（机械制造及其自动化专业论文）新型等离子弧表面淬火电源及其控制设备研制.pdf

洗鞭工鼗大学硕士学柱论文 d e v e l o p m e n t o f t h en e wp l a s m aa r cs u r f a c e h a r d e n i n g p o w e r s u p p l y a n di t sc o n t r o l l e r a b s t r a c t h a r d n e s sa n dw c a r 魄r e s i s t a n c eo f p a r t si si n c r e a s e db yt h es u r f a c eh a r d e n i n gt e c h n o l o g y a n di n t e r i o ro f p a r t sh a st o u g h n e s sw e l l c o m p a 越w i t h i n d u c t i o nh e a t , b l a z eh e a ta n dl a s e r s u r f a c eh a r d e n i n g ，t h ep l a s m aa r ch a r d e n i n gt e c h n o l o g yh a ss o m ea d v a m a g e ss u c ha ss i m p l e s t n 砧m m , s m a l lv o l u m e s , e a s y t om a n i p u l a t i o n , e c o n o m i c a l , h i g hh e a te f f i c i e n c y 。i nd e v e l o p e d i n d u s t r yc o u n t r i e s , t h ep l a s m a 瓣s u r f a c ei m - d e t d n g h a s g o t i n t op m c t i e 逾a p p l i c a t i o ns t a g e 。羽k d o m e s t i cs t u d yo ft h ep l a s m a 黼h a r d e n i n gt e c h n o l o g ya n de q u i p m e n th a sg a i n e ds o m e e x c e l l e n tf r u i t s , b u tf e wo fw h i c hh a v ea p p l i c a t i o n t h e r e f o r e , t h ei n d 蚴t i o n so f 瓣a s 珏壤 敞s u r f a b 羽培。| 蛙城t e c l m o l o g y h a s p r o m i n e n t e c o n o m i c p r o f i t a n d b e n e f i t s i ns o c i e t y 1 1 锵p a p e rt h ec h a r a c t e ro fp l a s m aa r ca 主蠡瓯t h e ni n t r o d u c e sm a k ou po fe q u i p m e n t , f a c t o r sa f f e c th a r d e n i n gr e s u l ta n dt h et e c h n o l o g yp a r a m e t e rc o r 蛐go ft h e 鹾# 辫搬8 f e s u r f a c e 扭烈l e 峨 a sa 槲t e c h n o l o g y , w h i c hi sw o r t h yp o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o n , 稚l ep l a s m aa r c 懿鲑溉h a r d e n i n g i sn e c e s s m - yt or e a u z ei t ss t e a d y t e c h n o l o g yo f p r o d u c t i o n 。d e v e l o p i n g an e w t y p eo f p l a s m a a r cs u r f a c eb 玳酝【l i l 壤h e a tp o w e r s u p p l yt os o l v et h ep r o b l e m so f t h ec u r r e n t c o m p a c te t c i nt h ep r o c e s so fh a r d e n i n gi se s s e n t i a l 啊1 em o s 疆疆h a r d e n i n gi n v e r tp o w e r s u p p l y , w h i c h i ss t u d i e dt h i s 毯羝i tm a k e st h ec 瑾燃i n c r e a s e b yd e g r e e s f r o ms m a l lt ob i ga r c i nh a r d w a r e , s oa st os o l v e p r o b l e m o f t h e c u r r e n t c o m p a c t i no r d e rt os o l v et h ep r o b l e mt h a tt h es t a b i l i t yo ft e c h n o l o g yb e c o m ea f f e c t e d ，w h i c hi s c a u s e b yc h 鞠g e o f t h et e c h n o l o g yp s l 自l i t l e t e r s ( s p o u ta n dt u l l g s t 蕊cp o l e so f p l a s m ag u nb u m e t c ) b e c a u s e o fc o n t i n u o u so p e t a 蹴，as i n g l e - c h i ps y s t e mc o n t r o l st h ep o w e rs u p p l yi s d e s i g n e d 协r e d u c et h eo p e r a t o r st e c h n i c a lr e q u e s t , h $ j d w a i 譬p a r t sc o u l db e i n t r o d u c e di nt h e 搿擎 f o r v e r i f y i n g p l a s m a a r c 鼙羽搬h 塔勤蜮n g a n d p e r f o r m a n o f s u p p l y p o w e r i s d e v e l o p e d , c r o o ka r m , b i ga r r e s t e d 斑啦瑰f a na x i s , b i ga r r e s t e dd r u m c o v e r , t o r s i o n a la x i s ，w h i c ha r e 娜 o f 拄蔽h a v eb e e nh a r d e n e c lp m c t 妇p r o m e d t h a tt h ee q u i p m e n t p e r f o r m a n c e i sc r e d i b l ea n dt h e t e c h n o l o g yp r a c t i c a b i l i t yi sb 溆强l a y s t h ef o u n d a t i o n so f p o p u l a r i z a t i o na n da p p l i c a t i o no f p l a s m a s u r f a c e h a r d e n i n gt e c h n o l o g y k e y w o r d s ：p l a s m aa r cm r f a e eh a r d e a i n gm o s f e t i n v e r t p o w e rs u p p l y 2 * 独7 创性说明 本入郑重声明：所璺交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工 作及取得的研究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方 外，论文串不包含其谴入已经发表或撰写的研究成果，也不包含为获得 沈阳工业大学或其他教育机构的学位或证书所使用过的材料。与我一同 工铭魏固态对本磺究所徽懿饪钌贡献均已在论文中骰了明确楚说瞬并表 示了谢意。 签名套啦鑫期：2 整翠基丛受 关于论文使用授权的说明 本人完全了解沈阳工业大学有关傺磐、使用学鼓论文的规定，郄： 学校有权保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公 布论文的全部或部分内容，可以采用影印、缡印或其他复锥4 手段保存论 文。 ( 保密的论文在解密看痘遴循挽撬定) 签名：二烛导师签名：蝉日期：捌一 。鎏夔三! 喹兰! 燮壁墼 图2 j 图2 2 图2 3 藿2 一碡 图2 5 委3 一l 图3 2 蚕3 3 图3 4 圈3 5 匿3 8 图3 7 鍪3 8 图4 一l 鋈4 2 圈4 3 稠4 4 匿4 一s 图4 6 夔5 一l 藿蓦一2 表2 一l 表5 1 表5 2 插图或辫潲单 气体放电的茯安穗校，p t 4 等糍予弧的技安特性鳇线( 1 ) 秘电源夕 特性接线国，p 1 5 工作气体流爨对伏安特性曲线的影响，p 1 6 韵3 气黠莰受将性魏线熬影确，p 1 6 等离子弧表筒淬火系统，p 1 7 亳滁经残器鬻，p 2 0 主电路原理阂，p 2 1 窀舔波形黉，p 2 2 1 l 9 4 内部糕匿，p 2 2 t i a 9 4 内部备点波形图，税3 p 蛾控裁奄薅霪，p 2 4 m o s f e t 驱动电路豳，p 2 5 舞环反壤系统暴理嚣，f 2 6 电源留能控制系统糕阁，f 2 8 电源智 ；鏊控锱系统蘸理蚕，p 2 多 8 9 c 5 2 的结构和周边电路，p 3 0 串稃驻示电路，p 3 3 翦黉僖号放大电路，p 3 4 p w m 输出电路，粥5 衽秀轴鞋聚袭霞瓣篓缝蘩篷变形嚣_ 夭卷瓣豢襞匿熬襞爱熹囊入及熹撬， p 3 8 等离予滓文菇翡夔饕0t 3 0 黪表嚣霸夫黼羧零毒麓瓣寝覆，p 4 1 实验条件，p 1 8 淬火互艺参数，p 3 9 淬火痿零件参数的燮纯，p 4 0 1 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 各种机械产品的零件由于磨损和腐蚀而引起的早期失效或报废，所造成的能源与材 料的消耗是十分惊人的。解决材料的磨损与腐蚀问题已受到国内外机械设计与制造部 门、材料研究和生产部门的普遍重视。金属表面热处理是通过快速淬火使金属表层发生 相变，产生高硬度、耐磨损、抗腐蚀的表面，从而极大地改善金属表面的机械性能。但 是由于每种表面淬火工艺都有它的应用范围和工艺限制。因此，研究开发表面淬火新技 术，仍是工业发展的重要课题。 等离子弧表面淬火技术是近十年来出现的一种很有前途的新工艺。该工艺是对金属 进行非接触式加热，没有机械应力作用，而且加热速度和冷却速度快，热应力也小，因 此处理后工件的变形很小，生产效率高。它与激光表面淬火都是无污染且高效率的表面 淬火方法。由于等离子弧的热源装置简单，工作成本低，操作方便。所以，它在一定范 围内可以替代激光热源。 工业发达国家几乎同时进行了等离子弧表面淬火技术的可行性研究。其中，俄罗 斯，美国，日本，德国等激光表面淬火技术先进的国家在等离子弧表面淬火技术方面也 处于领先地位。据有关资料介绍n 田，美国，俄罗斯等国早在二十世纪八十年代就已经完 成实验室研究阶段，开始应用于工业生产，并且取得了良好的经济效益。我国对等离子 弧表面淬火技术的研究落后于西方国家多年，八十年代末，我国的研究人员才开始进行 机理性试验研究，工业化开发至今刚刚起步。 在已发表的大量论文中，对等离子弧表面淬火的工艺性和淬火效果的研究较多，而 针对工艺的特殊要求，对专用电源设备的研究很少。本文就是以提高工艺稳定性为目 的，对等离子弧表面淬火专用电源及其控制设备进行了研究，为今后等离子弧表面淬火 工艺的推广应用作准备和铺垫工作。 目前使用的等离子弧表面淬火电源存在以下问题：在采用转移型等离子弧进行表面 淬火过程中，由于起弧的瞬间喷咀与工件的电路瞬时接通存在工作电流、电压的突变， 产生起弧部位过热熔化，沟、槽断弧和边界过热问题，严重影响工件的表面质量；在淬 火过程中，由于工艺条件( 等离子弧喷咀和钨极的烧损等) 的逐渐变化，会导致设定的 2 沈阳工业大学硕士学位论文 电源参数不合适而影响淬火表面的硬度和深度，现有电源不具有自适应功能，因此影响 工艺的稳定性。 基于上述原因，本课题以实现工业生产为目的，在前人研究成果的基础上，设计并 研制等离子表面淬火的新型加热电源，对等离子表面淬火加热电源进行闭环控制。以稳 定电弧的能量为控制目标量，电源输出的电流和电压为反馈信号，对等离子弧表面淬火 电源进行智能控制。我们与某部队合作，对坦克零件进行了等离子弧表面淬火试验，并 对强化处理的零件进行了装车试验，来验证电源和工艺的稳定性。实践证明，所研制的 设备性能可靠，工艺实用性强。此项研究为等离子弧表面淬火技术的推广应用奠定了基 础。 3 潲工鼗大学蒺士学稼 q 文 l 绪论 l + 1 问题的提出 蓦簿瓤滚产熬魏零襻，囊子褰攒、褰媛零 起褥攀鹫失簸麟褒，蠢遥黢酶髭潦鼗糖 ； 的消耗是十分憾人的，搬不完全统计，世界能源的1 3 1 2 消糕于摩擦，机械臀彳誊 籀失效瑟嚣是褰镶潞。金耩表瑟热楚理蹩遴遘袭逮淬天健盘满表藤发窆搬，产黛商 硬嶷、耐蹙损、辩凝蚀的袭蕊，麸鼹极大地敬善金联袭嚣抟枧棱性髓靛方法。医此，滚 技沭是解决材料耐瓣、抗腐蚀河鞭的有效途径。人们已经开发出了茹种金瓣表面淬火工 芝，侄是簿耱表覆漳炎工慈熬骞宅懿瘟愚蔑溅缝。磺究嚣蓑袭瑟漳尖疆技术，爨蒸是互 业艘展的煎蒙课题嘲。 等囊予疆与激避素爨兔寒髭羹蘩，矮予舞戆羹褰凑熟漾纛瑟漳袅蒸楚憨，莓骧鬟瑗 小变形、超快速加热与冷却，能够获得常规热源无法锝到的组织和性能。所谓高能缴密 凌熬潺表鬣热楚臻，繇曼对王箨蓑褥藏热毽# 常嵩鞠魏蠢塞藏i 涮滴，在疆薤蕊辩翔 ( 1 l o s ) 内将王档表层擞热烈棋变温度以上，达熬l 接近熔黻状态，靠工俅爨身馋热冷 帮，实现袭丽硬纯，驭提黼寮面静黼磨往和黼腐镄憾。激光波面淬融技术褥猁了很快发 矮菸取撄广泛懿蜜际应避，毽鑫警其壤零藤，设蕊复杂，颦凌条赞要求鸷懿等嚣爨， 在些领域的应用髓到了黻制，甜镣离子撇具有等激光柑似的高能黻密度特性，并鼠具 骜设萎饕纂，镬蘩嚣矮，蚕受莓撬辍燃赢。嚣溉，嚣簿襄子鬟绺梵激巍麓罄襞热添 融成为众多专业人士的研究方向。 等赛孚嚣表瑟淬犬蔻避卡年慕壤瑗戆一耱镶骞嚣途熬裁工艺辨，律秀释藜籍袭孬 拨忧技术，使用宅哥以显警提高钢糍铸铁的袭面硬度，耐麟性及掣馋的使用淹命。巍已 麓液羽犬豢论文书，对等麓予弧袭辩淬火静互艺穗髑淬火教菜静磷辩较多，雨钎辩工艺 懿特豫萎黎，对专耀电溃隈蠢夔磷魁曩少。零交裁媳臻匿囊王艺稳患牲为鼷瓣；对警蹇 予弧表面淬火专用魄源及煳技术进行了研究。 | 2 莓窦挚琵表鬣淬炎搜零懿糕焘 金属黜合金的波面热盘l ：理是料古老筒熏要的篡业加擞技术，掷多产晶的基件猩生 黟涟疆孛帮必须经髓表嚣热憝理。簿蓬蓑赛溪装零、孩蕤释奔；蓑零簿嵩蓊簸瓣产生糍发 4 沈阳工业大学硕士学位论文 层深度，所以，完全可能达到或接近激光表面淬火的耐磨效果。除了在实验室对4 5 中 碳钢、3 5 c r m o a i 合金钢、灰铸铁、球墨铸铁、硼合金铸铁等材料进行了大量的工艺参 数试验和金相组织分析以外，还在油井冲击钻具的外缸套、波纹管旋压机床的旋压辊及 托辊等零部件上进行了实际生产应用。实际应用结果表明等离子弧表面淬火确实具有提 高耐磨和减磨的双重效果。等离子弧表面淬火用于锯条“”，汽车发动机摇臂及曲轴等， 也取得了令人满意的结果。 1 3 等离子弧表面淬火设备的研究现状 等离子弧自二十世纪二十年代被开发成功以来，以其热源装置简单，工作成本低， 操作方便等优点，表现出巨大的发展潜力。七十年代能源危机的出现，更加速了它的发 展。等离子弧作为高能量密度的热源被广泛应用于工业多种领域。等离子弧焊接，等离 子弧切割，等离子弧喷涂等技术，已为人们所熟知“”。进入八十年代，又先后出现了等 离子弧加热切削，等离子弧加热旋压波纹管等新技术、新工艺，同时，伴随着激光表 面淬火技术的迅速发展，使人们研究等离子弧应用于表面淬火的希望。 工业发达国家几乎同时进行了等离子弧表面淬火技术的可行性研究。其中，尤以俄 罗斯，美国，日本，德国等激光表面淬火技术先进的国家在等离子弧表面淬火技术方面 也处于领先地位。日本在九十年代初就研究了等离子弧表面淬火的条件和金相组织“”， 并用小口径喷嘴进行碳钢的等离子弧表面淬火n 蜩，证明如果考虑加热方法，则和激光同 样可进行局部硬化。前苏联将等离子弧表面淬火法成功地用于强化铸铁轧辊，使轧辊使 用寿命提高了1 4 6 倍，获得很大经济效益咖1 。后又用氩热等离子弧喷射局部硬化高碳 钢，同样获得良好效果嘶1 。m v s e l i v a n o v 用以氩为源离子的等离子弧发生器硬化铸铁 部件瞄3 ，研究其抗磨层特性，其硬度可达5 2 6 0 h r c 。v v g r i s h a n o v 等将激光表面淬 火工艺和等离子弧表面淬火工艺相结合嘲，证明可有效的避免表面裂纹、涂层剥落、工 件翘曲的缺陷。y m d o m b r o v s k i i 用空气等离子弧扫描7 0 号高碳钢表面队“，进行表面 强化，表面硬化层宽为4 0 r a m ，厚2 5 r a m ，并对处理后金属表面的机械性能进行了研 究，论证了结构强度的变化。a g s a a k o v 提出等离予弧强化轮副嘲，可以有效的提高其 接触疲劳应力。在国内，具体应用如下：内燃机摇臂件，材料为4 5 钢，经等离子弧 表面淬火后可达到硬度5 8 6 2 h r c ，回火后5 2 5 5 h r c ，淬火层深为2 m m ，并使用等 9 沈阳工溅大学硪士学位论文 离予弧裘面淬火机床，驻著提高产品质黧和性能，实现了工艺半自动化。汽车挂车的无 蕊轨道，誊| 辩q t 5 良5 ，缀淬火鼹硬度达4 0 5 0 h r c ，经向变形爨不超避o 。0 3 1 r 飘，并 驻著提离了耐磨性。喷塑机丝杠，不仅提高硬度。还保诚了强度。采用等离子弧寝面淬 火蓑王装怼换热楼生产线戆托辊遴行了袭嚣淬火，毵辊戆搴| 震为4 5 c r 锻，表瑟淬火硬 度达到5 0 6 0 h r c 。托辊无变形，淬火层的机械性能和使用寿命明显提高。对油嘲井下 、渖壶链爨缸套表面透行等离子强表瑟淬火，实袋了对长誓律深藐内表嚣懿淬灾要袋。勇 外，还用于工模具、玻璃马赛克轧辊、机床导轨镣零件，均取得了良好效果。这般，都 推动了镣离子弧表面技术的发戚。 由予等离予弧表露淬火技术是一项缘会性的瘫耨技术，等离子弧的影响因素较多， 淬火重复性差，必须采取自动控制才能实现稳定的淬火过程，其中尤以等离子弧寝面淬 火专用奄源最为关键。等离子弧褒嚣淬火毫源悬窆载毫隧约失? 0 8 0 伏，劳要求其辫 特性是陡降的专用直流电源。该电源与等离子弧弧焊接电源相似。 等离子亳鞭瘊采蔫豹毫深，一般魏凝弯蕤黔 籍装瓣塞流毫源。叁上二幸整纪七 年代以来采用过酱通旋转式直流电源、穗整流式电源、可控硅式电源和逆变式电源等作 为等离予弧电溺澜涮删。 垦前，旋转戏直溅电源和撩整流式囊流电源已被可控硅式直流电源和逆变式赢流电 源所取代。 建二十世纪六十雩代规，骧着大功攀晶飒管的阚毽，出现7 以鑫闻餐为整流冗 牛的 电源一晶闸管式电源( 3 l 称可控硅式赢流电源) 。由予其本身具有良好的可控性，因 嚣，对多 特性形获熬控麟、工艺参数熬淫节，帮霹戮逶避改交燕瓣管瓣鼙逶受来蜜臻， 而无需凝磁放火器。该电源的性能更优予磁放大器式硅热流器，融成为目前一种燕要的 童流耄源。日本已焉晶阚管式整流器逐步代替磁放大式整流器。德国、芬兰、美潼、英 国等许多大的电源公司也大多擞产晶阿储式电源。我国的事岍人员于二十世纪六十年代 后期开始了这方面的研究工作，并研制成功了z x 5 系列和z d k - 5 0 0 型龋闸管式赢流电 源。 早在二十t 缝纪七十年代初，逆变嚣已应用予中频加正领域。1 9 7 8 邻开始出现了晶 淹警式添焊遂交器，1 9 8 1 年又滋瑗鑫体管式弧爆逆交嚣。在1 9 8 1 年世爨焊接与甥塞搂 1 0 一 沈阳工业大学硕士学位论文 览会上，首次展出四个厂家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、 低压引弧式的钨极氩弧焊和c 0 2 气体保护焊，最大电流为3 5 0 a 。 1 9 8 9 年在同样的博览会上已有3 0 多个厂家展出逆变式电源。除场效应管、晶体管 式逆变器以较大的比例增加外，开始出现i g b t 式逆变器，最大容量达5 0 0 a ，其用途 进一步扩大到等离子弧切割、微机控制等。 在1 9 9 3 年的焊接与切割博览会上，绝大多数参展公司均推出他们的逆变式电源产 品，并出现了场效应管式和i g b t 式并举的格局，技术水平达到了新的境界，额定电流 1 3 0 a 、负载持续率为3 5 的场效应管式逆变器，质量仅有4 k g ，逆变频率为1 0 0 m 1 3 0 k h z 。 在我国，逆变式电源的发展速度也很快，前景十分可观。上世纪七十年代末，我国 着手研制晶闸管逆变式电源，8 0 年代初取得初步成果。特别可喜的是，1 9 8 2 年我国华 南理工大学的学者在德国首次研制出世界第一台场效应管式逆变式电源实验样机，而大 功率场效应管在1 9 8 1 年才出现在世界工业博览会上。1 9 8 9 年又出现新型大功率开关元 件一i g b t ，1 9 9 0 年华南理工大学就研制出i g b t 逆变式电源。上述两种逆变器的逆变 频率分别为5 0 k h z 和2 0 k h z 。3 1 5 a 场效应管逆变式电源质量仅为2 0 l ( g 多，效率达8 8 6 ；6 3 0 a i g b t 式弧焊逆变器的质量仅为5 0 i ( g 多。目前部分弧焊器已进入小批量的生产 阶段，正在为大批量生产和大面积推广作努力，以m o s f e t 和i g b t 为主并举发展，可应 用于焊条电弧焊、m a g c 倪m i g 焊、等离子弧焊和空气等离子弧切割、矩形波交流弧 焊、机器人焊接，以及电脑控制的高性能焊接等场合。具有更新换代意义的高效、节 能、重量轻、体积小的逆变式电源，自上个世纪末问世以来已有了很大发展，并被荣称 为“明天的电源”。 1 4 存在的问题 由于等离子弧的影响因素较多，淬火重复性较差，必须采取自动控制才能实现稳定 的淬火过程，其中等离子弧加热电源的性能是最为关键。等离子弧表面淬火电源是空载 电压约为7 0 8 0 伏，并要求其外特性是陡降的专用直流电源。该电源与等离子弧焊接 电源相似。由于没有等离子弧表面淬火专用电源，目前，以硅整流式弧焊机、可控硅整 流式弧焊机等作为等离子弧表面淬火加热电源。虽然传统的弧焊电源的技术比较完善， 沈阳工业大学硕士学位论文 览会上，首次展出四个厂家的晶闸管式和晶体管式弧焊逆变器，主要用于焊条电弧焊、 低压引弧式的钨极氩弧焊和c 0 2 气体保护焊，最大电流为3 5 0 a 。 1 9 8 9 年在同样的博览会上已有3 0 多个厂家展出逆变式电源。除场效应管、晶体管 式逆变器以较大的比例增加外，开始出现i g b t 式逆变器，最大容量达5 0 0 a ，其用途 进一步扩大到等离子弧切割、微机控制等。 在1 9 9 3 年的焊接与切割博览会上，绝大多数参展公司均推出他们的逆变式电源产 品，并出现了场效应管式和i g b t 式并举的格局，技术水平达到了新的境界，额定电流 1 3 0 a 、负载持续率为3 5 的场效应管式逆变器，质量仅有4 k g ，逆变频率为1 0 0 m 1 3 0 k h z 。 在我国，逆变式电源的发展速度也很快，前景十分可观。上世纪七十年代末，我国 着手研制晶闸管逆变式电源，8 0 年代初取得初步成果。特别可喜的是，1 9 8 2 年我国华 南理工大学的学者在德国首次研制出世界第一台场效应管式逆变式电源实验样机，而大 功率场效应管在1 9 8 1 年才出现在世界工业博览会上。1 9 8 9 年又出现新型大功率开关元 件一i g b t ，1 9 9 0 年华南理工大学就研制出i g b t 逆变式电源。上述两种逆变器的逆变 频率分别为5 0 k h z 和2 0 k h z 。3 1 5 a 场效应管逆变式电源质量仅为2 0 l ( g 多，效率达8 8 6 ；6 3 0 a i g b t 式弧焊逆变器的质量仅为5 0 i ( g 多。目前部分弧焊器已进入小批量的生产 阶段，正在为大批量生产和大面积推广作努力，以m o s f e t 和i g b t 为主并举发展，可应 用于焊条电弧焊、m a g c 倪m i g 焊、等离子弧焊和空气等离子弧切割、矩形波交流弧 焊、机器人焊接，以及电脑控制的高性能焊接等场合。具有更新换代意义的高效、节 能、重量轻、体积小的逆变式电源，自上个世纪末问世以来已有了很大发展，并被荣称 为“明天的电源”。 1 4 存在的问题 由于等离子弧的影响因素较多，淬火重复性较差，必须采取自动控制才能实现稳定 的淬火过程，其中等离子弧加热电源的性能是最为关键。等离子弧表面淬火电源是空载 电压约为7 0 8 0 伏，并要求其外特性是陡降的专用直流电源。该电源与等离子弧焊接 电源相似。由于没有等离子弧表面淬火专用电源，目前，以硅整流式弧焊机、可控硅整 流式弧焊机等作为等离子弧表面淬火加热电源。虽然传统的弧焊电源的技术比较完善， 沈阳工业大学硕士学位论文 但是用于等离子表面淬火电源还存在以下问题：( 1 ) 由小弧转到大弧时，产生的电流 冲击容易造成工件表面烧伤；( 2 ) 在淬火过程中，由于工艺条件( 钨极、喷嘴烧损 等) 的变化，会导致设定参数不合理，而现有电源不具有自适应功能，因此影响工艺的 稳定性，因而限制了该技术的应用推广。 1 5 发展趋势 以模糊逻辑、人工神经网络和专家系统为标志的人工智能技术成为控制领域中的重 要研究方向，取得了很多重大的理论成果，并在实际中有大量成功的应用实例。为了适 应等离子弧表面淬火工艺自动化的需要，研制开发各种微机控制式的自动化等离子弧表 面淬火设备已成为一大趋势。 1 6 课题任务 由于等离子弧的影响因素较多，等离子表面淬火技术虽然在部分厂家进行了应用， 取得了良好的效果，但由于受到自动化控制水平和工艺稳定性的限制，目前还未能形成 稳定的工业生产工艺，限制了该技术的推广应用。基于上述原因，本课题以实现工业生 产为目的，在前人研究成果的基础上，通过分析不同条件下等离子表面淬火温度场与金 属相变过程的关系，对各种工件材料进行等离子弧表面淬火工艺参数优化，开发等离子 弧表面淬火工艺参数优化控制的专家系统，从而降低对操作者技术水平的要求。具体内 容如下： ( 1 ) 设计并研制等离子弧表面淬火的新型加热电源，以稳定等离子电弧的能量为 目标，以电源输出的电流和电压为采样信号，对等离子弧表面淬火加热专用电源进行智 能控制。 ( 2 ) 在此电源的基础地上，利用实验室已有的实验设备，对具有典型意义的4 5 钢、3 5 c r m o 、球墨铸铁等材料进行实验。通过改变加热功率、扫描速度、扫描螺距、 喷嘴的孔径等工艺参数，分析淬火后材料的表面硬度层分布和金相组织。取得等离子弧 表面淬火最佳工艺参数的一般规律和推理方法，为建立等离子弧表面淬火工艺参数优化 控制的专家系统打下基础。 1 2 沈阳工业大学硕士学位论文 但是用于等离子表面淬火电源还存在以下问题：( 1 ) 由小弧转到大弧时，产生的电流 冲击容易造成工件表面烧伤；( 2 ) 在淬火过程中，由于工艺条件( 钨极、喷嘴烧损 等) 的变化，会导致设定参数不合理，而现有电源不具有自适应功能，因此影响工艺的 稳定性，因而限制了该技术的应用推广。 1 5 发展趋势 以模糊逻辑、人工神经网络和专家系统为标志的人工智能技术成为控制领域中的重 要研究方向，取得了很多重大的理论成果，并在实际中有大量成功的应用实例。为了适 应等离子弧表面淬火工艺自动化的需要，研制开发各种微机控制式的自动化等离子弧表 面淬火设备已成为一大趋势。 1 6 课题任务 由于等离子弧的影响因素较多，等离子表面淬火技术虽然在部分厂家进行了应用， 取得了良好的效果，但由于受到自动化控制水平和工艺稳定性的限制，目前还未能形成 稳定的工业生产工艺，限制了该技术的推广应用。基于上述原因，本课题以实现工业生 产为目的，在前人研究成果的基础上，通过分析不同条件下等离子表面淬火温度场与金 属相变过程的关系，对各种工件材料进行等离子弧表面淬火工艺参数优化，开发等离子 弧表面淬火工艺参数优化控制的专家系统，从而降低对操作者技术水平的要求。具体内 容如下： ( 1 ) 设计并研制等离子弧表面淬火的新型加热电源，以稳定等离子电弧的能量为 目标，以电源输出的电流和电压为采样信号，对等离子弧表面淬火加热专用电源进行智 能控制。 ( 2 ) 在此电源的基础地上，利用实验室已有的实验设备，对具有典型意义的4 5 钢、3 5 c r m o 、球墨铸铁等材料进行实验。通过改变加热功率、扫描速度、扫描螺距、 喷嘴的孔径等工艺参数，分析淬火后材料的表面硬度层分布和金相组织。取得等离子弧 表面淬火最佳工艺参数的一般规律和推理方法，为建立等离子弧表面淬火工艺参数优化 控制的专家系统打下基础。 1 2 沈阳工韭大学硕士学往论文 2 1 等离子弧简介芨其伏安特性 等瓷予薮这令名称寒囊等褰予俸。等穗子嚣熙攘由带漱粒子( 寇括自囊瞧子、燕受 离子) 、中性粒予( 包括中性分予成原子) 和由予碰撞产擞的分予碎片组成的。等离子 锩在整豁上莹瑶为透酝毫巾缝嚣藏离熬气体秘葳，被稼秀耪震熬象滔态，京适应一般气 体定律，但与一般气体有很大差别，通常气体中的离子作杂乱无章的热运动，而等离子 除热运动矫，还会产生等离子震荡，在争 汤孛产警辐射等。当粒子豹平均动链大予电离 自e 时，在轨道上运动的束缚态的敷子就能脱离原予或分子而成为自由电子，从而形成物 质的第四态，即等离子体，等离予体形成瀚自由电弧再经谶压缩而形成等离子弧。 等褒予傣中存在具有一定能鬈分布躲魄予、离子和中憾粒子，在与材拳霉表露攮索时 会将自己的能量传递给材料表面的原子或分子，产生一系梦0 物理、化学过獠。一些粒子 逐会注入瓣耪糕表覆弓l 起缀联磋攮、敖射、激发、莛臻、努襁、缺熬、基纯窝菲鑫纯， 从而改变材料表谢的强度、硬度、耐磨性绒抗腐蚀性能o “。 为了控隶等离子孤表褥淬火工艺，螫须研究等离子孤寝瑟淬火瓣熬憝联过程。提高 等离子弧表面淬火工艺的可重复性及可移械性，关键是找到并控制影响被处理区域热循 环的主要函素。 资料袭明，材料被赴理区域热循环的变化主毅取决予铸离子弧能量、作用时阏( 或 扫描速度) 、材料导热性能、几何形状及冷却方法。因此，对熟循环的控制实际上是对 这些因素靛综舍羧裁。 当金属导电时，导电部分的电流和电压之间的关系遵循欧姆定律，而气体导电时， 箕导电部分电滚鸯逛垂鹃关系氇遴缮欧姆定律，餐愚今复杂匏关系，这楚鑫戈金藩导 电时，在接个导电区间其导电机构基本不发生变化，而气体放电时，在不同条件下和不 闻的导电区问，篡导电祝构也显著不同。在较小静电流嚣润，气体导电所镒要静带瞧粒 子不能避过导电过程本身产生，瓶嚣要外加措施来造成带电粒予，随着外加措施的有 澈，决定了带电敉子的存在与否，即决定了它的导电性能。这种气体导电现象称为非自 持放电。警电流大子一定数值鲢，气体导电过程本身就可以产生维持导电艨需要的带电 1 3 沈阳工韭大学硕士学往论文 2 1 等离子弧简介芨其伏安特性 等瓷予薮这令名称寒囊等褰予俸。等穗子嚣熙攘由带漱粒子( 寇括自囊瞧子、燕受 离子) 、中性粒予( 包括中性分予成原子) 和由予碰撞产擞的分予碎片组成的。等离子 锩在整豁上莹瑶为透酝毫巾缝嚣藏离熬气体秘葳，被稼秀耪震熬象滔态，京适应一般气 体定律，但与一般气体有很大差别，通常气体中的离子作杂乱无章的热运动，而等离子 除热运动矫，还会产生等离子震荡，在争 汤孛产警辐射等。当粒子豹平均动链大予电离 自e 时，在轨道上运动的束缚态的敷子就能脱离原予或分子而成为自由电子，从而形成物 质的第四态，即等离子体，等离予体形成瀚自由电弧再经谶压缩而形成等离子弧。 等褒予傣中存在具有一定能鬈分布躲魄予、离子和中憾粒子，在与材拳霉表露攮索时 会将自己的能量传递给材料表面的原子或分子，产生一系梦0 物理、化学过獠。一些粒子 逐会注入瓣耪糕表覆弓l 起缀联磋攮、敖射、激发、莛臻、努襁、缺熬、基纯窝菲鑫纯， 从而改变材料表谢的强度、硬度、耐磨性绒抗腐蚀性能o “。 为了控隶等离子孤表褥淬火工艺，螫须研究等离子孤寝瑟淬火瓣熬憝联过程。提高 等离子弧表面淬火工艺的可重复性及可移械性，关键是找到并控制影响被处理区域热循 环的主要函素。 资料袭明，材料被赴理区域热循环的变化主毅取决予铸离子弧能量、作用时阏( 或 扫描速度) 、材料导热性能、几何形状及冷却方法。因此，对熟循环的控制实际上是对 这些因素靛综舍羧裁。 当金属导电时，导电部分的电流和电压之间的关系遵循欧姆定律，而气体导电时， 箕导电部分电滚鸯逛垂鹃关系氇遴缮欧姆定律，餐愚今复杂匏关系，这楚鑫戈金藩导 电时，在接个导电区间其导电机构基本不发生变化，而气体放电时，在不同条件下和不 闻的导电区问，篡导电祝构也显著不同。在较小静电流嚣润，气体导电所镒要静带瞧粒 子不能避过导电过程本身产生，瓶嚣要外加措施来造成带电粒予，随着外加措施的有 澈，决定了带电敉子的存在与否，即决定了它的导电性能。这种气体导电现象称为非自 持放电。警电流大子一定数值鲢，气体导电过程本身就可以产生维持导电艨需要的带电 1 3 洗辍i 鼗大学疆学煎谂文 粒子，这种气体放电只在开始时需瑟外加措施制造带电糙予，一旦放电开始取消外加措 施，放电过程仍可以自己继续下去，放电过程自身能产缴维持放电所需的带电粒子，这 时的过程称为照睁放电嚣掏。其铰安特挂蛔鹫2 一l 所承。 图2 一l气体放电的伏安特性 电弧是几种自持放电形式中电膳最低、电流最大、澈度最高、发光最强的种气体 放电现象。因此，电弧在工业中作为热源被广泛使用。铸离子弧伏安特性即指电弧电压 与电流戆关系，宅 】通过窀疆联系越来。等离子霉爻撞露隰等弧长成正毖，与弧犍横截蟊 积及电导率豹乘积成反眈： r 。1 ( 2 一1 ) 镯 式中：卜一电弧长度；p 弧 童电导率 s 弧稳截嚣积；醐粒邀疆。 由于p ，s 均为电流的函数，所以弧柱电阻也可戬袭承为电流静函数 r e l ( z ) * 与 ( 2 2 ) 其中：c ，d 为嚣系数。 翻电垂梵： u i r = a l 一。 ( 2 3 ) - 1 4 浇阳王鼗失学殒士学位论文 当抄l 时，髓电流酌增大电压降低，澎成下降伏安特健 当秘l 对，瞧蔽皂鹾不随毫滚褥交伲，形或警豹铰安特性 当d l 时，髓电流的增加电联升高，形成上升伏安特性 弧长一定，邀流较枣时，蘧罄电滚藜增大，爨疆洚甄。霆秀，麓毫滚翡灞攘，滋度 升高，结果使弧柱电阻减小，电联下降。但当电流增加到一定值时，电离度达到饱和， 藏会黟藏平弱甚至上舞静伏安特魏。表嚣熬箍莲阉褥离子薮瓣茯安特栏螽线建一条帮始 下降，而爝稍平略霄上升的曲线，如图2 2 中曲线1 所示。 怒2 2 等离子弧的伏安特性曲线( 1 沸电源多 特性馥线e 2 ) 在等离子弧中，由予喷嘴限制了弧柱氏寸的增大，造成了其伏赣特性舄自由电弧的 差燃。这种差囊 袭现在嚣方嚣：一穷嚣，餐赛予薮遴誊嚣较嵩奄蹑 另一方器，等禽子 弧比较容舄形成平的及上升的特性。 在等离子器控审，壤靛攥痰燕魄较低戆，爨辩其鼗傻受6 嚣静类、气体匿力( 流 量) 、电檄材料、电弧的冷却以及处界的机械力和电磁力等外界因紫的影响，其中气体 静耱类援大彩璃善蹶电垂。 壤性气体( 如煞气和氮气等) 誉形成分警，其热电瓷所擞的能盘比多原平气体小宰譬 多，因诧簿离子弧电压较低。诧外增加窀弧周砸介质的气体送力，镩离子弧电压升黼， 受圈2 3 、嚣2 一毒。 - 1 5 - 沈阳工业大学硕士学位论文 毪u 图2 - - 3 工作气体流量对伏安特性曲线的影响稠2 4 保护气对伏安特性曲线的影响 在等褰予薮孛，气体瓣龟褰发魄叁交邀弧更态，导耄裁瑟被瑟缩戆更，l 、，戆量密度 更高，温度更高，具有很高的导电导热性能，并且比一般电弧稳定。 2 。2 等离子弧鑫每特点 由于铸离子的作用，簿离子弧在工作中具有“机械压缩效应”、“热收缩效应”、 “磁收缩效应”，使等离子弧成为高能量难缩电弧，这种黼温等离子弧的能量密度较一 般黾弧掇巍倍以上，i 骥提裹纛倍良上。 等离予弧具有以下特点： ( 1 ) 澄度嵩、能量煞中； ( 2 ) 具有很高的导魍和导热性能； ( 3 ) 具有较大的冲遗力； ( 4 ) 比一般电弧稳定； c 5 ) 各项有关参数调节范围广： 由予上述特点，决定了等离予弧表嚣漳火具鸯生产率态、热能利震率蠢、热影响区 小等优点，当然，也带来了参数掇制复杂替问题。 2 。3 等蔫子弧表西淬火设备组成 等离子弧淬火工艺设备主要由；等离子弧淬火专用电源、控制枢、等离子喷枪、保 护气体供气系统、机床、和冷却系统等六部分缀成，如图2 5 所承 等离予弧表蕊淬火魈的保护气体，选用氲气。使用氩气的优点是氮气与氢气、氦气 1 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 毪u 图2 - - 3 工作气体流量对伏安特性曲线的影响稠2 4 保护气对伏安特性曲线的影响 在等褰予薮孛，气体瓣龟褰发魄叁交邀弧更态，导耄裁瑟被瑟缩戆更，l 、，戆量密度 更高，温度更高，具有很高的导电导热性能，并且比一般电弧稳定。 2 。2 等离子弧鑫每特点 由于铸离子的作用，簿离子弧在工作中具有“机械压缩效应”、“热收缩效应”、 “磁收缩效应”，使等离子弧成为高能量难缩电弧，这种黼温等离子弧的能量密度较一 般黾弧掇巍倍以上，i 骥提裹纛倍良上。 等离予弧具有以下特点： ( 1 ) 澄度嵩、能量煞中； ( 2 ) 具有很高的导魍和导热性能； ( 3 ) 具有较大的冲遗力； ( 4 ) 比一般电弧稳定； c 5 ) 各项有关参数调节范围广： 由予上述特点，决定了等离予弧表嚣漳火具鸯生产率态、热能利震率蠢、热影响区 小等优点，当然，也带来了参数掇制复杂替问题。 2 。3 等蔫子弧表西淬火设备组成 等离子弧淬火工艺设备主要由；等离子弧淬火专用电源、控制枢、等离子喷枪、保 护气体供气系统、机床、和冷却系统等六部分缀成，如图2 5 所承 等离予弧表蕊淬火魈的保护气体，选用氲气。使用氩气的优点是氮气与氢气、氦气 1 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 毪u 图2 - - 3 工作气体流量对伏安特性曲线的影响稠2 4 保护气对伏安特性曲线的影响 在等褰予薮孛，气体瓣龟褰发魄叁交邀弧更态，导耄裁瑟被瑟缩戆更，l 、，戆量密度 更高，温度更高，具有很高的导电导热性能，并且比一般电弧稳定。 2 。2 等离子弧鑫每特点 由于铸离子的作用，簿离子弧在工作中具有“机械压缩效应”、“热收缩效应”、 “磁收缩效应”，使等离子弧成为高能量难缩电弧，这种黼温等离子弧的能量密度较一 般黾弧掇巍倍以上，i 骥提裹纛倍良上。 等离予弧具有以下特点： ( 1 ) 澄度嵩、能量煞中； ( 2 ) 具有很高的导魍和导热性能； ( 3 ) 具有较大的冲遗力； ( 4 ) 比一般电弧稳定； c 5 ) 各项有关参数调节范围广： 由予上述特点，决定了等离予弧表嚣漳火具鸯生产率态、热能利震率蠢、热影响区 小等优点，当然，也带来了参数掇制复杂替问题。 2 。3 等蔫子弧表西淬火设备组成 等离子弧淬火工艺设备主要由；等离子弧淬火专用电源、控制枢、等离子喷枪、保 护气体供气系统、机床、和冷却系统等六部分缀成，如图2 5 所承 等离予弧表蕊淬火魈的保护气体，选用氲气。使用氩气的优点是氮气与氢气、氦气 1 6 - 沈阳工业大学硕士学位论文 相比较，原子量大，导热率小，且因氨气为单原予气体，不吸收分解热。因此，氩气容 易电离，容易形成电离度高且有良好稳定性的等离子弧。此外，氩气是惰性气体，它对 防止等离子枪的喷咀、电极氧化烧损有益。用单纯氩气作为保护气体，所需空载电压较 低，因其携热性差，导热率小，弧柱较短，可以有很高的热效率。 箨离彳蕊喷抢 图2 5 等离子弧表面淬火系统 等离子弧表面淬火所用的电极为铈钨电极，它的优点是，电子发射能力较强，逸出 功较小，耐电流密度较大，电极损耗较小，产生的等离子弧相对稳定。 ( 1 ) 电源 等离子弧表面淬火使用的电源的空载电压与等离子弧焊接电源相似，约为7 0 - - 8 0 伏。因保护气体用氩气，容易电离，氩气流量又比较小，赦不需要很高的空载电压便可 以使电弧稳定。此条件下，等离子弧的伏安特性曲线是一条开始下降，而后稍平略有上 升的曲线，所以要求电源外特性曲线是陡降的，只有这样在弧长变化时，才不会引起很 大的波动，可以保持电弧的稳定性。目前等离子弧表面淬火使用的是可控硅式直流电 源。 ( 2 ) 控制设备 1 7 沈阳工韭大学硕士学位论文 一一_ _ m - _ _ - _ _ _ _ _ _ 一 电气控制设备包括非转移弧羧制，转移弧控制，联合弧控制，枪冷却掇制，气体流 摄控制。在淬火辩用转移趔等离予鞭，它的特点是，等离子枪喷噬s 基对弧校进行良好懿 聪缩，使弧柱有很高的能擞密度，由于工件是阳极，热的有效利用察高。 ( 3 ) 终嚣竣器 ( a ) c 6