[發明專利]一種等離子弧噴頭及具有其的等離子發生裝置和三維打印設備

有效

• 申請號: 202011114075.4
• 申請日: 2020-10-18
• 公開（公告）號: CN112024885B
• 公開（公告）日: 2023-04-18
• 發明（設計）人: 梁福鵬;趙海鵬;韋浩城;蔡艷
• 申請（專利權）人: 南京鈦陶智能系統有限責任公司
• 主分類號: B22F3/105
• 分類號: B22F3/105;B33Y10/00;B33Y30/00
• 代理公司: 廈門一創聯智知識產權代理事務所(普通合伙) 35252
• 代理人: 李燕麗

本發明涉及一種等離子弧噴頭，其設置有噴孔和用于與等離子發生單元連接的連接結構；在工作狀態下，等離子發生單元的電極放電將工作氣體電離并產生自由電弧，電弧經過噴孔壓縮和噴射產生等離子弧；連接結構的數量至少為兩組，以能與至少兩組等離子發生單元連接；噴孔為環形噴孔；在噴頭的被環形噴孔包圍的部位設置有兩端貫通的孔道；環形噴孔匯聚和噴射來自至少兩組等離子發生單元的電極電離產生的電弧。本發明還涉及一種具有等離子弧噴頭的等離子發生裝置和三維打印設備。應用本發明的自動焊接或增材制造系統所需的控制系統簡單、精度更高，具有極高的實用性；在噴頭外獲得穩定可控的流場；材料適用范圍更廣。

技術領域

本發明涉及一種等離子弧噴頭，尤其是涉及一種能產生環形等離子弧的噴頭以及具有該等離子弧噴頭的等離子發生裝置和三維打印設備，屬于等離子技術領域，可應用于噴涂、焊接和增材制造等領域。

背景技術

等離子體是除固體、液體、氣體之外的第四種物質態。等離子被廣泛應用于生產和生活中，例如：生產領域的等離子焊接、等離子熔煉、等離子切割、等離子刻蝕、真空等離子鍍膜、等離子表面處理、等離子噴涂、等離子廢物無害化處理，生活電器當中的等離子電視機。在等離子焊接、等離子切割和等離子增材制造(即3D打印)領域，所使用等離子體束通常是通過等離子炬(即等離子槍/等離子焊槍)產生的等離子弧。電弧是等離子的一種存在形式。

對自由電弧的弧柱進行強迫性“壓縮”，從而使能量密度更高，弧柱中氣體充分電離，這樣的電弧稱為等離子弧。等離子弧又稱為壓縮電弧，等離子弧不同于一般的電弧。一般電弧(例如電弧焊所產生的電弧)，因不受外界的約束，故也被稱為自由電弧。通常，提高電弧弧柱的溫度是通過增大電弧功率的方法來解決，但自由電弧的溫度一般平均只有幾千開左右。

當在電極和工件之間加上一個較高場強的電壓和經過高頻振蕩器的激發，使氣體電離形成電弧。電弧在通過等離子炬的特殊孔型的噴嘴(噴頭)時，受到了機械壓縮，使截面積小，功率密度增加。另外，當電弧通過低溫特種噴嘴內，例如水冷卻的噴嘴，水冷噴嘴孔道內壁表面形成一層冷氣膜，以及受到導熱性良好的水冷噴嘴孔道壁的冷卻作用，使電弧柱外圍氣體受到了強烈冷卻，可使等離子弧柱有效截面收縮，進而：導電截面縮小，產生熱收縮效應，電弧進一步被壓縮，造成電弧電流只能從弧柱中心通過，這時的電弧電流密度急劇增加。由于電弧內帶電粒子在弧柱內的運動產生內稟磁場的電磁力，使帶電粒子之間相互吸引，也就是電磁收縮效應，使電弧再被進一步壓縮，這樣被壓縮后的電弧能量密度更高，溫度極高(約1至2萬攝氏度)，弧柱內的氣體電離度極高。當壓縮效應的作用與電弧內部的熱擴散達到平衡后，這時的電弧便變成為穩定的等離子弧。

等離子弧按電源的供電方式分為非轉移弧、轉移弧及聯合弧三種形式，其中的非轉移弧和轉移弧是基本的等離子弧形式。非轉移弧：電弧建立在電極與噴嘴之間，離子氣強迫等離子弧從噴嘴的噴孔噴出，也稱等離子焰。轉移弧：電弧建立在電極與工件之間，一般要先引燃非轉移弧，然后再將電弧轉移至電極與工件之間(需要切斷電極與噴嘴之間的電弧)；這時工件成為另一個電極，轉移弧能把較多的能量傳遞給工件，能量利用率高，金屬材料的焊接及切割一般都采用轉移弧。聯合弧：非轉移弧和轉移弧同時存在的等離子弧；聯合弧通常需用兩個獨立電源供電，一般用于電流小于30A以下的微束等離子弧焊接。