第四章PAW焊接

1、电弧焊基础电弧焊基础 第四章第四章 等离子弧焊等离子弧焊 Chapter 4: Plasma Arc Welding （PAW） 一一. 等离子弧概念、形式和特性等离子弧概念、形式和特性 1.1 自由电弧和拘束电弧（等离子弧）自由电弧和拘束电弧（等离子弧） 自由电弧：自由电弧： TIG电弧，除受到电弧自身磁场拘束电弧，除受到电弧自身磁场拘束 和周围环境的冷却拘束外，不受其它和周围环境的冷却拘束外，不受其它 条件束缚，电弧形态相对比较扩展，条件束缚，电弧形态相对比较扩展， 电弧能量密度和电弧温度较低，称作电弧能量密度和电弧温度较低，称作 自由电弧自由电弧 拘束电弧：拘束电弧： 人为把自由电弧的一

2、极缩进到小直径人为把自由电弧的一极缩进到小直径 喷嘴（喷嘴（铜质、水冷铜质、水冷）里，则电弧通过）里，则电弧通过 喷嘴孔时，弧柱截面积受到限制，即喷嘴孔时，弧柱截面积受到限制，即 产生了外部拘束作用不能自由扩展，产生了外部拘束作用不能自由扩展， 电弧在径向上被强烈压缩，叫做电弧在径向上被强烈压缩，叫做“拘拘 束电弧束电弧”或或“压缩电弧压缩电弧”，电弧的温，电弧的温 度、能量密度、等离子流速都显著增度、能量密度、等离子流速都显著增 加，也称为加，也称为“等离子弧等离子弧” 离子气、保护气 1.2 PAW 电弧特点电弧特点 lPAW温度更高，能量 密度更大。 普通TIG弧的最高温度为 10 00

3、024 000K，能量 密度小于104W/cm2。等 离 子 弧 温 度 可 达 2 4 00050 000K，能量密度 可达105106W/cm2 。 l等离子弧带电粒子的 运动速度很高（可接近 音速），其挺直性明显 好于TIG电弧。 TIG电弧的扩散角约为 45，而等离子弧扩散 角约为6。 各种焊接方法能量密度比较各种焊接方法能量密度比较 Point focal 普通TIG 双气流TIG焊 等离子焊电子束焊激光焊 高能束焊 能量密度 压缩 （聚焦元件） 50W/mm2 150W/mm2103W/mm2105W/mm2105W/mm2 气动 (喷嘴) 电磁 (聚焦线圈) 光学 (聚焦透镜)

4、熔化熔化 熔化 小孔 小孔小孔熔化模式 1.3 PAW 电弧温度和能量密度提高的原因电弧温度和能量密度提高的原因 l水冷喷嘴孔道对电弧的机械压缩，使电弧弧柱截面积减小，能 量更为集中。这是前提条件。 l喷嘴水冷作用使靠近喷嘴内壁的气体受到一定程度的冷却，其 温度和电离度下降，迫使弧柱区带电粒子集中到弧柱中的高温高 电离度区流动，这样由于冷壁而在弧柱四周产生一层电离度趋近 于零的冷气膜，使弧柱有效截面积进一步减小，电流密度进一步 提高，这称之为“热压缩” 。这是最本质的原因。 l基于两种压缩效应的存在，在弧柱电流密度增大以后，弧柱电 流线之间的电磁收缩作用也进一步增强，使弧柱温度和能量密度 进一

5、步提高。 1.4 等离子弧三种形式等离子弧三种形式 转移型等离子弧：转移型等离子弧： 主电源正负极分别接续到工件和电极上，等离子弧燃烧在电极与母材之间主电源正负极分别接续到工件和电极上，等离子弧燃烧在电极与母材之间 。由于电极到工件的距离较长，引燃电弧时，首先在电极与喷嘴内壁间引。由于电极到工件的距离较长，引燃电弧时，首先在电极与喷嘴内壁间引 燃一个小电弧，称作燃一个小电弧，称作“引燃弧引燃弧”（小弧）（小弧），空间温度升高，高温气流从喷，空间温度升高，高温气流从喷 嘴孔道中喷出，其中也含有带电粒子，随后在主电源较高的空载电压下，嘴孔道中喷出，其中也含有带电粒子，随后在主电源较高的空载电压下，

6、 电弧能够自动转移到电极与工件之间，称作电弧能够自动转移到电极与工件之间，称作“主弧主弧”或或“转移弧转移弧”。主弧。主弧 引燃后，通过开关引燃后，通过开关切断切断引燃弧。引燃弧。大电流焊接可以采用转移型大电流焊接可以采用转移型PAW。 小弧引弧也可以采用从电源正极串联一个电 阻接续到焊枪喷嘴上的方式 混合型等离子弧：混合型等离子弧： 与转移型等离子弧类似，但当形成转移弧后仍然保留引燃弧（与转移型等离子弧类似，但当形成转移弧后仍然保留引燃弧（“小弧小弧”） ，即形成两个电弧同时燃烧的局面，效果是转移弧燃烧更为稳定。，即形成两个电弧同时燃烧的局面，效果是转移弧燃烧更为稳定。小电流小电流 焊接焊接

7、电弧冷却强烈，易熄灭，可以电弧冷却强烈，易熄灭，可以采用混合型采用混合型PAW。 小弧电源相对功率较小，一般只需要有几安培的输出。小弧电源相对功率较小，一般只需要有几安培的输出。 等离子焰流等离子焰流： 在钨极与喷嘴内壁之间引燃等离子弧，电弧电源正负极分别接续到电极和在钨极与喷嘴内壁之间引燃等离子弧，电弧电源正负极分别接续到电极和 喷嘴上。由于保护气通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流喷嘴上。由于保护气通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流 ，对被加工工件进行加热，因此称作，对被加工工件进行加热，因此称作“等离子焰流等离子焰流”。电极与喷嘴内壁间。电极与喷嘴内壁间 的电弧，其

8、电流值较小，电弧温度低，因此等离子焰流的温度也明显低于的电弧，其电流值较小，电弧温度低，因此等离子焰流的温度也明显低于 电弧，指向性不如等离子弧。多用于表面堆焊、处理。电弧，指向性不如等离子弧。多用于表面堆焊、处理。 1.5 等离子弧静特性等离子弧静特性 受到水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧柱电场强度增受到水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧柱电场强度增 大，电弧电压明显提高，静特性曲线中平特性区不明显，上升大，电弧电压明显提高，静特性曲线中平特性区不明显，上升 特性区斜率增加。特性区斜率增加。 思考：为什么？思考：为什么？ 混合式等离子弧中的小弧电流对主弧特性有明显影响，小弧电混合式

9、等离子弧中的小弧电流对主弧特性有明显影响，小弧电 流值增加，有利于降低主弧电压，这在小电流电弧（主弧）中流值增加，有利于降低主弧电压，这在小电流电弧（主弧）中 表现尤为突出表现尤为突出 拘束孔道的尺寸和形状对静特性有明显影响，喷嘴孔径越小，拘束孔道的尺寸和形状对静特性有明显影响，喷嘴孔径越小， 弧柱压缩强越大，电场强度也越大，静特性中的平特性区间越弧柱压缩强越大，电场强度也越大，静特性中的平特性区间越 窄，上升特性区的斜率越大。窄，上升特性区的斜率越大。 离子气种类和流量对弧柱电场强度有明显影响。离子气种类和流量对弧柱电场强度有明显影响。 1.6 PAW 电弧焊接特点电弧焊接特点 l普通TIG

10、焊接时，加热工件的热量主要来源于阳极区产热，弧柱辐射和 传导热仅起辅助作用。在等离子弧中，弧柱高速高温等离子体通过接触传 导和辐射带给焊件的热量明显增加，甚至可能成为主要的热量来源，而阳 极产热则降为次要地位。 二二. 等离子弧焊接设备及焊接过程等离子弧焊接设备及焊接过程 2.1 PAW焊接设备焊接设备总成总成 基本组成： 焊接电源：交流（方波、变极性）、直流（脉冲），陡降外特性或恒 流外特性。 PAWPAW电弧电场强度很高，需要较高的电源空载和工作电压。电弧电场强度很高，需要较高的电源空载和工作电压。小弧电源的空载 电压为100150V，而转移弧电源的空载电压只需65-80V（离子气为Ar）

11、，如 果在离子气中掺入H或He，空载电压需要达到110120V 。 气路：气瓶（银灰）、气管、气体流量计（减压）、气压开关 水路：高压循环水、水管、水压开关 焊枪：自动；水冷； 电路：焊枪电缆（水冷）、地线、起弧稳弧装置 送丝机：外部送丝，必需 工作台：固定、运动（工件）式 17 焊接电源 冷却电器件 焊枪 气瓶、压力表 2.2 PAW焊接设备焊接设备焊枪焊枪 基本要求： 1.能固定喷嘴与钨极的相对位置，并可 进行调节，同时对喷嘴和钨极进行有效 的冷却； 2. 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； 3.必须有双气路，能导入离子气流和保 护气流； 4.轻便易用，特别是便于喷嘴

12、和钨极的 更换。 2.2 PAW焊接设备焊接设备焊枪焊枪 2.3 PAW焊接设备焊接设备焊枪喷嘴焊枪喷嘴 喷嘴喷嘴 材料：紫铜，壁厚 3000 mm的场合的场合, 筒体筒体 直径大于直径大于2 200 mm. 优点：优点： 单道焊接过程单道焊接过程, 降低填充金属量，高速焊接，低变形降低填充金属量，高速焊接，低变形 热影响区窄，高质量，焊缝外观好，降低坡口准备时间。热影响区窄，高质量，焊缝外观好，降低坡口准备时间。 4.4 复合焊接复合焊接PAW+MIG 等离子弧与等离子弧与MIG电弧联合使用的焊接方法电弧联合使用的焊接方法真正复合真正复合 combination of plasma weld

13、ing and MIG-welding using a single gun PAW电弧燃烧在电极夹和母材之间电弧燃烧在电极夹和母材之间 A plasma arc produced by a reduction in the gas orifice results in a narrow high temperature arc. By feeding the MIG-electrode through the plasma arc coaxially very high deposition rates are possible 大熔深、高熔敷率大熔深、高熔敷率 only suitable

14、for mechanised welding 4.4 复合焊接复合焊接PAW+MIG 4.4 复合焊接复合焊接PAW+MIG 普通MIG Plasma-MIG 4.4 复合焊接复合焊接PAW+MIG 4.5 等离子切割等离子切割 空气等离子切割：空气等离子切割：铪电极，铪电极，以压缩空气为工作气体以压缩空气为工作气体, 以以 高温高速的等离子弧为热源、高温高速的等离子弧为热源、 将被切割的金属局部熔将被切割的金属局部熔 化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭化、并同时用高速气流将已熔化的金属吹走、形成狭 窄切缝窄切缝 不锈钢、铝、铜、铸铁、碳钢等各种金属材料切割不锈钢、铝、铜、铸铁、碳

15、钢等各种金属材料切割, 不不 仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小仅切割速度快、切缝狭窄、切口平整、热影响区小,工工 件变形度低、件变形度低、 操作简单操作简单, 而且具有显著的节能效果。而且具有显著的节能效果。 该设备适用于各种机械、金属结构的制造、安装和维该设备适用于各种机械、金属结构的制造、安装和维 修，作中、薄板材的切断、开孔、挖补、开坡口等切修，作中、薄板材的切断、开孔、挖补、开坡口等切 割加工割加工 切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤切割厚度不大的金属的时候，等离子切割速度快，尤 其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切割法的其在切割普通碳素钢薄板时，速度可达氧切

16、割法的 56倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区倍、切割面光洁、热变形小、几乎没有热影响区 针对下列行业，查阅公开出版的文献资料。经过阅读、理解后，就下列针对下列行业，查阅公开出版的文献资料。经过阅读、理解后，就下列 内容进行综述：行业：航天、航空、造船、兵器、电站锅炉、管道、汽内容进行综述：行业：航天、航空、造船、兵器、电站锅炉、管道、汽 车、工程机械、石油化工、建筑车、工程机械、石油化工、建筑 该行业使用的材料现状、用途和典型产品；该行业使用的材料现状、用途和典型产品； 采用非熔化极气体保护焊焊接典型结构产品的现状；采用非熔化极气体保护焊焊接典型结构产品的现状； 采用非熔化极气体保护

17、焊在焊接产品时可能出现的问题及解决办法；采用非熔化极气体保护焊在焊接产品时可能出现的问题及解决办法； 非熔化极气体保护焊在该行业应用前景展望；非熔化极气体保护焊在该行业应用前景展望； 各班按照学号顺序，每各班按照学号顺序，每2个人按顺序选择上述的个人按顺序选择上述的1个行业撰写综述报告。个行业撰写综述报告。 实验学院的同学选择每个同学单独选择实验学院的同学选择每个同学单独选择1个行业。个行业。 报告的撰写要求：报告的撰写要求： 采用采用B5纸打印或者手写；如果打印，正文字体为小四号字；纸打印或者手写；如果打印，正文字体为小四号字； 作业的页数为作业的页数为3-5页页(包括封面包括封面)，不得超过，不得超过5页；页； 至少阅读至少阅读6篇文章，文字精炼；篇文章，文字精炼； 参考文献按照格式来写；参考文献按照格式来写； 独立完成，独立完成，不得互相抄袭，不得互相抄袭，发现后抄袭者和被抄袭者该作业成绩均按照发现后抄袭者和被抄袭