气焊气割实作(模块五)

气焊气割实作制作人：杨新华孙登科所属专业类名称：材料加工工程推荐学院：材料工程学院2013多媒体课件大赛气焊气割技术（模块五）先进焊接与切割技术课程目标1．能够正确描述热喷涂、等离子、数控及精密切割的原理、特点及应用；2．能够正确描述热喷涂、等离子、数控及精密切割设备组成；3．能够正确描述热喷涂、等离子、数控及精密切割工艺参数；知识目标能力目标1．能够识别热喷涂、等离子、数控及精密切割设备；2．能简单调节等离子切割工艺参数；3．能对先进焊接与切割工件做出质量评价；火焰喷涂喷焊1等离子切割2

火焰精密气割4目录

数控火焰切割31.火焰喷涂喷焊火焰喷涂

火焰喷涂是热喷涂技术中重要的一种喷涂方法。热喷涂用专用设备把某种固体材料熔化并使其雾化，加速喷射到机件表面，形成一特制薄层，以提高机件耐蚀、耐磨、耐高温等性能的一种工艺方法。

火焰喷涂应用广泛用氧－燃料气体作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。

火焰喷涂包括线材火焰喷涂、粉末火焰喷涂和棒材火焰喷涂。目前使用最多的是氧-乙炔线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。

火焰喷涂过程1.火焰喷涂喷焊(续)喷涂材料热源喷涂粒子束喷涂层基体加热熔化雾化飞行喷涂喷涂层的形成机理1.火焰喷涂喷焊(续)涂层材料热喷涂材料最好有较宽的液相区；

易分解材料；碳化钨；塑料对喷涂材料的形状与尺寸也有要求；线材：１３mm,粉末：

1

100m

(1)纯金属及其合金

(2)陶瓷材料

(3)复合材料

(4)有机塑料1.火焰喷涂喷焊(续)火焰分类中性焰：即乙炔在氧中充分燃烧。适宜于喷涂金属材料；中性焰1.火焰喷涂喷焊(续)还原焰：即乙炔相对氧气的比例偏大。会提高涂层碳含量且喷涂效率低；还原焰1.火焰喷涂喷焊(续)氧化焰：即氧气相对乙炔的比例偏大。适宜于喷涂陶瓷材料。氧化焰1.火焰喷涂喷焊(续)线材火焰喷涂原理和设备把金属线以一定的速度送进喷枪里，使端部在高温火焰中熔化，随即用压缩空气把其雾化并吹走，沉积在预处理过的工件表面上。1.火焰喷涂喷焊(续)压缩空气供给系统氧-乙炔供给系统、送丝机构、喷枪线材火焰喷涂设备图典型线材火焰喷涂设备1.火焰喷涂喷焊(续)1)涂层结构为明显的层状结构;2)涂层中含有明显的气孔和氧化物夹渣;3)涂层结合强度为10~30MPa;4)涂层气孔隙为10%~15%。涂层特性1.火焰喷涂喷焊(续)用少量气体将喷涂粉末输送到喷枪的喷嘴前端，通过燃气加热、熔化并加速喷涂到基体表面。粉末火焰喷涂1.火焰喷涂喷焊(续)粉末火焰喷涂的典型装置图粉末火焰喷涂设备粉末火焰喷涂设备主要是粉末火焰喷枪，其它辅助设备包括气瓶、气体流量调节装置等。当需要使用压缩空气时，还包括压缩空气系统。粉末火焰喷枪外形如右图所示。1.火焰喷涂喷焊(续)涂层特性

1）涂层中含有一定量的氧化物及气孔，并有少量变形不充分的颗粒；2）涂层结合强度10-30MPa；3）涂层孔隙率高。1.火焰喷涂喷焊(续)火焰喷涂特点及工艺火焰喷涂特点：应用非常灵活，可喷涂金属、陶瓷、塑料等；喷涂设备轻便简单，可移动；设备价格低，经济性好。不足：喷出颗粒速度较小，火焰温度较低，涂层强度较低，气孔率高，容易氧化。1.火焰喷涂喷焊(续)

火焰喷涂工艺表面预处理喷后处理喷工作层喷打底层预热火焰喷涂工艺：预热目的：1）去除工件表面的水分；2）提高工件表面与熔粒的接触温度；3）降低涂层冷却速度，减小涂层内应力。预热温度一般控制在100～200℃为宜。可直接用喷枪预热需打底层时，可在喷涂工作层之前用钼或放热型的镍包铝、铝包镍粉末先喷涂一层厚度约0.10～0.15mm的打底层。严格控制喷涂材料的雾化参数、供给速度、喷涂距离（100～150mm）、喷涂角度（60°~90°）、喷枪与工件的移动速度（7～18m／min）和层间温度（<250℃）等。火焰喷焊热喷焊原理采用热源将涂层材料在基体表面重新熔化或部分熔化，并凝结于基体表面，形成与基体具有冶金结合的表面层，把这种表面冶金强化方法称为热喷焊，也称为熔结。1.火焰喷涂喷焊(续)热喷焊的特点组织致密，冶金缺陷很少，与基体结合强度高；所用材料范围窄；基材的变形比热喷涂大得多；热喷焊层的成分与原始成分有一定差别。1.火焰喷涂喷焊(续)火焰喷焊：火焰喷涂形成后或先在基体表面喷粉，再对涂层用火焰直接加热，使涂层在基体表面重新熔化，基体的表面完全润湿，界面有相互的元素扩散，产生牢固的冶金结合。1.火焰喷涂喷焊(续)

用氧—乙炔火焰作为喷焊的热源，把自熔合金粉末喷涂在基材表面，然后在基材不熔化的前提下加热熔化涂层，获得致密的、结合牢固的喷焊层。1火焰喷焊设备喷焊枪例如：氧—乙炔粉末火焰喷焊1.火焰喷涂喷焊(续)（1）预处理：清洁、粗化被处理工件表面；（2）预热：使工件产生适当的热膨胀，减少喷焊层应力。（3）喷粉和重熔：

1）一步法：边喷粉边熔化。特点是粉末沉积率高，但涂层厚度不均匀。

2）二步法：先喷涂，然后用重熔枪将涂层熔化形成喷焊层（“镜面”反光）。（4）后处理：喷焊较硬涂层时，应采取喷焊后缓冷的措施。火焰喷焊工艺1.火焰喷涂喷焊(续)火焰喷焊的应用1.火焰喷涂喷焊(续)用热源将涂层材料重熔，涂层内颗粒之间、涂层与基体之间形成无孔隙的冶金结合。组织致密，冶金缺陷很少，与基体结合强度高；所用材料范围窄；基材的变形比热喷涂大得多；热喷焊层的成分与原始成分有一定差别火焰喷焊的特点1.火焰喷涂喷焊(续)1）工件表面温度：喷涂时工件表面温度<250℃；喷焊要>900℃。2）结合状态：喷涂层以机械结合为主；喷焊层是冶金结合。3）粉末材料：喷焊用自熔性合金粉末，喷涂粉末不受限制。4）涂层结构：喷涂层有孔隙，喷焊层均匀致密无孔隙。5）承载能力：喷焊层可承受冲击载荷和较高的接触应力。喷焊工艺与喷涂工艺的区别1.火焰喷涂喷焊(续)火焰喷焊的应用热喷焊不仅可以用来修复表面磨损的零件，当使用合金粉喷焊时还能使修复件比新零件更耐磨，所以也将其用于新零件表面的强化和装饰等，使零件的使用性能更好，寿命更长。1.火焰喷涂喷焊(续)等离子切割过程与气割原理有本质的区别，它是一个物理切割的过程利用等离子弧的高温将割缝处金属熔化，并用高速焰流将其吹走随着割嘴的移动从而形成狭窄缝隙把材料分开等离子弧又称作压缩电弧一种导电截面收缩的比较小，从而能量更加集中的电弧

2.等离子切割产生的原理与焊接用电弧基本相同电弧是一种稳定的气体放电形式，是电流通过气体的现象通常情况下，气体是良好的绝缘体在外加能量作用下，气体中一些原子放出电子而变成正离子——电离等离子弧的产生

2.等离子切割（续）等离子体在30000K时，各种气体几乎都变成离子，处于完全电离状态处于完全电离状态的气体便是所谓的“等离子体”这种气体完全由带电粒子组成，具有很强的导电能力，呈现出明显的电磁性能，但其整体却保持着电中性物质存在的第四态

2.等离子切割（续）等离子弧发生装置的原理

2.等离子切割（续）电弧通过喷嘴孔道在钨极和被切割金属之间燃烧弧柱受冷气流及水冷喷嘴孔道壁的冷却作用促使电弧的弧柱导电截面缩小，电流密度增加整个弧柱的能量集中在中心区域热收缩效应

2.等离子切割（续）冷却气体的这种作用被称为“热收缩效应”在已缩小的截面上通过同样的电流，须提高供给电压这时，弧柱的电场强度会提高其值在很大程度上反映了电弧所受到的压缩程度

2.等离子切割（续）磁收缩效应等离子弧电流达到相当数值时，弧柱电流产生的磁场对弧柱截面积进一步压缩这种作用称为“磁收缩效应”自由燃烧电弧也存在磁收缩效应等离子弧有较高的电流密度而且以热收缩做前提所以磁收缩效应更强

2.等离子切割（续）机械收缩效应喷嘴孔道的孔径对弧柱产生强制压缩作用电弧周围的压缩气流或水流也对弧柱产生强制压缩作用这种对电弧的压缩被称为“机械收缩效应”

2.等离子切割（续）等离子切割的实现三种收缩效应的压力与等离子弧内部的热扩散作用达到平衡形成高速高温等离子流，从喷嘴孔喷出等离子流遇到低温金属便复合成原子或分子并放出能量，使割缝处金属温度迅速升高而熔化等离子流较强的机械冲力，将被熔化的金属冲走而实现切割

2.等离子切割（续）水射流等离子发生装置

图示为一种水射流等离子发生装置的切割示意图与一般等离子弧切割的区别主要在于喷嘴结构上的不同

2.等离子切割（续）水射流等离子发生装置结构

在喷嘴的弧柱出口处，增加一圈水射流孔水射流从四周射向电弧，加大热收缩效应弧柱经水冷却被进一步收缩电弧的能量密度更为集中，从而进一步提高切割速度

2.等离子切割（续）等离子弧的类型等离子弧的发生装置是在钨极氩弧焊的实践基础上形成的由电源的连接方式，等离子弧可分为转移型、非转移型和联合型三种

2.等离子切割（续）转移型等离子弧的发生电极接负极，工件接正极电弧首先在电极与喷嘴间形成然后在电极与工件加一较高电压等离子弧转移到电极与工件间

2.等离子切割（续）转移型等离子弧的应用转移型等离子弧的阴极斑点和阳极斑点分别落在电极和工件上产生的热量多而且集中可以用于切割，也可用来进行焊接这种类型的等离子弧发生在电极和工件间，所以要求工件必须是导体

2.等离子切割（续）非转移型等离子弧只是喷嘴接正极等离子弧产生于电极与喷嘴之间高温焰流经喷嘴喷出阳极斑点在喷嘴上，热量损失较多导致等离子弧的温度降低适用于薄板的切割和焊接可以切割金属材料和非金属材料

2.等离子切割（续）联合型等离子弧转移型等离子弧和非转移型等离子弧同时存在这种类型的等离子弧主要用于

微弧焊粉末材料的喷焊

2.等离子切割（续）等离子弧的物理特性(1)

等离子弧的热特性热特性是一个热源的重要特性等离子弧的温度、热功率及热效率等离子弧的温度等离子弧温度主要是指弧柱的温度弧柱温度一般与电弧功率，气体、电极材料及其它工作条件有关

2.等离子切割（续）等离子弧的温度等离子弧的弧柱温度可达15000K~50000K，而且从焰心到边缘的温度梯度极大转移型等离子弧较另两种类型等离子弧具有更高的温度工作气体用氮气，I=300A、U=250V、喷嘴孔径d=2.8mm和气体流量Q=50l/min条件下喷嘴附近最大温度Tmax=30000℃当I=1500A，d=2.5mm时，Tmax=52000℃，能量集中程度达到1.1×109W/cm2

2.等离子切割（续）等离子弧的工作气体气体在弧柱加热、分解、电离的过程中吸收热量，并达到很高的温度气体热分解、电离以及温度升高时，吸收的热量越多，传递热量的能力越大从加热分解的角度，只有分子态气体才可能分解等离子弧的工作气体有：H2、N2、空气、水蒸气和氩气等等离子弧燃烧时所用气体的热焓随温度的升高而增大

2.等离子切割（续）等离子弧的热效率电能在等离子枪中转变成热能，并没有全部用于加热工件冷却水带走、辐射等转移型弧热损失少些，工件可以得到60%的热能工件实际得到的热能为等离子弧有效热功率

2.等离子切割（续）等离子弧焰流速度等离子弧焰流速度极快，可达到音速甚至超音速(300~1000m/s)具有极强的吹力工件气体在喷嘴孔道被加热，体积急剧膨胀，喷出速度快(热力加速)切割工艺中，焰流速度快、冲力大的等离子弧被称为刚性弧小孔径喷嘴和大流量工作气体容易获得刚性弧

2.等离子切割（续）等离子弧切割工艺等离子弧工艺参数有

空载电压U0切割电流I工作电压U气体流量Q切割速度v喷嘴到工件的距离h钨极到喷嘴端面的距离l喷嘴孔径尺寸d

切割面斜角

2.等离子切割（续）空载电压U0为使等离子弧易于引燃和稳定燃烧，要电源的U0＞150V在切割较厚材料时(200mm以上)，U0＞200V切割厚材料时，U0=300~400V由于空载电压U0高，需注意安全

2.等离子切割（续）切割电流和工作电压

切割电流和工作电压决定了等离子弧的功率加大切割电流和工作电压可以增加等离子弧的热功率提高被切割工件厚度和切割速度切割速度随切割电流的增加而显著增加随被切割金属厚度的增加，切割电流I对切割速度v的影响效果变小

2.等离子切割（续）气体流量Q在其它条件相同时，Q的增加使弧柱热收缩效应增强，能量更集中随Q的增加，U增高→电弧功率提高，弧柱T升高，v增加同时电弧喷射速度加快，冲力提高，也有利于提高v和切割质量Q过大时，部分能量由冷空气带走，使熔化金属的热量减少影响电弧燃烧稳定性和正常的切割

2.等离子切割（续）切割速度v合适的切割速度v可以提高切口表面质量在功率不变的情况下，切割速度v加快→工件受热面积↓，热影响区↓V过大→被切割件出现不熔化V太慢→生产率↓，切口表面不光洁，底部毛刺增加，而且工件变形较大在保证切割质量的前提下，应尽量提高切割速度v速度偏高形成的挂渣

2.等离子切割（续）喷嘴到工件表面距离h为充分利用等离子弧热量，便于操作喷嘴到工件表面的距离h控制在10mm以内通常为4~7mm

2.等离子切割（续）喷嘴参数—l、dl—钨极端部到喷嘴端部的距离关系到电弧能否受到良好的压缩l过大，破坏电弧稳定性l太小，容易造成钨极与喷嘴短路而烧坏喷嘴

2.等离子切割（续）喷嘴直径d喷嘴直径影响弧柱直径和温度d↑→压缩程度减弱，能量密度↓

→冲力↓，v↓

→切割能力↓一般小U对应大d，大U对应小d

2.等离子切割（续）“零”斜角倒斜角正斜角

过高过低切割面斜角割炬高度对切割面斜角的影响效果。

2.等离子切割（续）3.数控火焰切割数控火焰切割机就是用数字程序驱动机床运动，随着机床运动时，通过切割火焰对物体进行切割。这种机电一体化的切割机就称之为数控火焰切割机。61龙门式数控切割机悬臂式数控切割机便携式数控切割机数控火焰切割机类型与结构3.数控火焰切割（续）

有效切割宽度分为：1.0m1.2m1.5m三种，有效长度有1.5m2.0m3.0m三种，三组数据可任意组合。便携式优点：价格便宜、质轻小巧、可直接放于钢板上进行切割，提高生产率，节约成本。 便携式缺点：切割宽度、长度有限制，铝合金横梁不能长时间在高温下连续切割，最厚切割60mm低碳钢，无改造价值。主要应用场合：第一类是厂房空间有限制。第二类资金紧张。第三类试探性购买。

便携式数控火焰切割机3.数控火焰切割（续）悬臂式数控火焰切割机简介

悬臂式优点：价格适中、占用场地少、切割范围广、最厚可切割至100mm。悬臂式缺点：悬臂式结构，单边驱动，只能固定在某一位置，不可挪动，随着使用年限的增加，误差会随着增加，无改造价值。3.数控火焰切割（续）龙门式数控火焰切割机简介龙门式优点：双边驱动，龙门结构稳定，横梁采用箱式焊接技术，不变形，切割尺度大，使用年限长，具有改造价值。龙门式缺点：占用厂房面积较大，固定式切割，不可拆不可挪动，购买价格较贵。3.数控火焰切割（续）板材数控切割机管材数控切割机其它数控切割机3.数控火焰切割（续）数控激光切割机，具有切割速度快，精度高等特点，激光切割机价格昂贵，切割费用高，目前只适合于薄板切割、精度要求高的场合数控水刀切割机，适用于任何材料的切割（金属、非金属、复合材料），切割精度高，不产生热变形，具环保的切割方式。它的缺点在于切割速度慢、效率低、切割费用高。其它数控切割机3.数控火焰切割（续）切割具有大厚度碳钢切割能力，切割费用较低；但存在切割变形大，切割精度不高，而且切割速度较低，切割预热时间、穿孔时间长，较难适应全自动化操作的需要。它的应用场合主要限于碳钢、大厚度板材切割，在中、薄碳钢板材切割上逐渐会被等离子切割代替。数控火焰切割机特点3.数控火焰切割（续）68数控火焰切割机结构1.料架2.气路系统3.控制系统4.主端梁5.主小车6.副小车7.割炬8横梁9副端梁10导轨与基础3.数控火焰切割（续）691、料架：料架采用钢结构焊接而成，允许多件拼接，上面铺设铸钢台角。3.