等离子熔积直接制造小电流熔积枪的设计
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存, 为后面故障诊断提
供依据。计算程序界面
如图 8 所示。此外, 还
有 共 振 解 调 程 序 的 设
计、基于共振解调技术
的 LabVIEW 可用于滚
动轴承故障诊断程序。
2.6 其它模块
( 1) 采集数据在数
组中重新组合
在数据采集程序设计中, 数组中存放的数据会出现
后采数据在前、先采的数据在后的情况。需要对数组中的
数据按时间的先后顺序进行重新组合, 再做后继的数据
处理工作。本系统就是采用这种方式。
( 2) 非均匀采样数据功率谱计算
从傅里叶功率谱和
Lomb 归 一 化 周 期 图 算
法对比可以看出, 采用
LabVIEW 提供的算法-
VI, 即 UnevenlySampled
Signal Spectrum.vi[6]。解
决了傅里叶变换要求数
据在时间轴上必须是等间距的要求。如图 9 所示。
3 结 语
本文主要分析了风力发电机齿轮箱的常见故障形
式, 针对齿轮箱振动分析虚拟仪器模块的研制。将振动分
析技术与虚拟仪器技术有机地结合起来, 所开发软件在
专用模拟输入硬件( 数据采集系统) 支持下, 完成振动信
号的数据采集、数据回放、数据保存、功率谱、倒频谱、包
络解调、小波分析等功能, 能将数据转化成各种对应的图
形。方便地应用于生产现场作振动测试和分析。保证风机
的可靠、安全运行。
[ 参考文献]
[ 1] 盛兆顺, 尹琦岭.设备状态监测与故障诊断技术及其应用[ M] .
北京: 化学工业出版社, 2003.
[ 2] 刘君华, 等.基于 LabVIEW 的虚拟仪器的设计[ M] .北京: 电子
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[ 9] 芮国胜.小波与傅立叶分析基础[ M] .北京: 电子工业出版, 2004.
( 编辑 明 涛)
作者简介: 乔印虎( 1979-) , 男, 助教, 主要研究方向为数控与检测。
收稿日期: 2006- 12- 09
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等离子熔积直接制造小电流熔积枪的设计
张海鸥, 邹海平, 王桂兰
（华中科技大学 塑性成形模拟及模具技术国家重点实验室，武汉 430074）
53机械工程师 2007 年第 5 期
摘 要: 针对等离子熔积金属零件直接制造的焊道精细和持续熔积时间长的要求，设计了小电流金属等离子熔积枪。熔
积枪采用了环形凸台送粉通道，钨极中心定位环，直接水冷却压缩喷嘴等改进措施。等离子熔积焊道实验结果表明，小
电流条件下焊道尺寸较小，焊道平整均匀，表面光洁度好。该型小电流熔积枪适用于金属零件的等离子熔积直接制造
中，同时枪体、喷嘴、送粉通道和冷却通道的特殊设计可以保证熔积枪的持续稳定工作。
关键词: 等离子熔积直接制造；小电流熔积枪；设计
中图分类号: TG113.263 文献标识码: A 文章编号: 1002- 2333( 2007) 05- 0053- 03
Design of Low Current Plasma- Gun for Plasma Deposition Manufacturing
ZHANG Hai- ou, ZOU Hai- ping, WANG Gui- lan
( State Key Laboratory of Plastic Forming Simulation and Die & Mould Technology, Wuhan 430074, China)
Abstract: Meeting the requirement of plasma deposition direct metal component manufacturing technique, a kind of
low current plasma - gun characterized by ring- shape bulge powder channels, tungsten electrode coaxial orientation
localizer, direct cooling plasma nozzle have been designed. Experiments indicate on low transfer- arc welding current
condition the plasma welding trace appearance are thin, slippery and formal. Also the design structure of gun body ,
nozzle ,powder deliver channel and cooling system can ensure the plasma- gun keeping long- term welding performance
which important for plasma deposition direct metal component manufacturing.
Key words: plasma deposition manufacturing; low current plasma- gun; design
D设计计算
DESIGN AND CALCULATION
1 前 言
随着对快速成形技术研究的不断深入, 以及快速制
造技术在工业上的推广应用, 采用金属材料直接制造全
密度零件目前已成为国际上一个研究热点和重要发展方
向 [1-4]。由于等离子弧具有类似激光、电子束等热源的弧
柱温度高、弧柱集束性好、能熔化几乎所有种类金属的优
势, 同时克服了大功率激光、电子束设备昂贵、运行成本
高的缺点, 能够基于常规等离子弧焊工艺进行金属零件
( 特别是高温合金零件) 的低成本直接制造, 具有较好的
发展和应用前景。
等离子熔积直接制造( PlasmaDepositionManufacturing)
过程中等离子熔积枪汇集水、电、气和粉末等元素产生稳
定的等离子弧, 熔化金属基体( 或前层熔积金属) 和填充
金属粉末材料, 并在熔积路径经过的区域形成移动的金
属熔池, 熔融金属经过快速凝固形成一定宽度和高度的
熔积轨迹, 最终完成零件所有的熔积路径后形成全密度
金属功能零件。
已有的等离子熔积制造系统中的粉末熔积枪, 其粉
末熔敷率高, 但稳定工作电流大, 约为 150~250A, 钨极和
喷嘴持续工作寿命短, 熔积轨迹的宽度( 5.58~8.90mm) 和
高度( 1.76~3.84mm) 尺寸大, 直接进行零件成形时, 熔积
路径间距必须为 4mm 以上, 相应熔积层高度为 1.62mm
以上, 从而使金属零件层间台阶效应大, 零件形状精度
低, 需要大量的后续机械加工[4-5]。因此, 开发能够长时间
稳定工作于小电流( 小于 100A) 的粉末熔积枪, 以期获得
小尺寸熔积轨迹和减小热影响区, 降低零件成形过程中
的热量累积, 从而提高层积制造零件精度成为等离子熔
积金属零件制造研究中一个重要内容。
2 熔积枪体结构设计
本文研制的小电流等离子粉末熔积枪, 工 作 电 流
低于 100A, 其结构方案如图 1 所示。由于枪体内的水、
电、气、粉和枪体结构对喷嘴和电极的使用寿命以及熔
积枪的使用性能影响较大 , 枪体结构设计过程中必须
考虑喷嘴和钨极、送粉通道、电极对中和枪体冷却等的
实施。
2.1 喷嘴结构与参数
等离子熔积成形中轨迹的形貌取决于作用在熔池金
属上的各种力( 等离子弧柱压力, 熔融金属的重力, 熔池
金属表面张力等) 的综合作用, 熔积工艺参数对其起重要
影响, 在很大程度上还取决于喷嘴的结构参数, 主要包括
喷嘴直径 d 和喷嘴孔道长度 H。喷嘴的孔径决定了等离
子弧直径的大小, 从而对金属零件熔积过程中的熔积轨
迹宽度有很重要的影响, 同时一定直径的喷嘴所能通过
的最大熔积电流是一定的, 超过该孔径所能承受的熔积
电流后, 会产生双弧现象。为了保证设计熔积枪的工作电
流低于 100A, 本文采用结构简单和容易加工的单孔喷嘴
形式, 喷嘴孔径为 2.0mm。
喷嘴孔道长度 H 与喷嘴直径 d 的比值( H/d, 喷嘴孔
径比) 决定了等离子弧柱压缩程度和喷射速度。在金属
零件熔积过程中, 要求等离子弧柔和、稳定、冲击小。综
合考虑等离子焊接参考压缩比( 1.0~1.2) 和等离子堆焊
用喷嘴参考压缩比( 0.6~0.98) , 本文设计的喷嘴孔道比
为 0.96,喷嘴孔道长度为 1.92mm。此时孔道的安全工作
电流可达 150A, 在熔积电流低于 100A 时, 不会产生双
弧现象 [6- 7] 。
2.2 送粉通道
由于等离子金属零件熔积制造过程是一个金属粉末
熔融形成焊道、层积形成零件的过程, 要求等离子熔积系
统的连续工作时间较长。因此粉末等离子熔积枪的一个
重要性能指标是等离子枪在长时间工作时是否产生金属
液滴流淌和金属液滴凝固堵塞送粉口( 堵枪) 现象。因此
在等离子熔积枪的设计当中, 对送粉通道及其冷却条件
的设计尤为重要。
为使喷嘴能够均匀
送粉和良好冷却, 采用
如图 2 所示双喷嘴供粉
方式。内喷嘴的中间部
分 为 等 离 子 弧 压 缩 通
道和冷却水循环通道,
外部为环形凸台, 与外
喷 嘴 的 内 腔 形 成 粉 末
的送粉通道。
为了避免粉末输送过程中送粉气体与离子气交互作
用, 减少粉末飞溅, 提高粉末利用率, 送粉角度与等离子
弧轴线的夹角应小于 45°。本文采用 42°夹角, 保证送粉通
道的粉末交汇点为喷嘴下方 4.48mm 处, 使实际等离子熔
积时( 等离子枪喷嘴与零件距离为 5mm) , 送入的金属粉
末集中于熔池正上方, 有利于等离子弧能量的充分利用。
2.3 钨电极及其对中装置
本枪采用目前较为常用的钨铈杆状电极, 便于烧损
之后电极的更换, 降低成本。考虑到钨极长度较长, 选用电
极直径为 3mm, 可保证使用过程中钨极电流密度<20A/mm2,
提 高 使 用 寿 命 。
采 用 间 接 水 冷 却
方 式 用导 热 系 数
高 的 紫 铜 作 为 水
冷 和 钨 极夹 持 机
构 。为 便 于 高 频
引 弧 , 保 持 电 弧
稳 定 , 并 能 提 高
54 机械工程师 2007 年第 5 期
D 设计计算
DESIGN AND CALCULATION
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电极使用寿命, 采用了如图 3 所示钨极尖端形状, 即将钨
极磨成 60°尖角后把头部磨平成直径 1mm 的平面 ( 圆台
高度为 1.73mm) 。钨极的下端对中采用圆弧三角形对中
环( 图 3) , 可以保证 3mm 的钨极尖部能够很好地与喷嘴
的中心同心。
2.4 枪体冷却部分
等离子枪体的热压缩效应主要依靠内部水冷系统冷
却喷嘴内壁实现。因此喷嘴的冷却效率直接影响着等离
子弧的稳定和熔积枪体的使用寿命。本枪冷却水道设计
采用自来水管连接入水口到喷嘴, 由喷嘴经联结体到上
枪体, 间接冷却钨极之后从出水口流出。
设计工作过程中转移弧电流 100A, 电压为 30V, 非
转移弧电流 30A, 电压 20V, 熔积枪的热效率为 !=0.75。
根据焦耳- 楞次定律可求得等离子熔积枪工作时转化的
热量为:
Q 功=0.24UI=0.24×( 100×30+30×20) =864cal/s
冷却水需带走的热量为: Q 水=Q 功×( 1- !) =216cal/s
为了保证熔积枪的冷却效果, 冷却水的允许温升为
20℃( 进水温度为 30℃时, 出水温度为 50℃) , 则需要冷却
水的流量为 F 水=Q 水/( !T×C) =216( 20×1) =108g/s
式中 !T 为冷却水的温升, C 为水的比热。因此改进型熔积
枪实际应用过程中采用直接自来水冷却即可满足要求。
2.5 枪体的绝缘、密封和联接
本枪采用聚四氟乙烯作为上下枪体的绝缘体, 采用
“O”型密封圈作为水、气的密封。带有螺纹的聚四氟乙烯
绝缘体同时起到连接上下枪体的作用, 中间采用螺纹方
式联结有利于上下枪体的装配同心定位, 同时易于实现
枪体的密封。
3 等离子熔积轨迹试验
为测试改进型小电流熔积枪的性能, 在本实验室等
离子熔积直接制造系统上进行熔积试验。主要熔积工艺参
数包括: 起弧高度 5mm, 速度 100mm/min, 电流 40～60A,
材料为 FNi07B。
不同电流对
应的熔积轨迹形
貌 如 图 4 所 示 。
熔 积 轨 迹 的 宽
度、高度与熔积
电流的关系如图
5 所 示 。 从 图 5
可以看出熔积轨
迹的宽度在熔积
电 流 40A 时 降
低到 3.16mm, 此
时单道轨迹的高
度 为 1.5mm, 且
成 形 轨 迹 良 好 。
熔积焊道宽度较
小, 可以在进行
金属零件的熔积时路径间距降低到 2.45mm, 熔积切片层
厚度降低到 1.24mm, 从而减小熔积零件台阶效应。
4 结 论
本文设计了用于等离子熔积金属零件成形工艺的小
电流熔积枪, 有效解决了等离子枪在小电流熔积工作状
态下的枪体和喷嘴的冷却问题, 延长了等离子熔积枪的
有效连续使用时间。
( 1) 采用环形凸台送粉方式解决了超细合金粉末在
较小送粉气流作用下不能稳定输送问题。同时熔积过程
中无金属液滴流淌和金属液滴凝固堵塞送粉口( 堵枪) 现
象。
( 2) 确保了钨极尖端和阳极喷嘴之间的同心度, 便于
高频引弧, 保持电弧稳定, 使等离子熔积过程中的熔积轨
迹的质量得到保障。
( 3) 焊道平整均匀, 宽度由原来最小 6mm 减小到 3mm,
同时单道高度基本稳定在 2mm 以下。表面光洁度好, 能
够有效降低等离子熔积金属零件台阶效应。
[ 参考文献]
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1980. ( 编辑 启 迪)
作者简介: 张海鸥( 1955- ) 男, 教授、博士生导师, 主要从事创形创质
并行数字化制造技术的研究。
收稿日期: 2007- 02- 13
55机械工程师 2007 年第 5 期
D设计计算
DESIGN AND CALCULATION
江西新钢公司 300 万吨薄板工程项 目 日
前在江西省新余市开工。该项目是江西省“十
一五”规划重大建设项目之一, 投资规模达到
126 亿元, 技术可达到国际、国内先进水平。据
悉, 该项目以 1580mm 热连轧生产线为核心工
序, 分两期建设, 一期工程计划于 2008 年年
底建设, 二期工程计划于 2009 年年底建成,
届时热轧钢卷的年生产能力可达到 300 万吨
以上。该项目创造了江西工业史上“三个第
一 ”, 即 投 资 超 百 亿 的 第 一 个 重 大 项 目 , 冷 轧
薄板的第一个重大项目,“十百千亿”工程的
第一个重大项目。
万
吨
薄
板
工
程
项
目
在
新
余
市
开
工
300
等离子熔积直接制造小电流熔积枪的设计.pdf
