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层流电弧等离子体技术及其在材料热加工中的应用

袁洁 朱华 古钟璧 姚进
四川大学制造科学与工程学院610065

摘要分析了常压下层流电弧等离子体射流的特征，和其他热加工热源相比，层流电弧等离子体具有加工温度较高，能量密度大，参数易调节，设备成本低等优点；阐述了层流电弧等离子体在表面热处理、热喷涂、焊接及柔性成形等热加工技术方面所具有的轴向温度梯度小、热影响区域小、工作寿命长、参数可调节性强等优点。

关键词：常压层流 电弧等离子体 热加工
0 前言
在现代热加工领域中，焊接、切割、热喷涂、表面热处理等加工应用广泛。随着科学技术的不断发展，传统的加工工艺已难以满足新型材料及特殊结构的加工要求。究其原因，是因为传统的加工热源本身存在局限性，无法满足新材料的加工要求。常用的传统热源如炔氧焰、氢氧焰应用简便，成本低，但其最高温度只有3000℃左右，难以加工高熔点金属、耐高温陶瓷材料；利用电弧放电产生的热源多用于焊接领域，技术成熟，但对于特种焊接及陶瓷、复合材料的焊接却难以实现。最近几十年内，高能束热源研究快速发展，以激光、电子束、热等离子体的研究应用最为广泛，这三种热流都具有很高的能量密度，加工温度高，升温快。其中，激光的加工精度高，但激光器成本高，一次性投资大，功率也较小，目前工业用半导体泵浦激光器最大功率为10kW左右，加上能量转化效率低（20%左右），极大限制了其在工业上的推广运用[1]；电子束利用加速状态的电子轰击工件产生热能，属于精密微细加工方法，但加工条件复杂，需要一整套专用设备和真空系统，价格昂贵，且电子束轰击材料产生的X射线会损害人体细胞[2]，安全问题不容忽视。热等离子体技术利用电能将普通气体电离以产生等离子体，使等离子体携带能量并传输给工件，和激光及电子束相比，具有加工应用简单，设备成本低，安全性高等优点。表1对比了常用热源的最高温度及能量密度。
热源
最高温度/K
平均最低能量密度/W cm-2
最高能量密度/W cm-2
氧-乙炔焰
3370
10-2
103~104
电弧
8000
10-3
104~105
激光
>108
10-3
105~107
电子束
10000
10-7
109
等离子
30000
10-3
104~106
表1 各种热源温度及能量密度比较

目前，热等离子技术的应用领域得到了较大的扩展，在传统的应用领域，热等离子技术已趋向成熟，并有所发展，于此同时又扩展了许多新的应用领域[3]，如煤的气化，有害废弃物焚烧等。当前针对热等离子体应用的研究内容主要有：等离子体参数的控制、等离子发生设备的改进和热转化效率[4]。根据等离子体射流的状态，可将热等离子体分为湍流等离子体（图1-a）和层流等离子体（图1-b,c），由于前者更易产生和维持，目前的研究应用比较广泛。层流等离子体与湍流等离子体射流相比，流动更稳定、高温区更长、轴向温度梯度小、噪声低、对环境气体的卷吸量少、射流参数可以通过改变发生器的工作气体流量或弧电流（电压）方便地加以调节，这为提高材料加工过程的重复性与加工质量、改善操作人员的工作环境创造了条件，但由于产生和维持层流等离子体比较困难，对其研究应用相对较少。在国内，中国科学院力学研究所开发了层流氩气等离子体，射流较长，工作稳定（图1-b）。成都阳流科技发展有限公司，联合四川大学智能控制研究所及四川大学制造科学与工程学院，研发出新型层流电弧等离子体发生器，工作状态非常稳定，产生的氮气层流等离子体射流可长达100cm。（图1-c）。
图1等离子体射流
1 层流等离子体
实际中的流体流动一般都是湍流（紊流）状态，而没有绝对层流状态的流体。理想层流状态下的流体在受到外界干扰时，流体粘滞性产生的切应力会因失去平衡而激发涡流的产生。在电弧电离工作气体产生等离子体时，为了尽可能获得趋于层流状态的射流，发生器的结构、工作电源、工作气流的稳定性是关键。基于对等离子体产生原理的充分认识和理解，成都阳流科技发展有限公司联合四川大学智能控制研究所、四川大学制造科学与工程学院，设计了新的等离子发生器，并采用更加稳定的工作电源系统和气路系统，研发出1kw、5kW、10kW、20kW、60kW、120kW等不同功率的层流电弧等离子体设备。可采用氮气、氩气、氦气及混合气作为工作气体，产生的等离子体射流状态稳定，出口温度高达8000~20000℃，可融化钨、钼、钛等难熔金属材料及刚玉、石英等非金属材料，且可连续稳定工作100小时以上，阴、阳极寿命均可达数百小时（小电流工作时寿命更长）。目前正在利用其做焊接、表面热处理、热喷涂方面的研究实验。

2 层流等离子体热加工技术应用
等离子体的应用领域广泛，下面就四个方面对层流等离子体在热加工领域的研究应用及发展做简要介绍：（1）层流等离子体表面淬火热处理；（2）层流等离子体热喷涂；（3）层流等离子体焊接；（4）层流等离子体柔性成形。
2.1 层流等离子体表面淬火热处理
常压等离子体射流表面硬化包括等离子相变硬化和熔凝硬化，它是利用等离子体射流对金属材料表面进行快速加热，并利用基体的自身急冷实现材料表面的相变硬化或熔凝硬化。[5]。铁基材料的等离子体表面淬火常用于强化诸如齿轮和轴承等高应力机械零部件，它提高了材料的耐磨性，同时也提高了由工件表面残余压应力导致的疲劳强度，该残余压应力是淬火工艺中的组织转变产生的。等离子体表面淬火工艺和传统铁基材料的淬火相比，都是通过将材料从奥氏体区域淬火形成高硬度马氏体来提高硬度和强度，但等离子体表面淬火仅将表面很薄的一层加热到奥氏体化温度，工件心部基本上不受影响。与其他表面淬火技术（激光、电子束表面硬化、高频淬火）相比，等离子体表面硬化技术具有设备投资少、生产效率高和处理成本低的优点，近几年得到越来越广泛的研究和应用[6]。
在利用等离子体进行表面热处理时，通过控制工作电压电流、工作气体流量、喷嘴与工件距离、等离子体与工件相对移动速度等，以获得所需要的表面相变硬化或熔凝硬化。与湍流等离子体相比，层流电弧等离子体在表面淬火时的优点有：（1）射流在轴向上温度近似成线性衰减，可控性更强，对复杂零件的深孔、凹槽处也可处理;（2）由于能量更集中，工件由于热应力产生的变形也更小。在研究成果方面，中科院力学研究所的费群星等利用非转移弧层流等离子体射流，对铸铁表面进行了表面熔凝实验研究，结果表明，熔凝后铸铁表面为初晶渗碳体和莱氏体组成的过共晶组织,硬度和耐磨性有了明显的提高。图2为实验结果：a区为熔凝区，b区为淬硬过渡区，c区为基体组织[7]。
图2 层流等离子射流铸铁表面熔凝层截面形貌[7]
2.2 层流等离子体热喷涂
等离子体喷涂是20世纪60年代出现的一种进行表面防护与强化的热喷焊技术，属于表面强化领域的技术。它是以等离子体（弧）为热源，以一定成分的合金粉末作为填充金属的特种粉末喷焊工艺，具有施工效率高，喷焊材料范围广，成本低等优点[8]。在航空、石化、机械等领域应用广泛。等离子体可以喷涂复合材料，通过控制粉体的不同配比和等离子体射流本身的参数，如功率、速度等，可以实现涂层致密度及孔隙率的优化，达到最佳喷涂效果。目前已经商业化的普通等离子喷涂功率在40kW~80kW，如上海瑞法喷涂机械有限公司的DH1080、九江等离子喷涂厂的GP-80型号的等离子喷涂设备，以及美国Metco公司的Metco 9M等离子喷涂设备，已成功市场化。
和湍流等离子体喷涂相比，层流状态的等离子体射流在热喷涂应用方面优势明显：（1）射流更长，粉末在射流中飞行的时间更长，融化更充分；（2）层流状态的射流对周围气体的卷吸量少，使得在大气环境下喷涂易氧化粉末成为可能；（3）携带融化粉末的射流在工件上的扫描半径更小，粉末的利用率更高，且可实现小型零件的局部喷涂。图3和图4显示了湍流和层流等离子体喷涂时的工作状态。

图3 湍流等离子体喷涂 图4 层流等离子体喷涂
2.3 层流等离子体焊接
钨极惰性气体焊（TIG）是目前主要焊接方法的一种，焊接品质佳，尤其是薄板焊接，它也是等离子体焊接的一种形式。但只能作为手工焊接，对操作者的要求高，焊接速度相对较低，且只能焊接金属材料。等离子弧焊(PAW)是在钨极氩弧焊基础上发展起来的一种重要的高能密度焊接方法。它是借助水冷喷嘴的外部拘束，使电弧的弧柱区横截面受到限制，使电弧的温度、能量密度、电离度和它的流速都显著增大。等离子电弧具有能量集中、温度高、焰流速度大、刚直性好等特点，广泛用于高质量、高精密设备的焊接[9]。它能够焊接钨极惰性气体焊所能焊接的所有金属（镁除外），以及部分非金属材料（利用非转移弧），且可实现自动化焊接工艺，是取代钨极惰性气体焊的首选。图5和图6分别是TIG焊接电弧和等离子弧焊电弧，可以看出，这两种焊接的工作原理基本相同。

图5 TIG电弧 图6 PAW电弧
目前国内等离子弧焊的研究主要有西北工业大学的脉动等离子喷焊技术研究、北京航空工艺研究所的脉冲等离子弧焊一脉一孔”工艺研究等，在重要的应用方面，西安航空发动机公司利用自制的电源设备配以进口的等离子焊枪，实现了某航空发动机工艺的改进。可以看出，国内等离子体焊接的研究成果不多，才刚刚开始走出实验室，商业化的设备较少，主要是由于焊枪零件寿命短，工艺参数难以控制。层流电弧等离子体能量更集中，可以有效减少薄板件焊接时的热变，发生器更长的工作寿命也能有效降低成本，实验证明，良好水冷情况下，发生器连续工作24小时后，内部零件的烧蚀率极低，其较高的可靠性是工业化应用的关键。在焊接时，根据电弧的一极在发生器或工件上，将等离子体分为非转移弧等离子体和转移弧等离子体。利用非转移弧层流等离子体射流，可以焊接薄板、非金属材料；转移弧层流等离子体将工件作为一极后，电弧附着点附近的温度极高，可快速融化金属，可用于较厚的金属板件的焊接。在参数可调方面：（1）层流电弧等离子体的热量和温度可在较大范围内调节；（2）工作气氛的可控使得等离子体本身可具有氧化、还原及惰性；（3）等离子体射流的冲击力刚性可调，通过改变弧压，发生器结构和气流量，进而调节出适用于不同焊接要求的冲击力。
2.4层流等离子体柔性成形
金属薄板的弯曲成形是实际工业中常见的工艺方法之一，在航空航天器、汽车、船舶及化工容器领域应用广泛。实际加工时，一般大批量生产借助于模具完成，如冲压成形。但模具的设计周期长，成本高，不适用于于单件小批量生产。利用热应力代替机械应力的薄板柔性成形技术解决了上述问题，最典型如激光弯曲成形技术，但如前言所述，激光的能量转换效率低（约为等离子体的四分之一），设备成本高的问题难以解决，制约了其研究发展。
等离子体柔性成形技术是利用热应力和热应变来实现板材成形的新型技术，在国内外逐渐成为研究的热点。因为等离子体弧与其他热源相比更经济、安全、灵活、实用[10]。目前的研究主要是针对碳钢、不锈钢的直线扫描弯曲。对于复杂曲面，直线扫描难以实现，因此曲面扫描成形及组合扫描成形是未来研究的主要方向。
柔性成形主要利用热应力来获得所需的热变形，层流电弧等离子体作为柔性成形的热源，优势主要体现在一下几个方面：（1）工作稳定，热源过大的波动将引起成形件变形的不均匀，而达不到成形效果，因此热源的稳定性十分重要；（2）能量集中，对于小型成形件而言，集中能量将避免不需要的热变形，加工精度高；（3）设备简单，效率高，可用于现场化生产，这是激光、电子束难以实现的。

3 结论
本文对等离子体和其他加工热源进行了比较，并阐述了层流电弧等离子体的特征和优点，进而分析了其在热加工技术方面的应用，结果表明，层流电弧等离子体技术作为热加工技术研究的重点，将不断推动热加工制造向着高效率、低能耗、短流程、高性能、高智能、数字化方向发展。

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