专利名称：串式多级压缩等离子弧发生器的制作方法
技术领域：
本发明涉及一种等离子弧发生器，尤其涉及一种串式多级压缩等离子弧发生器，用于材料切割、焊接、表面处理等加工，属于成型技术中焊接设备及方法类技术领域。
作为高精度切割技术的主要方法，激光切割主要运用在中、薄板的高精度、高速度切割的场合。激光切割设备复杂，维护麻烦，切割成本较高。等离子束切割(Plasma Arc Cutting,PAC)从1955年得到工业应用以来，发展极其迅速，其设备简单、维护方便、切割速度快、成本相对低廉。传统的等离子束切割的切口宽度大，切割面倾斜，切割精度不及激光切割，不适于对材料的精密加工的要求。
等离子束受到的压缩作用有三种机械压缩效应、热收缩效应和磁收缩效应，其中以机械压缩效应对等离子束的作用最强。在国内外多采用磁压缩和气流压缩的方法。90年以来，日本和美国的科研机构和公司大力发展了高精度等离子切割技术，称为High-Tolerance Plasma Arc Cutting(HTPAC)；或High-Definition Plasma Arc Cutting(HDPAC)，比较有影响并已经获得工业应用的有Hypertherm公司的“Hydefiniton”；Komatsu-Cybermation公司的“RasorCutting”和Koike Aronson的“Supercut”。高精度等离子束切割的原理是采用特殊设计的割炬，使工作气体通过特制的涡旋环加速成“龙卷风”状气流，加强对等离子弧的压缩作用，并缩小喷嘴孔径(通常是φ0.4mm-1.1mm，相当于一般喷嘴孔径的1/3)，把等离子弧压缩的更细。同时引进旋转磁场，提高等离子弧的稳定性，并把阴极斑点控制在电极端面的固定位置上不让其摆动。另外，限制工作电压的波动在±1V以下(普通等离子弧切割的波动范围是±5V)。这种稳定的、细而挺度好的等离子弧切割可以获得很好的切口质量和精度，接近于激光切割的水平。目前这些先进的热切割技术被美国，日本和一些西欧国家的少数几个公司所垄断，并且得到专利的保护(U.S.Patent NO.5900168；U.S.Patent NO.5695662；U.S.Patent NO.5120930)。
但是，这些技术仍存在一些缺点，主要是1、割炬喷嘴复杂，特别是制造上存在许多技术难点；2、切割设备的电气控制，气体控制系统复杂；3、由于控制设备复杂，维修也非常不便。4、设备投资大，生产成本相当高。
本发明的目的在于针对现有国外技术的技术特点、主要缺点和国内没有成型的精细等离子切割技术的情况，设计提供一种新颖的串式多级压缩等离子弧发生器，实现在较低成本下获得精细等离子弧。
本发明的目的是这样实现的一种串式多级等离子弧发生器，由阴极、第一阳极、第二阳极及两阳极之间的绝缘片组成，其具体结构为第一阳极是一个圆柱形空心套管，圆柱体状的阴极处于该套管的中心，并在两者之间形成环状流体通道，第一阳极的下部是一个供流体出口的横截面为圆的孔，这样，由阴极和第一阳极就形成了发生器的第一压缩级。绝缘片位于第一阳极和第二阳极之间，作为电隔离体，第二阳极是一个中心开有孔的园形板，这样，由绝缘片、第二阳极就形成了第二压缩级。为了能够使流体得到压缩而获得更细的等离子流，所以第二阳极中心上所开的孔的直径小于第一阳极下部的孔的直径。
当需要获得更加精细的等离子弧时，可以在第二阳极的下部增设第三阳极，同时在第二阳极和第三阳极之间增设绝缘片，并且第三阳极的中心孔的直径又应该小于第二阳极的中心孔直径。
这样，当流体由上而下地通过本发生器时，在电场的作用下，所产生的等离子弧将逐级被压缩，并被提高温度和流动速度，从而实现本发明之目的。
下面将结合附图对本发明的技术方案作进一步详细说明。
图1为本发明的结构示意图，也是流体尚未通过第一压缩级的状态图。
图2为本发明流体通过第一压缩级的状态图。
图3为本发明流体通过第二压缩级并射向被加工工件的状态图。
如图1、图2、图3所示，本发明的串式多级等离子弧发生器由阴极1、第一阳极2、绝缘片3和第二阳极4组成，第一阳极2是一个圆柱形空心套管，圆柱体状的阴极1处于该套管的中心，并在两者之间形成环状流体通道，第一阳极2的下部是一个供流体出口的横截面为圆的孔，这样，由阴极1和第一阳极2就形成了本发生器的第一压缩级。绝缘片3位于第一阳极2和第二阳极4之间，其作用是使它们实现电绝缘。第二阳极4是一个中心开有一个孔的园形板，这样，由绝缘片3、第二阳极4就形成了第二压缩级。为了能够使流体得到压缩而获得更细的等离子流，所以第二阳极4中心上所开的孔的直径小于第一阳极2下部的孔的直径。
在本等离子弧发生器中，等离子弧的产生过程可以分为三个阶段。
阶段一如图1所示，在第一阳极2和阴极1之间施加正电压，工作开始时，在第一阳极2与阴极1之间产生电弧，可以接触引弧，也可以高频引弧。待电弧稳定燃烧后，在通道内的流过的气体在电弧的作用下电离，产生等离子体。此时第二阳极4和被切割工件5均没有施加电压。
阶段二如图2所示，在第二阳极4上加上比第一阳极2更高的正电压，使得电弧的阳极斑点跳跃到第二阳极4。此时电弧将拉长伸向第二压缩级。由于受到第一压缩级2和绝缘片3的机械压缩作用，等离子弧的弧直径将缩小，电流密度将较阶段一大，等离子体的电离度增加，等离子弧的温度进一步升高。
阶段三如图3所示，在被切割工件5上加上比第二阳极4更高的正电压，使得电弧的阳极斑点跳跃到被切割工件5上，可以切断第二阳极4的电源，也可以维持第二阳极上的电压。此时电弧将拉长伸向工件5，等离子弧电流密度将较阶段二大，电流为预调值。
此时，产生的等离子弧在通过第一阳极2时，受到第一阳极2内径的拘束作用，等离子弧的直径缩小；在通过绝缘片3和第二阳极4时，由于拘束直径的进一步减小，等离子弧的直径进一步缩小。由于第二阳极4的内径小于第一阳极2，等离子弧在两个压缩级的共同作用下，弧径进一步变细，能量密度提高，温度也随之提高。最终达到正常切割或焊接所要求的温度和电流，等离子弧的直径也逐步达到精细等离子弧的要求。
本发明设备简单，投资小，所配套的电气控制系统简单。作为精细等离子加工技术，采用相对于激光加工技术的低廉设备成本和设备维护费用，取得优等的加工质量，将是一个发展方向。本发明串式多级压缩技术的实现，不仅对等离子技术的发展具有很好的推动作用，而且可以用于等离子焊接，等离子表面改性，等离子注入技术。
权利要求
1.一种串式多级压缩等离子弧发生器，其特征在于第一阳极(2)是一个圆柱形空心套管，圆柱体状的阴极(1)处于该套管中心，并在两者之间形成环状流体通道，第一阳极(2)的下部是一个供流体出口的横截面为圆的孔，第二阳极(4)是一个中心开有一个孔的圆形板，第二阳极(4)中心所开的孔的直径小于第一阳极(2)下部的孔的直径，第一阳极(2)和第二阳极(4)之间有绝缘片(3)。
2.根据权利要求1所说的串式多级压缩等离子弧发生器，其特征在于当需要获得更加精细的等离子弧时可以在第二阳极(4)的下部增设第三阳极，并同时在第二阳极(4)和第三阳极之间增设绝缘片(3)，且第三阳极的中心孔的直径又小于第二阳极(4)的中心孔直径。
3.根据权利要求1或2所说的发生器，其特征在于后级阳极上的电位比前级阳极上的电位为高。
全文摘要
本发明是一种串式多级压缩等离子弧发生器,由阴极、两阳极及阳极之间的绝缘片组成,第一阳极为圆柱形空心套管,圆柱体阴极处于该套管中心,并在两者之间形成环状流体通道,第一阳极下部是一个供流体出口的横截面为圆的孔,第二阳极是中心开孔的圆形板,两阳极之间有绝缘片,第二阳极中心孔的直径小于第一阳极下部孔的直径。当需获更精细的等离子弧时,可增设阳极及绝缘片,并且各级内径较前极为小。本发明设备简单,投资小,等离子弧受到多级压缩而获得直径很细小的精细等离子弧。
文档编号H05H1/24GK1312145SQ01112668
公开日2001年9月12日 申请日期2001年4月19日 优先权日2001年4月19日
发明者俞海良, 朱丹平, 施成源, 何建萍, 林观志 申请人:上海交通大学, 上海冠达尔钢结构有限公司