5-第五章　等离子弧焊接与切割（焊工工艺-第3版）.ppt

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1、第五章等离子弧焊接与切割第一节概述一、等离子弧 常见电弧焊的电弧为自由电弧，其周围没有约束，当电弧电流增大时，弧柱直径也随之增大，二者不能独立进行调节。因此，自由电弧弧柱的电流密度、温度和能量密度的增大均受到一定的限制。要想提高电弧的温度和能量密度，必须采取特殊措施。试验证明，借助水冷铜喷嘴的外部拘束作用，使弧柱的横截面受到限制而不能自由扩大时，随电弧电流的增大就可使电弧的温度、能量密度和等离子体流速都显著增大。这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是通常所说的等离子弧，又称为压缩电弧。第一节概述图5-1等离子弧的形成第一节概述(1)机械压缩作用即弧柱受喷嘴孔的限制，其直径不能自由扩大。(2

2、)热收缩效应由于喷嘴的水冷作用使靠近喷嘴孔内壁的气体受到强烈的冷却作用，其温度和电离度均迅速下降，迫使弧柱电流向弧柱中心高温、高电离区集中，使弧柱横截面进一步减小，而电流密度、温度和能量密度则进一步提高。(3)电磁收缩效应电流流过弧柱本身所产生的磁场对弧柱也起一定的压缩作用(这是由于电弧的电磁收缩力作用的结果)。 在上述三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩是前提；热收缩效应则是电弧被压缩的最主要原因；电磁收缩效应是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定作用。研究表明，电弧被压缩的程度取决于离子气的成分与流量、喷嘴孔道形状和尺寸及电弧电流大小等因素。第一节概述二、等离子弧特性及应用1.等离子弧的特性

3、(1)等离子弧的静特性经测定，等离子弧的静特性曲线接近U形。1)由于等离子弧柱的截面受到限制，使其电场强度增大，电弧电压明显提高，U形曲线的平直区域明显减小。2)离子气种类和流量不同时，弧柱的电场强度也不同。第一节概述3)使用小电流时，等离子弧仍具有缓降或平的静特性，所以在小电流时等离子弧静特性仍可与电源外特性有稳定工作点而使电弧稳定燃烧。(2)等离子弧的形态由于等离子弧被压缩，使其形态近似成为圆柱形，因此电弧挺度好，发散角很小，如图5-2b所示；而钨极氩弧的形态是圆锥形的，电弧的发散角较大。(3)等离子弧的热源特性由于等离子弧被压缩而形态发生变化，使等离子弧的热源特性主要表现为温度高、能量密

4、度大，且能量分布均匀。第一节概述图5-2钨极氩弧与等离子弧的比较12400050000K21800024000K31400018000K41000014000K(钨极氩弧：200A，15V；等离子弧：200A，30V压缩孔径：2.4mm)第一节概述2.等离子弧的类型及应用 等离子弧按电源供电方式不同可分为下列三种：(1)非转移型等离子弧(2)转移型等离子弧钨极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，等离子弧在钨极与焊件之间燃烧，如图5-3b所示。图5-3等离子弧的类型a)非转移型弧b)转移型弧c)混合型弧(3)混合型等离子弧在工作过程中非转移型弧和转移型弧同时存在，如图5-3c所示，则称之为混合型等离

5、子弧。第一节概述图5-4等离子弧焊枪结构(容量为300A)1喷嘴2保护套外环3、4、6密封圈5下枪体水套7绝缘柱8、13绝缘套9上枪体水套10电极夹头11套管12螺母14电极三、等离子弧发生器 等离子弧发生器是用来产生等离子弧的装置。根据用途不同可分为焊枪、喷枪和割炬。它们在结构上有许多相同之处，但又各具特点。1.典型结构1)典型等离子弧焊枪的结构如图5-5所示，它主要由上枪体、下枪体、喷嘴和钨极夹持机构等组成。2)等离子弧割炬的结构与大电流的等离子弧焊枪结构相似，主要不同之处是没有保护气通道和保护气喷嘴。3)喷枪和粉末堆焊枪的基本结构与小电流的焊枪结构相似，但都增加了一套送粉通路。第一节概述

6、2.喷嘴图5-5喷嘴的基本形式图5-6扩散形喷嘴a)、b)圆锥形，分别用于焊接与切割c)、d)台阶圆柱形，分别用于喷涂与堆焊第一节概述3.电极 等离子弧发生器所用的电极主要是钍钨电极和铈钨电极。为便于引弧和提高等离子弧的稳定性，电极端部应磨成一定角度(一般为60)。对直径较大的电极端部也可磨成半球形。当电极直径大于5mm时，最好采用镶嵌式直接水冷结构，这样既可增强对电极的冷却效果，又可降低电极本身的电阻热，对使用大电流是很有利的。第一节概述四、双弧现象及其影响(1)形成双弧的原因在等离子弧焊接或切割时，由于喷嘴的冷却作用，使等离子弧的弧柱与喷嘴孔壁之间存在着由离子气形成的“冷气膜”，其温度和电

7、离度都较低，对弧柱向喷嘴的传热和导电都起较强的阻滞作用。图5-7双弧现象1主弧2、3串列电弧第一节概述(2) 双弧的危害性A.破坏等离子弧的稳定性，使焊接或切割过程不能稳定进行，恶化焊缝成形 B.焊接时熔透能力和切割时的切割厚度减小 C.喷嘴容易烧坏，使焊接或切割无法进行(3)防止双弧的措施A.正确选择焊接电流和离子气种类及流量B.正确选择喷嘴 C.电极与喷嘴尽可能同心D.正确确定喷嘴离工件的距离E.加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴端面清洁，采用切向进气焊枪。第二节等离子弧焊一、等离子弧焊的原理 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。它利用特殊构造的等离子

8、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。图5-8等离子弧焊接示意图1-钨极 2-喷嘴 3-焊缝4-焊件 5-等离子弧 第二节等离子弧焊2、等离子弧焊接与钨极氩弧焊相比的特点：(1) 由于等离子弧温度高，能量密度大，熔透力强，对于8mm或更厚的金属焊接可不开坡口。不加填充金属，可比氩弧焊高得多的焊接速度焊接。（2）由于等离子弧形态近似于圆柱形，挺直性好，当弧长发生波动时，熔池表面的加热面积变化不大，对焊缝成形的影响较小，容易形成均匀的焊缝成形。(3) 由于等离子弧的稳定性好，可以使用很小的焊接电流，也能保持稳定的焊接过程，因此可焊接超薄的工件。（4）由于等离子弧焊接的

9、钨极是内缩在喷嘴里面的，焊接时不会与焊件接触，因此不仅可减少钨极损耗，还可防止焊缝金属产生夹钨等缺陷。第二节等离子弧焊1.等离子弧焊的焊接工艺(1)接头形式用于等离子弧焊接的通用接头形式为对接接头，其坡口形式因焊件厚度不同而异，可开单面V形和双面V形、单面U形和双面U形坡口。厚度大于16mm，但小于表5 1所列厚度值的焊件，可不开坡口，采用穿透型焊接法一次焊透；而对于厚度较大的焊件，需要开坡口进行多层焊。为使第一层焊缝仍可采用穿透型焊接法，坡口钝边可留至5mm，坡口角度也可减小，如图5 10所示。以后各层焊缝可采用熔透型焊接法焊接。图5-1010mm不锈钢板采用不同焊接方法坡口对比1钨极氩弧焊

10、2等离子弧焊第二节等离子弧焊表5-1等离子弧一次焊透的焊件厚度(单位：mm)图5-11微束等离子弧焊接的常用接头形式(2)等离子弧焊所用气体等离子弧焊时，除向焊枪输入离子气外，还要输入保护气，以充分保护熔池不受大气污染。 大电流等离子弧焊接时，离子气与保护气成分应相同，否则会影响等离子弧的稳定性。小电流等离子弧焊时，离子气与保护气成分可以相同，也可以不同，因为此时气体成分对等离子弧的稳定性影响不大。(3)焊接参数等离子弧焊的工艺参数包括喷嘴孔径、焊接电流、离子气和保护气流量、焊接速度及喷嘴端面至焊件表面的距离等。第二节等离子弧焊表5-2等离子弧焊的焊接参数第二节等离子弧焊三、等离子弧堆焊及喷涂

11、简介1.等离子弧堆焊 等离子弧堆焊是利用等离子弧的热量将堆焊材料熔敷到焊件表面上，从而获得不同成分和不同性能堆焊层的方法。主要用于堆焊硬度高、耐磨性好及耐蚀性好的金属或合金。(1)粉末等离子弧堆焊粉末等离子弧堆焊是将合金粉末装入送粉器中，堆焊时靠氩气将合金粉末送入堆焊枪体的喷嘴中，利用等离子弧的热能将其熔敷到焊件表面形成堆焊层。 粉末等离子弧堆焊一般采用转移型等离子弧，也可采用混合型等离子弧。由于堆焊时母材熔深不能大，以利于减小堆焊层的稀释率，故堆焊时一般采用柔性弧，即采用较小的离子气流量和较小的孔道比(一般小于1)。第二节等离子弧焊(2)热丝堆焊该方法的特点是：除依靠等离子弧加热熔化母材和填

12、充焊丝并形成熔池外，填充焊丝中还通以电流以提高熔敷率和降低稀释率。图5-11热丝等离子弧堆焊示意图2.等离子弧喷涂 等离子弧喷涂方法有两种：丝极等离子弧喷涂和粉末等离子弧喷涂。由于粉末等离子弧喷涂应用较多，故这里只对该方法进行简单介绍。第三节等离子弧切割一、等离子弧切割原理及特点1.等离子弧切割原理 等离子弧切割是利用高温、高冲力的等离子弧为热源，将被切割金属局部熔化(并蒸发)并立即吹掉，从而形成狭窄切口的切割方法。它是随着割炬向前移动而完成切割过程的。其切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料的，是利用物理过程的熔割法，因而它的适用范围比氧乙炔焰切割要大得多。切割设备与等离子弧焊设备大

13、致相同，主要不同之处是切割所用的电压、电流和离子气流量都比焊接时高，而且全部是离子气，不需要保护气(没有外喷嘴)。第三节等离子弧切割2.等离子弧切割特点(1)应用面很广由于等离子弧的温度高，能量集中，所以能切割大部分金属材料，如不锈钢、铸铁、铝、镁、铜等。(2)切割速度快，生产率高它是目前采用的切割方法中切割速度最快的。(3)切口质量好此法产生的热影响区和变形都比较小，特别是切割不锈钢时能很快通过敏化温度区间，故不会降低切口处金属的耐蚀性；切割淬火倾向较大的钢材时，虽然切口处金属的硬度也会升高，甚至会出现裂纹，但由于淬硬层的深度非常小，通过焊接过程可以消除，所以切割边可直接用于装配焊接。第三节

14、等离子弧切割 图5-12 等离子弧切割示意图1、钨极 2、进气管 3、喷嘴 4、等离子弧 5、割件 6、电阻第三节等离子弧切割二、等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺参数如下：(1)离子气种类由于氮气的携热性好，密度大，价格又低，所以目前国内多采用氮气作离子气(切割气体)。切割大厚度工件时，为提高切割速度和改善切口质量，一般采用氮加氢混合气作离子气，但此时需要更高的空载电压(350V以上)才能稳定电弧。另外，切割不同材料时氮与氢的混合比(体积分数)为：切割铝可用N275%H225%；切割不锈钢可为N290%H210%。1)使用氮气作离子气(切割气体)时，其纯度应不低于99.5%，否则，其中所含氧等

15、杂质会加剧钨极氧化烧损，引起工艺参数不稳，导致切口质量下降。第三节等离子弧切割2)使用加氢混合气时，应特别注意安全，防止氢气爆炸，氢气通路必须保证密闭。3)使用加氢混合气时，为解决引弧困难问题，最好先在纯氮气中引弧，然后再加氢气。(2)离子气流量切割时适当增大离子气流量，一方面可提高等离子弧被压缩的程度，使等离子弧能量更集中，冲力更大；另一方面，又可提高切割电压(因气体流量增大时，弧柱气流的电离度降低，电阻增大，电压降也增大)。(3)切割电流和电压切割电流和电压是等离子弧切割最重要的工艺参数，直接影响切割金属的厚度和切割速度。(4)喷嘴直径每一直径的喷嘴都有一个允许使用的电流极限值，如超过这个

16、极限值，则容易产生双弧现象。第三节等离子弧切割(5)切割速度切割速度的大小，既影响生产率，又影响切割质量。在等离子弧功率、工件厚度和材质都不变的情况下，适当提高切割速度，不仅可提高生产率，而且可减小切口宽度和热影响区，对提高切割质量是有利的。但如果切割速度太快，不仅有可能切不透工件，而且会导致切割后拖量增大，切口底部毛刺增多；如果切割速度太慢，不仅会降低生产率，还会造成切口表面粗糙不平，切口底部毛刺增多，切口宽度和热影响区宽度均增大。(6)喷嘴端面至工件表面的距离喷嘴与割件的距离一般为68mm,切割厚度较大的工件时，可增大到1015mm，空气等离子弧切割所需距离略小，正常切割时一般为25mm.

17、各种金属材料等离子弧切割工艺参数见表5 3。第三节等离子弧切割表5-3不同材料等离子弧切割工艺参数第三节等离子弧切割三、提高切割质量的途径 好的切口质量应该是切口面光洁、切口窄；切口上部呈直角、无熔化圆角；切口下部无毛刺(熔瘤)。为实现上述质量要求，应注意以下几点：(1)选择合适的工艺参数等离子弧切割的切口宽度一般为氧乙炔焰切割的1.52倍，且随板厚增大，切口宽度也会增大。(2)避免产生双弧等离子弧切割过程中，为保证切割质量，必须防止产生双弧现象。第三节等离子弧切割(3)消除切口毛刺用等离子弧切割不锈钢时，由于熔融金属的流动性较差，不易全部从切口处吹掉；又因不锈钢的导热性较差，切口底部金属容易

18、过热，因此切口内没有被吹掉的熔融金属容易与切口底部过热金属熔合在一起，冷却凝固后形成毛刺。(4)大厚度工件的切割1)适当提高切割功率。2)适当增大离子气流量。3)采用电流逆增或分级转弧。4)切割前预热。第三节等离子弧切割四、其他等离子弧切割方法简介1.空气等离子弧切割1)采用镶嵌式锆或铪电极，并采用直接水冷式结构。2)增加一个内喷嘴，单独对电极通以惰性气体加以保护。图5-13空气等离子弧切割原理1电极冷却水2镶嵌式锆电极3压缩空气(离子气)4镶嵌式压缩喷嘴5压缩喷嘴冷却水6电弧7工件第三节等离子弧切割2.水再压缩等离子弧切割 该方法是在普通的等离子弧外围再用水流进行压缩。切割时，从喷嘴喷出的除

19、等离子气外，还伴有高速流动的水束，共同迅速地将熔化金属排开。其切割原理如图5 14所示。3.脉冲等离子弧切割 采用50100Hz的脉冲电流进行等离子弧切割，可降低所需功率，延长电极和喷嘴的使用寿命。这是因为在脉冲电流的间歇时间内，电极和喷嘴可得到一定程度的冷却；另外，采用脉冲电流还可提高切口质量。图5-14水再压缩等离子弧切割原理1离子气2电极3喷嘴4冷却水5压缩水6电弧7工件第三节等离子弧切割4.双弧切割双弧切割是指在非转移普通等离子弧的基础上，再在喷嘴与工件之间叠加一个350Hz的交流电弧的双弧切割法。它是一种厚板切割的可行方法。5.微束等离子弧切割 切割1.00.5mm厚的薄板，可采用功率为0.51.5kW、喷嘴孔径为0.10.4mm的非转移型等离子弧，最高切割速度可达10m/min左右。