焊接方法与设备第7章 等离子弧焊及切割

第七章 等离子弧焊接与切割,1,等离子弧是利用等离子枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离、高能量密度及高焰流速度的电弧。 利用等离子弧来进行切割与焊接的工艺方法称为等离子弧切割和焊接。,2,第一节 等离子弧一、等离子弧的形成、特点及分类1等离子弧的形成（1）等离子弧对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，就能获得导电截面较小而能量更加集中，弧柱中的气体几乎达到全部电离状态的电弧，这种电弧称为等离子弧。,3,（2）等离子弧的形成原理将钨极缩入喷嘴内部，并在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧。等离子弧的形成如图5-12所示。,图5-12 等离子弧的形成1-钨极 2-水冷喷嘴 3-保护罩 4-冷却水 5-等离子弧 6-焊缝 7-工件,4,1）机械压缩作用 电弧弧柱被强迫通过细孔道的喷嘴，使弧柱截面压缩变细，而不能自由扩大。 2）热收缩作用 电弧通过水冷却的喷嘴，同时又受到外部不断送来的高速冷却气流（氮气、氩气等）的冷却作用，电弧弧柱进一步被压缩。 3）磁收缩作用 带电粒子在弧柱内的运动，可看成是电流在一束平行的“导线”内移动，由于这些“导线”自身磁场所产生的电磁力，使这些“导线”相互吸引，从而产生磁收缩效应。,5,小提示,在等离子弧的三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是前提；热收缩作用则是电弧被压缩的主要原因；磁收缩作用是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定的作用。,6,2等离子弧的特点（1）温度高、能量高度集中 温度极高达1600033000，并且截面很小，能量密度高度集中。（2）电弧挺度好、燃烧稳定 自由电弧的扩散角度约为45，等离子弧扩散角仅为5，电弧挺度好，燃烧稳定。（3）具有很强的机械冲刷力 高压气流通过喷嘴细通道喷出时，可达到很高的速度甚至可超过声速，等离子弧有很强的机械冲刷力。,7,二、等离子弧的分类及应用根据电极的不同接法，等离子弧可以分为转移弧、非转移弧、联合型弧三种，。（1）非转移弧 电极接负极，喷嘴接正极，焊件不接电源，等离子弧在电极和喷嘴内表面之间燃烧并从喷嘴喷出。加热能量和温度较转移弧低，主要用于喷涂、焊接、切割较薄的金属和非金属材料。（2）转移弧 电极接负极，焊件接正极，电弧首先在电极与喷嘴之间引燃，当电极与焊件间加上一个较高的电压后，再转移到电极与焊件间，使电极与焊件间产生等离子弧，这个电弧就称为转移弧。电弧热有效利用率大为提高，可用作中、厚板的切割、焊接和堆焊的热源。（3）联合型弧 转移弧和非转移弧同时存在的电弧称为联合型弧。主要用于微束等离子弧焊接和粉末等离子弧堆焊。,8,图7-2 等离子弧的类型 a)非转移弧 b)转移弧 c)联合型弧,9,三、等离子弧的双弧正常的等离子弧应稳定地在钨极和工件之间燃烧，如图7-3中弧1。但由于某些原因往往还会在钨极和喷嘴及喷嘴和工件之间产生与主弧并列的电弧（弧2和弧3），这种现象就称为双弧现象。,图7-3 双弧现象1主弧 2、3-并列弧,10,1双弧的危害性（1）破坏等离子弧的稳定性，使焊接或切割过程不能稳定地进行，恶化焊缝成形和切口质量。（2）产生双弧时，减小了主弧电流，降低了主弧的电功率，焊接时熔透能力和切割时的切割厚度减小。（3）双弧一旦产生，使喷嘴受到强烈加热，故容易烧坏喷嘴，使焊接或切割工作无法进行。,11,2双弧形成的原因等离子弧焊接或切割时，等离子弧弧柱与喷嘴孔壁之间存在着由离子气所形成的冷气膜。这层冷气膜对弧柱向喷嘴的传热和导电都具有较强的阻滞作用。焊接或切割时，当冷气膜被击穿遭到破坏时，绝热和绝缘作用消失，就会产生双弧现象。,12,3防止双弧产生的措施（1）正确选择焊接电流和离子气种类及流量采用Ar+H2的混合气体，由于H2的冷却作用强，弧柱热收缩作用增大，弧柱直径缩小，冷却膜厚度增大，故不易被击穿形成双弧。同样，增大离子气流量，冷却作用增强，也可减少产生双弧的可能性。（2）正确选择喷嘴喷嘴孔径减少，喷嘴孔道长度增大或钨极内缩量增大都易产生双弧。（3）电极与喷嘴尽可能同心电极与喷嘴同心度不好，往往是引起双弧的主要原因。（4）正确确定喷嘴离工件的距离喷嘴离工件的距离过小易引起双弧，一般在5mm12mm之间为宜。（5）加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴端面清洁，采用切向进气的焊枪等也可防止双弧形成。,13,第二节 等离子弧切割,一、等离子弧切割的原理及分类1、等离子弧切割原理利用等离子弧的热能实现切割的方法称为等离子弧切割。等离子弧切割与氧一乙炔切割有本质上的区别，它是以高温、高速的等离子弧为热源，将被切割件局部熔化，并利用压缩的高速气流的机械冲刷力，将已熔化的金属或非金属吹走而形成狭窄切口的过程。,14,图7-4 等离子弧切割示意图1一钨极 2进气管 5-喷嘴 4等离子弧 5割件 6电阻,15,2、等离子弧切割的特点（1）应用范围广 等离子弧可以切割各种高熔点金属及其他切割方法不能切割的金属。 转移弧，适用于金属材料切割；非转移弧，既可用于非金属材料切割，如耐火砖等，也可用于金属材料切割。但由于工件不接电源，电弧挺度较差，故能切割的金属材料厚度较小。 （2）切割速度快、生产率高 等离子弧切割的速度比较快，生产率也比较高。例如，切割10mm的铝板，速度可达200m/h300m/h。（3）切割质量高 能得到比较狭窄、光洁、整齐、无粘渣、接近于垂直的切口，而且切口的变形和热影响区较小，其硬度变化也不大，切割质量好。,16,小提示,等离子弧切割的原理与氧气的切割原理有着本质的不同。氧气切割主要是靠氧与部分金属的化合燃烧而进行切割的。等离子弧切割不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割工件的。因此等离子弧切割的适用范围比氧气切割要大得多，氧气切割不能切割的材料可用等离子弧切割。,17,3等离子弧切割分类根据工作气体不同，等离子弧切割有氩等离子弧切割、氮等离子弧切割、空气等离子弧切割方法等，其特点及应用见表71。,18,二、 等离子弧切割设备1等离子切割设备组成等离子切割设备包括电源、控制箱、水路系统、气路系统及割炬等几部分组成，其设备组成如图75所示。（1）电源陡降外特性的直流电源，直流正接。较高的空载电压，一般在150400V之间。电源类型有两种：一种是专用弧焊整流器电源；另一种可用两台以上普通弧焊发电机或弧焊整流器串联。,19,图75 等离子切割设备组成1电源 2气源 3调压表 4控制箱 5气路控制 6程序控制 7高频发生器 8割炬 9进水管 10出水管 11水源 12工件,20,（2）控制箱电气控制箱主要包括程序控制接触器、高频振荡器、电磁气阀、水压开关等。1）等离子弧切割过程的控制等离子弧切割过程的控制程序方框图如图76所示。,21,图76 等离子弧切割过程的控制程序方框图,22,（3）水路系统等离子弧切割的割炬在10000以上的高温下工作，为保持正常切割必须通水冷却，冷却水流量应大于2L/min3L/min，水压为0.15 MPa.0.2 MPa。一般自来水可满足要求，也可采用循环水。（4）气路系统气路系统的气体作用是防止钨极氧化、压缩电弧和保护喷嘴不被烧毁，它由气瓶、减压器、流量器及电磁气阀组成。一般气体压力应在0.25 MPa.0.35 MPa。,23,（5）割炬割炬（也称割枪）是产生等离子弧的装置，也是直接进行切割的工具。等离子弧割炬如图77所示。主要由本体、电极组件、喷嘴和压帽等部分组成。其中喷嘴是割炬的核心部分，其结构形式和几何尺寸对等离子弧的压缩和稳定有重要影响。,24,2常用等离子切割设备常用的等离子弧切割机有LG4001型、LG4002型和空气等离子弧切割机LGK840型等。离子弧切割机的型号可按GB10249电焊机型号编制办法选用，L表示等离子焊割设备，G表示切割机，K表示空气等离子，400或40表示额定切割电流。,25,图78 LG4002型等离子弧切割机的外部接线示意图,26,三、 等离子弧切割工艺1等离子弧切割的电极与工作气体电极一般采用铈钨极，空气等离子弧切割一般采用纯锆或纯铪电极。等离子弧切割的工作气体是氮、氩、氢以及它们的混合气体。由于氮气价格低廉，故常用的是氮气，且氮气纯度不低于99.5%。在碳素钢和低合金钢切割中， 常使用压缩空气作为工作气体。,27,2等离子弧切割的工艺参数等离子弧切割的工艺参数，主要有切割电流、切割电压、气体流量、切割速度、喷嘴与割件的距离、钨极端部与喷嘴的距离等。（1）切割电流和切割电压切割大厚度工件时，提高切割电压比提高切割电流更为有效。切割电压超过电源空载电压2/3时容易熄弧，因此，电源空载电压一般应是切割电压的两倍。,28,（2）切割速度在保证切透的前提下尽可能选择大的切割速度。（3）气体流量气体流量要与喷嘴孔径相适应。气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中，提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属。但气体流量过大，从电弧中带走过多的热量，降低了切割能力，不利于电弧稳定。（4）喷嘴与割件的距离一般为6mm8mm，切割厚件，可增大到10 mm15mm，空气等离子弧切割一般为2mm5mm。（5）钨极端部与喷嘴的距离钨极端部与喷嘴的距离Ly称为钨极内缩量，如图79所示。内缩量越大，电弧压缩效果越强。但内缩量太大时，电弧稳定性反而差。内缩量太小，电弧压缩效果差，而且电极离喷嘴孔太近或者伸进喷孔，使喷嘴容易烧损。一般取8mm11mm为宜。,29,图79 电极内缩量示意图1电极 2喷嘴 3割件,30,四、 空气等离子弧切割采用压缩空气作为工作气体的等离子弧切割称空气等离子弧切割。空气等离子弧切割可切割铜、不锈钢、铝等材料，但特别适合切割厚度在30mm以下的碳钢及低合金钢。空气等离子弧切1空气等离子弧切割的特点（1）压缩空气，来源广，价格低廉，可大大降低成本。（2）空气等离子弧能量大，加之在切割过程中氧与被切割金属发生氧化反应而放热，切割速度快，生产率高。（3）压缩空气中的氧极易使电极氧化烧损，使电极寿命大大缩短，故不能采用纯钨极或含氧化物的钨极。,31,图7-10 空气等离子弧切割机外形及切割系统示意图a）切割机外形 b）切割系统 1-电源 2-空气压缩机 3-割炬 4-工件 5-接工件电缆 6-电源开关 7过滤减压网,32,2空气等离子弧切割方法空气等离子弧切割方法及割枪如图7-11所示，有两种形式：图7-11a所示为单一空气式，其工作气体是压缩空气。由于空气氧化性强，不能采用钨电极，一般采用纯锆或纯铪做成的镶嵌式电极。图7-11b所示为复合式，采用内外两层喷嘴，内喷嘴对电极通以惰性气体加以保护，以减少电极氧化烧损，外喷嘴通入压缩空气，但割炬结构复杂。图7-11c所示为单一空气式割枪。,33,图7-11 空气等离子弧切割方法及割枪a) 单一空气式 b) 复合式 c) 单一空气式割枪1-电极冷却水 2-电极 3-压缩空气 4-喷嘴 5-喷嘴冷却水6-电弧 7-工件 8-工作气体 9-外喷嘴,34,第三节 等离子弧焊接,一、等离子弧焊的原理及特点等离子弧焊接是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的一种方法。它是利用特殊构造的等离子焊枪所产生的高温等离子弧，并在保护气体的保护下，来熔化金属实行焊接的，如图7-12所示。它几乎可以焊接电弧焊所能焊接的所有材料和多种难熔金属及特种金属材料，并具有很多优越性。在极薄金属焊接方面，它解决了氩弧焊所不能进行的材料和焊件的焊接。,35,图7-12 等离子焊接示意图1钨极 2喷嘴 3焊缝 4焊件 5等离子弧,36,特点：（1）等离子弧的温度高，能量密度大，熔透能力强，对于8mm或更厚的金属焊接可不开坡口，不加填充金属，提高了焊接生产率，减小热影响区宽度和焊接变形。（2）离子弧的形态近似于圆柱形，挺直性好，几乎在整个弧长上都具有高温。对焊缝成形的影响较小，容易得到均匀的焊缝成形。（3）等离子弧的稳定性好，特别是联合型等离子弧，可使用很小（大于0.1A）的焊接电流，可焊超薄的工件。（4）钨极内缩在喷嘴里面，不会与工件接触。可减少钨极损耗及产生夹钨等缺陷。,37,二、等离子弧焊设备1等离子弧焊设备组成手工等离子弧焊设备由焊接电源、焊枪、控制系统、气路和水路系统等部分组成，如图713所示。,图713 等离子弧焊设备示意图1-工件 2-填充焊丝 3-焊枪 4-控制系统 5-水冷系统 6-启动开关(常安装在焊枪上) 7-焊接电源 8、9-供气系统,38,（1）焊接电源 一般采用具有陡降或垂直下降外特性的直流弧焊电源。（2）焊枪 焊枪主要由上枪体、下枪体、压缩喷嘴、中间绝缘体及冷却套等组成。其中最关键的部件为喷嘴。大部分等离子弧焊枪采用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。,39,（3）控制系统 控制系统包括高频引弧电路、拖动控制电路、延时电路和程序控制电路等部分。具备如下功能：可预调气体流量并实现离子气流的衰减；焊前能进行对中调试；提前送气，滞后停气；可靠的引弧及转换；实现起弧电流递增，熄弧电流递减；无冷却水时不能开机；发生故障及时停机。 （4）供气系统 等离子弧焊机的供气系统比较复杂。典型的气路系统如图716所示。保护气和离子气由独立气路分开供给。,40,图7-16 等离子弧焊气路系统1-焊件 2-焊枪 3-电极 4-控制箱 5-离子气 6-保护气,41,（5）水路系统 为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用，须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不的小于3L/min，水压不小于0.150.2MPa。2等离子弧焊设备常见故障及处理 等离子弧焊设备（机）常见故障分析及处理方法，见表74。,42,三、 等离子弧焊工艺1接头形式和坡口. 主要是对接接头，还有角接接头和T形接头。板厚较厚的焊件，需要开坡口（V形、Y形等）多层焊，为使第一层采用穿透型焊法，坡口钝边可留至5mm，坡口角度也可减少。2等离子弧焊极性、电极及工作气体一般采用陡降外特性电源，直流正接；镁、铝薄件时可采用直流反接电源；镁、铝厚件采用交流电源。电极材料一般采用铈钨极或钍钨极。工作气体分为离子气和保护气，均为氩、氮或其与氢的混合气体。大电流等离子弧焊时，离子气和保护气成分应相同；小电流焊接时，离子气一律用氩气，保护气可用氩气也可以选用其它成分气体如Ar+H2等。,43,10 mm不锈钢板不同焊接方法坡口、钝边对比- - - - - 钨极氩弧焊- 等离子弧焊,44,3.等离子弧焊接方法（1）穿透型等离子弧焊1）原理 电弧在熔池前穿透工件形成小孔，随着热源移动在小孔后形成焊道的焊接方法叫穿透型焊接法。 它是利用等离子弧的高温及能量集中的特点，迅速将焊件的焊缝处金属加热到熔化状态，在焊件底部穿透形成一个小孔，熔化金属在表面张力的作用下，不会从小孔中滴落下去，并围绕着小孔向后流动，并冷却结晶，最后形成正反面都有波纹的焊缝。,45,穿透型等离子弧焊接,46,特点：穿透法焊接采用的焊接电流较大（大约100A300A），适宜于焊3mm8mm的不锈钢、12mm以下钛合金、2mm6mm低碳钢或低合金钢及铜、镍的对接焊。它的主要优点是厚板可在不开坡口和背面不用衬垫时进行单面焊接双面成形（单道焊）。,47,2）穿透型等离子弧焊工艺参数主要有焊接电流、离子气流量、焊接速度和喷嘴端面到焊件表面距离等。离子气流量等离子气流量增加，离子冲击力增加，穿透能力提高。但过大，会使小孔直径过大而不能形成焊缝。等离子气流量过小，则焊不透。焊接电流焊接电流应根据焊件厚度来选择，适当提高焊接电流，可提高穿透能力。电流过大则“小孔”直径过大；电流过小则不产生小孔效应。焊接速度焊接速度增加，焊件热输入量减小，小孔直径减小，所以焊接速度不宜太快。匹配规律：在焊接电流一定时，若增加离子气流量，则应相应的增加焊接速度。在离子气流量一定时，若要增加焊接速度，则应相应地增大焊接电流。当焊接速度一定时，若增加离子气流量，则应相应地减小焊接电流。,48,喷嘴端面到焊件表面距离 喷嘴端面到焊件表面的距离一般为3mm 5mm； 距离过小影响焊接过程对熔池的观察，造成喷嘴上飞溅物的粘污，诱发双弧。喷嘴孔径 喷嘴孔径直接决定对等离子弧的压缩程度，是选择其它参数的前提。一般应按工件厚度和所需电流值确定喷嘴孔径。参见表76。,49,（2）熔透型等离子弧焊,焊接过程中只熔透焊件，但不产生小孔效应的等离子弧焊接法，称为熔透型焊接法，简称熔透法。采用较小的焊接电流（30A100A）和较低的离子气流量，主要用于薄板（0.5mm2.5 mm）焊接及厚板多层焊盖面等。,50,（3）微束等离子弧焊1）微束等离子弧焊原理利用小电流（通常小于30A）进行焊接的等离子弧焊叫微束等离子弧焊。微束等离子弧焊的焊接电流很小（约为0.2A30A）主要用来焊接厚度在0.012mm的薄板及金属丝网。微束等离子弧焊采用联合型弧。,51,2）微束等离子弧焊工艺特点接头形式 一般不开坡口，板厚0.2mm的对接接头，通常都采用卷边的接头形式。夹具和成形垫板必须使用装配夹具或装配-焊接联合夹具。夹具要用非磁性材料(黄铜、不锈钢)制造，防止电弧偏吹。 增强保护效果一般的微束等离子弧焊枪都带有保护气罩装置(喷嘴)。但在有些情况下，如受焊缝的形式和位置所限，或焊件的结构和尺寸所限，焊枪的保护气罩对焊缝的保护并不完全有效，这时在焊接夹具上应加设特殊的保护装置，增强保护效果。如向管(或容器)内部充保护气，保护背面焊道；在焊缝两侧附近加保护气挡板，将散失的保护气折回，改善保护条件。 定位焊不使用焊接夹具的焊件，焊缝较长时，要每隔35mm设置一个定位焊点。定位焊使用的工艺参数可与焊接时相同或略小一些。使用夹具的焊件焊接，焊前不用定位焊。不锈钢的微束等离子弧焊接工艺参数选用见表78。,52,四、等离子弧堆焊和喷涂1等离子弧堆焊等离子弧堆焊是利用等离子弧作热源将堆焊材料熔敷在基体金属表面上，从而获得与母材相同