大功率等离子体炬结构设计及相关特性研究.pdf

摘要

摘要

作为一种新型、具备众多优点的金属粉末制备技术，等离子体雾化技术充分

利用等离子体炬射流温度高、气体动力强劲的特征完成金属丝材的雾化，在相关

科研工作者的努力下，其制备工艺不断改进，应用领域愈发拓展。其中，氩气直

流等离子体炬为雾化系统提供高动能、高焓值的等离子体射流，其射流工艺参数

与进丝矫正机构的解耦当属雾化系统之核心，探明工作参数对等离子体炬运行状

况及稳定性的影响规律对确保金属雾化粉末质量的一致性有着重大意义。虽然国

外已在工业生产中将氩气直流等离子体炬广泛应用，但国内受限于技术封锁，对

较大功率氩气炬的静态特性（电弧电压及热特性随工作参数的变化规律）和动态

特性（电弧随机着弧对弧电压及射流稳定性的影响）的系统研究，缺乏对适宜运

行参数选择的理论支撑，极大制掣了雾化工艺产物的稳定。

本文针对上述问题，通过控制变量法与实验研究相结合的方式，研究不同结

构阳极（电极内径、台阶结构位置）对等离子体炬工作电压变化和伏安特性曲线

的影响规律，确定等离子体炬运行的最佳电极尺寸和结构。并通过实验的方式归

纳总结研究各工作参数对弧电压与等离子体炬热特性的影响规律，同时记录各工

作参数对示波器电压波形信号的影响，获得等离子体炬随各工作参数因电弧弧柱

大尺度分流所产生的电压波动规律。具体工作内容及相关结果如下：

随着电极内径的减小，电极腔室内的氩气工作压力上升、等离子体弧缩短，

电压上升。通过台阶结构的设置可对电弧弧长进行固定，进而改变电弧的电压和

电压随电流的变化规律。等离子体炬伏安特性曲线随阳极结构参数的变化而产生

改变。虽然阳极内径5mm时的等离子体炬所产生的功率最高，但电极烧蚀速率高、

氩气工作压力大，存在一定的供气难度，且台阶结构机理复杂收效甚微，故选择

7.8mm直段阳极继续实验更为适宜。

等离子体炬电弧电压随着工作电流的增加先下降后上升，随气流量的增加而

上升。热效率随气流量的增加而提高，随工作电流的增加而降低。比焓随工作电

流的增加而增大，随气流量的增加而下降。拉法尔式喷嘴提升了等离子体炬电弧

电压、热效率，虽然将动能转化为内能，降低了射流的温度，但是射流的出口温

度仍能提供良好的雾化气氛，对雾化过程极为有益。

利用示波器记录实验中的电压波形，对其进行处理并分析进而研究等离子体

炬的动态特性，炬的电弧电压随载气气流量的增加呈现先减弱后加剧波动的趋势，

随工作电流的增加而加剧。在电流500A、载气气流量500SLPM的工况下，氩气直

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盐城工学院硕士学位论文

流等离子体炬能够以高功率低电压波动的工况运行。在电流大的工况下，极易产

生电弧的大尺度分流，该现象使得电压信号出现锯齿状的波形，频率集中于0.1至

5Hz间。可通过低频信号监测大尺度分流现象的产生情况，进而对等离子体炬的运

行参数进行调整。

关键词：氩气直流等离子体炬，热阴极，电极结构，静特性，动特性

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Abstract

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Asanewtypeofmetalpowderpreparationtechnologywithnumerousadvantages,

plasmaatomizationtechn