等離子弧焊接的特點(diǎn)及應(yīng)用

第七章等離子弧焊接與切割第一節(jié) 等離子弧焊接的根本原理及設(shè)備等離子弧

借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴(kuò)大時(shí)，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。等離子弧是電弧的一種特殊形式，是自由電弧被壓縮后形成的。從本質(zhì)上講，它仍然是一種氣體放電的導(dǎo)電現(xiàn)象。等離子弧形成原理

目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內(nèi)部，并且在水冷噴嘴中通以一定壓力和流量的離子氣，強(qiáng)迫電弧通過(guò)噴嘴孔道，以形成高溫、高能量密度的等離子弧。此時(shí)電弧受到下述三種壓縮作用：〔1〕機(jī)械壓縮效應(yīng)〔2〕熱收縮效應(yīng)〔3〕電磁收縮效應(yīng)在上述三種壓縮效應(yīng)中，噴嘴孔徑的機(jī)械壓縮效應(yīng)是形成等離子弧的前提；熱收縮效應(yīng)那么是電弧被壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應(yīng)是必然存在的，它對(duì)電弧的壓縮也起到一定作用。一〕、等離子弧的形成 等離子弧是一種被壓縮的鎢極氬弧，具有很高的能量密度、溫度及電弧力。等離子弧是通過(guò)三種壓縮作用獲得的：1)機(jī)械壓縮 水冷銅噴嘴孔徑限制弧柱截面積的自由擴(kuò)大，這種拘束作用就是機(jī)械壓縮； 2)熱壓縮 噴嘴中的冷卻水使噴嘴內(nèi)壁附近形成一層冷氣膜，進(jìn)一步減小了弧柱的有效導(dǎo)電面積，從而進(jìn)一步提高了電弧弧柱的能量密度及溫度，這種依靠水冷使弧柱溫度及能量密度進(jìn)一步提高的作用就是熱壓縮； 3)電磁壓縮 由于以上兩種壓縮效應(yīng)，使得電弧電流密度增大，電弧電流自身磁場(chǎng)產(chǎn)生的電磁收縮力增大，使電弧受到進(jìn)一步的壓縮，這就是電磁壓縮。等離子弧的形成

普通鎢極氬弧的最高溫度為10000K～24000K，能量密度在104w／cm2以下。等離子弧的最高溫度可達(dá)24000～50000K，能量密度可達(dá)105～108w／cm2，且穩(wěn)定性好。等離子弧和鎢極氬弧的溫度比較如圖6-2所示，圖中左半部為鎢極氬弧，右半部為等離子弧。二〕、等離子特點(diǎn) 由于等離子電弧具有較高的能量密度、溫度及剛直性，因此與一般電弧焊相比，等離子電弧具有以下優(yōu)點(diǎn)：1)熔透能力強(qiáng)，在不開(kāi)坡口、不加填充焊絲的情況下可一次焊透810mm厚的不銹鋼板；2)焊縫質(zhì)量對(duì)弧長(zhǎng)的變化不敏感，這是由于電弧的形態(tài)接近圓柱形，且挺直度好，弧長(zhǎng)變化對(duì)加熱斑點(diǎn)面積的影響很小，易獲得均勻的焊縫形狀；3)鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不會(huì)與工件接觸，因此可防止焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象；4)等離子電弧的電離度較高，電流較小時(shí)仍很穩(wěn)定，可焊接微型精密零件；5)可產(chǎn)生穩(wěn)定的小孔效應(yīng)，通過(guò)小孔效應(yīng)，正面施焊時(shí)可獲得良好的單面焊雙面成形。等離子弧焊的缺點(diǎn)是：1)可焊厚度有限，一般在25mm以下；2)焊槍及控制線路較復(fù)雜，噴嘴的使用壽命很低；3)焊接參數(shù)較多，對(duì)焊接操作人員的技術(shù)水平要求較高。三〕、等離子弧的類型

〔一〕非轉(zhuǎn)移型電弧非轉(zhuǎn)移型電弧燃燒在鎢極與噴嘴之間，焊接時(shí)電源正極接水冷銅噴嘴，負(fù)極接鎢極，工件不接到焊接回路上；依靠高速噴出的等離子氣將電弧帶出，這種電弧適用于焊接或切割較薄的金屬及非金屬。

〔二〕轉(zhuǎn)移型電弧轉(zhuǎn)移型電弧直接燃燒在鎢極與工件之間，焊接時(shí)首先引燃鎢極與噴嘴間的非轉(zhuǎn)移弧，然后將電弧轉(zhuǎn)移到鎢極與工件之間；在工作狀態(tài)下，噴嘴不接到焊接回路中。這種電弧用于焊接較厚的金屬。

〔三〕聯(lián)合型電弧轉(zhuǎn)移弧及非轉(zhuǎn)移弧同時(shí)存在的電弧為聯(lián)合型電弧?；旌闲碗娀≡诤苄〉碾娏飨戮湍鼙３址€(wěn)定，因此特別適合于薄板及超薄板的焊接。非轉(zhuǎn)移轉(zhuǎn)移聯(lián)合在使用轉(zhuǎn)移型等離子弧進(jìn)行焊接或切割過(guò)程中，當(dāng)?shù)入x子弧被過(guò)度壓縮，冷卻不夠時(shí)，就會(huì)在鎢極和噴嘴及噴嘴和工件之間產(chǎn)生與主弧并列的電弧，這種現(xiàn)象稱為等離子弧的雙弧現(xiàn)象，如下圖。在等離子弧焊接或切割過(guò)程中，一旦產(chǎn)生雙弧，就會(huì)減小主弧電流，破壞等離子弧的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒燒毀噴嘴，使焊接或切割工作無(wú)法進(jìn)行。

雙弧現(xiàn)象〔四〕．雙弧現(xiàn)象等離子弧的應(yīng)用

應(yīng)用可用鎢極氬弧焊焊接的金屬，比方不銹鋼、鋁及鋁合金、鈦及鈦合金、鎳、銅、蒙耐爾合金等，均可用等離子弧焊焊接。這種焊接方法可用于航天、航空、核能、電子、造船及其它工業(yè)部門(mén)中。

等離子弧的應(yīng)用

四〕等離子弧焊設(shè)備按操作方式不同，等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊機(jī)和自動(dòng)焊機(jī)兩大類。手工焊機(jī)主要由焊接電源、焊槍、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)等局部組成，如下圖。自動(dòng)焊機(jī)除上述局部外，還有焊接小車和送絲機(jī)構(gòu)〔焊接時(shí)需要加填充金屬〕。

圖手工等離子弧焊機(jī)示意圖

1．焊接電源等離子弧焊機(jī)一般采用具有陡降或垂直下降外特性的直流弧焊電源。電源空載電壓根據(jù)離子氣的種類而定，如用純氬氣或氬氣加氫氣((H2)＜7％)作離子氣時(shí)，電源空載電壓只需80V左右；而用氦氣或其它混合氣體作離子氣時(shí)，為了可靠地引弧，那么空載電壓還需更高一些，可達(dá)110～120V。2．氣路和水冷系統(tǒng)與氬弧焊或CO2氣體保護(hù)電弧焊相比，等離子弧焊機(jī)的供氣系統(tǒng)比較復(fù)雜。典型供氣系統(tǒng)如圖6-8所示，包括離子氣、保護(hù)氣等。為防止保護(hù)氣對(duì)離子氣的干擾，保護(hù)氣和離子氣最好由獨(dú)立氣路分開(kāi)供給。為延長(zhǎng)噴嘴及電極的使用壽命，以及對(duì)等離子弧產(chǎn)生良好的熱收縮效應(yīng)，等離子弧焊機(jī)必須具有適宜的水冷系統(tǒng)對(duì)焊槍進(jìn)行良好的冷卻。3．焊槍等離子弧焊槍的設(shè)計(jì)應(yīng)保證等離子弧燃燒穩(wěn)定，引弧及轉(zhuǎn)弧可靠，電弧壓縮性好，絕緣、通氣及冷卻可靠，更換電極方便，噴嘴和電極對(duì)中好。焊槍主要由電極、噴嘴、上、下槍體、保護(hù)罩、水路、氣路、饋電體等組成，如圖等離子弧生器

一、分類：等離子弧焊槍、割槍、噴槍。二、組成主要由電極、電極夾頭、壓縮噴嘴、中間絕緣體、上槍體、下槍體及冷卻套等組成。最關(guān)鍵的部件為噴嘴及電極。1、噴嘴。分類?按噴嘴孔道的數(shù)量，可分為單孔型和三孔型兩種。三孔型噴嘴除了中心主孔外，主孔左右還有兩個(gè)小孔。從這兩個(gè)小孔中噴出的等離子氣對(duì)等離子弧有一附加壓縮作用，使等離子弧的截面變?yōu)闄E圓形。當(dāng)橢圓的長(zhǎng)軸平行于焊接方向時(shí)，可顯著提高焊接速度，減小焊接熱影響區(qū)的寬度。?按孔道的形狀，可分為圓柱型及收斂擴(kuò)散型等兩種。通常采用圓柱形壓縮孔道，而收斂擴(kuò)散型壓縮孔道有利于電弧的穩(wěn)定。u

提供氣體通道u

等離子電弧的形成作用噴嘴的結(jié)構(gòu)（尺寸和形狀）以及鎢極內(nèi)縮量形成等離子束流的特征最重要的噴嘴形狀參數(shù)為壓縮孔徑及壓縮孔道長(zhǎng)度。噴嘴孔徑dn

dn決定了等離子弧的直徑及能量密度。通常應(yīng)根據(jù)焊接電流大小及等離子氣種類及流量來(lái)選擇。直徑越小，對(duì)電弧的壓縮作用越大，但太小時(shí)，等離子弧的穩(wěn)定性下降，甚至導(dǎo)致雙弧現(xiàn)象，燒壞噴嘴。

2) 噴嘴孔道長(zhǎng)度l0

在一定的壓縮孔徑下，l0越長(zhǎng)，對(duì)等離子弧的壓縮作用越強(qiáng)，但l0太大時(shí)，等離子弧不穩(wěn)定。通常要求孔道比l0/dn在一定的范圍之內(nèi)，

3)錐角

對(duì)等離子弧的壓縮角影響不大，30180范圍內(nèi)均可，但最好與電極的端部形狀配合，保證將陽(yáng)極斑點(diǎn)穩(wěn)定在電極的頂端。噴嘴類型4．控制系統(tǒng)等離子弧焊設(shè)備的控制系統(tǒng)一般包括高頻引弧電路、拖動(dòng)控制電路、延時(shí)電路和程序控制電路等局部?？刂葡到y(tǒng)一般應(yīng)具備如下功能：1)能提前輸送和滯后停止保護(hù)氣。2)能實(shí)現(xiàn)離子氣流的遞增和衰減。3)能可靠地引弧及轉(zhuǎn)換。4)能實(shí)現(xiàn)引弧電流遞增，熄弧電流遞減。5)無(wú)冷卻水時(shí)不能開(kāi)機(jī)。6)發(fā)生故障及時(shí)停機(jī)。五、電極 等離子弧焊接一般采用釷鎢極或鈰鎢極，有時(shí)也采用鋯鎢極或鋯電極。鎢極一般需要進(jìn)行水冷，小電流時(shí)采用間接水冷方式，鎢極為棒狀電極