第四章--等离子焊接与切割

1、第四章 等离子弧焊接与切割 （PAW & PAC）,本章知识要点： 等离子弧的产生及其特性； 穿孔型等离子弧焊接工艺； 等离子弧切割工艺； 学习提示： 等离子弧焊接成本高，设备、工艺复杂，仅适合于一 些特殊场合的焊接，目前应用并不普遍； 空气等离子弧切割目前在工矿企业应用较多，因此应 当予以关注；,一、等离子弧的产生,第一节 等离子弧的形成及其特性,等离子体：物质存在的一种状态,等离子态及其形成过程,等离子弧 是一种压缩电弧（相对于自由电弧如TIG 电弧而言） 自由电弧电流增大，弧柱直径增大，二者不能独立 调节，所以电流密度、能量密度和温度的 增加受限。 压缩电弧电流增大，弧柱直径不能相应增大

2、，因此 能量密度、温度、等离子体流速显著增大。,1、等离子弧（Plasma arc）,应用：焊接、切割、堆焊、 喷涂（焊）等。,如何获得压缩效应？ 途径：将电极内缩于导电喷嘴 内部，产生三种压缩作用。,电弧通过小孔机械压缩（前提） 水冷却热收缩（主因） 电流密度高电磁收缩（加强）,效果：电弧直径变小、温度升高、 能量密度增大,2、等离子弧的形成原理,非转移型：电弧在钨极和喷嘴之间形成后，在高速气流作 用下冲出喷嘴（也叫等离子焰） 转移型：电弧先在钨极和导电喷嘴间引燃，转移到工件上 形成新的导电回路后，切断钨极与导电嘴之间的电弧。,3、等离子弧的类型及应用,混合型：同时保持转移弧与非转移弧， 即

3、电弧转移到工件后不切断钨 极与导电嘴之间的电弧。,混合型等离子弧和转移型等离子弧都需要有两套电源供电(可以是一体式)，引弧电源功率较小一般只需要有几安培的输出。,电流：电流越大，压缩程度越高； 喷嘴孔道形状和尺寸： 形状 圆柱形（常用）、喇叭形（喷涂多用）、梅花形（切割多用） 尺寸 喷嘴孔径 d 及孔道长度 L 是压缩喷嘴的两个重要尺寸。 孔径越小、孔道越长，压缩程度越大，其电弧静特性的平 直段越窄、上升段斜率越大。,4、等离子弧的影响因素,内缩度和同心度： 分别影响影响电弧的压缩程度稳定性。 内缩长度一般取 Lg = L + 0.2mm。 安装电极时应注意电极与喷嘴应保持同心。一般焊接时要求

4、高频火花布满圆周75%80%以上（可根据电极和喷嘴之间的高频火花在电极四周的分布情况检查 ）。,在一定范围内，气体的吸热性越强、流量越大 压缩程度越高；气体的电离能低，工作电压也低，有利于电弧的稳定。,离子气体种类及流量：,喷嘴孔径、电流大小、气体流量的配合可参见下表。,1. 热源特性 温度高、能量密度大：弧柱中心最高温度可达 50000K，能量密度可达105106W/cm2（而TIG电弧相应为24000K、104w/cm2）； 电弧刚性大、弧柱截面小： 电弧挺度好、冲力大，加热工件的热主要来自等离子流及辐射，而不是阳极斑点热 ；,二、等离子弧的特性,2、电特性,电弧静特性曲线为U型，但平直段

5、较窄，上升段斜率较大； 弧柱电场强度较大，弧压较高； 小电流下的稳弧性好，电流小至1A以下电弧仍能稳定燃烧；,组成：电源， 控制系统， 焊枪， 供气系统， 水冷系统 ，送丝机构， 行走小车，工装夹具等,三、等离子弧设备,1、焊接电源 直流恒流特性或下降外特性，空载电压较高；通常带有 高频引弧和电流衰减装置。 交流方波下降外特性（用于焊接Al、Mg等有色合金）；,2、焊枪、电极 对焊枪结构要求 能固定喷嘴与钨极的相对位置，并可进行调节； 对喷嘴和钨权进行有效的冷却； 喷嘴与钨极之间要绝缘以便在钨极和喷嘴内壁间 引燃小弧 能导入离子气流和保护气流； 便于拆卸、更换电极和喷嘴； 电极材料应耐高温、热

6、发射电子能力强，常用材质与 钨极氩弧焊相同，为 W+Th、 W + Zr、W + Ce； 电极形状为端部尖角，尖角角度60o，端部尖点应在轴 线上，且锥面对称。,3、供气系统 分两路气体：等离子气、保护气； 焊接和喷涂用的等离子气与保护气为 Ar、Ar + H2、Ar + He； 切割用等离子气流为 N2、N2+H2、空气、水汽； 等离子气送进方式分为切向进入、径向进入两种。 切向送气时气体经一个或多个切向气道送入，气流形成旋 涡流入喷嘴孔道，其中心为低压区，有利弧柱稳定于孔道中 心，弧柱压缩程度较高。,几种切向进气方式,4、控制系统 提前送气、滞后断气、电流衰减；引弧、送丝、行走等控制功能,

7、1、穿孔型焊接 （1）基本特点：高能束等离子弧 将工件完全熔透并在等离子流 力 作用下形成一个穿透工件的小孔， 熔化金属被排挤在小孔的周围并沿 熔池壁向熔池后方流动。随着等离 子弧向前移动，小孔也跟着移动， 熔化金属流回小孔凝固而形成焊 缝，不采用衬垫实现单面焊双面成 形。 大电流（100300A）等离子 弧焊接大都采用这种方式。,第二节 等离子弧焊接,一、焊缝形成方式及参数,小孔焊接示意图,焊接时小孔的照片,2004年华恒公司不锈钢PAW的小孔 （上：正面、左：背面）,不锈钢PAW的焊缝 （单面焊双面成形） 左图：背面 下图：正面,（2）主要参数 a. 焊接电流及喷嘴尺寸：由工件厚度定电流大

8、小，再由电 流大小定喷嘴尺寸。电流过大，熔池下凹，液态金属下漏，引 起双弧；电流太小，形不成小孔，不能实现穿透性双面成形； b. 等离子气及保护气流量：最常用的是氩气；焊不锈钢时可采 用 Ar （515）H2；焊钛时可采用 Ar（50 75）He；焊铜时可也采用100N2或100He；离子气 流量应根据电流大小、焊速、喷嘴尺寸和高度等参数来确定， 气体种类也有影响，以形成穿孔及焊缝成形良好为准；保护气 流量以保护周到为准，必要时可实施反面气保护； c. 焊接速度：应与电流大小、等离子气流量匹配好。焊速太小， 熔池下凹，液态金属下漏； 焊速过大，形不成穿透小孔，并 产生气孔（等离子气被埋在焊缝内

9、）； d. 喷嘴高度：喷嘴距工件高度一般取35mm。过高会使电弧穿 透力降低；过低喷嘴会受到金属蒸汽污染；,（3）应用 一般用于高合金、有色金属材质的焊接。 a） 10mm以下板对接，不开坡口、不填丝，单道焊双面成形； b） 10mm以上板对接，开 V 型坡口，钝边高度5mm左右， 不填丝打底焊； 提示：为了保证起弧区及熄弧区的穿透性并避免气孔， 在设备上最好具有程控的电流、焊速、气流量递 增、 递减等环节；此外要尽量减小对接间隙及错 边量。,2、其它型式的焊接 （1）熔入型 30100A混合弧，无穿孔效应，与一般的TIG焊类似。但 焊接速度快，对材质、板厚、接头形式不限；可单面焊双面成 形、

10、多层多道焊，对参数的要求不严格，适用于薄板焊、角焊 缝、盖面焊等，可填丝或不填丝，效率高。 （2）微束焊 焊接电流很小，一般在20A以下，最小可达1A以下；属于 熔入型焊接；弧柱直径很小，从而保证了电弧的稳定。 适用于超薄板（厚度0.5mm以下）焊接，焊速快、成形美 观。对工件的装配固定（对准和防变形）要求很高，必须有专 用工装夹具。 （3）脉冲弧 可精确控制焊缝成形，减少热输入。多用于薄板焊、全位 置焊。,（4）熔化极 在焊嘴中增设焊丝作熔化极，电流同时流过钨极和焊丝，等离子弧仍 在钨极或喷嘴与工件之间形成；一般用双电源供电（两个电源的外特性不 一样）；适用于厚板坡口焊、堆焊，飞溅少、效率高

11、。 （5）变极性（交流） 一般用交流矩形波电源，正负波的宽度可调；适用于Al合金厚板焊 接，一次可焊透20mm以上厚板，效率高。,1、双弧现象 双弧现像产生于转移型 等离子弧中。在正常情况下 转移弧应稳定在钨极和工件 之间燃烧，但由于某些原 因，有时会形成另一个燃烧 于钨极喷嘴工件之间的 串联电弧，这就是双弧。形 成双弧后，主弧电流降低， 正常的焊接受到破坏，喷嘴 过热，甚至烧毁，导致漏 水、焊接过程中断。,二、等离子弧焊接中的双弧问题,2、形成双弧的条件 根据电弧电压最小原理，当钨极与工件之间的电弧电压 大于或等于钨极喷嘴工件之间的电压时，副弧就会产 生。 即： 式中UT击穿冷气膜所需的电压

12、，冷气膜越厚，UT越大； 3、影响双弧形成的因素 （1）喷嘴结构与尺寸：内孔越小、孔道越长、内缩长度越 大，越易产生双弧； （2）电流大小：电流越大，弧柱压降越高，形成越有利； （3）等离子流量：流量越大，冷气膜越厚，越不利形成；,UAB UAc+ UdB + UT = U1 + U2 + UT,（4）等离子进气方式：切向进气气流稳定，冷气膜较厚且 四周均匀，不利双弧形成； （5）喷嘴冷却效果：冷却不好，喷嘴温升高，局部氧化或 粘连飞溅，易促使双弧形成； （6）等离子气成分：气体电离电压越高，越有利双弧产生； （7）喷嘴至工件距离：距离越大，越有利双弧形成。但当距 离很小时，飞溅易粘连、堵塞喷

13、嘴， 也会导致双弧发生； （8）工件厚度：等离子切割时，工件越厚，越易形成双弧； （9）电源外特性：陡降的电源外特性可抑制双弧产生，因为 外界因素变化时，电流能维持恒定不变；,堆焊(overlaying & surfacing)：用焊接的方法，在零件表面堆敷一层具有特别性能 的材料。 （目的不是为了连接零件，而是为了使零件获得耐磨，耐蚀或耐热的表面性能）。,第三节 等离子弧堆焊与喷涂 (plasma overlay welding),对堆焊的要求： 稀释率低、熔敷率高，有的还要求焊层薄 。等离子弧焊能较好地满足以上要求，尤其是可以用粉未进行堆焊，因而是一种较好的堆焊方法。,能迅速顺利地堆焊难熔

14、材料，稀释率和表面形状易 于控制（稀释率最低可到约5%、堆层厚0.58mm、焊道宽340mm）； 设备复杂、堆焊成本高，噪音、紫外线、臭氧较强。 适用于质量要求高、批量大的零件表面堆焊。,一、等离子弧堆焊的特点及应用,等离子弧堆焊与其它堆焊方法的比较,冷丝等离子弧堆焊手工送棒或自动送丝（带），在工艺和堆焊层质量上都较稳定，应用于各种阀门耐磨、耐蚀零件的堆焊。 热丝等离子弧堆焊熔敷率提高和稀释率降低显著，可减少气孔倾向，适用于大面积的堆焊。 预制型等离子弧堆焊将堆焊合金预制成形后置于堆焊部位，然后以等离子弧熔化形成堆焊层，适用于形状简单、批量大的零件，如发动机排气阀密封面等的堆焊。 粉末等离子弧

15、堆焊粉末来源广、种类多，熔敷率高、稀释率低、堆焊层质量好，工艺过程稳定，易于机械化、自动化；广泛应用于各种阀门密封面、石油钻杆、模具刃口等的强化与修复。,二、等离子弧堆焊的类型,对塑性较好的焊材，采用等离子弧填丝堆焊，且多用热丝法。 对硬脆的焊材用粉末等离子弧堆焊(等离子弧喷焊)，配用双电源的混合型等离子弧更好。,热喷涂 thermalspray：以某种形式的热源将喷涂材料加热, 受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒, 这些微粒以一定的速度冲击并沉积在清洁而粗糙的基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。,热喷涂是现代机械制造和设备维修中广泛应用的一项表面工程技术，具有零件受热小、基体组织不改变、

16、零件变形小、涂层性能广泛等优点。,喷涂不是焊接，因为喷涂层与工件的结合主要是 机械结合。,同样作为一项表面工程技术，喷涂与堆焊的比较见下表。,按热源分，热喷涂主要有三种,（1） 火焰喷涂,粉末火焰喷涂,丝极火焰喷涂,（2）电弧喷涂（丝极）,（3）等离子弧喷涂（粉末）,与其它喷涂方法相比，等离子弧的喷涂具有下列优势，因而应用广泛（原理如上图） 喷涂材料几乎不受限制（可喷涂非金属）； 不改变基体的热处理状态、焊件无变形； 涂层薄而致密，结合强度高； 工艺稳定、生产率高。,超音速等离子弧喷涂电弧速度高达3600m/s，温度可达18000，可喷涂的材料包括各种金属、合金、碳化物和陶瓷材料等100多种，

17、沉积率达90%，涂层性能优于普通等离子弧喷涂。,低压等离子弧喷涂在约5KPa的（保护气氛低真空）环境下进行喷涂。 等离子射流延长，有利于熔化；颗粒飞行阻力小、速度高，有利于沉积和结合；工件可预热而不氧化，孔隙率可低至1%以下。,等离子弧喷涂的一些应用实例,气门喷涂（耐磨）,发动机叶片（耐高温）,丝极喷涂轧辊（耐磨）,手工喷涂螺旋杆（耐磨）,一、等离子弧切割原理及特点 1. 切割原理 熔化型。 2. 特点 (1)切割速度快； (2)切口质量好； (3)适应性好：可切割高熔 点非金属材料,第四节 等离子弧切割（Plasma arc cutting）,等离子弧切割有：氮气等离子弧切割、氧气等离子弧切

18、割、空气等离子弧切割 等。 离子气有 N2、Ar-H2、N2-H2、空气、氧气 等。 两种气体混合使用都比单一的气体好，其中尤以Ar-H2及N2-H2混合气切口质量最好；N2价格低廉，生产中用得较多。,空气等离子弧切割：方便、成本低，在生产中已得到广泛的应用。适用于常用结构材料（钢、铝、铜、铸铁）的切割，切割30mm以下板材时比氧乙炔焰更具有优势，所以特别适合于30mm以下的碳钢、低合金钢的切割（更大厚度的这两种材料，氧乙炔切割更有优势）。,空气等离子弧切割有强烈的氧化腐蚀，电极要采用纯锆或纯铪材质（此时也可采用氧作离子气，但电极烧损更严重），也可采用复合式空气等离子弧切割。,等离子弧切割时采

19、用正接极性接法，切割金属时采用转移弧。60A以下手工切割常用无维弧电弧结构，60A以上手工割枪常采用有维弧结构割枪；切割薄金属板材时，可采用微束等离子弧来获得更窄的割口。,二、等离子弧切割设备 与等离子弧焊接设备大致相同，由电源、控制系统、割枪、供气和供水系统等组成，其中空气等离子弧切割机（LGK系列）应用最广泛。,1、电 源 等离子弧切割采用具有陡降或恒流外特性的直流电源。电源空载电压一般为切割时电弧电压的两倍，常用切割电源空载电压为150400V。空气等离子弧切割一般要配用大于1.5kW的空气压缩机。 逆变电源将是切割电源的发展方向。,2、割枪 与焊枪相似，一般60A以下割枪多采用风冷结构

20、，60A以上割枪多采用水冷结构。割枪中的电极可采用纯钨、钍钨、铈钨棒，也可采用镶嵌式电极。空气等离子弧切割时，采用镶嵌式锆或铪电极。,1、工艺参数 包括电流、电压、切割速度、气体流量、喷嘴距工件高度等。 理论上，有很多的参数会影响到切割的效果。但在实际生产中，尤其是采用空气等离子弧切割时，这些参数或因素很多是不好变更的，所以，通常仅需注意以下几个可变的项目： （1）切割电流、电压 （2）切割速度 （3）喷嘴高度 （4）气压,三、等离子弧切割工艺,建议（1）常用结构材料采用空气等离子弧切割，不 考虑 用其它气体； （2）对于大厚度板材的批量切割，宜用（数控 自动等离子弧的水下切割（水再压缩等离子

21、 弧切割）。 （3）对于确定厚度的板材，切割电流越大， 则切割速度越快。高切割速度使切口变 窄、热影响区减小。应尽可能选择大的切 割速度。 （4）切割大厚度工件时，提高切割电压更为 有效。,喷嘴高度一般为6 8mm，空气等离子弧切割所需高度略小，正常切割时一般为2 5mm。空气等离子切割时还可以将喷嘴与工件接触，即喷嘴贴着工件表面滑动，这种切割方式称接触切割或笔式切割，切割厚度约为正常切割时的一半。,等离子弧切割过程中会产生噪音、烟尘、弧光及金属蒸气等公害，对环境造成严重的污染，在大电流切割或切割有色金属时情况尤为严重。除水再压缩等离子弧切割外，水面上切割及水面下切割也是抑制污染的方法。,四、等离子弧的焊接与切割的安全问题,（2）等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，除罩黑色目镜外，最好加上吸收紫外线的专门镜片。,（1）等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，有电击的危险。电源在使用时必须可靠接地，焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。,（4）等离子弧会产生高强度、高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大。,（3）等离子弧焊接和切割过程伴随有大量气化的金属蒸气、臭氧、氮化物等