一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备制造方法及图纸

本发明专利技术涉及一种等离子弧喷头，其设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧，电弧经过喷孔压缩和喷射产生等离子弧；连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；喷孔为环形喷孔；在喷头的被环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道；环形喷孔汇聚和喷射来自至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。本发明专利技术还涉及一种具有等离子弧喷头的等离子发生装置和三维打印设备。应用本发明专利技术的自动焊接或增材制造系统所需的控制系统简单、精度更高，具有极高的实用性；在喷头外获得稳定可控的流场；材料适用范围更广。

【技术实现步骤摘要】
一种等离子弧喷头及具有其的等离子发生装置和三维打印设备
本专利技术涉及一种等离子弧喷头，尤其是涉及一种能产生环形等离子弧的喷头以及具有该等离子弧喷头的等离子发生装置和三维打印设备，属于等离子
，可应用于喷涂、焊接和增材制造等领域。
技术介绍
等离子体是除固体、液体、气体之外的第四种物质态。等离子被广泛应用于生产和生活中，例如：生产领域的等离子焊接、等离子熔炼、等离子切割、等离子刻蚀、真空等离子镀膜、等离子表面处理、等离子喷涂、等离子废物无害化处理，生活电器当中的等离子电视机。在等离子焊接、等离子切割和等离子增材制造(即3D打印)领域，所使用等离子体束通常是通过等离子炬(即等离子枪/等离子焊枪)产生的等离子弧。电弧是等离子的一种存在形式。对自由电弧的弧柱进行强迫性“压缩”，从而使能量密度更高，弧柱中气体充分电离，这样的电弧称为等离子弧。等离子弧又称为压缩电弧，等离子弧不同于一般的电弧。一般电弧(例如电弧焊所产生的电弧)，因不受外界的约束，故也被称为自由电弧。通常，提高电弧弧柱的温度是通过增大电弧功率的方法来解决，但自由电弧的温度一般平均只有几千开左右。当在电极和工件之间加上一个较高场强的电压和经过高频振荡器的激发，使气体电离形成电弧。电弧在通过等离子炬的特殊孔型的喷嘴(喷头)时，受到了机械压缩，使截面积小，功率密度增加。另外，当电弧通过低温特种喷嘴内，例如水冷却的喷嘴，水冷喷嘴孔道内壁表面形成一层冷气膜，以及受到导热性良好的水冷喷嘴孔道壁的冷却作用，使电弧柱外围气体受到了强烈冷却，可使等离子弧柱有效截面收缩，进而：导电截面缩小，产生热收缩效应，电弧进一步被压缩，造成电弧电流只能从弧柱中心通过，这时的电弧电流密度急剧增加。由于电弧内带电粒子在弧柱内的运动产生内禀磁场的电磁力，使带电粒子之间相互吸引，也就是电磁收缩效应，使电弧再被进一步压缩，这样被压缩后的电弧能量密度更高，温度极高(约1至2万摄氏度)，弧柱内的气体电离度极高。当压缩效应的作用与电弧内部的热扩散达到平衡后，这时的电弧便变成为稳定的等离子弧。等离子弧按电源的供电方式分为非转移弧、转移弧及联合弧三种形式，其中的非转移弧和转移弧是基本的等离子弧形式。非转移弧：电弧建立在电极与喷嘴之间，离子气强迫等离子弧从喷嘴的喷孔喷出，也称等离子焰。转移弧：电弧建立在电极与工件之间，一般要先引燃非转移弧，然后再将电弧转移至电极与工件之间(需要切断电极与喷嘴之间的电弧)；这时工件成为另一个电极，转移弧能把较多的能量传递给工件，能量利用率高，金属材料的焊接及切割一般都采用转移弧。联合弧：非转移弧和转移弧同时存在的等离子弧；联合弧通常需用两个独立电源供电，一般用于电流小于30A以下的微束等离子弧焊接。现有的适用于焊接、切割和增材制造的等离子炬诞生历史较长，技术成熟，已经被广泛使用，有大量的专利，例如申请号为200980123241.2、名称为“等离子切割枪”的中国专利申请。但是现有的等离子炬所产生的等离子弧弧柱的中心是电离度最高、温度最高的区域，即等离子弧不是空心的，固态物质(例如金属粉末、金属丝)从等离子弧中心通过时都无法保持固态、都会被剧烈加热。现有的等离子炬喷嘴(喷头)一般是在轴心区设置小圆孔的旋转体，等离子体在通过小圆孔时被压缩，之后从小圆孔喷射出去。使用现有的等离子炬作为焊接或者增材制造的加热源，无法实现从等离子弧中心送料，即无法在等离子束内同轴送粉或同轴送丝，只能采用旁轴送料方式，导致控制原料沉积所需的控制系统复杂，并且熔融原料沉积之后的表面形态粗糙。例如申请号为201710036247.2、名称为“一种铝合金丝材微束等离子弧增材制造设备与方法”的中国专利申请和申请号为201610458932.X、名称为“一种等离子弧填丝增材制造钛合金结构的方法”的中国专利申请，都采用旁轴送料方式。
技术实现思路
本专利技术的目的之一在于提供一种能产生环形等离子弧的喷头，尤其是一种可以实现在等离子束内同轴送料的等离子喷头。本专利技术的目的之二在于提供一种能产生环形等离子弧的装置，尤其是一种可以实现在等离子束内同轴送料的等离子发生装置(本文中也称之为“等离子炬”)。本专利技术的目的之三在于提供一种可调控等离子弧分布区域的等离子发生装置，即从等离子炬喷出的等离子弧在工件上作用的区域是可调控，既可产生封闭的环形等离子弧，也可产生非封闭的等离子弧(例如半环形等离子弧)，能适应增材制造领域所需的复杂和灵活加热的需求。本专利技术的目的之四在于提供一种三维打印设备，可以实现使得打印设备结构更简单、成本更低，控制更精确、方便等。为了实现上述的专利技术目的，根据本专利技术的其中一个方面，本专利技术采用的技术方案是：一种等离子弧喷头，设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧(电弧属于等离子体的一种存在形式；电极的放电过程是由外部的电路驱动的)，电弧经过所述喷孔压缩和喷射产生等离子弧；所述的连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；所述的喷孔为环形喷孔；在喷头的被所述环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道(该孔道可作为输送通路，例如喷射固态粉末原料、输送固态线材原料)；所述的环形喷孔汇聚和喷射来自所述的至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。可选地：所述孔道沿所述环形喷孔的轴向延伸。可选地：在喷头内设置环形腔体，环形腔体与所述的环形喷孔相连通；等离子体流经环形腔体之后再从环形喷孔喷出(环形腔体可以对不同电极产生的等离子体产生混合作用)。可选地：所述的环形腔体在与所述环形喷孔交界处收窄(环形喷孔处相当于“瓶颈”)。可选地：各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体(电弧)沿着环形腔体内壁切线方向射入所述的环形腔体内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。可选地：各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体(电弧)沿着电极和环形腔体的共同轴截面(即同时经过电极的轴心和环形腔体的轴心的截面)往所述的环形喷孔方向射入所述的环形腔体内的环形空间，最后经环形喷孔喷出。可选地：所述环形腔体能容置所述的至少两组等离子发生单元的电极的前端以汇聚所述电极产生的电弧。可选地：各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。可选地：各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形喷孔的共同轴截面(即同时经过电极的轴心和环形喷孔的轴心的截面)往环形喷孔的出口方向射入环形喷孔内的环形空间。可选地：在所述的喷头的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路(可用于在所产生的环形等离子弧外围形成包围环形等离子弧的流体，例如气幕或水幕)。可选地：在所述的喷本文档来自技高网...

【技术保护点】
1.一种等离子弧喷头，设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧，电弧经过所述喷孔压缩和喷射产生等离子弧；/n其特征在于：/n所述的连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；/n所述的喷孔为环形喷孔；在喷头的被所述环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道；/n所述的环形喷孔汇聚和喷射来自所述的至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。/n

【技术特征摘要】
20191018 CN 20191099298001.一种等离子弧喷头，设置有喷孔和用于与等离子发生单元连接的连接结构；在工作状态下，等离子发生单元的电极放电将工作气体电离并产生自由电弧，电弧经过所述喷孔压缩和喷射产生等离子弧；
其特征在于：
所述的连接结构的数量至少为两组，以能与至少两组等离子发生单元连接；
所述的喷孔为环形喷孔；在喷头的被所述环形喷孔包围的部位设置有两端贯通的孔道；
所述的环形喷孔汇聚和喷射来自所述的至少两组等离子发生单元的电极电离产生的电弧。


2.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
所述孔道沿所述环形喷孔的轴向延伸。


3.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
在喷头内设置环形腔体，环形腔体与所述的环形喷孔相连通；等离子体流经环形腔体之后再从环形喷孔喷出。


4.根据权利要求3所述的等离子弧喷头，其特征在于：
所述的环形腔体在与所述环形喷孔交界处收窄。


5.根据权利要求3所述的等离子弧喷头，其特征在于：
各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形腔体内壁切线方向射入所述的环形腔体内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。


6.根据权利要求3所述的等离子弧喷头，其特征在于：
各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形腔体的共同轴截面往所述的环形喷孔方向射入所述的环形腔体内的环形空间，最后经环形喷孔喷出。


7.根据权利要求3所述的等离子弧喷头，其特征在于：
所述环形腔体能容置所述的至少两组等离子发生单元的电极的前端以汇聚所述电极产生的电弧。


8.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着环形喷孔内壁切线方向射入环形喷孔内的环形空间，以在环形喷孔处形成涡旋等离子体流。


9.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
各个所述的连接结构限定对应的电极的指向，并使对应电极产生的等离子体沿着电极和环形喷孔的共同轴截面往环形喷孔的出口方向射入环形喷孔内的环形空间。


10.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
在所述的喷头的环形喷孔之环形外围设置流体喷射通路。


11.根据权利要求1所述的等离子弧喷头，其特征在于：
在所述的喷头设置冷却液通路，以对喷头进行冷却；
所述的喷头由至少两个部件组合而成。


12.根据权利要求1所述的等离子...

【专利技术属性】
技术研发人员：梁福鹏，赵海鹏，韦浩城，蔡艳，
申请(专利权)人：南京钛陶智能系统有限责任公司，
类型：发明
国别省市：江苏;32