随着现代切割技术的发展,传统转移弧等离子切割设备无法切割非金属材料的弊端日益凸显,目前既可以切割金属又可以切割非金属材料的技术主要有火焰切割和激光切割两种,火焰切割的精度比较低,而激光切割设备的成本和使用条件都比较高。在此背景下,本文结合传统等离子设备结构的研究,设计了一套非转移弧层流等离子体炬,可以用于金属和非金属材料的切割。本文设计的等离子体炬长度为275mm,直径56mm,采用多阳极结构,各个电极使用单独的冷却水通道,具有比较长的使用寿命,阴极材料为锆(Zr),工作气体为压缩空气,压缩空气与锆配合引弧成功率高,并且具有使用经济、无污染的优点。在完成结构设计的基础上,本文对等离子射流的热力学模型进行了分析,得出了相关的平衡方程,并且对等离子射流的出口温度利用Matlab进行了计算,得出了不同功率下的出口温度图线。本文还根据设计的等离子体炬的结构参数,结合等离子电弧的形成原理,设计了等离子电源,包括高频高压引弧电路和直流维弧电路两部分。文中分析了整流滤波电路设计方案和相关元件的选型计算,并利用Simulink对整流滤波电路进行了仿真分析,给出了高频高压引弧电路和直流维弧电路的串联式电路图,详细介绍了等离子体炬引弧的启动顺序。对文中设计的等离子体炬和等离子电源进行了实验研究。水路和气路密封性能实验表明等离子体炬的密封性能良好,空气击穿实验表明高频高压电路可以稳定击穿1.5mm的气隙。在2m2/h的流量下,等离子体炬可以产生直径4mm,长度25mm的层流射流。最后利用该等离子射流分别进行了简单的金属材料和非金属材料切割实验,证明了非转移弧层流等离子体炬应用于材料切割的可行性。