气体介质中电火花表面强化的应力场分析

特种加工技术概论摘要：特种加工技术是直接借助电能、热能等各种能量进行材料加工的重要工艺方法。

本文简介了电火花加工，电化学加工，超声波加工等各种不同的特种加工技术，并介绍了特种加工技术的特点及未来发展方向趋势。

关键词：特种加工电火花加工电化学加工离子束加工超声波加工快速成形一.前言：近年来，计算机技术、微电子技术、自动控制技术、国防军工和航空航天技术发展迅速，与此同时，高度、高韧性、高强度和高脆性等难切削材料的应用日益广泛，制造精密细小、形状复杂和结构特殊工件的求也在日益增加。

社会需求与技术进步的结合促使特种加工技术不断进步和快速发展。

所谓特种加工，是一种利用化学能、电能、声能、机械能以及光能和热能对金属或非金属材料进行加工的方法。

其工作原理不同于传统的机械切削方法，即加工过程中工件与所用工具之间没有明显的切削力，工具材料的硬度也可低于工件材料的硬度。

特种加工技术在国内外各行各业的应用中取得了巨大成效，它们有着各自的特点，特殊材料或特殊结构工件的加工工艺性发生了根本变化，解决了传统加工方法所遇到的各种问题，已经成为现代工业领域中不可缺少的重要加工手段和关键制造技术。

二.特种加工的特点特种加工与一般机械切削加工相比，有其独特的优点，在某种场合上，它是一般机械切削加工的补充，扩大了机械加工的领域。

它具有以下较为突出的特点（1）不用机械能，与加工对象的机械性能无关，有些加工方法，如激光加工、电火花加工、等离子弧加工、电化学加工等，是利用热能、化学能、电化学能等，这些加工方法与工件的硬度强度等机械性能无关，故可加工各种硬、软、脆、热敏、耐腐蚀、高熔点、高强度、特殊性能的金属和非金属材料。

（2）非接触加工，不一定需要工具，有的虽使用工具，但与工件不接触，因此，工件不承受大的作用力，工具硬度可低于工件硬度，故使刚性极低元件及弹性元件得以加工。

（3）微细加工，工件表面质量高，有些特种加工，如超声、电化学、水喷射、磨料流等，加工余量都是微细进行，故不仅可加工尺寸微小的孔或狭缝，还能获得高精度、极低粗糙度的加工表面。

激光焊接中的温度场与应力分析激光焊接是当前一种应用广泛的金属焊接技术，它具有结构紧凑、能耗低、工作稳定等优点。

而激光焊接中的温度场分析和应力分析则是保证激光焊接连接强度和质量的重要技术手段。

本文就激光焊接中的温度场和应力分析进行了深入探讨。

一、激光焊接中的温度场分析在激光焊接中，由于热源本身具有高的温度和较小的热影响区，所以焊接过程中产生的热量主要作用在局部的焊缝上。

在焊接过程中，由于材料的物理性质和热传递速率的不同，会在焊缝上形成不同的温度场。

为了分析并控制激光焊接中的温度场，需要运用有限元分析等方法进行模拟计算，得出焊缝温度分布曲线。

激光焊接中的温度场分析有利于确定焊接过程中的温度控制参数，从而保证焊接质量。

常见的温度控制参数包括激光功率、焊接速度、预热温度等，这些参数的优化和控制可以使得焊接质量更为稳定，同时也可以有效降低成本。

二、激光焊接中的应力分析激光焊接中的应力主要来自于焊接过程中的热冲击和材料内部应力的释放。

在焊接过程中，由于局部高温和快速冷却的作用，会使得焊件发生热变形，从而产生应力。

应力分析是为了控制焊接质量和避免铆接开裂等异常情况出现而进行的重要分析方法。

应力分析需要考虑到焊缝的几何形状、材料的物理性质、热传导、膨胀系数等因素，这些因素共同决定了焊接过程中的应力分布。

最常用的应力分析方法是有限元法，通过建立焊接模型，输入激光功率、焊接速度、预热温度等参数，得到局部应力变化规律，进而预测焊缝的应力分布，并指导焊接工艺优化。

三、激光焊接的应用激光焊接由于其高效、快捷、节能的特点，近年来已经广泛应用于机械、汽车、航空航天等领域的生产制造过程中。

例如，汽车发动机缸头、汽车轮毂、机械结构件等均采用激光焊接工艺制造。

同时，激光焊接也被广泛应用于高新技术领域，例如微电子封装、薄膜材料加工等领域。

激光焊接的应用需要依靠温度场和应力分析，保证焊接质量、连接强度和可靠性。

同时，激光焊接还需要在实际应用场景中不断进行工艺优化和改进，以适应新材料和新领域的应用需求，推动激光焊接技术的发展。

脉冲电路的充放电原理脉冲电路的充放电原理电火花放电沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料(硬质合金、石墨、合金钢、铝和铜等)作为工具电极(阳极)，在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件(阴极)之间产生火花放电。

当工具电极与工件达到某个距离电场强度足以使介质电离击穿时两者之间就产生火花放电，使电极端部与工件表面微区发生熔化甚至气化，熔融金属在热作用，电磁力和机械力的作用下沉积在工件表面。

电极与工件的放电间隙频繁发生变化，电极与工件间不断发生火花放电，从而实现放电沉积。

1.2 极性效应在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。

这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。

因此，当采用窄脉冲、精加工时应选用正极性加工；当采用长脉冲、粗加工时，应采用负极性加工，此时可得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。

从提高加工生产率和减小工具损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，故在电火花加工中必须充分利用。

当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗，因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源。

1.3 电火花加工中电极损耗分析与解决措施电火花在整个加工过程中要受到各种干扰因素的影响, 这些干扰因素直接或间接地影响着加工质量。

在电火花加工过程中电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。

造成电极损耗的原因有：小面积精加工，加工件结构尺寸偏小，加工时间过长，电极装夹不当等因素。

因此为了减少电极的损耗一般有以下方法：（1）有效排除电蚀物（2）电极材料和加工参数的合理选用（3）提高加工技能和安全操作意念等等。

电火花加工电极损耗和变形是一个复杂的过程。

为了降低电极损耗程度, 减少变形, 除了充分利用放电过程的极性效应和吸附效应外, 同时也要选用适宜的电极材料, 并且在实际的加工过程中要根据具体的加工对象实施一定的加工技巧和选择合适的加工参数。

1.4 电火花加工的发展趋势电火花线切割加工技术在相当长的时间里间都是采用精规准参数进行一次切割成型,其切割速度与加工表面质量之间存在着一定的矛盾。

电火花放电沉积的原理是利用脉冲电路的充放电原理，采用导电材料(硬质合金、石墨、合金钢、铝和铜等)作为工具电极(阳极)，在空气或特殊的气体中使之与被强化的金属工件(阴极)之间产生火花放电。

当工具电极与工件达到某个距离电场强度足以使介质电离击穿时两者之间就产生火花放电，使电极端部与工件表面微区发生熔化甚至气化，熔融金属在热作用，电磁力和机械力的作用下沉积在工件表面。

电极与工件的放电间隙频繁发生变化，电极与工件间不断发生火花放电，从而实现放电沉积。

1.2 极性效应在电火花放电加工过程中，无论是正极还是负极，都会受到不同程度的电蚀。

这种单纯由于正、负极性不同而彼此电蚀量不一样的现象叫做极性效应。

因此，当采用窄脉冲、精加工时应选用正极性加工；当采用长脉冲、粗加工时，应采用负极性加工，此时可得到较高的蚀除速度和较低的电极损耗。

从提高加工生产率和减小工具损耗的角度来看，极性效应愈显著愈好，故在电火花加工中必须充分利用。

当用交变的脉冲电流加工时，单个脉冲的极性效应便相互抵消，增加了工具的损耗，因此，电火花加工一般采用单向脉冲电源。

1.3 电火花加工中电极损耗分析与解决措施电火花在整个加工过程中要受到各种干扰因素的影响, 这些干扰因素直接或间接地影响着加工质量。

在电火花加工过程中电极损耗分为绝对损耗和相对损耗。

造成电极损耗的原因有：小面积精加工，加工件结构尺寸偏小，加工时间过长，电极装夹不当等因素。

因此为了减少电极的损耗一般有以下方法：（1）有效排除电蚀物（2）电极材料和加工参数的合理选用（3）提高加工技能和安全操作意念等等。

电火花加工电极损耗和变形是一个复杂的过程。

为了降低电极损耗程度, 减少变形, 除了充分利用放电过程的极性效应和吸附效应外, 同时也要选用适宜的电极材料, 并且在实际的加工过程中要根据具体的加工对象实施一定的加工技巧和选择合适的加工参数。

1.4 电火花加工的发展趋势电火花线切割加工技术在相当长的时间里间都是采用精规准参数进行一次切割成型,其切割速度与加工表面质量之间存在着一定的矛盾。

表面强化技术在焊接领域中的应用研究进展摘要：科技在迅猛发展，社会在不断进步，焊接技术以其成本低、工艺简单等优点被广泛应用于结构和构件的制造。

但是，焊接过程通常会对焊接件施加残余拉伸应力，这往往会对焊接接头的疲劳性能等造成不利影响。

表面强化技术可以显著改善材料的力学性能。

综述了辊轧、高频冲击、喷丸法、激光冲击以及超声冲击法等对焊接接头性能的影响，并对其发展方向进行了展望。

关键词：表面强化;焊接;组织;力学性能引言焊接过程中，在形成焊缝的同时，不可避免地在其附近的母材内，经历了一次焊接热循环的特殊热处理，因而形成了一个组织和性能均不同于母材的焊接热循环区。

焊接热影响区本身是一个组织和性能极不均匀的区域；其中一些组织和性能变坏了的部位往往成为整个焊接接头中最薄弱环节，对焊接质量起着控制作用。

很多焊接结构的破坏事故都与其焊接热影响区的性能恶化有关。

国内常用的焊接后处理方法是热处理、过载处理、振动法调整残余应力处理、锤击处理、爆炸消除应力处理、温差拉伸法消除焊接残余应力。

1热喷涂技术热喷涂是利用一种热源将喷涂材料加热至熔融状态并通过气流吹动使其雾化高速喷射到零件表面以形成喷涂层的表面加工技术。

目前在模具行业中主要发展有火焰喷涂和等离子喷涂等技术。

由于热喷涂层具有耐磨、耐蚀、减摩、抗咬合等性能可为模具提供耐磨而坚韧的热喷涂厚涂层因此特别适用于大型模具以及严重磨损条件下的模具修复。

等离子喷涂是以氮、氩等惰性气体作为工作介质在专用的喷枪内发生电离形成热等离子体再将进入该等离子弧区的粉末状涂层材料熔融、雾化并高速喷送到被涂工件表面形成涂层。

由于整个工艺集熔化、雾化、快淬、固结等过程为一体且所获组织致密、结合牢固因此在涂层技术中占主导地位。

但等离子喷涂也存在如需要高纯气体且成本较高等缺点。

目前除常压下气稳式喷涂工艺外又发展出优点更为突出的低压等离子喷涂及液稳式喷涂工艺正逐步推广使用。

而火焰喷涂与等离子喷涂相比成本较为低廉、操作简便但结合的强度和密度相对较弱。

特种加⼯技术题⽬及答案1．从特种加⼯的发⽣和发展来举例分析科学技术中有哪些事例是“物极必反”？有哪些事例是“坏事有时变为好事”？答：这种事例还是很多的。

以“物极必反”来说，⼈们发明了螺旋桨式飞机，并不断加⼤螺旋桨的转速和功率以提⾼飞机的飞⾏速度和飞⾏⾼度。

但后来⼈们发现证实螺旋桨原理本⾝限制了飞机很难达到⾳速和超⾳速，随着飞⾏⾼度愈⾼，空⽓愈稀薄，螺旋桨的效率愈来愈低，更不可能在宇宙空间中飞⾏。

于是⼈们采⽤爆⽵升空的简单原理研制出喷⽓式发动机取代了螺旋桨式飞⾏器，实现了洲际和太空飞⾏。

由轮船发展成⽓垫船，也有类似规律。

以“坏事变好事”来说，⽕花放电会把接触器、继电器等电器开关的触点烧⽑、损蚀，⽽利⽤脉冲电源瞬时、局部的⽕花放电⾼温可⽤作难加⼯材料的尺⼨加⼯。

同样，铝饭盒盛放咸菜⽇久会腐蚀穿孔，钢铁器⽫、⼩⼑等在潮湿的环境下会腐蚀。

钢铁在风吹⾬淋时遭受锈蚀，海洋船舰的钢铁船体为了防⽌海⽔的腐蚀，得消耗巨资进⾏防锈、防蚀。

⼈们研究清楚钢铁电化学锈蚀的原理后，创造了选择性阳极溶解的电解加⼯⽅法。

这些都是“坏事变好事”的实例。

2．试列举⼏种采⽤特种加⼯⼯艺之后，对材料的可加⼯性和结构⼯艺性产⽣重⼤影响的实例。

答：这类实例是很多的，例如：(1)硬质合⾦历来被认为是可加⼯性较差的材料，因为普通⼑具和砂轮⽆法对它进⾏切削磨削加⼯，只有碳化硅和⾦刚⽯砂轮才能对硬质合⾦进⾏磨削。

可是⽤电⽕花成形加⼯或电⽕花线切割加⼯却可轻⽽易举地加⼯出各式内外圆、平⾯、⼩孔、深孔、窄槽等复杂表⾯，其⽣产效率往往⾼于普通磨削加⼯的⽣产率。

更有甚者，⾦刚⽯和聚晶⾦刚⽯是世界上最硬的材料，过去把它作为⼑具和拉丝模具等材料只有靠⽤⾦刚⽯砂轮或磨料“⾃⼰磨⾃⼰”，磨削时⾦刚⽯⼯具损耗很⼤，正是硬碰硬两败俱伤，确实是可加⼯性极差。

但特种加⼯中电⽕花可成形加⼯聚晶⾦刚⽯⼑具、⼯具，⽽激光加⼯则不但“削铁如泥”⽽且可“削⾦刚⽯如泥”。

在激光加⼯⾯前，⾦刚⽯的可加⼯性和钢铁差不多了。

第一章电火花表面强化技术电火花表面强化理论最早由前苏联学者拉扎连科于1943年提出。

随后在1950年，苏联中央电气科学研究院成功研制出了уир系列电火花表面强化机，使该技术得以在工业上得到应用。

到了19世纪60年代中期，电火花技术在我国开始推广应用。

如今电火花强化技术已经广泛应用于航空航天、能源、军事、电力、医疗等众多领域。

1.1电火花表面强化原理电火花表面强化技术，也称为电火花沉积，电火花合金化等，它是一种表面处理技术，其原理是通过电火花放电将电极材料熔渗到工件表层，并与表层金属发生合金化作用，以得到结合牢固的强化层。

如图1-1为电火花强化表面原理示意图。

在工具电极和工件之间接上直流或交流电源，在振动器的作用下，电极与工件之间的距离周期性地发生变化，当两者之间距离很小时，空气被击穿并产生电火花，使电极和工件表面局部区域熔化，形成强化层。

1-1电火花表面强化原理示意图图1-2为电火花强化过程示意图。

如图可知电火花强化过程可分为三个阶段，即工具电极远离工件，工具电极与工件之间的距离达到火花放电的临界值，以及工具电极与工件接触短路。

当工具电极与工件之间距离较大时[如图1-2(a)]，电源将经过电阻R对电容C进行充电，此时无电火花产生。

在振动器的作用下，工具电极逐渐向工件表面靠近，当二者之间间隙达到一个临界值时[如图1-2（b）]，将发生火花放电。

此时产生的热量使工具电极和工件局部区域开始熔化甚至气化，并伴随发生一系列复杂的化学反应。

当工具电极继续向工件靠近并接触时[如图1-2(c)]，火花放电停止，从工具电极与工件接触点流过的短路电流，使该处持续加热。

由于振动器的下压，此时接触点还受到来自工具电极的压力，这有利于熔化了的材料之间相互粘结图1-2 电火花强化过程示意图，扩散，进而形成合金以及新的化合物。

当振动器向上运动时，将带动工具电极离开工件表面[如图1-2(d)]。

由于火花放电热影响区很小，故当工具电极离开工件后，工件的放电部位快速冷却。