等離子弧深度探秘：定義、特性、應(yīng)用與工藝全解析

一、等离子弧的定义

等离子弧是一种经过压缩的高温、高能量密度的电弧。它是在特定的条件下，通过对自由电弧进行强迫“压缩”而获得的。从本质上讲，等离子弧是一种物质的等离子体状态，其产生过程涉及到气体的电离。当通过外部能量使气体电离后，气体中的正离子和电子数量相等，形成等离子体。在这种等离子体状态下产生的电弧就是等离子弧。例如，在工业应用中，常用的等离子弧切割设备是通过高频振荡器或高压脉冲发生器等装置使气体（如氩气、氮气等）电离，从而产生等离子弧。

二、等离子弧的特点

1、温度极高

• 等离子弧的温度非常高，一般可达10000 - 30000℃甚至更高。这是因为等离子弧中的粒子（离子和电子）具有很高的动能，它们之间的剧烈碰撞导致能量的大量释放，从而产生高温。如此高的温度使得等离子弧能够轻易地熔化和汽化各种金属及非金属材料。例如，在等离子弧焊接过程中，高温可以使焊接材料迅速熔化，实现高效的焊接，对于一些高熔点的金属如钨、钼等也能很好地进行加工。

2、能量密度大

• 等离子弧的能量集中在较小的区域内，能量密度可达到10^5 - 10^6W/cm²。这种高能量密度使得等离子弧在加工过程中能够快速地将能量传递给被加工材料，从而实现高速的切割、焊接等操作。以等离子弧切割为例，高能量密度使得切割速度快，切口窄，热影响区小。与传统的氧 - 乙炔切割相比，等离子弧切割对于厚度较大的金属板材（如钢板厚度可达100mm以上）的切割效率更高，而且切割质量更好，能够获得较为平整的切口。

3、电弧挺度好

• 等离子弧具有良好的挺直性，其电弧挺度比自由电弧有显著提高。这是因为等离子弧在形成过程中受到了外部的机械压缩、热压缩和电磁压缩等多种压缩作用。这些压缩作用使得等离子弧的等离子体柱更加集中，电弧的稳定性增强，能够在较长的距离内保持其形状和能量分布。在焊接或切割过程中，良好的电弧挺度可以使操作更加精确，例如在焊接较厚的工件时，能够更好地控制焊接熔池的形状和位置，保证焊接质量。

4、具有多种工作气体可供选择

• 等离子弧可以使用多种气体作为工作气体，如氩气、氦气、氮气、氢气以及它们的混合气体。不同的气体在等离子弧产生过程中有不同的特性。例如，氩气是一种惰性气体，在焊接过程中能够有效地保护熔池，防止氧化，适用于焊接一些对氧化非常敏感的金属，如不锈钢、铝等；氮气的电离能较低，容易形成等离子弧，且成本相对较低，常用于一些对表面质量要求不是特别高的切割和焊接场合；氢气具有还原性，在焊接某些金属时可以与金属氧化物反应，起到脱氧的作用，提高焊接质量。

5、可控性好

• 等离子弧的参数（如电流、电压、气体流量、电弧长度等）可以通过专门的设备进行精确控制。通过调节这些参数，可以改变等离子弧的能量、温度、形状等特性，以适应不同的加工需求。例如，在等离子弧切割中，通过增加电流可以提高切割速度和切割厚度；在等离子弧焊接中，通过调整电弧长度可以控制熔池的深度和焊缝的形状。这种良好的可控性使得等离子弧在精密加工领域得到了广泛的应用，如航空航天零部件的制造、电子设备的焊接等。

三、等离子弧的应用

等离子弧广泛应用于工业生产中，包括金属切割、焊接、喷涂、表面处理等领域。在金属切割方面，等离子弧切割利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排出。在焊接方面，等离子弧焊接是借助于水冷喷嘴对电弧的拘束作用，从而获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。此外，等离子弧还可以用于工件表面喷涂耐高温、耐磨损、耐腐蚀的高熔点金属或非金属涂层，以及作为金属表面热处理的热源。

四、等离子弧的类型

1. 非转移型等离子弧

• 定义：非转移型等离子弧是指在电极与喷嘴之间建立的等离子弧，工件不接电源，电弧在电极和喷嘴内部的气体介质中燃烧，等离子焰流从喷嘴喷出后，作用在工件表面。这种等离子弧的热量主要是通过等离子焰流传递给工件的。
• 工作原理：电源的负极接在电极上，正极接在喷嘴上。当通入工作气体并在电极和喷嘴之间引燃电弧后，气体被电离形成等离子体。由于等离子体在喷嘴内部受到压缩作用，形成高温、高速的等离子焰流，然后喷射到工件表面。例如，在等离子弧喷涂过程中，非转移型等离子弧可以将喷涂材料加热到熔化或半熔化状态，然后通过焰流将其喷射到工件表面，形成涂层。
• 应用场景：主要用于喷涂、表面清理和热处理等工艺。在喷涂方面，它能够使各种金属、合金、陶瓷等材料的粉末或丝材熔化并喷射到工件表面，形成具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等性能的涂层，广泛应用于机械制造、航空航天、汽车等行业。在表面清理中，利用等离子焰流的高温可以去除工件表面的油污、铁锈、旧涂层等杂质。

2. 转移型等离子弧

• 定义：转移型等离子弧是在电极和工件之间建立的等离子弧。电源的负极接电极，正极接工件，电弧直接在电极和工件之间燃烧，工件是等离子弧的一部分。这种等离子弧的热量主要是通过电弧直接传导给工件。
• 工作原理：当电极与工件之间的距离适当时，在高频引弧装置或小电流引弧装置的作用下，在电极和工件之间引燃电弧。随着电流的增大，气体被充分电离，形成等离子弧。由于工件作为等离子弧的回路，电流直接通过工件，使得热量能够高效地传递到工件上。例如，在等离子弧焊接和切割过程中，转移型等离子弧能够将工件局部快速加热熔化，实现焊接或切割操作。
• 应用场景：常用于焊接、切割等加工工艺。在焊接方面，对于各种金属材料，如碳钢、不锈钢、铝合金等，转移型等离子弧焊接可以获得高质量的焊缝，焊缝的强度高、变形小。在切割领域，它能够快速地切割各种厚度的金属材料，切割速度快、切口质量好，对于厚板切割尤其具有优势，能够切割厚度达数百毫米的金属板材。

3. 联合型等离子弧

• 定义：联合型等离子弧是同时存在非转移型和转移型等离子弧的一种形式。它是在电极与喷嘴之间先建立非转移型等离子弧，然后再在电极与工件之间建立转移型等离子弧，两者共同作用于工件。
• 工作原理：首先，通过电源在电极和喷嘴之间引燃非转移型等离子弧，使喷嘴喷出高温焰流。接着，在电极和工件之间引燃转移型等离子弧。此时，非转移型等离子弧起到稳定和辅助的作用，它可以预热工件、增强等离子焰流的挺度，而转移型等离子弧则主要负责提供加工所需的热量，两者协同工作。例如，在某些精密焊接或切割工艺中，联合型等离子弧可以更好地控制热输入，提高加工精度。
• 应用场景：适用于对加工精度和质量要求较高的场合，如薄板焊接、精细切割、特殊材料加工等。在薄板焊接时，联合型等离子弧可以防止薄板烧穿，同时保证焊接质量。在精细切割中，它能够精确地控制切割路径和切口质量，对于一些形状复杂、精度要求高的零部件加工非常有用。

五、等离子弧在金属切割过程中是如何实现材料的加热和熔化的

1、等离子弧切割的工作原理

等离子弧切割是一种金属切割工艺，它使用加热到20,000摄氏度以上的电离气体来熔化金属材料。在这个过程中，等离子弧发生器产生的等离子弧作为热源，通过喷枪中的钨电极和工件材料之间的相互作用形成高温等离子弧。这个等离子弧在高速飞行中撞击被电离的气体，如氩气或氮气，使气体介质不断充分电离，发出强烈的光和热，形成高温的等离子弧。这个高温的等离子弧经过枪口压缩后能量非常集中，因此可以对工件进行加热。

2、等离子弧切割的加热和熔化过程

在等离子弧切割过程中，等离子弧柱的温度极高，可达10,000℃至30,000℃，远超所有金属或非金属材料的熔点。因此，等离子弧切割不是依靠氧化反应，而是通过熔化来切割材料。等离子弧的切割过程中，高速、高温和高能的等离子体迅速加热熔化被切割的材料，并借助内部或外部的高速气流将熔化的材料排出，直到等离子气流束穿透工件背面而形成切口。

3、等离子弧切割的特点

等离子弧切割具有多种特点，包括切割速度快、生产率高、切口质量好、热影响区小、变形小、适用范围广等。它不仅可以切割不锈钢、铜、铝等导电材料，还可以切割非金属材料，如岩石、耐火砖、水泥块等。由于等离子弧的高温和高能量，它能够切割几乎所有的金属和非金属材料，而且切口窄而平整，热影响区和变形都比较小。

综上所述，等离子弧在金属切割过程中通过产生高温等离子弧来加热和熔化材料，利用高速气流将熔化的材料排出，从而实现切割。这个过程不依赖于氧化反应，适用于多种金属和非金属材料的切割，具有高效率和高质量的特点。

六、等离子弧焊接与传统焊接对比的优势

等离子弧焊接相对于传统焊接方法，具有以下几个显著优势：

• 高能量密度：等离子弧焊接使用的等离子弧具有极高的能量密度，能够迅速加热并熔化焊接材料，实现高效率的焊接。
• 操作灵活性：等离子焊接适用于多种金属材料的焊接，包括钢、铝、铜、镍等，并且可以实现手工焊接、自动化焊接以及机器人焊接等多种操作方式。
• 焊接速度快：由于等离子焊接的高能量密度和高温特点，焊接过程快速进行，相比传统焊接方法，等离子焊接可以大幅提高焊接速度，提高生产效率。
• 焊接质量高：等离子焊接可以实现高质量的焊缝，焊接强度高、密封性好。等离子焊接的高能量输入使得焊接区域的熔池深度较大，焊缝形成良好，焊接强度高，可以满足高强度焊接的要求。
• 热影响区小：等离子焊接的热影响区相对较小，热输入较少，对焊接材料和周围热敏感区域的影响减小。这对于一些热敏感的材料和工件来说尤为重要，可以降低变形和变质的风险。
• 电弧稳定性：等离子电弧由于压缩效应及高稳定性，电流较小时仍很稳定，电流小至0.1A时仍可稳定燃烧；并且电弧挺度好，弧长波动对电弧影响较小。
• 熔透能力强：在不开坡口、不加填充焊丝的情况下，等离子弧焊接可以一次焊透8～10mm厚的不锈钢板，焊接效率高。
• 焊接缺陷少：等离子焊接的焊接缺陷少，可焊材料多，焊接质量高，焊接可以优异的重复生产性，电极收缩在喷嘴内，不易污染和烧坏。

综上所述，等离子弧焊接在能量密度、操作灵活性、焊接速度、焊接质量、热影响区控制、电弧稳定性、熔透能力和焊接缺陷减少等方面均优于传统焊接方法，特别适合于高精度、高效率的焊接任务。

七 、等离子弧在表面处理沉积涂层的常用方式

在表面处理中，等离子弧沉积涂层通常采用以下几种方式：

• 物理气相沉积（PS-PVD）：这种技术结合了等离子喷涂与物理气相沉积技术，通过等离子射流的高能环境进行化学反应制备涂层或新材料。在PS-PVD过程中，粉末材料被输送到等离子射流内部，并在高温下熔化或部分熔化，然后以高速喷向基体表面形成涂层。涂层的微观结构可以通过调节喷涂距离和载气流量来控制。
• 电弧等离子射流反应沉积：这种方法利用电弧等离子体射流的高能环境进行化学反应制备涂层或新材料。主要设备是电弧等离子喷枪，通过在放电室中施加电压引燃放电，产生高温高速等离子体射流。这种方法可以用于制备金刚石膜、金属涂层等多种材料。
• 等离子喷涂：等离子喷涂是一种热喷涂技术，采用直流电驱动的等离子电弧作为热源，将材料加热到熔融或半熔融状态，并以高速喷向工件表面形成涂层。等离子喷涂按照接电方法不同，可以分为非转移弧、转移弧和联合弧三种类型。
• 阴极等离子电解沉积：这种技术通过阴极等离子电解沉积金属、合金及复合涂层，可以获得均匀、致密的涂层。该技术的关键在于控制阴极电流密度和电解液成分，以实现涂层的高质量沉积。
• 反应等离子喷涂与等离子增强化学气相沉积技术：这些技术利用等离子焰流作为热源，引发所喷涂粉末发生高温自蔓延反应，合成所需产物，并以极高的速度喷出，沉积到基体上形成涂层。这些技术可以提高工件的耐蚀、耐磨、耐热等性能。
• 多弧离子镀沉积：这种技术利用电弧放电产生高离化率的等离子体，使得涂层材料离子在基材表面获得高能量，从而实现高质量的沉积。多弧离子镀沉积技术广泛应用于航空航天、机械、电子、生物医学等领域，提高材料的表面硬度、耐磨性、耐腐蚀性等性能。
• 等离子沉积镀膜：这是一种利用高能量的离子束辅助沉积物质形成涂层的过程。通过控制离子束的能量和流量，使其与待涂层的基材相互作用，从而在基材表面形成一层均匀、致密的涂层。等离子沉积镀膜具有高沉积速率、精确控制、均匀性和致密性、多功能性和低温处理等特点。

这些技术各有特点和适用范围，选择合适的沉积方式取决于所需涂层的材料类型、性能要求以及成本考虑。