第六章 等離子弧焊

第六章等離子弧焊第1頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊2第六章等離子弧焊學(xué)習(xí)目標(biāo)掌握等離子弧的形成、特性及應(yīng)用；熟悉等離子弧焊接的特點(diǎn)、工藝及設(shè)備；了解等離子弧的其它應(yīng)用。主要內(nèi)容第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器第二節(jié)等離子弧焊接第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用（不講）第2頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊3第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器

一、等離子弧的形成借助外部拘束條件使弧柱受到壓縮的電弧，也稱壓縮電弧。機(jī)械壓縮效應(yīng)：等離子弧發(fā)生器的噴嘴孔道熱壓縮效應(yīng)：冷卻水磁壓縮效應(yīng)：電弧電流產(chǎn)生的磁場自由電弧壓縮電弧第3頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊4第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器二、等離子弧的分類按電源供電方式不同分為：非轉(zhuǎn)移型：電極接負(fù)，噴嘴接正，母材不導(dǎo)電；電弧溫度和能量密度較低→等離子焰或間接電弧轉(zhuǎn)移型：電極接負(fù)，母材接正；電弧溫度和能量密度較高→直接電弧聯(lián)合/混合型：電極接負(fù)，母材和噴嘴接正第4頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊5第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器三、等離子弧特性1、等離子弧電弧靜特性形狀：U型特點(diǎn)：U曲線明顯上移；U曲線的平直區(qū)明顯縮??；如果采用混合型等離子弧，轉(zhuǎn)移弧U形特性下降區(qū)段斜率明顯減小。第5頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊6第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器2、等離子弧的能量/熱源特性溫度和能量密度普通鎢極氬弧的最高溫度為10000~24000K，能量密度小于104W/cm2。等離子弧的溫度高達(dá)24000~50000K，能量密度可達(dá)105~106W/cm2。等離子弧的挺度自由電弧擴(kuò)散角約45，等離子弧約為5。第6頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊7第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器熱源組成普通鎢極氬弧加熱焊件的熱量主要來源于極區(qū)的產(chǎn)熱，而弧柱輻射和熱傳導(dǎo)僅起輔助作用，電

弧的總電壓降大致是平均分配在陽極區(qū)、陰極區(qū)和弧柱區(qū)。等離子弧最大電壓降是在弧柱區(qū)，弧柱高速等離子體通過接觸傳導(dǎo)和輻射帶給工件的熱量明顯增加，弧柱是加熱工件的主要熱源，而極區(qū)對工件的加熱降為次要地位。第7頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊8第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器四、等離子弧發(fā)生器等離子弧發(fā)生器按其用途不同稱為等離子弧焊槍、割槍和噴(涂)槍等。噴嘴與電極位置相對固定且可調(diào)節(jié)對噴嘴和電極能進(jìn)行有效冷卻噴嘴與電極之間要絕緣能可靠導(dǎo)入離子氣流和保護(hù)氣流便于加工和裝配，噴嘴易于更換第8頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊9第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器1、噴嘴基本結(jié)構(gòu)及其重要參數(shù)噴嘴孔徑d：決定等離子弧的直徑和能量密度。噴嘴孔道長度l：d確定后，l越長，對等離子弧的壓縮作用越大。通常以孔道比l/d來表征等離子弧的類型。壓縮角α：對等離子弧壓縮效果影響不大。噴嘴孔道：單孔型和多孔型噴嘴材料及冷卻：紫銅、水冷第9頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊10第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器2、電極材質(zhì)鈰鎢合金、鋯鎢合金、純鎢電極的形狀電流較小、直徑較細(xì)時可磨成尖錐形且錐角可小一些；電流較大、直徑較大時，可磨成圓臺形、球形或錐球形。銅第10頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊11第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器內(nèi)縮和同心度焊炬：lg=l0.2mm割炬：lg=l+(2~3)mm3、送氣方式第11頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊12第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器五、雙弧現(xiàn)象及預(yù)防現(xiàn)象：正常的轉(zhuǎn)移型等離子弧穩(wěn)定的在鎢極與工件之間燃燒，由于某些原因，有時會形成另一個燃燒于鎢極-噴嘴-工件之間的串聯(lián)電弧，從外部可觀察到兩個電弧同時存在。產(chǎn)生機(jī)理：等離子弧穩(wěn)定燃燒時，在弧柱與噴嘴孔壁之間存在著一層冷氣膜(相當(dāng)于一個絕緣氣體套筒)。當(dāng)該冷氣膜的絕緣性能遭到破壞(即氣膜擊穿)時，雙弧就可能形成。第12頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊13第一節(jié)等離子弧特性及其發(fā)生器雙弧的防止措施：合理選擇噴嘴結(jié)構(gòu)及其相關(guān)參數(shù)：噴嘴孔徑減小、孔道長度增加、鎢極內(nèi)縮量增大，都會導(dǎo)致雙弧傾向增大。保證鎢極同心度：鎢極偏心度增大，雙弧傾向增大。改善噴嘴冷卻能力：噴嘴冷卻能力差，噴嘴表面有金屬飛濺聚集，雙弧傾向增大。正確選擇電流和離子氣流量：結(jié)構(gòu)條件一定時，電流增大和氣流量減小都會導(dǎo)致雙弧現(xiàn)象。采用陡降外特性電源有利于避免產(chǎn)生雙弧?？刂茋娮炀喙ぜ木嚯x一般取5~12mm。返回第13頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊14第二節(jié)等離子弧焊接一、焊接方法及參數(shù)選擇

等離子弧的特點(diǎn)：高溫、高能量密度、高穿透能力等離子弧焊接：穿孔型、熔入型、微束等離子弧焊接等（一）穿孔型等離子弧焊接等離子弧一次完全熔透工件并從熔池底部的小孔穿出；穿孔效應(yīng)需要足夠的能量密度，焊接板厚有限。第14頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊15第二節(jié)等離子弧焊接主要工藝參數(shù)選擇原則：焊接電流：由材料和板厚首先選定。噴嘴結(jié)構(gòu)和孔徑：根據(jù)電流確定。第15頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊16第二節(jié)等離子弧焊接離子氣流量：影響等離子流力和穿透能力，與焊接電流匹配。1-圓柱形噴嘴（d=3mm）2-收斂-擴(kuò)散型噴嘴3-加填充絲可消除咬肉區(qū)域收斂-擴(kuò)散型噴嘴第16頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊17第二節(jié)等離子弧焊接焊接速度：與焊接電流和等離子氣流量相匹配。噴嘴高度：一般常取3~5mm。保護(hù)氣流量：與離子氣流量比例適中。第17頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊18第二節(jié)等離子弧焊接第18頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊19第二節(jié)等離子弧焊接（二）熔入型等離子弧焊接特點(diǎn)

焊接電流和離子氣流量較小、電弧穿透力較弱；焊接參數(shù)波動對焊縫成形的影響較?。缓附舆^程穩(wěn)定性較高；焊縫形狀系數(shù)較大(主要由于熔寬增加)；熱影響區(qū)較寬、焊接變形較大等。應(yīng)用

一般用于薄板、超薄板、角焊縫和多層焊的填充及蓋面焊道焊接。第19頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊20第二節(jié)等離子弧焊接（三）微束等離子弧焊接電流<15~30A的熔入型等離子弧焊接。由于噴嘴(孔徑≤lmm)的拘束作用和采用聯(lián)合型等離子弧，使小電流的細(xì)等離子弧(弧柱直徑<1mm)，燃燒十分穩(wěn)定，弧長可以達(dá)30mm以上，已成為焊接金屬箔、細(xì)絲的首選方法。為了保證焊接質(zhì)量，應(yīng)采用精密的工裝夾具，保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。第20頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊21第二節(jié)等離子弧焊接要特別重視工件表面的清理；還應(yīng)設(shè)計合理的焊接接頭形式；也可采用光學(xué)放大觀察系統(tǒng)。第21頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊22第二節(jié)等離子弧焊接（四）脈沖等離子弧焊接（五）熔化極等離子弧焊接第22頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊23第二節(jié)等離子弧焊接（六）變極性等離子弧焊接第23頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊24

二、等離子弧焊接設(shè)備第二節(jié)等離子弧焊接第24頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊25第二節(jié)等離子弧焊接1、電源要求：具有陡降或垂降特性、具有電流遞增及電流衰減等功能。直流電源：微束等離子弧采用聯(lián)合?。淮箅娏鞯入x子弧采用轉(zhuǎn)移弧。維弧電源空載電壓100~150V；轉(zhuǎn)移弧電源80V左右。直流脈沖電源變極性交流方波電源第25頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊26第二節(jié)等離子弧焊接2、氣路系統(tǒng)3、控制系統(tǒng)返回第26頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊27第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用

一、等離子弧切割1、等離子弧切割原理及參數(shù)選擇利用高溫、高速等離子體焰流把金屬局部熔化和蒸發(fā)，并隨即吹出而形成切口。

工藝參數(shù)選擇：

離子氣種類：Ar、Ar+H2、N2、N2+H2和空氣。一般根據(jù)厚度和切口質(zhì)量要求來選擇。板厚40mm以下金屬材料常用空氣PAC；Ar+H2一般用于高切口質(zhì)量要求、大厚板和高速切割；N2+H2可切厚板，成本低、質(zhì)量較差。第27頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊28第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用

電流和電壓：提高電流、電壓可提高切割速度和厚度。電流過大會帶來切口加寬、雙弧傾向增大、作業(yè)區(qū)域臭氧濃度增大、噴嘴及鎢極壽命降低等弊端。應(yīng)采用提高電壓的方法。切割速度：在保證切透前提下盡量采用更大的切割速度，以克服低速切割而導(dǎo)致的生產(chǎn)率低、割口粗糙、底部熔瘤增多和HAZ增寬等問題。噴嘴高度：一般取5～8mm為宜。高度過大會導(dǎo)致穿透能力下降；過小則易導(dǎo)致噴嘴過熱、雙弧傾向增大。第28頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊29第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用第29頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊30第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用2、提高切割質(zhì)量的途徑切口寬度和平直度：頂部較底部切除較多金屬，頂部邊緣略帶圓角；小電流等離子弧切割平直度較高。切口熔瘤消除：不銹鋼熔化金屬流動性差+導(dǎo)熱性差、底部過熱；保證鎢極與噴嘴的同心度、采用足夠高的等離子弧功率、選用合適的氣流量和切割速度。大厚度切割質(zhì)量：采用高功率和電源空載電壓、采用熱焓值大和熱導(dǎo)率高的氮?dú)浠旌蠚狻⒉捎秒娏鬟f增式或分級轉(zhuǎn)弧、預(yù)熱。第30頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊31第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用3、等離子弧切割方法空氣等離子弧切割：利用壓縮空氣作為離子氣；割槍采用鉿或鋯銅鑲嵌式水冷或間接冷卻電極。鉿或鋯表面在空氣中容易生成氧化物和氮化物，兩者均易發(fā)射電子，且熔點(diǎn)高，電極壽命較長。工藝參數(shù)選擇見P145表6-8。第31頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊32第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用水壓縮等離子弧切割水下等離子弧切割氧氣等離子弧切割脈沖等離子弧切割雙弧切割微束等離子弧切割第32頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊33第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用1、粉末等離子弧堆焊一般采用轉(zhuǎn)移或聯(lián)合型?。粐娮熘行杷头蹥饬鳌＿m用于堆焊硬質(zhì)耐磨合金。二、等離子弧堆焊第33頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等離子弧焊34第三節(jié)等離子弧的其它應(yīng)用

噴嘴孔道易吸附粉末，送粉孔入射角都在45以下。送粉量及其均勻性。常用的送粉裝置有霧化式、射吸式及刮板式三種，目前以刮板式送粉器應(yīng)用為最廣泛。常用粉末粒度為40~120目。第34頁，共38頁，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章