直流電弧等離子體發(fā)生器結構設計及其關鍵技術研究

曹修全，何潤東，陳林

直流電弧等離子體發(fā)生器結構設計及其關鍵技術研究

曹修全，何潤東，陳林

（四川輕化工大學 機械工程學院，四川 自貢 643000）

本文通過對國內外各類等離子體發(fā)生器的分析，結合在等離子體發(fā)生器設計領域的最新研究成果，首先對等離子體技術領域的相關基本概念進行了闡述與說明；然后基于相應研究成果，對直流電弧等離子體發(fā)生器設計過程中常見的三類關鍵技術：電弧產生、大尺度分流現象、雙弧現象進行了概略性分析；接著基于直流電弧等離子體發(fā)生器的發(fā)展歷程，分析了典型等離子體發(fā)生器結構；最后提出直流電弧等離子體發(fā)生器的發(fā)展趨勢。

直流電弧等離子體發(fā)生器；電弧產生機理；大尺度分流；雙弧現象

直流電弧等離子體射流具有熱轉換效率高、對工作環(huán)境要求低、溫度高、運行成本低、適應性廣等優(yōu)異特性[1-2]，因而被廣泛應用于危廢處理[3-4]、工件表面處理（噴涂、淬火、熔敷等）[5-7]、粉末球化[8-9]、納米材料合成[10-11]等領域。為適應各類應用場合對等離子體射流特性的特殊需求，國內外科研工作者研制出了各種類型與形式的等離子體發(fā)生器，并重點研究了等離子體發(fā)生器結構設計中的關鍵技術。

本文旨在分析直流電弧等離子體發(fā)生器（以下簡稱等離子體發(fā)生器）的典型結構設計及其關鍵技術。首先介紹等離子體技術領域相關基本概念，然后綜述國內外學者對等離子體發(fā)生器設計中關鍵技術的研究，最后結合典型案例對等離子體發(fā)生器結構設計進行分析。

1 等離子體基本概念及其分類

1.1 等離子體基本概念

（1）等離子體

等離子體（Plasma）又被稱為電漿，是物質除“固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)”外存在的第四種形態(tài)，由部分電子被剝奪后的原子及原子團被電離后產生的正負離子組成的離子化氣體狀混合物質。從宏觀角度分析，因其正負離子總數相等，故其呈宏觀電中性；從微觀的角度分析，因其蘊含大量帶負電的自由電子和帶正電的離子，故具有導電性能。本文中指工作氣體吸收直流電能的能量而失去電子后形成的由電子、離子、中子、工作氣體分子等共同組成的氣體狀高溫混合體。

（2）等離子體發(fā)生系統(tǒng)

等離子體發(fā)生系統(tǒng)如圖1所示，主要由電源子系統(tǒng)、供氣子系統(tǒng)、冷卻子系統(tǒng)和等離子體發(fā)生器組成。電源子系統(tǒng)將380 V交流電轉換為直流恒流電源，可根據等離子體發(fā)生器工作要求調整電流大小，且其通常集成自動引弧功能；供氣子系統(tǒng)通常由氣源和氣體質量流量控制器組成，根據需要為等離子體發(fā)生器供給制定流量的工作氣體；冷卻子系統(tǒng)通常由工業(yè)冷水機及其管道構成，主要為電源子系統(tǒng)和等離子體發(fā)生器提供指定溫度的冷卻水，保障系統(tǒng)長時間運行。

（3）等離子體發(fā)生器

等離子體發(fā)生器是利用直流電能電離工作氣體而產生等離子體射流的裝置，其至少由陰極和陽極組成。

（4）等離子體電弧

等離子體電弧是指在直流電能的作用下，工作氣體電離而在等離子體發(fā)生器內形成的供工作電流流過的通道，通常存在于等離子體發(fā)生器陰極與陽極之間。

（5）等離子體射流

等離子體射流是指在直流電能的作用下形成的等離子體從等離子體發(fā)生器陽極噴射而出形成的高溫束流。

圖1 等離子體發(fā)生系統(tǒng)示意圖

1.2 等離子體發(fā)生器分類

按照不同的劃分原則，直流電弧等離子體發(fā)生器可以被劃分為不同的類型，通常主要有以下兩種劃分方式。

1.2.1 按電弧位置劃分

（1）轉移弧等離子體發(fā)生器，如圖2（a）所示，在等離子體發(fā)生器工作時，工件被當做等離子體發(fā)生器的陽極，即等離子體電弧在等離子體發(fā)生器陰極和工件間產生；

（2）非轉移弧等離子體發(fā)生器，如圖2（b）所示，等離子體電弧只在等離子體發(fā)生器陰極與陽極之間產生而不依賴于工件本身；

（3）混合型等離子體發(fā)生器，如圖2（c）所示，等離子體電弧既存在于等離子體發(fā)生器陰極與陽極之間，又存在于陰極與工件之間。

1.2.2 按等離子體射流形態(tài)劃分

（1）湍流等離子體發(fā)生器，產生的湍流等離子體射流如圖3（a）所示，其對空氣卷吸嚴重，長徑比小、工作噪聲大、軸向溫度梯度大；

（2）層流等離子體發(fā)生器，產生的層流等離子體射流如圖3（b）所示，其對空氣的卷吸小，具有長徑比大（可超過50）、工作噪聲較小、長度可超過500 mm、軸向溫度梯度小等優(yōu)異特性。

圖2 不同等離子體發(fā)生器類型示意圖

圖3 等離子體射流形態(tài)圖

2 等離子體發(fā)生器設計關鍵技術研究

2.1 引弧過程分析

引弧過程是等離子體電弧從無到有后逐漸穩(wěn)定在陽極上而持續(xù)不斷產生等離子體射流的過程，是等離子體發(fā)生器正常工作的先決條件。因只有陰極和陽極兩個電極的等離子體發(fā)生器產生的等離子體電弧陽極弧根直接落在陽極上而不需要進行轉移，而具有中間插入電極的分段式等離子體發(fā)生器產生的等離子體電弧陽極弧根則需要從一個電極上逐漸轉移到陽極上，因此分段式等離子體發(fā)生器的引弧過程更為復雜與困難。

在該方面，Solonenko O P et al[8]和Ghorui S et al[12]等先后對分段式等離子體發(fā)生器產生等離子體電弧的過程和原理進行了探索性的研究，但未對其開展進一步的研究工作。曹修全等[13]借助圖4所示模型，將等離子體電弧產生過程劃分為引弧階段、轉弧階段和穩(wěn)弧階段，并將各階段對應的物理結構轉化為電學模型，對其產生過程及原理開展較為深入的研究，并通過實驗對對應模型進行了驗證，最終得出結構設計要點：陰極與引弧電極間的距離建議保證在2～3 mm，且當引弧電極與陽極間的距離超過100 mm時應考慮增加第二引弧電極。針對曹修全等的研究，等離子體電弧產生各階段簡要分析如下。

（1）引弧階段：即原始電弧的產生階段，在引弧模塊供給的高頻高壓作用下，陰極與引弧電極之間的工作氣體被擊穿，形成電流通路（即原始電弧），此后電源供給電流維持原始電弧。

（2）轉弧階段：原始電弧產生后，因其產生的等離子體通路與陽極之間形成電勢差，在該電勢差的作用下，等離子體通路與陽極之間的工作氣體在某一時刻被擊穿，進而形成了陰極與陽極之間的電流通路（即主電?。?，此時開關S斷開，原始電弧消失，保證所有電流通過主電弧通路，陽極弧根從引弧電極轉移到陽極上。

（3）穩(wěn)弧階段：陽極弧根轉移到陽極后，在氣動力、電磁力等的綜合作用下，主電弧陽極弧根穩(wěn)定在陽極某一范圍內。至此，等離子體發(fā)生器引弧過程順利完成。

圖4 等離子體發(fā)生器引弧原理圖

2.2 大尺度分流現象

當等離子體發(fā)生器陽極軸向長度超過某一值時，影響電弧穩(wěn)定性最普遍的電特征便是分流現象，其簡化模型如圖5所示。通常存在三種分流現象：電弧與陽極內表面的大尺度分流和小尺度分流、電弧之間的分流。這三種分流現象是影響等離子體射流波動和決定陽極燒蝕速率與范圍的主要因素，而大尺度分流現象其主導作用。

圖5 兩極式等離子體發(fā)生器中的分流模型

為了抑制大尺度分流現象，ZhuKov M F et al[14]和曹修全等[15]基于圖6所示的模型較為深入地剖析了大尺度分流產生機理，并提出抑制大尺度分流現象的措施。

為簡化分析過程，假設：①電場強度為常數；②陰陽極區(qū)電壓降為0；③以陰極端點為軸零點。

基于上述假設，如圖6所示，假定在某一時刻，等離子體電弧占據圖中位置。此時，電弧沿著軸的電勢分布如曲線1所示。同時，電弧與陽極壁發(fā)生擊穿所需的電勢U(z)沿著軸方向分布如曲線3所示。此時，曲線1始終處于曲線3的下方，電弧與陽極壁之間的電勢差無法小于擊穿電壓，不會發(fā)生擊穿現象。

在氣動力和電磁力的綜合作用下，陽極弧根沿著軸運動，在接下來的某一時刻，電弧占據了位置。此時，電弧沿著軸的電勢分布如曲線2所示，與擊穿曲線3存在共同點。因此，當電弧占據此位置時滿足電弧擊穿條件，電弧與陽極壁面發(fā)生擊穿并產生新的電弧通道，電弧沿著軸方向的電勢分布曲線4所示。隨著新的電弧通道的產生，原始電弧通道逐漸消失。隨后在氣動力和電磁力的作用下，新電弧段繼續(xù)沿著軸運動，大尺度分流過程開始循環(huán)。

通過對大尺度分流現象的研究，相關研究人員提出了以下抑制大尺度分流現象的措施：

（1）增大電弧與陽極壁面的擊穿電壓，使擊穿電壓分布曲線上移：增大工作氣體流量或陽極內徑、優(yōu)化陽極冷等措施卻可在一定程度上增加電弧與陽極壁面間的冷氣層厚度，從而適當增大其擊穿電壓。

圖6 大尺度分流模型示意圖

（2）限制陽極弧根在軸的最大運動范圍，使電弧沿軸線的電勢分布曲線始終不滿足擊穿條件：采用臺階式陽極結構，基于空氣動力學原理將陽極弧根穩(wěn)定遠離陰極的臺階上。

（3）限制陽極壁面在軸方向的帶電長度，縮小擊穿電壓分布曲線作用范圍，并在其作用范圍內不滿足擊穿條件：限制陽極的軸向尺寸而通過在陰極與陽極之間增加不帶電的中間電極達到延長電弧的目的，即采用分段式等離子體發(fā)生器結構。

2.3 雙弧現象

在分段式等離子體發(fā)生器結構中，當較大軸向尺寸的中間電極工作于較小氣流量時，通常發(fā)生快速燒蝕的現象，即產生了雙弧現象。為此，曹修全等[16]基于以下假設和模型對雙弧現象產生過程進行了分析，并提出相應的抑制措施。

假設：①分段式等離子體發(fā)生器共有段中間電極，第段中間電極的軸向寬度對應為l，第段絕緣層的軸向厚度為l，電弧在陽極段對應的長度為l；②電弧在段中間電極上發(fā)生雙弧現象，且陽極壓降均為V，陰極壓降均為c，等離子體電弧電場強度為。

當分段式等離子體發(fā)生器不發(fā)生雙弧現象時的模型如圖7所示，電弧只在陰極與陽極之間穩(wěn)定運行，此時等離子體電弧弧壓為：

假定在某種情況下，等離子體電弧在某一中間電極對應區(qū)域的電勢差達到擊穿電壓值且產生擊穿，即產生雙弧現象，簡化模型如圖8所示。此時等離子體電弧弧壓為：

圖7 分段式等離子體發(fā)生器不發(fā)生雙弧現象示意圖

圖8 分段式等離子體發(fā)生器發(fā)生雙弧現象時示意圖

由最小電壓原理，則不產生雙弧現象的條件為：

合并同類項后得不產生雙弧現象的充分條件為：

基于上述分析，可通過以下措施抑制雙弧現象的產生：

（1）增加冷氣膜擊穿電壓U：①優(yōu)化PT冷卻通道，改善其對弧室壁的冷卻效果；②增大工作氣體流量，從而增強對電弧的壓縮作用；③增大電弧通道內徑，從而增加電弧與弧室壁的間距。

（2）任意中間電極的軸向尺寸均滿足：

3 等離子體發(fā)生器結構設計

如前所述，湍流等離子體發(fā)生器是利用直流電流電離工作氣體而形成湍流等離子體射流的裝置。早在1808年，Davy和Ritter等第一次在兩個碳電極之間引燃了等離子體電弧，形成了如圖9所示的最早的等離子體發(fā)生器[17]。該類等離子體發(fā)生器僅是在兩根碳棒之間產生電弧形成等離子體，不太適合工業(yè)化應用。

為了有效利用等離子體發(fā)生器產生的等離子體射流，經過幾十年的發(fā)展，優(yōu)化出如圖10所示的等離子體發(fā)生器。該類等離子體由一個棒狀陰極和一個圓柱狀陽極兩個電極及其他輔件組成，因此也被稱為兩極式等離子體發(fā)生器。Sulzer Metco公司Anthony等[18]、Thermal Dynamics Corporation公司Joseph等[19]及國內外不少學者均已研制出該類型等離子體發(fā)生器，并已成功將其商業(yè)化應用。

然而，由于該類型等離子體發(fā)生器本身結構特點所限，存在以下有待改進之處：

（1）射流穩(wěn)定性較差。其陽極一般較長，容易導致陽極段內的電弧與陽極內壁產生較大的電勢差，擊穿冷氣層，產生大尺度分流現象，引起等離子體射流的脈動。

圖9 原始湍流等離子體發(fā)生器示意圖

1.陰極2.陽極3.電弧

（2）電極燒蝕較嚴重。該類型等離子體發(fā)生器主要部件只有陰極和陽極，其陰陽極間距離小，在大尺度分流作用的限制下，電弧長度短，導致電弧弧壓較低，一般低于70 V。因此，為了獲得更大功率以滿足應用需要，只能采取增加電流的方式（一般工作電流為400～1000 A），而電流的增加必然增大弧根電流密度，從而加劇電極的燒蝕。

（3）應用于噴涂時粉末注入難。在進行粉末處理（如噴涂、球化等）時，由于該類型等離子體發(fā)生器產生的等離子體射流速度較大，粉末難以注入射流中心。

為優(yōu)化上述兩極式等離子體發(fā)生器結構，Zhukou等[14]、Sokobebko等[20]及王雨勃等[21]將圓柱狀陽極優(yōu)化為如圖11所示的臺階式陽極，充分利用空氣動力學等因素，將陽極弧根限制在臺階處。經優(yōu)化后，該類等離子體發(fā)生器既適當延長了等離子體電弧長度，又限制了陽極弧根的運動范圍，一定程度地提高了等離子體射流的穩(wěn)定性。

然而，臺階式等離子體發(fā)生器延長電弧的長度有限，只能適當增大等離子體發(fā)生器工作弧壓，當需要產生大功率等離子體射流時仍然需要較大工作電流，且未對兩極式等離子體發(fā)生器其他缺陷予以改善。

1.陰極2.陽極3.電弧

為了解決兩極式等離子體發(fā)生器存在的不足之處，學者們從兩方面著手研制出新型等離子體發(fā)生器結構，即多極式等離子體發(fā)生器。

（1）Felix[22]、SMarqués[23]、Schein[24]、嚴建華[25]等提出了多陰極或多陽極式等離子體發(fā)生器結構，其中多陰極式等離子體發(fā)生器結構如圖12所示。該類結構形式采用多個陰極或陽極同時工作的方式代替單個電極的工作方式，以在相同功率條件下，成倍降低了單個電極弧根的電流密度，從而減緩電極的燒蝕速率。

1.陰極2.陽極3.電弧

（2）Ghorui[12]、Tyuftyaev[26]、李裔紅[27]等提出如圖13所示的分段式等離子體發(fā)生器結構，即在陰極和陽極之間增加多個中間電極，延長等離子體電弧物理通道以提高等離子體電弧弧壓，從而在相同功率下降低等離子體發(fā)生器工作電流，延長電極使用壽命。

多極式等離子體發(fā)生器結構形式不僅解決了兩極式等離子體發(fā)生器電極燒蝕嚴重問題，還有利于扼制大尺度分流現象的產生，從而提高等離子體射流穩(wěn)定性。然而，大多數多極式等離子體發(fā)生器仍存在以下有待改進之處：

（1）為了以較少的中間電極數量獲得較大的工作弧壓，中間電極軸向尺寸往往較長，這極易引起導致雙弧現象的產生，造成中間電極的燒蝕和等離子體射流的波動；

1.陰極2.中間電極3.電弧4.陽極

（2）為避免雙弧現象的產生，工作于大氣流量下，從而產生的等離子體射流往往具有射流長徑比小、對空氣的卷吸嚴重、工作噪聲大等缺點。

為了進一步優(yōu)化等離子體發(fā)生器的結構，Solonenko[20,28]、Osaki[29]、潘文霞[30-31]以及余德平[15, 32]等基于分段式等離子體發(fā)生器結構提出了如圖14所示的層流等離子體發(fā)生器結構形式。該類型等離子體發(fā)生器結構嚴格限制中間電極的軸向尺寸，通過增加中間電極的數量以延長等離子體電弧通道，從而有效避免其產生雙弧現象。

雖然國內外部分科研單位已研制出層流等離子體發(fā)生器結構，但仍存在諸多有待進一步優(yōu)化完善的地方，尤其在大功率層流等離子體發(fā)生器結構設計方面，還有諸多工作亟待完成。

綜合上述分析，在國內外學者們的共同努力下，等離子體發(fā)生器結構設計經過近幾十年的發(fā)展，正在逐步走向完善。然而，層流等離子體發(fā)生器結構設計方面的研究工作還停留于實驗室研究階段，還沒有形成較為系統(tǒng)的結構設計基礎理論。

4 展望與結論

湍流等離子體發(fā)生器結構設計正在逐漸趨于成熟，各式各樣的湍流等離子體發(fā)生器已經被成功商業(yè)化應用，但層流等離子體技術尚處于實驗室研究階段，因此等離子體技術將往以下幾方面發(fā)展：

（1）大功率等離子體發(fā)生器的研制。目前湍流等離子體發(fā)生器功率主要集中在幾千瓦到幾百千瓦的范圍，僅有少數單位研制出兆瓦級等離子體發(fā)生器，但目前仍存諸如電極燒蝕等問題；層流等離子體發(fā)生器功率則更集中于幾千瓦到幾十千瓦，因此大功率等離子體發(fā)生器的研制必然是未來的發(fā)展趨勢。

（2）等離子體射流穩(wěn)定性研究。湍流等離子體射流因自身特點所限，穩(wěn)定性相對較差，而層流等離子體射流雖一定程度上提高了其穩(wěn)定性，但仍無法滿足高精密加工應用場合的精確控制需求，因此應注重等離子體射流穩(wěn)定性的研究工作，促進層流等離子體射流的工業(yè)化應用。

1.陰極2.中間電極3電弧. 4.陽極

（3）等離子體射流產生機理研究。國內外學者在湍流等離子體射流的產生機理方面開展了較多的研究工作，而對層流等離子體射流的產生機理研究還有待進一步深入。在未來的研究中，應注重結合等離子體物理、電磁學理論、空氣動力學理論、流體力學理論等多學科交叉，借助于COMOSOL、ANSYS等仿真軟件，輔助于實驗，深入探索層流等離子體射流產生的內在機理。

本文對等離子體技術領域的相關基本概念進行了闡述與說明，綜述了直流電弧等離子體發(fā)生器設計過程中常見的三類關鍵技術：電弧產生、大尺度分流現象、雙弧現象，分析了各類典型等離子體發(fā)生器結構，展望了直流電弧等離子體發(fā)生器結構設計的發(fā)展趨勢。旨在為初入直流電弧等離子體技術領域的學者提供一定的參考基礎，指導其完成直流電弧等離子體發(fā)生器原型機的設計。

[1]MOSTAGHIMI J，BOULOS M I. Thermal plasma sources: how well are they adopted to process needs?[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing，2015（35）：421-436.

[2]徐浩銘，胡光忠，曹修全，等. 等離子體測量方法研究現狀及其發(fā)展趨勢[J]. 機械，2019，46（10）： 38-43.

[3]GOMEZ E，RANI D A，CHEESEMAN C R，et al. Thermal plasma technology for the treatment of wastes: a critical review[J]. J Hazard Mater，2009，161（2-3）：614-626.

[4]FABRY F，REHMET C，ROHANI V，et al. Waste gasification by thermal plasma: a review[J]. Waste Biomass Valor，2013，4（3）：421-439.

[5]VARDELLE A，MOREAU C，Themelis N J，et al. A perspective on plasma spray technology[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing，2015（35）：491-509.

[6]XIANG Y，YU D，LI Q，et al. Effects of thermal plasma jet heat flux characteristics on surface hardening[J]. Journal of Materials Processing Technology，2015（226）：238-246.

[7]XIANG Y，YU D，CAO X，et al. Effects of thermal plasma surface hardening on wear and damage properties of rail steel[J]. ARCHIVE Proceedings of the Institution of Mechanical Engineers Part J Journal of Engineering Tribology，2017，1994-1996（208-210）：1-10.

[8]SOLONENKO O P，SMIRNOV A V. Advanced oxide powders processing based on cascade plasma[J]. Journal of Physics: Conference Series，2014（550）：1-10.

[9]SOLONENKO O P，GULYAEV I P，SMIRNOV A V. Thermal plasma processes for production of hollow spherical powders： theory and experiment[J]. Journal of Thermal Science and Technology，2011，6（2）：219-234.

[10]SHIGETA M，MURPHY A B. Thermal plasmas for nanofabrication [J]. Journal of Physics D: Applied Physics，2011，44（17）：4025-4040.

[11]SURESH K，SELVARAJAN V，VIJAY M. Synthesis of nanophase alumina and spheroidization of alumina particles, and phase transition studies through DC thermal plasma processing[J]. Vacuum，2008，82（8）：814-820.

[12]GHORUI S，SAHASRABUDHE S N，DAS A K. Current transfer in dc non-transferred arc plasma torches[J]. Journal of Physics D-Applied Physics，2010（43）：5201-5218.

[13]CAO X，YU D，XIANG Y，et al. Study on the ignition process of a segmented plasma torch[J]. Plasma Science and Technology，2017，19（7）：63-70.

[14]ZHUKOV M F，ZASYPKIN I M. Thermal Plasma Torches： Design, Characteristics, Application[M]. Cambridge：Cambridge International Science Publishing，2007.

[15]CAO X，YU D，XIAO M，et al. Design and characteristics of a laminar plasma torch for materials Processing[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing，2016，36（2）：693-710.

[16]曹修全，余德平，李超，等. 層流等離子體發(fā)生器設計關鍵技術研究之雙弧現象[J]. 工程科學與技術，2017，49（3）：223-226.

[17]過增元，趙文華. 電弧和熱等離子體[M]. 北京：科學出版社，1986.

[18]FUIMEFREDDO A J，HACKER M E，HAIN G，et al. Plasma spray device with external powder feed[P]. US5013883，1991.

[19]JONES J P，HORNER-RICHARDSON K D，CHEN S，et al. Contact start plasma arc torch and method of initiating a pilot arc[P]. US6903301 B2，2005.

[20]SOLONENKO O P，NISHIYAMA H，SMIRNOV A V，et al. Visualization of arc and plasma flow patterns for advanced material processing[J]. J Vis，2015（18）：221-235.

[21]王雨勃，雷剛，呼志杰，等. 電弧等離子體發(fā)生器[P]. CN201010577320.5，2010.

[22]MUGGLI F A，MOLZ R J，MCCULLOUGH R，et al. Improvement of plasma gun performance using comprehensive fluid element modeling： Part I[J]. Journal of Thermal Spray Technology，2007，16（5-6）：677-683.

[23]MARQUéS J L，FORSTER G，SCHEIN J. Multi-Electrode Plasma Torches: Motivation for Development and Current State-of-the-Art[J]. Plasma physics，2009，2（1）：89-98.

[24]SCHEIN J，RICHTER M，LANDES K D，et al. Tomographic investigation of plasma jets produced by multi-electrode plasma torches[J]. Journal of Thermal Spray Technology，2008，17（3）：338-343.

[25]屠昕，嚴建華，馬增益，等. 大氣壓直流雙陽極等離子弧脈動特性研究[J]. 中國電機工程學報，2006，26（20）：113-117.

[26]TYUFTYAEV A S. Particularities of electrical discharge in the plasmatron with an expanding output electrode[J]. High Temperature，2013，51（2）：160-166.

[27]李裔紅. 200KW非轉移弧等離子發(fā)生器[P]. CN201220113676.8，2012.

[28]SOLONENKO O P，KUXMIN V I，BELASHCHENKO V. Plasma jet generating apparatus and method of use thereof[P]. WO2006/012165 A2，2006.

[29]OSAKI K，FUKUMASA O，KOBAYASHI A. High thermal efficiency-type laminar plasma jet generator for plasma processing[J]. Vacuum，2000，59（1）：47-54.

[30]吳承康，潘文霞，張文華，等. 產生長弧等離子體射流的裝置及方法[P]. CN99121825.6，2001.

[31]PAN W，ZHANG W，ZHANG W，et al. Generation of long， laminar plasma jets at atmospheric pressure and effects of flow turbulence[J]. Plasma Chemistry and Plasma Processing，2001，21（1）：23-35.

[32]向勇，余德平，曹修全，等. 直流純氮層流等離子體射流特性的實驗研究[J]. 強激光與粒子束，2014，26（9）：162-166.

Study on the Design and Key Technologies of DC Plasma Torches

CAO Xiuquan，HE Rundong，CHEN Lin

( School of Mechanical Engineering, Sichuan University of Science & Engineering, Zigong643000, China )

All kinds of plasma torches at home and abroad have been analyzed and the latest research achievements in the field of plasma torch design have been discussed. Firstly, some basic concepts about plasma technology have been discussed and explained firstly. Then, based on the previous researches, some key design technology of DC plasma torch, including generation mechanism of DC plasma arc, large scale shunting phenomenon and double arc phenomenon, were introduced. Sequently, based on the development history, the typical DC plasma torches have been analyzed to get some design suggestions. Lastly, the develop tendency of DC plasma torch would be discussed.

DC plasma torch；generation mechanism of plasma arc；large scale shunting phenomenon；double arc phenomenon

O536

A

10.3969/j.issn.1006-0316.2020.05.008

1006－0316 (2020) 05－0045－09

2019－12－05

四川理工學院“2017年第二批人才引進項目”（2017RCL37）；自貢市科技局重點支撐項目（2018YYJC13）；過程裝備與控制工程四川省高校重點實驗室項目（GK201802）

曹修全（1989－），男，重慶人，博士，主要研究方向為先進制造裝備設計、CAD/CAE、等離子體技術與應用研究，E-mail：cao_comeon@126.com。