材料成形装备及自动化 教学课件 ppt 作者 樊自田 第4章(2)

1、精品课程,材料成形装备及自动化 第四章 （4.2） 华中科技大学材料科学与工程学院 School of Material Science and Technology ， HUST,4.2.3 CO2气体保护电弧焊设备,9/14/2020,2,保护气体：CO2气体 特点：成本低，高效率、焊接质量好 应用：船舶、车辆、石油化工机械等钢结构的制造。 分类： 操作方式：自动焊和半自动焊 送丝方式：等速送丝式和变速送丝 通常采用半自动焊、细焊丝（直径1.6mm）、等速送丝系统配以平特性弧焊电源。 半自动CO2焊机的组成：焊接电源、送丝机、焊枪、供气系统和控制系统等部分组成，下图所示。,第四章,9/14

2、/2020,3,半自动CO2焊机,4.2.4 CO2气体保护电弧焊设备,9/14/2020,4,图4-22 两种短路形态示意图 （a）正常短路 （b）瞬时短路,1）焊接电源,CO2焊机的焊接电源主要有抽头式整流弧焊电源、晶闸管整流弧焊电源和逆变式弧焊电源。图4-23为一种带有电子电抗器控制电流波形的逆变式CO2焊机电路原理图。,9/14/2020,5,图4-23带有电子电抗器控制的逆变式CO2焊机原理,2）控制系统,CO2焊机控制系统： 电源控制电路：包括动特性控制环节 送丝控制电路：控制送丝速度 程序控制电路：引弧和收弧过程等,9/14/2020,6,9/14/2020,7,引弧：为了提高引

3、弧成功率，可采取提高初期短路电流上升速度 和慢速送丝的措施，即增大瞬间短路电流值和接触电阻，让焊丝快速熔断引弧，引燃后，立即恢复合适的和正常送丝速度进行焊接。 收弧：为了克服收弧时的缺陷，焊接过程结束时采取减缓送丝速度（即降低焊接电流），同时相应降低电弧电压，首先填弧坑，待弧坑填满后，切断送丝电机两端电压，让电机惯性运行，自动衰减送丝速度，直至停运，则焊接电流也随即衰减到零。此间电弧电压也同时再降低维持电弧燃烧以达到去除焊丝端头的熔化金属小球和避免了焊丝与熔池相粘，最后关断电源停止焊接。整个程序如图4-24所示。,9/14/2020,8,电弧电压,送丝速度(焊接电流),填充弧坑,防止粘丝,(去

4、小球),延时断气,CO2气体,提前送气,图4-24 CO2半自动焊接过程程序控制图,4.2.4 CO2气体保护电弧焊设备,（3）供气系统,供气系统如图4-25所示。,9/14/2020,9,图4-25 CO2焊气路系统示意图 1-CO2钢瓶 2-预热器 3-干燥器 4-减压器5-溶量计 6-电磁气阀,9/14/2020,10,优点： (1)焊接成本低。CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，价格低、来源广，其焊接成本约为手弧焊和埋弧焊的4050。 (2)焊接生产率高。由于焊丝自动送进，焊接时焊接电流密度大，焊丝的熔化效率高，所以熔敷速度高。焊接生产率比手弧焊高23倍。 (3)应用范围广。可以焊接薄

5、板、厚板以及全位置的焊接等。 (4)抗锈能力强。CO2焊对焊件上的铁锈、油污及水分等，不像其他焊接方法那样敏感，具有较好的抗气孔能力。 (5)操作性好，具有手弧焊那样的灵活性。 缺点： 一.焊接时飞溅较大.焊缝表面成型较差.焊接设备较复杂。 二.防风能力差.不能在有风（风大于每秒两米）环境下使用。,4.2.5 钨极氩弧焊设备,钨极氩弧焊（tungsten inert gas are welding）简称TIG焊，以惰性气体（氩气、氦气）作为保护气体，使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为不熔化电极引燃电弧进行焊接的一种方法，如图4-26所示。,9/14/2020,11,图4-26 钨极氩弧焊示意

6、图 1喷嘴 2钨极 3电弧 4焊缝 5工件 6熔池 7填充焊丝 8氩气,9/14/2020,12,应用：用于飞机、原子能、化工、纺织等工业产品的制造中，可以焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢等金属构件，特别是具有的阴极雾化作用，可以轻松地焊接铝及其合金。 分类：按操作方式可分为手工焊和自动焊；按电弧电流形式可分为交流（含正弦波和方波）、脉冲（含低频、中频、高频）和直流氩弧焊；按填丝是否预热可分为冷丝和热丝钨极氩弧焊。 设备组成：焊接电源、焊枪、焊丝送给装置及小车行走机构（自动填丝焊）、供气供水系统和控制系统等。如图4-27所示。,图4-27 钨极氩弧焊机结构图,9/14/2020,13,1）

7、焊接电源,9/14/2020,14,钨极氩弧焊由于可采用交流电弧，脉冲电弧和直流电弧，所以焊 接电源也相应分交流电源、脉冲电源和直流电源。交流电源中按所用 的功率器件及电路结构可分：普通弧焊变压器式、硅二极管（或晶闸 管）电抗器式、逆变式。后二种为方波交流式。脉冲和交流电源有 ：硅整流式、晶闸管整流式、晶体管整流式、逆变式。钨极氩弧焊电 源的外特性采用陡降特性，以保证在弧长波动时引起焊接电流的变化 最小。,9/14/2020,15,（1）钨极氩弧焊的引弧、稳弧及交流电源整流现象和隔直方式 为了保持钨极端部的形状，以及防止钨极熔化造成焊缝夹钨，钨极氩弧焊不采用短路引弧方式，而是采用非接触式引弧，

8、所以不论哪种形式的电源，都设置有引弧器，交流电源中还设置有稳弧器。 引弧器 主要有高频高压引弧器和高压脉冲引弧器。 a).高频高压引弧器 电路原理如图4-28所示，也称高频振荡器。,第四章,图4-28 高频振荡器电路原理图T1-升压变压器 P-火花放电器 C1-振荡电容器 T2-高频耦合变压器 C2-旁路电容器,9/14/2020,16,9/14/2020,17,图4-29为另一种新型结构的高频振荡器，它由整流桥VD14、限流电阻R、中频振荡电容C、稳压管VS、晶闸管VT、二极管VD5、中频升压变压器T1、火花气体放电器P、高频振荡电容Ck、高频耦合输出变压器T2等组成。,图4-29 新型高频

9、振荡器电路原理图,9/14/2020,18,b).高压脉冲引弧 电路原理如图4-30所示,图4-30 晶闸管高压脉冲引弧和稳弧电路原理图,9/14/2020,19,稳弧器 在直流钨极氢弧焊时，由于电流不过零，电弧一旦引燃后便能保证稳定燃烧，所以不需稳弧器。那么交流，特别是工频正弦交流钨极氩弧焊时，电流每次由正半波向负半波的过零时会出现断弧现象，因这时工件（如铝及其合金）接负极，其发射电子能力弱，使电弧的再引燃电压增高。为防止断弧，必须在这相位点及时加入一个稳弧高压脉冲。,金属连接成形设备及自动化,9/14/2020,20,交流整流现象和隔直方式 在焊接铝、镁及其合金的正弦交流钨极氩弧焊电源的输

10、出回路中，还串联有隔除直流分量的元件大容量无极性电容，如图4-31所示。,图4-31 串联电容消除直流分量,9/14/2020,21,这是因为用正弦交流弧焊电源焊接时，两极的热物理性质及几何尺寸差异悬殊，使得在正半波（工件为正的半波）时钨极为阴极，发射电子能力强，阴极压降小，电弧电压低，电流大。而在负半波（工件为负的半波）时，工件为阴极发射电子的能力差，阴极压降大，电弧电压高，电流小，由此形成了正、负半波电流波形的不对称。从形式上看，相当于在交流电流上叠加了一个由工件指向钨极的直流分量，如图4-32所示。,第四章,图4-32交流钨极氩弧焊时电流电压波形及直流分量的形成示意图a）电压波形 b）电

11、流波形 U0电源空载电压 U电弧电压 I电弧电流 I直直流分量,9/14/2020,22,9/14/2020,23,2）交流方波电源 根据焊接工艺以及改善正弦交流电弧的引弧和稳弧性能的要求，目前又研究出交流方波弧焊电源或交、直流两用弧焊电源。这种电源通过控制电源主回路的功率器件晶闸管，可使正弦交流变为方波交流，而且正、负半波宽度可调，如图4-33所示。,第四章,金属连接成形设备及自动化,图4-33 交流方波电源主回路及电源的原理框图 a)电源主回路 b)电源的原理框图 T1弧焊变压器 L直流电抗器 VT14晶闸管整流桥,9/14/2020,24,a),b),9/14/2020,25,3）脉冲电

12、源 为了适应于一些热敏感的金属材料和薄板，超薄板构件以及薄壁管子的全位置焊接的需要，控制焊接过程的热输入，可采用脉冲钨极氩弧焊，即在焊接过程中电流幅值按一定的规律周期性地变化，亦叫脉冲电流，如图4-34所示脉冲频率可分为0.110Hz低频，101KHz中频和130KHz高频，它是由脉冲电源产生。,第四章,金属连接成形设备及自动化,图4-34 钨极脉冲氩弧焊脉冲电流波形示意图a）交流脉冲 b）直流脉冲 c）调制脉冲电流,9/14/2020,26,9/14/2020,27,（2）焊枪 钨极氩弧焊焊枪的作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气，其结构如图4-35所示。,图4-35钨极氩弧焊焊枪结构图

13、 1钨极 2喷嘴 3铜丝网 4钨极夹头 5冷却水套 6焊枪体 7帽罩,9/14/2020,28,（3）供气和供水系统与熔化极氩弧焊供气、供水系统相同。 （4）控制系统 主要包括焊接电源的控制电路和焊接程序控制电路。钨极氩弧焊为不熔化极电弧焊，根据非接触引弧和氩弧焊工艺的需要，其程序有提前送气和滞后断气，高频引弧和切断高频、焊接电流开始缓升和焊接结束时电流缓降、填弧坑等过程。在自动加填丝焊中，还有行走机构和送丝机构的起、停控制，图4-36为钨极氩弧焊程序控制顺序图。,图4-36 钨极氩弧焊程序控制顺序示意图Uh高频或高压引弧电压 Q保护气流 V焊接速度 Vf 送丝速度 t1提前送气时间 t2电流

14、上升时间 t3正常焊接时间t4电流衰减时间 t5延迟断气时间,9/14/2020,29,U,9/14/2020,30,优点： 1.氩气能有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应，可成功的焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。 2. 钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定的燃烧，特别适用于薄板、超薄板材料的焊接。 3.热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。 4.由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。 缺点： 1.焊缝熔深浅，熔覆速度小，生产率较低。 2.钨极承载电流的能力较差

15、，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染。 3.惰性气体较贵，和其他电弧焊方法相比，成产成本较高。,4.2.6 等离子弧焊接设备,等离子弧焊（Plasma Arc Welding）是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法，也属于不熔化极电弧焊。等离子弧是将自由钨极氩弧经压缩强化后而获得电离度更高的电弧等离子体。与钨极氩弧在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同，其能量密度可达105106 W/cm2，温度可达2400050000k，焰流速度可达300m/s以上，是一种高能密束流。,9/14/2020,31,应用： 等离子弧既可以用于焊接，又可以用于切割，在工

16、业生产中得到了广泛应用，可以焊接钨极氩弧焊所能焊接的金属材料。由于能量更集中，温度更高，一次可焊厚度更大，速度更快；由于电弧挺直度好，小电流时电弧稳定，特别适合于焊接薄板，微型零件，而变形小。,9/14/2020,32,9/14/2020,33,（1）等离子弧的类型 将钨极氩弧压缩成等离子弧，就是依靠等离子枪的水冷铜喷嘴的拘束作用实现的。由于喷嘴的拘束，使氩弧受到机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩的作用，导致弧柱量密度及温度越来越高，而产生了电离程度很高的等离子体电弧。 根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧，转移型电弧及联合型电弧三种，如图4-37所示，它们的枪体结构一样，钨极都接电源

17、的负极，只是电弧正极接法不同。,图4-37等离子弧的类型 1钨极 2喷嘴 3转移弧 4非转移弧 5工件 6冷却水 7弧焰 8离子气,9/14/2020,34,9/14/2020,35,1）非转移型电弧 正极接在焊枪的喷嘴上，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，如图4-37a）所示。依靠高速喷出的等离子气弧焰带出，喷烧在被焊工件上。这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属； 2）转移型电弧 正极接在工件上，电弧直接在钨极与工件之间燃烧，如图4-37b)所示。焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，使其电弧焰流从喷嘴喷出并接触工件，然后进行电路转换，将电源的正极从喷嘴转移到工件，转移弧便瞬间产生，同时非转移

18、弧熄灭，这种电弧适用于焊接较厚的金属工件。,3）联合型电弧 转移弧和非转移弧同时并存的电弧称为联合型电弧，如图4-37c）所示。此时的非转移弧也称维持电弧，转移弧也称工件电弧。可见，在工作时，喷嘴和工件同时接电源正极，即在电弧转移后喷嘴的正极电路不切断。因为联合型电弧在很小的电流下能保持稳定燃烧，故特别适合薄板及超薄板的焊接，这种焊接方法称为微束等离子弧焊。,9/14/2020,36,9/14/2020,37,（2）等离子弧焊的分类 根据所适用的焊接工艺可分为穿孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊，微束等离弧焊、熔化极等离子弧焊、热丝等离子弧焊及脉冲等离子弧焊等几种。 1）穿孔型等离子弧焊 又称小

19、孔型、锁孔型、穿透型等离子弧焊。焊接时利用离子流冲力大的特点，将工件完全熔透穿出一小孔，熔化金属在电弧吹力、液体金属重力、表面张力互相作用下保持平衡。小孔随焊接枪体向前移动而移动，随后在电弧后方锁闭，形成完全焊透的焊缝。,9/14/2020,38,2）熔透型等离子弧焊 又称为熔入型、熔融型等离子弧焊。焊接时，只熔化工件，不产生穿孔。焊缝成形过程与钨极氩弧焊相类似。 3）微束等离子弧焊 30安培以下的熔透型等离子弧焊通常称为微束等离子弧焊。为了提高等离子弧的稳定性，采用小孔经压缩喷嘴（直径为0.61.2 mm），及联合型等离子弧。由于加强了电弧的压缩作用和非转移弧的维持作用，使转移弧在电流小至0

20、.5A时仍非常稳定。此时等离子弧类似针状，因此称为微束或针状等离子弧，可用来焊接金属薄箔。,9/14/2020,39,4）熔化极等离子弧焊有两种基本形式，其焊枪结构也不一样。图4-38所示为水冷喷嘴式熔化极等离子弧焊原理图，水冷喷嘴在强烈的直接水冷条件下，可以承担较大的等离子弧电流。在焊枪体中间送入焊丝作为熔化极。熔化极与工件间接一直流电源，产生的熔化极电弧在转移型等离子弧中间燃烧。由于等离子弧起到预热熔化焊丝的作用，因此熔敷率很高，适用于堆焊。,9/14/2020,40,图4-38水冷喷嘴式熔化极等离子弧焊原理图,9/14/2020,41,图4-39所示为钨极式熔化极等离子弧焊，在钨极与工件

21、之间接有直流电源和高频引弧器，等离子弧在钨极与工件之间燃烧。焊丝熔化极与工件之间接直流电源，产生的熔化极电弧在等离子弧中间燃烧。为了焊接导热性强的金属材料时，还可以在工件和喷嘴之间加一降压特性直流电源加热工件。这种方法适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。,图4-39钨极式熔化极等离子弧焊原理图,9/14/2020,42,（3）等离子弧焊设备,等离子弧焊设备比较复杂，它由焊接电源、等离子弧焊枪（发生器）、供气供水系统，行走机构（自动焊）和送丝机构（熔化极等离子弧焊），和控制系统等组成。 1）焊接电源 等离子弧焊电源一般采用陡降外特性直流电源，空载电压比钨极氩弧焊电源的高。用纯氩气作离子气时，电源空

22、载电压需6580V；用氩气+氢气混合气作离子气时，电源空载电压需110120V。,9/14/2020,43,采用转移型电弧焊接时，可用一套电源，也可采用两套电源，如图4-40a）所示。采用联合型电弧焊接时，由于转移弧与非转移弧同时存在，因此需要两套独立的电源，如图4-40b）所示，这时非转移弧电源的空载电压应为100150V，转移弧电源的空载电压在80V左右即可。,9/14/2020,44,2）焊枪 等离子焊枪是等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。焊枪主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却水套等组成。如图4-41所示，最关键的部件为喷嘴及

23、电极的安装。,图4-40典型等离子弧焊接设备结构示意图a）大电流等离子弧焊 b）微束等离子弧焊1焊接电源 2高频振荡器 3离子气 4冷却水 5保护气 6保护气罩 7钨极 8等离子弧 9工件 10喷嘴 11维弧电源 KM、KM1、KM2接触器触头,9/14/2020,45,图4-42 等离子弧焊炬结构图 a）大电流等离子弧焊枪 b）微束等离弧焊枪 1喷嘴 2保护套外环 3、4、6密封垫圈 5下枪体 7绝缘体 8绝缘套 9上枪体 10电极夹头 11套管 12小螺帽 13胶本套 14钨极 15瓷对中块 16透气网,9/14/2020,46,9/14/2020,47,喷嘴 是压缩电弧的关键零件。典型的

24、喷嘴结构如图4-42所示。根据喷嘴孔道的数量，等离子弧焊枪喷嘴可分为单孔型图4-42(a)、(c)和三孔型图4-42(b)、(d)、(e)两种。根据孔道的形状，喷嘴可分为圆柱型图4-42(a)、(b)和收敛扩散型图4-42(c)、(d)、(e)两种。大部分焊枪喷嘴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。,.电极的端部形状和安装要求 电极材料同钨极氩弧焊的相同。为了便于引弧和增加电弧稳定性，钨极端部一般磨成尖锥形，电流较大时可磨成球形，以减少烧损。钨电极的安装位置对电弧的稳定性有很大的影响。一是应与喷嘴保持同轴心；二是内缩长度合适。直径大于5mm的钨极通常采用镶嵌式直接水冷结构。,(a)圆柱单孔型 (b)圆柱三孔型 (c)收敛扩散型 (d)收敛扩散三孔