第六章 等离子弧焊

第六章等离子弧焊第1页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊2第六章等离子弧焊学习目标掌握等离子弧的形成、特性及应用；熟悉等离子弧焊接的特点、工艺及设备；了解等离子弧的其它应用。主要内容第一节等离子弧特性及其发生器第二节等离子弧焊接第三节等离子弧的其它应用（不讲）第2页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊3第一节等离子弧特性及其发生器

一、等离子弧的形成借助外部拘束条件使弧柱受到压缩的电弧，也称压缩电弧。机械压缩效应：等离子弧发生器的喷嘴孔道热压缩效应：冷却水磁压缩效应：电弧电流产生的磁场自由电弧压缩电弧第3页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊4第一节等离子弧特性及其发生器二、等离子弧的分类按电源供电方式不同分为：非转移型：电极接负，喷嘴接正，母材不导电；电弧温度和能量密度较低→等离子焰或间接电弧转移型：电极接负，母材接正；电弧温度和能量密度较高→直接电弧联合/混合型：电极接负，母材和喷嘴接正第4页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊5第一节等离子弧特性及其发生器三、等离子弧特性1、等离子弧电弧静特性形状：U型特点：U曲线明显上移；U曲线的平直区明显缩小；如果采用混合型等离子弧，转移弧U形特性下降区段斜率明显减小。第5页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊6第一节等离子弧特性及其发生器2、等离子弧的能量/热源特性温度和能量密度普通钨极氩弧的最高温度为10000~24000K，能量密度小于104W/cm2。等离子弧的温度高达24000~50000K，能量密度可达105~106W/cm2。等离子弧的挺度自由电弧扩散角约45，等离子弧约为5。第6页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊7第一节等离子弧特性及其发生器热源组成普通钨极氩弧加热焊件的热量主要来源于极区的产热，而弧柱辐射和热传导仅起辅助作用，电

弧的总电压降大致是平均分配在阳极区、阴极区和弧柱区。等离子弧最大电压降是在弧柱区，弧柱高速等离子体通过接触传导和辐射带给工件的热量明显增加，弧柱是加热工件的主要热源，而极区对工件的加热降为次要地位。第7页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊8第一节等离子弧特性及其发生器四、等离子弧发生器等离子弧发生器按其用途不同称为等离子弧焊枪、割枪和喷(涂)枪等。喷嘴与电极位置相对固定且可调节对喷嘴和电极能进行有效冷却喷嘴与电极之间要绝缘能可靠导入离子气流和保护气流便于加工和装配，喷嘴易于更换第8页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊9第一节等离子弧特性及其发生器1、喷嘴基本结构及其重要参数喷嘴孔径d：决定等离子弧的直径和能量密度。喷嘴孔道长度l：d确定后，l越长，对等离子弧的压缩作用越大。通常以孔道比l/d来表征等离子弧的类型。压缩角α：对等离子弧压缩效果影响不大。喷嘴孔道：单孔型和多孔型喷嘴材料及冷却：紫铜、水冷第9页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊10第一节等离子弧特性及其发生器2、电极材质铈钨合金、锆钨合金、纯钨电极的形状电流较小、直径较细时可磨成尖锥形且锥角可小一些；电流较大、直径较大时，可磨成圆台形、球形或锥球形。铜第10页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊11第一节等离子弧特性及其发生器内缩和同心度焊炬：lg=l0.2mm割炬：lg=l+(2~3)mm3、送气方式第11页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊12第一节等离子弧特性及其发生器五、双弧现象及预防现象：正常的转移型等离子弧稳定的在钨极与工件之间燃烧，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，从外部可观察到两个电弧同时存在。产生机理：等离子弧稳定燃烧时，在弧柱与喷嘴孔壁之间存在着一层冷气膜(相当于一个绝缘气体套筒)。当该冷气膜的绝缘性能遭到破坏(即气膜击穿)时，双弧就可能形成。第12页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊13第一节等离子弧特性及其发生器双弧的防止措施：合理选择喷嘴结构及其相关参数：喷嘴孔径减小、孔道长度增加、钨极内缩量增大，都会导致双弧倾向增大。保证钨极同心度：钨极偏心度增大，双弧倾向增大。改善喷嘴冷却能力：喷嘴冷却能力差，喷嘴表面有金属飞溅聚集，双弧倾向增大。正确选择电流和离子气流量：结构条件一定时，电流增大和气流量减小都会导致双弧现象。采用陡降外特性电源有利于避免产生双弧。控制喷嘴距工件的距离一般取5~12mm。返回第13页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊14第二节等离子弧焊接一、焊接方法及参数选择

等离子弧的特点：高温、高能量密度、高穿透能力等离子弧焊接：穿孔型、熔入型、微束等离子弧焊接等（一）穿孔型等离子弧焊接等离子弧一次完全熔透工件并从熔池底部的小孔穿出；穿孔效应需要足够的能量密度，焊接板厚有限。第14页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊15第二节等离子弧焊接主要工艺参数选择原则：焊接电流：由材料和板厚首先选定。喷嘴结构和孔径：根据电流确定。第15页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊16第二节等离子弧焊接离子气流量：影响等离子流力和穿透能力，与焊接电流匹配。1-圆柱形喷嘴（d=3mm）2-收敛-扩散型喷嘴3-加填充丝可消除咬肉区域收敛-扩散型喷嘴第16页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊17第二节等离子弧焊接焊接速度：与焊接电流和等离子气流量相匹配。喷嘴高度：一般常取3~5mm。保护气流量：与离子气流量比例适中。第17页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊18第二节等离子弧焊接第18页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊19第二节等离子弧焊接（二）熔入型等离子弧焊接特点

焊接电流和离子气流量较小、电弧穿透力较弱；焊接参数波动对焊缝成形的影响较小；焊接过程稳定性较高；焊缝形状系数较大(主要由于熔宽增加)；热影响区较宽、焊接变形较大等。应用

一般用于薄板、超薄板、角焊缝和多层焊的填充及盖面焊道焊接。第19页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊20第二节等离子弧焊接（三）微束等离子弧焊接电流<15~30A的熔入型等离子弧焊接。由于喷嘴(孔径≤lmm)的拘束作用和采用联合型等离子弧，使小电流的细等离子弧(弧柱直径<1mm)，燃烧十分稳定，弧长可以达30mm以上，已成为焊接金属箔、细丝的首选方法。为了保证焊接质量，应采用精密的工装夹具，保证装配质量和防止焊接变形。第20页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊21第二节等离子弧焊接要特别重视工件表面的清理；还应设计合理的焊接接头形式；也可采用光学放大观察系统。第21页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊22第二节等离子弧焊接（四）脉冲等离子弧焊接（五）熔化极等离子弧焊接第22页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊23第二节等离子弧焊接（六）变极性等离子弧焊接第23页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊24

二、等离子弧焊接设备第二节等离子弧焊接第24页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊25第二节等离子弧焊接1、电源要求：具有陡降或垂降特性、具有电流递增及电流衰减等功能。直流电源：微束等离子弧采用联合弧；大电流等离子弧采用转移弧。维弧电源空载电压100~150V；转移弧电源80V左右。直流脉冲电源变极性交流方波电源第25页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊26第二节等离子弧焊接2、气路系统3、控制系统返回第26页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊27第三节等离子弧的其它应用

一、等离子弧切割1、等离子弧切割原理及参数选择利用高温、高速等离子体焰流把金属局部熔化和蒸发，并随即吹出而形成切口。

工艺参数选择：

离子气种类：Ar、Ar+H2、N2、N2+H2和空气。一般根据厚度和切口质量要求来选择。板厚40mm以下金属材料常用空气PAC；Ar+H2一般用于高切口质量要求、大厚板和高速切割；N2+H2可切厚板，成本低、质量较差。第27页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊28第三节等离子弧的其它应用

电流和电压：提高电流、电压可提高切割速度和厚度。电流过大会带来切口加宽、双弧倾向增大、作业区域臭氧浓度增大、喷嘴及钨极寿命降低等弊端。应采用提高电压的方法。切割速度：在保证切透前提下尽量采用更大的切割速度，以克服低速切割而导致的生产率低、割口粗糙、底部熔瘤增多和HAZ增宽等问题。喷嘴高度：一般取5～8mm为宜。高度过大会导致穿透能力下降；过小则易导致喷嘴过热、双弧倾向增大。第28页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊29第三节等离子弧的其它应用第29页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊30第三节等离子弧的其它应用2、提高切割质量的途径切口宽度和平直度：顶部较底部切除较多金属，顶部边缘略带圆角；小电流等离子弧切割平直度较高。切口熔瘤消除：不锈钢熔化金属流动性差+导热性差、底部过热；保证钨极与喷嘴的同心度、采用足够高的等离子弧功率、选用合适的气流量和切割速度。大厚度切割质量：采用高功率和电源空载电压、采用热焓值大和热导率高的氮氢混合气、采用电流递增式或分级转弧、预热。第30页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊31第三节等离子弧的其它应用3、等离子弧切割方法空气等离子弧切割：利用压缩空气作为离子气；割枪采用铪或锆铜镶嵌式水冷或间接冷却电极。铪或锆表面在空气中容易生成氧化物和氮化物，两者均易发射电子，且熔点高，电极寿命较长。工艺参数选择见P145表6-8。第31页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊32第三节等离子弧的其它应用水压缩等离子弧切割水下等离子弧切割氧气等离子弧切割脉冲等离子弧切割双弧切割微束等离子弧切割第32页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊33第三节等离子弧的其它应用1、粉末等离子弧堆焊一般采用转移或联合型弧；喷嘴中需送粉气流。适用于堆焊硬质耐磨合金。二、等离子弧堆焊第33页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章等离子弧焊34第三节等离子弧的其它应用

喷嘴孔道易吸附粉末，送粉孔入射角都在45以下。送粉量及其均匀性。常用的送粉装置有雾化式、射吸式及刮板式三种，目前以刮板式送粉器应用为最广泛。常用粉末粒度为40~120目。第34页，共38页，2023年，2月20日，星期三2023/5/4第六章