制電弧在發(fā)生器中的產(chǎn)生過程，減少各因素對氣流的擾動，也就是減小等離子體射流的湍流度，這種湍流度小的射流與周圍冷氣體的摻混少，能量損失也就相對減小，根據(jù)發(fā)生器的結構和對氣流擾動狀況控制的不同，射流長度可以在很大范圍內(nèi)變化，可根據(jù)使用條件的需求，產(chǎn)生適當長度和能量分布的電弧等離子體射流，并通過對等離子體射流狀態(tài)的控制，滿足不同應用領域的實際需求，僅就材料加工領域而言，例如可用于切割以往的轉(zhuǎn)移式等離子體法所不能切割的非導電體材料；用于金屬材料的表面相變、致密化、合金化、反應強化，熔敷等處理，比激光處理法成本低而能量利用率高，處理層的應力狀況更易于控制；用于等離子體噴涂，粉末被加熱的時間和距離增加，射流能量實際利用率增高，有利于在小功率的條件下進行高熔點或大顆粒粉末的噴涂。所有在這些方面的應用，都將有遠遠高于以往等離子體射流處理法的工藝可控性。
請再參閱圖2、圖3、圖4和圖5，一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其中包括一由起弧性好而輸出紋波系數(shù)小于7％的直流電源1、一電路控制操作部分2、一流量波動小于±3％的氣體流量控制部分3和一電弧等離子體發(fā)生器4；其中該直流電源1與電路控制操作部分2相連接，電路控制操作部分2與電弧等離子體發(fā)生器4相連接，該氣體流量控制部分3與電弧等離子體發(fā)生器4相連接。其中所說的直流電源1、電路控制操作部分2、氣體流量控制部分3為已有技術，不是本發(fā)明的重點。
其中該電弧等離子體發(fā)生器4(圖3所示)包括一外殼10，為內(nèi)空圓柱體；一陰極9，為內(nèi)空柱狀，固接在外殼10的一端；一中間段8，其剖面概似T形固定在外殼10的中間，且中間有一通孔；一陽極6，其剖面概似工字形，且中間有一通孔，固定在外殼10內(nèi)的一端；一絕緣片7，安裝在陽極6與中間段8之間；一鈰鎢棒13，固定在陰極9的一端。其中在外殼10的側壁上開有多個主氣流入口14，與中間段8的側壁上開的主氣流入口81相通(圖5中)。其中在外殼10的側壁的中間位置上開有多個輔氣流入口12，與絕緣片7的側壁上開的輔氣流入口71相通(圖4中)。其中在外殼10的側壁的另一端開有一冷卻水通路11，該冷卻水通路11與外殼10和陽極6之間的冷卻室61相通，該冷卻室61并與陰極9的冷卻水通路15連通。
本發(fā)明一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的方法，是將主氣體從電弧等離子體發(fā)生器的陰極9與中間段8間隙的起弧端供入，將輔氣從輔氣流入口12供入，不需要過渡性輔助陽極的作用，以起弧電路一次起弧，同時控制供氣方式和氣體流量、弧電流和電壓、以及形狀等各項參數(shù)，限制電弧弧根在發(fā)生器通道中的軸向跳動，減少射流的脈動和湍流度，增加射流的穩(wěn)定性和長度。其中該發(fā)生器的氣路有主氣和輔氣，主氣的供入方式可為切向、軸向、及其混合形式，適合的氣流量范圍為2-10米／秒。其中主氣或輔氣的氣體種類可選擇氬氣、氮氣、氬氣與氮氣的混合、氫氣與氮氣或氬氣的混合、以及氬氣與氮氣和氫氣的混合。
本發(fā)明的等離子體射流產(chǎn)生裝置，電源輸出的紋波系數(shù)應小于7％，氣流量波動應小于±3％，主氣由陰極和電弧通道的間隙供入，氣路沿電弧通道軸向?qū)ΨQ均勻布置，選擇合理的供入位置，確保供氣均勻，氣路和電弧通道要光滑，以減少對初始氣流產(chǎn)生擾動；輔氣可使用與主氣相同的氣體，也可同時添加氧、甲烷、氨氣等各種氣體，也就是等離子體的氣體可為氧化性，還原性，以及材料加工和處理所需要的熱特性和反應性的各種實用范圍的氣體；以起弧電路一次起弧，進而調(diào)節(jié)弧電流和電壓，然后在一定的輸入功率條件下維持電弧的穩(wěn)定工作；根據(jù)需要產(chǎn)生的電弧長度的要求，發(fā)生器的陽極噴口可為定截面或變截面，同時陽極和中間段的直徑和長度尺寸可在較大范圍變動。
本發(fā)明的裝置和產(chǎn)生方法的電源穩(wěn)定性、供氣均勻穩(wěn)定性、電弧通道的合理設計，這三方面的因素不能任意忽略某一因素，弧電流、氣流量、和通道尺寸的變動，都需要根據(jù)所要產(chǎn)生的射流狀態(tài)的要求，綜合調(diào)節(jié)各因素的組合作用，以其綜合作用的效果，控制射流的長度，參數(shù)的選擇可參照實施例進行理解。
本發(fā)明所產(chǎn)生的等離子體射流的弧電壓波動小，因而射流的脈動小，電弧對周圍氣體的卷吸少，電弧軸向溫度變化梯度小，能量延軸向衰減慢，高溫弧區(qū)長度長，電弧長度與電弧直徑之比可達到12-50，射流噴射所產(chǎn)生的噪音不高于生活噪音。
實施例1以此直流電弧等離子體射流發(fā)生裝置，在大氣壓條件下，采用氮氣與氬氣的混合氣體，在供氣流量為8米／秒，輸入功率為10kW的條件下，可產(chǎn)生長／徑比為45的射流，射流噴射所產(chǎn)生的噪音遠低于電源和換氣系統(tǒng)所產(chǎn)生的噪音。
實施例2在大氣壓條件下，采用氬氣單一氣體，在供氣流量為4米／秒，輸入功率為6kW的條件下，產(chǎn)生出長／徑比為25的射流。
本發(fā)明所產(chǎn)生的等離子體射流的弧電壓波動小，因而射流的脈動小，電弧對周圍氣體的卷吸少，電弧軸向溫度變化梯度小，能量延軸向衰減慢，高溫弧區(qū)長度長，電弧長度與電弧直徑之比可達到12-50，射流噴射所產(chǎn)生的噪音不高于生活噪音。
權利要求
1.一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其中包括一由起弧性好而輸出紋波系數(shù)小于7％的直流電源、一電路控制操作部分、一流量波動小于±3％的氣體流量控制部分和一電弧等離子體發(fā)生器；其特征在于，其中該直流電源與電路控制操作部分相連接，電路控制操作部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接，該氣體流量控制部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接。
2.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其特征在于，其中該電弧等離子體發(fā)生器包括一外殼，為內(nèi)空圓柱體；一陰極，為內(nèi)空柱狀，固接在外殼的一端；一中間段，其剖面概似T形固定在外殼的中間，且中間有一通孔；一陽極，其剖面概似工字形，且中間有一通孔，固定在外殼內(nèi)的一端；一絕緣片，安裝在陽極與中間段之間；一鈰鎢棒，固定在陰極的一端。
3.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其特征在于，其中在外殼的側壁上開有多個主氣流入口，與中間段的側壁上開的主氣流入口相通。
4.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其特征在于，其中在外殼的側壁的中間位置上開有多個輔氣流入口，與絕緣片的側壁上開的輔氣流入口相通。
5.根據(jù)權利要求1所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置，其特征在于，其中在外殼的側壁的另一端開有一冷卻水通路，該冷卻水通路與外殼和陽極之間的冷卻室相通，該冷卻室并與陰極的冷卻水通路連通。
6.一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的方法，其特征在于，將主氣體從電弧等離子體發(fā)生器的陰極與中間段間隙的起弧端供入，將輔氣從輔氣流入口供入，不需要過渡性輔助陽極的作用，以起弧電路一次起弧，同時控制供氣方式和氣體流量、弧電流和電壓、以及形狀等各項參數(shù)，限制電弧弧根在發(fā)生器通道中的軸向跳動，減少射流的脈動和湍流度，增加射流的穩(wěn)定性和長度。
7.根據(jù)權利要求6所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的方法，其特征在于，其中該發(fā)生器的氣路有主氣和輔氣，主氣的供入方式可為切向、軸向、及其混合形式，適合的氣流量范圍為2-10米／秒。
8.根據(jù)權利要求6所述的產(chǎn)生長弧等離子體射流的方法，其特征在于，其中主氣或輔氣的氣體種類可選擇氬氣、氮氣、氬氣與氮氣的混合、氫氣與氮氣或氬氣的混合、以及氬氣與氮氣和氫氣的混合。
全文摘要
一種產(chǎn)生長弧等離子體射流的裝置,包括:一由起弧性好而輸出紋波系數(shù)小于7%的直流電源、一電路控制操作部分、一流量波動小于±3%的氣體流量控制部分和一電弧等離子體發(fā)生器;其中該直流電源與電路控制操作部分相連接,電路控制操作部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接,該氣體流量控制部分與電弧等離子體發(fā)生器相連接。本發(fā)明的射流的脈動小,電弧對周圍氣體的卷吸少,電弧軸向溫度變化梯度小,能量延軸向衰減慢,高溫弧區(qū)長度長,射流噴射所產(chǎn)生的噪音不高于生活噪音。
文檔編號H05H1/32GK1293533SQ9912182
公開日2001年5月2日 申請日期1999年10月18日 優(yōu)先權日1999年10月18日
發(fā)明者吳承康, 潘文霞, 張文華, 張文宏, 林烈 申請人:中國科學院力學研究所