專利名稱：一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的方法及裝置的制作方法
技術領域：
本發明涉及一種改進的電弧等離子體加熱金屬件的方法及裝置，屬金屬加熱技術領域。
電弧等離子體是一種帶電導體，它作為加熱源已廣泛應用于金屬熱加工領域，如焊接、切割、噴焊等。根據電磁場理論，電弧等離子體受磁場作用后，將沿著與磁場、電場都垂直的方向作定向運動，從而形成一種寬而軟的等離子熱源，這是一種極具潛力的加熱熱源。
本發明的目的在于利用電磁相互作用的原理，提供一種電弧等離子體均勻加熱金屬件的方法及裝置，并將其應用到需要將金屬表面或表層均勻加熱的場合，如熱處理、表面改性及預熱等等。
本發明的目的是這樣實現的一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的方法，其基本方法在于，沿被加熱金屬件表面配置等離子炬(或電極，下同)，使金屬件接直流電源正極，等離子炬接電源負極，金屬件表面和等離子炬之間相距一定的空間距離，并作相對機械運動，等離子炬電極與金屬件表面之間的空間處于一磁場之中，且電場方向和該磁場方向垂直或基本垂直，等離子炬沿金屬件表面可以成點狀、帶狀或者是面狀配置。
本發明所用專用裝置是這樣組成的一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置，其主要組成為，它包括金屬件的驅動部分、直流電源D、等離子炬PT、引弧部分、及金屬件WP等，其中，金屬件WP接電源D正極，等離子炬PT的電極接電源負極，被加熱金屬件表面和等離子炬電極之間相距一定的空間距離，并作相對機械運動，等離子炬電極與金屬件表面之間的空間處于一由通電線包形成的磁場之中，且電場方向和該磁場方向垂直或基本垂直。
為了便于對回轉體金屬件，如圓柱形、圓筒形等的外表面或表層進行處理，上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，等離子炬PT可以作成環帶狀，構成等離子炬PT的環帶狀電極5、勵磁線包3同軸套在圓柱形或圓筒形金屬件WP的外側，絕緣架4位于環帶狀電極5和勵磁線包3之間，并將兩者固定成一體，金屬件WP由驅動機構帶動繞中心軸旋轉，勵磁線包3內通以直流電。
為了便于對回轉體金屬件的內表面或表層進行處理，上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，等離子炬PT可以作成環帶狀，構成等離子炬PT的環帶狀電極5、勵磁線包3同軸套在圓柱形或圓筒形金屬件WP的里側，絕緣架2將環帶狀電極5和勵磁線包3固定成一體，金屬件WP由驅動機構帶動繞中心軸旋轉，勵磁線包3內通以直流電。
上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，構成等離子炬PT的環帶狀電極5、勵磁線包3可由數層疊放組成。
為了便于對平板形金屬件的表面或表層進行處理，上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，構成等離子炬PT的電極5為棒狀，可以按一排一個或數個配置，或者按數排數個配置，所述等離子炬群平行于金屬件WP，它們與金屬件WP之間作相對機械運動，勵磁線包3為螺線管，內通正弦波或矩形波或鋸齒波等交變電流，其中心線與金屬件WP的表面平行。
在對圓柱形或圓筒形金屬件的表面或表層進行處理時，上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，等離子炬PT的電極也可為棒狀，其配置按一排一個或數個棒狀電極5，或者按數排數個棒狀電極，金屬件WP繞軸心作旋轉運動，勵磁線包3為螺線管，內通正弦波或矩形波或鋸齒波等交變電流，其中心線可以與金屬件WP同心配置，也可與金屬件WP的中心軸在空間正交。
為了改善等離子體的性能，上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，在金屬件和等離子炬電極之間可以加裝機械壓縮噴嘴。
上述磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置中，構成等離子炬PT的環帶狀電極5可以為中空狀，內通冷卻氣體或液體4。
按照本發明的方法對金屬件進行熱處理，由于利用磁場對電弧流施加定向力，使電弧移動，這種移動再配以相對機械運動，將在被處理金屬件的表面空間獲得一種柔性電弧等離子體，這種電弧等離子體的電流密度分布、溫度分布更趨平坦，從而在對表面或表層處理時實現均勻加熱的目的。在用途上，更為適合對金屬表面的熱處理、改性或對表面熔鑄時的預熱等等。另外，按本發明制作的專用裝置，結構簡單，與感應加熱設備相比，設備投資少，電效率高，操作簡單。和火焰加熱處理設備相比，加熱速度快，節約能源，無污染。本發明極適用于幾何形狀為平板或回轉體金屬件的熱處理。
以下將結合附圖對本發明作進一步詳述

圖1是本發明電原理示意圖；圖2是本發明結構原理示意圖3是適于內表面處理的專用裝置結構示意圖；圖4是采用棒狀電極的專用裝置結構示意圖；圖5是適于外表面處理的棒狀電極專用裝置結構示意圖；圖6是適于內表面處理的棒狀電極專用裝置結構示意圖；圖7是軸向配置棒狀電極的專用裝置結構示意圖；圖8是適于平面處理的棒狀電極專用裝置結構示意圖；圖9是本發明中帶壓縮噴嘴的專用裝置電原理示意圖；等離子體是指電離的氣態物質，它具有很強的導電性及與磁場的可作用性，本發明正是利用這一性質，通過外加磁場來改變電弧的形狀和位置，或者控制電弧的運動，達到本發明的目的。依據金屬件具體形狀、尺寸、材質的不同，以及加熱溫度、加熱深度的不同，等離子炬的工作電壓可在15-700伏之間選擇，空載電壓為50-1000伏，工作電流為5-1000安，對應的弧長為1-400毫米。保護氣體可選擇氮氣氬氣或其它非氧化性氣體。
本發明的專用裝置包括金屬件的驅動部分和等離子體產生部分，前者主要帶動金屬件進行旋轉或移動，其具體結構略去。后者則包括直流電源D、等離子炬PT及引弧部分，所述引弧部分可以采用機械引弧結構，也可以采用高頻高壓電引弧結構。后者的一個具體實施例由升壓變壓器B1、耦合變壓器B2、放電間隙P、電容C1、C2等構成。其中，金屬件WP接電源D正極，等離子炬PT的電極接電源負極，被加熱金屬件表面和等離子炬電極之間相距一定的空間距離，并作相對機械運動，等離子炬電極與金屬件表面之間的空間處于一磁場之中，且電場方向和該磁場方向垂直或基本垂直，變壓器B1原邊接交流電源，副邊經電容C1接變壓器B2的原邊，B2副邊的一端經電容C2接電源負極，另一端接金屬件WP，放電間隙P并接于B1的副邊。其工作原理為，交流電壓經變壓器B1升壓，由B1、火花間隙P與電容C1產生高頻諧振，經過變壓器B2加到金屬件和等離子炬之間引弧，引弧電壓約為1000-20000伏。電容C2為隔直電容，CJ1、CJ2為交流接觸器的觸點。
圖2所示是本發明專用裝置中一個最基本的結構示意圖，它主要用于對圓柱形或圓筒形及其它回轉體類金屬件的內表面或表層進行處理。它的等離子炬PT作成了環帶狀，構成等離子炬PT的環帶狀水冷電極5、勵磁線包3同軸套在圓柱形或圓筒形金屬件WP的外側，絕緣架2將兩者固定成一體，金屬件WP由驅動機構帶動繞中心軸旋轉。在足夠強的直流磁場的作用下，在電極內側和金屬件的外表面之間形成高速旋轉的電弧等離子體放電環6。在有的情況下，為了進一步改善均勻加熱的效果，根據金屬件的幾何尺寸，可以同軸安裝兩組或多組電弧等離子炬。
圖4、5、6、7是另一種類型，利用棒狀電極構成等離子炬。矩形或螺旋形勵磁線圈通以正弦波、矩形波或鋸齒波等交變電流，所產生的交變磁場使電弧等離子體沿金屬件表面往復高速運動(擺動)以形成一柔性等離子體，電弧形態呈倒鐘狀，再配合相對機械運動，可以達到良好的加熱效果。
另外，圖9是加有壓縮噴嘴的等離子炬專用裝置的電原理圖，與圖2不同的是，圖2中產生的是自由電弧，能量不集中。而對圖9裝置來說，它在工作時，首先是電極與壓縮噴嘴之間產生放電，電弧經其壓縮后，弧柱變細，熱量集中，溫度更高。引弧后，再斷開CJ2，形成轉移弧對金屬件進行加熱，這樣的裝置，有著更好的技術參數。
權利要求
1.一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的方法，其特征在于，沿被加熱金屬件表面配置等離子炬，使金屬件接直流電源正極，等離子炬接電源負極，金屬件表面和等離子炬之間相距一定的空間距離，并作相對機械運動，等離子炬電極與金屬件表面之間的空間處于一磁場之中，且電場方向和該磁場方向垂直或基本垂直，等離子炬沿金屬件表面可以成點狀、帶狀或者是面狀配置。
2.一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的裝置，其特征在于，它包括金屬件的驅動部分、直流電源D、等離子炬PT、引弧部分、及金屬件WP等，其中，金屬件WP接電源D正極，等離子炬PT的電極接電源負極，被加熱金屬件表面和等離子炬電極之間相距一定的空間距離，并作相對機械運動，等離子炬電極與金屬件表面之間的空間處于一磁場之中，且電場方向和該磁場方向垂直或基本垂直。
3.根據權利要求2所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，所述等離子炬PT可以作成環帶狀，構成等離子炬PT的環帶狀電極[5]、勵磁線包[3]同軸套在圓柱形或圓筒形金屬件WP的外側，絕緣架[2]位于環帶狀電極[5]和勵磁線包[3]之間，并將兩者固定成一體，金屬件WP由驅動機構帶動繞中心軸旋轉，勵磁線包[3]內通以直流電。
4.根據權利要求2所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，所述等離子炬PT可以作成環帶狀，構成等離子炬PT的環帶狀電極[5]、勵磁線包[3]同軸套在圓柱形或圓筒形金屬件WP的里側，絕緣架[2]將環帶狀電極[5]和勵磁線包[3]固定成一體，金屬件WP由驅動機構帶動繞中心軸旋轉，勵磁線包[3]內通以直流電。
5.根據權利要求4或5所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，所述等離子炬PT的環帶狀電極[5]、勵磁線包[3]可由數層疊放組成。
6.根據權利要求2所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，所述等離子炬PT的電極[5]為棒狀，可以按一排一個或數個配置，或者按數排數個配置，所述等離子炬群平行于金屬件WP，它們與金屬件WP之間作相對機械運動，勵磁線包[3]為螺線管，內通正弦波或矩形波或鋸齒波等交變電流，其中心線與金屬件WP的表面平行。
7.根據權利要求2所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，所述等離子炬PT的電極也可為棒狀，其配置按一排一個或數個棒狀電極[5]，或者按數排數個棒狀電極，金屬件WP繞軸心作旋轉運動，勵磁線包[3]為螺線管，內通正弦波或矩形波或鋸齒波等交變電流，其中心線可以與金屬件WP同心配置，也可與金屬件WP的中心軸在空間正交。
8.根據權利要求2、3、4、6、7所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，在金屬件和等離子炬電極之間可以加裝機械壓縮噴嘴。
9.根據權利要求8所述的加熱金屬件的裝置，其特征在于，構成等離子炬PT的環帶狀電極[5]可以為中空狀，內通冷卻氣體或液體[4]。
全文摘要
一種磁控電弧等離子體加熱金屬件的方法及裝置。本發明沿被加熱金屬件表面配置等離子炬,金屬件接電源正極,等離子炬接負極。金屬件表面和等離子炬之間相距一定距離,并有一與電場垂直的磁場,利用磁場對等離子體施力,使之移動,再配以機械運動,可獲得一種柔性熱源,達到均勻加熱的目的。按本發明制作的加熱裝置,結構簡單、電效率高、加熱速度快、節約能源、無污染,適用于幾何形狀為平板或回轉體金屬件的熱處理。
文檔編號H05H1/24GK1179694SQ9612005
公開日1998年4月22日 申請日期1996年10月15日 優先權日1996年10月15日
發明者李國華, 潘存海, 王少巖, 石爾平, 郭輝, 吳曉波, 臧懷壯, 唐才先, 臧建民, 孫振路 申請人:石家莊開發區冀科院機電一體化中試基地