中级焊工理论课件4-2 焊接（切割）工艺及设备-等离子弧、激光切割工艺设备

中级第四章焊接（切割）工艺及设备焊工第二节：等离子弧、激光切割工艺及设备焊工·中级2.1等离子弧2.2等离子弧切割2.3激光切割2.1等离子弧等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度、温度及电弧力。等离子弧是通过三种压缩作用获得的：1)机械压缩:水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压缩；2)热压缩:喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩；3)电磁压缩:由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大，使电弧受到进一步的压缩，这就是电磁压缩。2.1.1等离子弧的形成等离子弧的分类等离子弧具有温度高（16000～30000℃）、能量密度大、电弧挺度好、机械冲刷力强等特点。根据电源的接法和产生等离子弧的形式不同，等离子弧可以分为三种形式：2.1等离子弧（一）非转移型电弧非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。（二）转移型电弧转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于焊接较厚的金属。

（三）联合型电弧转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此特别适合于薄板及超薄板的焊接。

非转移转移联合2.1等离子弧2.1.2等离子弧的双弧1）双弧正常条件下，转移型电弧在钨极与工件之间产生，在某些异常情况下，会产生一个与正常电弧并联的燃烧在钨极–喷嘴以及喷嘴-工件之间的串弧，这种现象叫双弧。2）双弧的危害性破坏等离子弧的稳定性，恶化焊缝成形和切口质量减小了主弧电流，降低了主弧的功率，使焊接时熔透能力和切割时的切割厚度减小喷嘴成为并列弧的电极，使喷嘴收到强烈加热，容易烧坏。2.1等离子弧3）双弧产生的原因在电流一定的条件下，喷嘴压缩孔径太小或压缩孔道的长度过大，内缩长度过大 等离子气体的流量过小钨极轴线与喷嘴轴线之间的偏差过大金属飞溅物堵塞喷嘴电源外特性不正确喷嘴到工件的距离不正确4）防止双弧产生的预防措施正确选择焊接电流和离子种类及流量正确选择喷嘴电极和喷嘴离尽可能同心正确确定喷嘴离工件的距离加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴端面清洁等2.2等离子弧切割2.2.1原理及特点1）原理等离子切割是利用高能量密度的等离子弧和高速的等离子流，将熔化金属从割口处吹走，形成连续割口。切割用等离子电弧温度一般在10000～14000℃之间，远远超过所有金属以及非金属的熔点。因此能够切割绝大多数金属和非金属材料。2）特点①能切割氧气难以切割的各种金属材料(利用等离子弧还能切割某些非金属材料)；②切割厚度不大的金属时，切割速度快，尤其在切割碳素钢薄板时，速度可达气割法的5～6倍；③切割面光洁，热变形小，尤其适合加工各种成形零件；④切口宽度和切割面斜角较大，但切割薄板时采用特种切割割炬或工艺可获得接近垂直的切割面；⑤切割厚板的能力不及气割。2.2.2电源、工作气体及电极1）电源要求具有陡降外特性的直流电源，并且空载电压在150～400V。2）工作气体主要有氮气、氩氢及混合气体（氮气+氢气、氩气+氢气及氩气+氮气等）。其中氩气+氢、氮气+氢的混合气体切割效果最佳。此外在碳钢和低合金钢切割中，常使用压缩空气作为工作气体的空气等离子弧切割。3）电极材料等离子弧切割的电极一般采用铈钨极；空气等离子弧切割，可采用纯锆或纯铪电极有维弧割枪的基本电路1-电源；2-高频引弧器；3-电阻；4-接触器触点；5-压缩喷嘴；6-电极；7-工件2.2等离子弧切割2.2.3工艺参数1）切割电流及切割电压切割电流及切割电压决定着等离子弧的功率，等离子弧功率大，所切割的厚度也大，用增加切割电压来增加切割厚度，效果要比增加电流要好。2）等离子气体种类与流量。主要根据切割厚度来选择。适当增加等离子气流量，可提高切割厚度和质量，但流量过大，冷却气流会带走大量的热量，使切割能力下降，等离子弧不稳定。3）切割速度在功率不变的情况下，适当提高切割速度可使切口变窄，热影响区减小，切割速度过快，会造成切不透。4）喷嘴距工件的距离一般距离为6～8mm。距离过大会降低切割能力，过小则易烧坏喷嘴。空气等离子弧切割距离略小，一般为2～5mm。2.2等离子弧切割常用金属材料等离子弧切割参数2.2等离子弧切割2.3激光切割2.3.1激光切割原理激光切割是一种比等离子弧切割更为集中热源。激光切割是利用聚焦后的激光束作为主要热源的热切割方法。激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束照射工件，使被照射的材料迅速熔化、汽化、烧蚀或达到燃点，同时借助与光束同轴的高速气流吹除熔融物质，从而实现将工件割开。激光切割属于热切割方法之一。激光产生的原理见下图。2.3激光切割2.3.2激光切割的特点激光切割与其他切割相比，具有以下特点：1）切割质量好：几何形状好、切口两边平行、切缝窄、热影响区小。2）切割材料的种类多：能切割金属、非金属、金属基和非金属基复合材料、皮革、木材及纤维等。3）切割效率高4）非接触式加工5）噪声低，污染小6）激光切割不足之处是设备费用高，一次性投资大，目前主要用于中小厚度的板材和管材。2.3激光切割2.3.3激光切割工艺根据切割材料的机理，激光切割分为：激光气化切割，激光熔化切割，激光氧气切割以及激光划片与控制断裂。1）激光气化切割。当激光束照射时，金属材料被迅速加热气化，并以蒸发的形式有切割区逸散掉。2）激光熔化切割。材料被迅速加热到熔点，借助喷射惰性气体，如氩、氦、氮等，将熔融材料从切缝中吹掉。3）激光氧气切割，金属材料被迅速加热到熔点以上，以纯氧或压缩空气做辅助气体，此时熔融金属与氧激烈反应，放出大量热的同时，又加热了下一层金属，金属继续被氧化，并借助气体压力将氧化物从切缝中吹掉。4）激光划片与控制断裂，划片是用激光在一些脆性材料表面刻上小槽，再施加一定外力使材料沿槽口断开。激光气化切割多应用于极薄金属材料以及纸、布、木材、塑料、橡胶等的切割，激光熔化切割用于不锈钢、钛、铝及铝合金等，激光氧化切割主要用于碳钢、钛钢及热处理钢等易氧化的金属材料。2.3激光切割2.3.4激光切割设备激光切割设备主要由激光器、导光系统、数控系统（CNC）控制的运动系统等组成，此外还有抽吸系统以保证有效地去除烟气和粉尘。激光切割时割