专利名称：一种磁控电弧等离子体加热金属件的方法及装置的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种改进的电弧等离子体加热金属件的方法及装置，属金属加热技术领域。
电弧等离子体是一种带电导体，它作为加热源已广泛应用于金属热加工领域，如焊接、切割、喷焊等。根据电磁场理论，电弧等离子体受磁场作用后，将沿着与磁场、电场都垂直的方向作定向运动，从而形成一种宽而软的等离子热源，这是一种极具潜力的加热热源。
本发明的目的在于利用电磁相互作用的原理，提供一种电弧等离子体均匀加热金属件的方法及装置，并将其应用到需要将金属表面或表层均匀加热的场合，如热处理、表面改性及预热等等。
本发明的目的是这样实现的一种磁控电弧等离子体加热金属件的方法，其基本方法在于，沿被加热金属件表面配置等离子炬(或电极，下同)，使金属件接直流电源正极，等离子炬接电源负极，金属件表面和等离子炬之间相距一定的空间距离，并作相对机械运动，等离子炬电极与金属件表面之间的空间处于一磁场之中，且电场方向和该磁场方向垂直或基本垂直，等离子炬沿金属件表面可以成点状、带状或者是面状配置。
本发明所用专用装置是这样组成的一种磁控电弧等离子体加热金属件的装置，其主要组成为，它包括金属件的驱动部分、直流电源D、等离子炬PT、引弧部分、及金属件WP等，其中，金属件WP接电源D正极，等离子炬PT的电极接电源负极，被加热金属件表面和等离子炬电极之间相距一定的空间距离，并作相对机械运动，等离子炬电极与金属件表面之间的空间处于一由通电线包形成的磁场之中，且电场方向和该磁场方向垂直或基本垂直。
为了便于对回转体金属件，如圆柱形、圆筒形等的外表面或表层进行处理，上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，等离子炬PT可以作成环带状，构成等离子炬PT的环带状电极5、励磁线包3同轴套在圆柱形或圆筒形金属件WP的外侧，绝缘架4位于环带状电极5和励磁线包3之间，并将两者固定成一体，金属件WP由驱动机构带动绕中心轴旋转，励磁线包3内通以直流电。
为了便于对回转体金属件的内表面或表层进行处理，上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，等离子炬PT可以作成环带状，构成等离子炬PT的环带状电极5、励磁线包3同轴套在圆柱形或圆筒形金属件WP的里侧，绝缘架2将环带状电极5和励磁线包3固定成一体，金属件WP由驱动机构带动绕中心轴旋转，励磁线包3内通以直流电。
上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，构成等离子炬PT的环带状电极5、励磁线包3可由数层叠放组成。
为了便于对平板形金属件的表面或表层进行处理，上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，构成等离子炬PT的电极5为棒状，可以按一排一个或数个配置，或者按数排数个配置，所述等离子炬群平行于金属件WP，它们与金属件WP之间作相对机械运动，励磁线包3为螺线管，内通正弦波或矩形波或锯齿波等交变电流，其中心线与金属件WP的表面平行。
在对圆柱形或圆筒形金属件的表面或表层进行处理时，上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，等离子炬PT的电极也可为棒状，其配置按一排一个或数个棒状电极5，或者按数排数个棒状电极，金属件WP绕轴心作旋转运动，励磁线包3为螺线管，内通正弦波或矩形波或锯齿波等交变电流，其中心线可以与金属件WP同心配置，也可与金属件WP的中心轴在空间正交。
为了改善等离子体的性能，上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，在金属件和等离子炬电极之间可以加装机械压缩喷嘴。
上述磁控电弧等离子体加热金属件的装置中，构成等离子炬PT的环带状电极5可以为中空状，内通冷却气体或液体4。
按照本发明的方法对金属件进行热处理，由于利用磁场对电弧流施加定向力，使电弧移动，这种移动再配以相对机械运动，将在被处理金属件的表面空间获得一种柔性电弧等离子体，这种电弧等离子体的电流密度分布、温度分布更趋平坦，从而在对表面或表层处理时实现均匀加热的目的。在用途上，更为适合对金属表面的热处理、改性或对表面熔铸时的预热等等。另外，按本发明制作的专用装置，结构简单，与感应加热设备相比，设备投资少，电效率高，操作简单。和火焰加热处理设备相比，加热速度快，节约能源，无污染。本发明极适用于几何形状为平板或回转体金属件的热处理。
以下将结合附图对本发明作进一步详述
图1是本发明电原理示意图；图2是本发明结构原理示意图3是适于内表面处理的专用装置结构示意图；图4是采用棒状电极的专用装置结构示意图；图5是适于外表面处理的棒状电极专用装置结构示意图；图6是适于内表面处理的棒状电极专用装置结构示意图；图7是轴向配置棒状电极的专用装置结构示意图；图8是适于平面处理的棒状电极专用装置结构示意图；图9是本发明中带压缩喷嘴的专用装置电原理示意图；等离子体是指电离的气态物质，它具有很强的导电性及与磁场的可作用性，本发明正是利用这一性质，通过外加磁场来改变电弧的形状和位置，或者控制电弧的运动，达到本发明的目的。依据金属件具体形状、尺寸、材质的不同，以及加热温度、加热深度的不同，等离子炬的工作电压可在15-700伏之间选择，空载电压为50-1000伏，工作电流为5-1000安，对应的弧长为1-400毫米。保护气体可选择氮气氩气或其它非氧化性气体。
本发明的专用装置包括金属件的驱动部分和等离子体产生部分，前者主要带动金属件进行旋转或移动，其具体结构略去。后者则包括直流电源D、等离子炬PT及引弧部分，所述引弧部分可以采用机械引弧结构，也可以采用高频高压电引弧结构。后者的一个具体实施例由升压变压器B1、耦合变压器B2、放电间隙P、电容C1、C2等构成。其中，金属件WP接电源D正极，等离子炬PT的电极接电源负极，被加热金属件表面和等离子炬电极之间相距一定的空间距离，并作相对机械运动，等离子炬电极与金属件表面之间的空间处于一磁场之中，且电场方向和该磁场方向垂直或基本垂直，变压器B1原边接交流电源，副边经电容C1接变压器B2的原边，B2副边的一端经电容C2接电源负极，另一端接金属件WP，放电间隙P并接于B1的副边。其工作原理为，交流电压经变压器B1升压，由B1、火花间隙P与电容C1产生高频谐振，经过变压器B2加到金属件和等离子炬之间引弧，引弧电压约为1000-20000伏。电容C2为隔直电容，CJ1、CJ2为交流接触器的触点。
图2所示是本发明专用装置中一个最基本的结构示意图，它主要用于对圆柱形或圆筒形及其它回转体类金属件的内表面或表层进行处理。它的等离子炬PT作成了环带状，构成等离子炬PT的环带状水冷电极5、励磁线包3同轴套在圆柱形或圆筒形金属件WP的外侧，绝缘架2将两者固定成一体，金属件WP由驱动机构带动绕中心轴旋转。在足够强的直流磁场的作用下，在电极内侧和金属件的外表面之间形成高速旋转的电弧等离子体放电环6。在有的情况下，为了进一步改善均匀加热的效果，根据金属件的几何尺寸，可以同轴安装两组或多组电弧等离子炬。
图4、5、6、7是另一种类型，利用棒状电极构成等离子炬。矩形或螺旋形励磁线圈通以正弦波、矩形波或锯齿波等交变电流，所产生的交变磁场使电弧等离子体沿金属件表面往复高速运动(摆动)以形成一柔性等离子体，电弧形态呈倒钟状，再配合相对机械运动，可以达到良好的加热效果。
另外，图9是加有压缩喷嘴的等离子炬专用装置的电原理图，与图2不同的是，图2中产生的是自由电弧，能量不集中。而对图9装置来说，它在工作时，首先是电极与压缩喷嘴之间产生放电，电弧经其压缩后，弧柱变细，热量集中，温度更高。引弧后，再断开CJ2，形成转移弧对金属件进行加热，这样的装置，有着更好的技术参数。
权利要求
1.一种磁控电弧等离子体加热金属件的方法，其特征在于，沿被加热金属件表面配置等离子炬，使金属件接直流电源正极，等离子炬接电源负极，金属件表面和等离子炬之间相距一定的空间距离，并作相对机械运动，等离子炬电极与金属件表面之间的空间处于一磁场之中，且电场方向和该磁场方向垂直或基本垂直，等离子炬沿金属件表面可以成点状、带状或者是面状配置。
2.一种磁控电弧等离子体加热金属件的装置，其特征在于，它包括金属件的驱动部分、直流电源D、等离子炬PT、引弧部分、及金属件WP等，其中，金属件WP接电源D正极，等离子炬PT的电极接电源负极，被加热金属件表面和等离子炬电极之间相距一定的空间距离，并作相对机械运动，等离子炬电极与金属件表面之间的空间处于一磁场之中，且电场方向和该磁场方向垂直或基本垂直。
3.根据权利要求2所述的加热金属件的装置，其特征在于，所述等离子炬PT可以作成环带状，构成等离子炬PT的环带状电极[5]、励磁线包[3]同轴套在圆柱形或圆筒形金属件WP的外侧，绝缘架[2]位于环带状电极[5]和励磁线包[3]之间，并将两者固定成一体，金属件WP由驱动机构带动绕中心轴旋转，励磁线包[3]内通以直流电。
4.根据权利要求2所述的加热金属件的装置，其特征在于，所述等离子炬PT可以作成环带状，构成等离子炬PT的环带状电极[5]、励磁线包[3]同轴套在圆柱形或圆筒形金属件WP的里侧，绝缘架[2]将环带状电极[5]和励磁线包[3]固定成一体，金属件WP由驱动机构带动绕中心轴旋转，励磁线包[3]内通以直流电。
5.根据权利要求4或5所述的加热金属件的装置，其特征在于，所述等离子炬PT的环带状电极[5]、励磁线包[3]可由数层叠放组成。
6.根据权利要求2所述的加热金属件的装置，其特征在于，所述等离子炬PT的电极[5]为棒状，可以按一排一个或数个配置，或者按数排数个配置，所述等离子炬群平行于金属件WP，它们与金属件WP之间作相对机械运动，励磁线包[3]为螺线管，内通正弦波或矩形波或锯齿波等交变电流，其中心线与金属件WP的表面平行。
7.根据权利要求2所述的加热金属件的装置，其特征在于，所述等离子炬PT的电极也可为棒状，其配置按一排一个或数个棒状电极[5]，或者按数排数个棒状电极，金属件WP绕轴心作旋转运动，励磁线包[3]为螺线管，内通正弦波或矩形波或锯齿波等交变电流，其中心线可以与金属件WP同心配置，也可与金属件WP的中心轴在空间正交。
8.根据权利要求2、3、4、6、7所述的加热金属件的装置，其特征在于，在金属件和等离子炬电极之间可以加装机械压缩喷嘴。
9.根据权利要求8所述的加热金属件的装置，其特征在于，构成等离子炬PT的环带状电极[5]可以为中空状，内通冷却气体或液体[4]。
全文摘要
一种磁控电弧等离子体加热金属件的方法及装置。本发明沿被加热金属件表面配置等离子炬,金属件接电源正极,等离子炬接负极。金属件表面和等离子炬之间相距一定距离,并有一与电场垂直的磁场,利用磁场对等离子体施力,使之移动,再配以机械运动,可获得一种柔性热源,达到均匀加热的目的。按本发明制作的加热装置,结构简单、电效率高、加热速度快、节约能源、无污染,适用于几何形状为平板或回转体金属件的热处理。
文档编号H05H1/24GK1179694SQ9612005
公开日1998年4月22日 申请日期1996年10月15日 优先权日1996年10月15日
发明者李国华, 潘存海, 王少岩, 石尔平, 郭辉, 吴晓波, 臧怀壮, 唐才先, 臧建民, 孙振路 申请人:石家庄开发区冀科院机电一体化中试基地