汽车车身焊接技术等离子弧焊与切割

1、等离子弧焊接与切割任务一气焊【学习目标】1. 能够正确描述气焊的原理、特点及应用2. 能够正确描述气焊设备的构成与连接原理3. 能够正确描述各种气焊设备和工具的作用4. 能够正确描述气焊火焰的种类,各类型火焰的 辖点与用途5. 能够准备气焊操作的各种劳动保护6. 能够使用气焊设备规范地进行焊接操作_、任务分析等离子弧是电弧的一种特殊形式。当自由电弧被 压缩后，即可形成等离子电弧。利用等离子电弧可以 进行焊接和切割。从本质上讲，等离子电弧仍然属于 一种气体放电的导电现篆。本项目介绍等离子弧的形 成及其特性，等离子弧焊接与切割设备的结构与工作 原理，重点讲述等离子弧焊接和切割的工艺。按焊缝的成形原

2、理，等离子弧焊有3种基本方法， 即穿透型等离子弧焊，熔化透型等离子弧焊和微束等 离子弧焊。二、相关知识GasPlasmaHeat Energy（一）等离子弧等离子弧(Plasma art) 等离子弧是电弧的一种特殊形式，是一种压缩电弧(相对于自由电弧如TIG电弧而言)周围没有约束，当电流增大，弧柱直自由电弧其径增大，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。压缩电弧一电流增大，但弧柱直径可以不相应增大, 则能量密度、温度、等离子体流速显著增大。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。等离子弧的形成原理（如何压缩？）途径：将鹄极内缩于导电

3、喷嘴内部, 并通气，产生三种压缩作用电弧通过小孔 提）离子气冷却一 电磁收缩机械压缩（前Tungsten electrodeCoolinq water*VENozzleShielding gasPower sourceVorkpiece热收缩（主因） 使弧柱变得更细结果：电弧直径变小、温度升高、 能量密度增大（必然存在）(-)等离子弧的特性及应用L温度高、能量密度大蛊P12400050000K、105108W/cm2(TIG电弧相应为1000024000K、104w)24：0E+(K1&24D0*(K)U-IS.OOO'K)134 她+(K)()TIG weldPlasma w

4、eld2.能量分布均衡制在整个弧长上温度均衡，靠弧柱加热X挺度好、冲力大蛊扩散角小，对弧长波动不敏感4稳定性好蛊电流小至0.1A电弧仍稳定燃烧等离子弧的类型 按电源供电方式不同非转移型（如图右）：电弧在铸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）,主要用于喷涂、焊接和切割较薄的金属及非金属O转移型（如图左）:电弧先在铸极和导电喷嘴间引燃，转 移到工件上形成新的导电回路后，切断餌极与导电嘴之间的电弧。 常用于各种金属材料的焊接和切割。TransferredNon TainsfErrEcl混合型議同时保持转移弧与非转移弧(电弧转移到工件后 V主弧不切断铸极与导电嘴之间的电弧V维

5、弧)(a)非转移型弧(b)转移型弧(c)混合型弧(a)非转移型弧(b)转移型弧(c)混合型弧离 子 气维弧电源主弧电源 A+主弧电源离子气帚等离子焰J9主弧电源O-(a)非转移型弧(b)转移型弧(c)混合型弧等离子弧的应用类型转移型特点电弧温度较高III非转移型电弧温度较低应 用常用于金属的焊接、堆焊与 切割喷涂、非金属的焊接与切割混合型小电流下的电弧 稳定性好多用于微束等离子弧(<30A)焊接（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。1基本要求与典型结构能有效的固定鹄极和喷嘴的位置，鹄极与喷嘴的对中性要好。鹤极与喷嘴之间要可靠绝缘。

6、能对钩极和喷嘴进行有效水冷。能有效导入离子气流和保护气流。便于加工和装配，特别是喷嘴的更换。体积小、重量轻，便于操作和观察。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9一上枪体水套10 电极夹头11 套管2螺母14-W极I413Torch bod1211Electrode1098、水电76保护气3254Water cooling tubeSwirl ringNozzleShieldRetaining cap2 喷嘴喷嘴的直径d喷嘴的孔道长度1锥角a压缩孔道形状喷嘴材料和冷却喷嘴孔径孔道比压缩角电弧类型0.6-1.220602545联合型1.6-3.51.0-1.260-90

7、转移型(a)(b)(c)(d)3 电极电极材料与形状内缩和同心度内缩度（影响压缩程度）和同心度（影响电弧稳定性） 内缩长度Lr一般取Lr=Lo± 0.2mm （焊枪）。L0+23mm（割枪）4进气方式常用的进气方式：切向进气和径向进气(a)切向进气(b)径向进气(c)送气分配器0Nozzle©WorkpieceSwirl ring（四）双弧现象及影响因素h双弧现象是一种危害2形成双弧的原因：过度压缩，冷却不够3影响因素q喷嘴结构参数、喷嘴冷却效果 、电弧电流、离子气成分和流量、喷嘴端面到焊件表面距离、餌极与喷嘴同心度。亂防止双弧的措施；避免过渡压缩一正确选择电流，喷嘴结构尺

8、寸合理加强冷却效果合适的气体及流量，加强喷嘴冷却,保持喷嘴与工件距离（五）等离子弧焊的基本方法及应用L穿透型（穿孔型.小孔型）100-500A转移弧，材料/板厚合适时，无须衬垫，即可单面焊双面 成形。优点：厚板可实现单道焊接；对接焊不开坡口，焊前对工件坡口加工 量减少;焊缝对称，焊接横向变形小；孔隙率低。缺点：焊接可变参数多，规范区间窄；厚板焊接时，对操作者的技术 水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接；焊枪对焊接质量影响大，喷 嘴寿命短；除铝合金外，大多数小孔焊仍限于平焊位置。ti r不锈钢PAW的小孔（±：正面.左：背面）KeyholeWeld poolOxidized weld

9、焊接时小孔的照片不锈钢焊缝单面焊双面成形2熔透型（熔入型）30100A混合弧。材料、板厚、接头形式不限，可单面焊双面成形、多层多道焊，对参数的要求不严格，易于实现 ,与TIG焊类似。3.微束等离子弧焊30A以下混合弧，主要用于细小超薄件的熔透型焊接。常用两个独立电源对主弧和维弧分别供电o以上三种形式都可以釆用脉冲电流，焊接效果更好，但参数进 步复杂化。另外，还有交流等离子弧焊和等离子弧MIG焊等。主要使用方波 交流。变极性方波交流可获得较大的焊缝深宽比及较少的磚极烧损， 主要用于小孔法焊接铝合金。（六）等离子弧焊设备组成：电源、控制系统、焊枪、供气系统、供水系统（送丝机构焊接小车）大电流等离子

10、弧焊设备微束等离子弧焊设备1=I 1焊接电源应具有陡降或垂降特性，空载电压较高 通常带有高频引弧和电流衰减装置。压缩喷嘴：最通用的材料是纯铜电极：等离子弧焊枪所采用的电极材料与鹄极氮弧焊 相同，有鹄棒和镶嵌式电极两种。压缩喷嘴属易损件，按既定规格选用又气路系统等离子弧焊接设备的供气系统应能分别供给离子气和保护气泄入大气4.控制系统等离子弧焊设备的控制系统一般包括高频引弧电路、拖动 控制电路、延时电路和程序控制电路等部分。程序控制电路 包括提前送保护气、高频引弧和转弧、离子气逆增、延时行 走、电流衰减和延时停气等控制环节。13070(UPV7 二M鷹r（七）等离子弧焊的工艺特点电流在0. 1-2

11、25A的设备可用手工焊接，大电流等离子弧焊需 使用自动焊接。1.可使用更高的焊接速度施焊。2.由于等离子弧的形态和挺度更好，容易得到均匀的焊缝成 形。3.使用更小的焊接电流，可以焊接超薄件。4.可减小鹄极烧损和防止夹鹄。凡氨弧焊能够焊接的材料均可用等离子弧焊接，与鹤极 氮弧焊相比，可采用较大的钝边和较小的坡口角度。其它等工 艺要求与氮弧焊基本相同。三、任务实施(一)等离子弧焊工艺参数的选择h接头形武(1) 对接接头，若材料/厚度合适，可用穿孔焊法， 否则用熔入型焊法或穿孔焊打底+熔入型填充盖面。(2) 其它接头形式：用熔入型焊法(3) 细薄零件：用微束熔入型弧焊法，离子气对不 同材料最好用不同

12、的混合气。(4) 如有可能，尽量脉冲电流焊接。不锈钢钛及钛合金焊接厚度范围 W8银及謀合金低合金钢低碳钢W7W6W8厚度大于l6mm但小于所列厚度值的工件，可不开坡口，釆用 小孔法单面一次焊成。(a)(b)（C）(d)2气体选择包括离子气和保护气。离子气是惰性的，保护气允许添加活性气体。大电流焊接时, 离子气与保护气成分应相同。Ar：用于焊接碳钢、高强度钢及活性金属，如钛、钳及 错合金。Ar+H2：焊接奥氏体不锈钢、银基合金及铜鎳合金时，H2 在7.5%以下。小孔焊接时，场范围为5%15%o 工件越薄，允许H?的比例越大。如小孔法焊6.4mm 不锈钢时，加场为5%，而进行38mm不锈钢管道高

13、速焊时，允许加也达15%使用Ar+H?作离子气时，由 于电弧温度较高，应降低喷嘴孔径的额定电流。Ar+He: He超过75%时，其性能基本与纯He相同。He：纯He仅用于熔透法焊接，如焊铜。Ar+CO2：小电流焊接低碳钢及低合金钢时，允许添加活性气体，其流量在1015L/min之内。焊材换填充金属的主要成分与被焊母材相同O3喷嘴孔径的选择喷嘴孔径直接决定对等离子弧的压缩程度，是选择其他参 数的前提。在焊接生产过程中，当焊件厚度增大时，焊接电 流也应增大，但一定孔径的喷嘴其许用电流是有限制的，一 般应按焊件厚度和所需电流值确定喷嘴孔径。4.焊接电流的选掙当其他条件不变时，焊接电流增加，等离子弧的

14、热功 率也增加，熔透能力增强，因此，应根据被焊焊件的材质 和厚度首先确定焊接电流。在采用穿透法焊接时，如果电 流太小，则形成小孔的直径也小，甚至不能形成小孔，无 法实现穿透法焊接；如果电流过大，则形成的小孔直径也 过大，熔化金属过多，易造成熔池金属坠落，也无法实现 穿透法焊接。同时，电流过大还容易引起双弧现象。因此,当其工艺参数及喷嘴孔径一定时，焊接电流应控制在一定M离子气流量的选择当其他条件不变时，离子气流量增加，等离子弧的冲力 和穿透能力都增大。因此，要实现稳定的穿透法焊接过程， 必须要有足够的离子气流量；但离子气流量太大时，会使等 离子弧的冲力过大将熔池金属冲掉，同样无法实现穿透法焊 接

15、。6、焊接速度的选择当其他条件不变时，提高焊接速度，输入到焊缝的热量会 减少，在穿透法焊接时，小孔直径会减小；如果焊速太高， 则不能形成小孔，故不能实现穿透法焊接。但此时若能增大 电流或离子气流量，则又能实现稳定的穿透法焊接(a)焊速过高，电弧后拖(b)焊速正常，电弧垂直7,喷嘴端面与焊件表面距离的选择|生产实践按证明该距离应保持在38mm较为合适。如果距 离过大，会增加等离子弧的热损失，使熔透能力减小，保护效 果变差。该距离过小，则不便于操作，易被飞溅物堵塞，容易 产生双弧现象。鼠保护气流量的选掙保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例。如果保护 气流量过大，则会造成气流紊乱，影响等离子弧稳

16、定性和保 护效果。穿透法焊接时，保护气流量一般选择1530L/mino小电流等离子弧焊对接头的装配要求和铸极氮弧焊相同。间隙不应超过金属厚度的10%,难以保持上述公差时必须添加填充金属。对于厚度不大于08mm的金属，焊接接头的装配和夹紧要求。焊接金属薄片时，要求夹具与工件紧密接触。 焊枪喷嘴至工件的距离不像氟弧焊时要求那么严格。喷嘴孔径、电流大小、气体流量的配合可参见下表。喷嘴孔径mm.电流A离子气流量L/min0. 81250.241.620 700. 472.140 1000.942. 5100 2001.893.2| 150 3002. 364.8200 5002.83任务二等离子弧切割

17、【学习目标】1. 能够正确描述等离子切割的原理及特点2. 能够正确描述等离子切割设备的结构与工作原理3能够正确选择工艺参数进行切割操作4.能够培养良好的安全与卫生习惯二相关知识ElectrodeCoolfng MaterESAfiCUTIPower sourcePilot arc(一)等离子弧切割原理及特点P1. 切割原理：熔化K2. 特点：(1)切割速度快；(2) 切口质量好；适应性好：可切割高给 点非金属材料ESAfiCUTIESAfiCUTIr w s l山 卜ESAfiCUTI等离子弧切割有氮等离子弧切割、氧等离子弧切割、空气等离子弧切割等。离子气有“2、Ar-H2. N2-H2空气以

18、及氧气等。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】N?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以下板材时比氧乙烘焰更具有优势，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，氧一乙烘切割更有优势）O但空气等离子弧切割有强烈的氧化腐蚀，应用纯错或 纯钳电极（此时也可采用氧作离子气，但电极烧损更严 重），也可釆用复合式空气等离子弧切割。等离子弧切割时电流采用正接极性，切割金属时釆用 转移弧。60A以下手工切割常用无维弧电弧结构，

19、60A以上 手工割枪常釆用有维弧结构割枪；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。工作示意电源：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150400Vo空气等离子弧切割一般要配用大于15kW的空 气压缩机。逆变电源将是切割电源的发展方向。Cooling airTiAir AirCooling aird)e割枪：与焊枪相似，一般60A以下割枪多采用风冷结 构，6

20、0A以上割枪多采用水冷结构。割枪中的电极可采 用纯铸.牡钩、肺磚棒，也可采用镶嵌式电极。空气等 离子弧切割时，采用镶嵌式诰或诒电极。控制系统 能提前供气和滞后停气釆用高频引弧，在等离子弧引燃后高频振荡器应能自动断开。 离子气流有递增过程。无冷却水时应不能启动。若切割过程中断水，切割机能自动 停止。在切靭结束或切割断弧时，控制线路能自动断开。切割电流 割炬移动时间时间高频非转移型 弧电流转移型弧气流非转移型弧气流冷却水时间sws /?三、任务实施)切割工艺参数的选择工艺参数：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 ,尤其是釆

21、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 (4)气压(3)喷嘴高度建议金（1）常用结构材料用空气等离子弧切割，不考虑 用其它气体；（2）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（水再压缩等离子弧切 割）。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。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

22、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。（二）提高切割质量的途径良好的切割质量应该是切口面光洁、切口窄，切口上部呈直角 且无熔化圆角，切口下部无毛刺（熔瘤）O为实现上述质量要 求，应注意下面几点。1. 切口宽度和平1度2. 切口毛刺的消除3. 避免产生双弧4. 大厚度工件的切割等离子弧的輝接与切割的安全问IK：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。(1)等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高,有

23、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。(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。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，应有良好的通风设备、措施。一般手工切割或自动切割工作台附近要配备抽风系 统，但排出的废气仍然对环境造成污染。切割时，在栅格工作台下方还可安置排风装置，也可以釆取水中切割方法。1=.l=.（3）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。It（4）等离子弧焊接和切割都采用高频振荡器引弧， 应注意高频电磁场的生理

24、伤害。知识与能力拓展等离子弧堆焊等离子弧喷涂其他等离子弧切割方法髙能量密度焊三、其他等离子弧切割有法雷双气流等离子弧切割:电弧得到进一步的压缩，有 利于吹除割渣，具有双弧倾向小、切割速度快、切口上 沿圆度小等优点。离子气一般用氨、氮或氨+氢，外层气体根据所切 金属选用，如切割普通钢材可用空气、氧气或氮气，切 割不锈钢可用氮气、二氧化碳或氮+氢，切割铝合金可 用氮+氢、氮气或二氧化碳。CeramicNozzle Work PieceElectrodeCutting GasN2)水射流等离子弧切割 以高速水流射向电弧，使电 弧再次受到强烈压缩，温度 随之可升达30000 °C o离子=J

25、气通常用。具有切口质量 高、喷嘴损耗少、可提高切 割速度、双弧倾向小等优点。氧流等离子弧切割:氧的燃烧作用，可以增加切割速度。Work PiecePlasma gasWater f WaterWater shroud c）匸水幕等离子弧切割:可将等离子弧 置于水幕中或直接将工件置于5075mm 的水下，可获得以下好处：烟雾减少、 喷嘴寿命增加.噪音降低。例如水幕可 将115dB的噪音降低至96dB,水下切割 可降低至8552dB。水幕等离子弧切割的压缩程度、切 口质量和切割速度提高不显著。Plasma高精度等离子弧切割(HTPAC):以径向旋转的氧气流加强电 弧的收缩，有的还以另一路气流 从喷

26、嘴下部向电弧喷射，甚至用 外加的磁场使电弧进一步收缩， 使电弧更稳定，可获得以下好处: HAZ窄、变形小，切口窄，切割 精度介于普通PAC与激光切割之 间。缺点主要在于最大切割厚度限于6mm以下，切割速度 低于普通PAC,仅达到激光切割的6080 % o一、等离子弧堆焊堆焊(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)。Fl日smm awrl叭 wmldbQ(In5pEciii)n znd complAiorT)Fl日smm awrl叭 wmldbQ(In5

27、pEciii)n znd complAiorT)(Receipt of mriiulms)(suppy kom customers)(depending an ihe caniraclj(UntlefGuningjMachining before deposit welding (securing weld depositing all 3/ nee JC-verlay 'eldingAdjustment of dimensional Bccurecy 'and surface roughness =i trEatm色n0M(Finishin©<MFl日smm

28、awrl叭 wmldbQ(In5pEciii)n znd complAiorT)对堆焊的要求；稀释率低、焊层薄、熔敷率高等离子弧焊能较好地满足堆焊以上的要求，尤其是可以用粉未进行堆焊，因而是一种较好的堆焊方法。等离子弧堆焊与其它堆焊方法的比较见下表.堆焊方法稀释率熔敷速度最小堆焊层熔敷效率(%)Kg/h厚度mm(%)氧乙烘手工送丝1100.5-1.80.8100堆焊自动送丝11005680.8100粉末堆焊1100.5-1.80.885-95焊条电弧堆焊10-2005543.265埋弧单丝30-604.5-11.33.295堆焊单带极10-2012363.095等离子自动送粉51505680.

29、885-95弧堆焊手工送丝5-1505362.498-100自动送丝51505362.498-100双热丝51513-272.498-100等离子弧堆焊的特点及应用范围5 能迅速顺利地堆焊难熔材料，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。等离子弧堆焊的类型蛊冷丝等离子弧堆 一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

30、离子弧堆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。粉末等离子弧堆一一粉末来源广、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。对塑性较好的焊材，用填丝等离子弧堆焊，且多用 热丝法。对硬脆的焊材用粉未等离子弧堆焊（等离子弧喷焊）,使用双电源的混合型等离子弧更好。二、等离子弧喷涂热喷涂；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。喷涂不是焊接，因为喷涂层与工件的结合主要是机械结合。li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、零件变形小、涂层性能广泛等优点。同样作为一项表面工程技术，喷涂与堆焊的比较见下表。堆焊热输入预处理表面粗糙度沉积率Kg/h后处理热喷涂一般通常很机械清喷砂较细卜701-10消除应力零件尺寸零件几何形状零件的材料表面材料涂层厚度mm涂层孔隙率堆焊易变形件 除外对小孔