第四章PAW焊接

1、電弧焊基礎(chǔ)電弧焊基礎(chǔ)第四章第四章 等離子弧焊等離子弧焊Chapter 4: Plasma Arc Welding （PAW）一一. 等離子弧概念、形式和特性等離子弧概念、形式和特性1.1 自由電弧和拘束電?。ǖ入x子弧）自由電弧和拘束電?。ǖ入x子?。?自由電?。鹤杂呻娀。篢IG電弧，除受到電弧自身磁場(chǎng)拘束電弧，除受到電弧自身磁場(chǎng)拘束和周圍環(huán)境的冷卻拘束外，不受其它和周圍環(huán)境的冷卻拘束外，不受其它條件束縛，電弧形態(tài)相對(duì)比較擴(kuò)展，條件束縛，電弧形態(tài)相對(duì)比較擴(kuò)展，電弧能量密度和電弧溫度較低，稱作電弧能量密度和電弧溫度較低，稱作自由電弧自由電弧 拘束電?。壕惺娀。?人為把自由電弧的一極縮進(jìn)到小直徑人為

2、把自由電弧的一極縮進(jìn)到小直徑噴嘴（噴嘴（銅質(zhì)、水冷銅質(zhì)、水冷）里，則電弧通過(guò)）里，則電弧通過(guò)噴嘴孔時(shí)，弧柱截面積受到限制，即噴嘴孔時(shí)，弧柱截面積受到限制，即產(chǎn)生了外部拘束作用不能自由擴(kuò)展，產(chǎn)生了外部拘束作用不能自由擴(kuò)展，電弧在徑向上被強(qiáng)烈壓縮，叫做電弧在徑向上被強(qiáng)烈壓縮，叫做“拘拘束電弧束電弧”或或“壓縮電弧壓縮電弧”，電弧的溫，電弧的溫度、能量密度、等離子流速都顯著增度、能量密度、等離子流速都顯著增加，也稱為加，也稱為“等離子弧等離子弧”離子氣、保護(hù)氣1.2 PAW 電弧特點(diǎn)電弧特點(diǎn)lPAW溫度更高，能量密度更大。普通TIG弧的最高溫度為10 00024 000K，能量密度小于104W/cm

3、2。等離 子 弧 溫 度 可 達(dá) 2 4 00050 000K，能量密度可達(dá)105106W/cm2 。l等離子弧帶電粒子的運(yùn)動(dòng)速度很高（可接近音速），其挺直性明顯好于TIG電弧。TIG電弧的擴(kuò)散角約為45，而等離子弧擴(kuò)散角約為6。 各種焊接方法能量密度比較各種焊接方法能量密度比較Point focal普通TIG雙氣流TIG焊等離子焊電子束焊激光焊高能束焊能量密度壓縮（聚焦元件）50W/mm2150W/mm2103W/mm2105W/mm2105W/mm2氣動(dòng)(噴嘴)電磁(聚焦線圈)光學(xué)(聚焦透鏡)熔化熔化熔化小孔小孔小孔熔化模式1.3 PAW 電弧溫度和能量密度提高的原因電弧溫度和能量密度提高

4、的原因l水冷噴嘴孔道對(duì)電弧的機(jī)械壓縮，使電弧弧柱截面積減小，能量更為集中。這是前提條件。l噴嘴水冷作用使靠近噴嘴內(nèi)壁的氣體受到一定程度的冷卻，其溫度和電離度下降，迫使弧柱區(qū)帶電粒子集中到弧柱中的高溫高電離度區(qū)流動(dòng)，這樣由于冷壁而在弧柱四周產(chǎn)生一層電離度趨近于零的冷氣膜，使弧柱有效截面積進(jìn)一步減小，電流密度進(jìn)一步提高，這稱之為“熱壓縮” 。這是最本質(zhì)的原因。l基于兩種壓縮效應(yīng)的存在，在弧柱電流密度增大以后，弧柱電流線之間的電磁收縮作用也進(jìn)一步增強(qiáng)，使弧柱溫度和能量密度進(jìn)一步提高。1.4 等離子弧三種形式等離子弧三種形式 轉(zhuǎn)移型等離子?。恨D(zhuǎn)移型等離子弧：主電源正負(fù)極分別接續(xù)到工件和電極上，等離子弧

5、燃燒在電極與母材之間主電源正負(fù)極分別接續(xù)到工件和電極上，等離子弧燃燒在電極與母材之間。由于電極到工件的距離較長(zhǎng)，引燃電弧時(shí)，首先在電極與噴嘴內(nèi)壁間引。由于電極到工件的距離較長(zhǎng)，引燃電弧時(shí)，首先在電極與噴嘴內(nèi)壁間引燃一個(gè)小電弧，稱作燃一個(gè)小電弧，稱作“引燃弧引燃弧”（小弧）（小?。臻g溫度升高，高溫氣流從噴，空間溫度升高，高溫氣流從噴嘴孔道中噴出，其中也含有帶電粒子，隨后在主電源較高的空載電壓下，嘴孔道中噴出，其中也含有帶電粒子，隨后在主電源較高的空載電壓下，電弧能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)移到電極與工件之間，稱作電弧能夠自動(dòng)轉(zhuǎn)移到電極與工件之間，稱作“主弧主弧”或或“轉(zhuǎn)移弧轉(zhuǎn)移弧”。主弧。主弧引燃后，通過(guò)開(kāi)關(guān)

6、引燃后，通過(guò)開(kāi)關(guān)切斷切斷引燃弧。引燃弧。大電流焊接可以采用轉(zhuǎn)移型大電流焊接可以采用轉(zhuǎn)移型PAW。小弧引弧也可以采用從電源正極串聯(lián)一個(gè)電阻接續(xù)到焊槍噴嘴上的方式 混合型等離子?。夯旌闲偷入x子弧：與轉(zhuǎn)移型等離子弧類似，但當(dāng)形成轉(zhuǎn)移弧后仍然保留引燃弧（與轉(zhuǎn)移型等離子弧類似，但當(dāng)形成轉(zhuǎn)移弧后仍然保留引燃?。ā靶』⌒』　保?，即形成兩個(gè)電弧同時(shí)燃燒的局面，效果是轉(zhuǎn)移弧燃燒更為穩(wěn)定。，即形成兩個(gè)電弧同時(shí)燃燒的局面，效果是轉(zhuǎn)移弧燃燒更為穩(wěn)定。小電流小電流焊接焊接電弧冷卻強(qiáng)烈，易熄滅，可以電弧冷卻強(qiáng)烈，易熄滅，可以采用混合型采用混合型PAW。 小弧電源相對(duì)功率較小，一般只需要有幾安培的輸出。小弧電源相對(duì)功率較小

7、，一般只需要有幾安培的輸出。 等離子焰流等離子焰流：在鎢極與噴嘴內(nèi)壁之間引燃等離子弧，電弧電源正負(fù)極分別接續(xù)到電極和在鎢極與噴嘴內(nèi)壁之間引燃等離子弧，電弧電源正負(fù)極分別接續(xù)到電極和噴嘴上。由于保護(hù)氣通過(guò)電弧區(qū)被加熱，流出噴嘴時(shí)帶出高溫等離子焰流噴嘴上。由于保護(hù)氣通過(guò)電弧區(qū)被加熱，流出噴嘴時(shí)帶出高溫等離子焰流，對(duì)被加工工件進(jìn)行加熱，因此稱作，對(duì)被加工工件進(jìn)行加熱，因此稱作“等離子焰流等離子焰流”。電極與噴嘴內(nèi)壁間。電極與噴嘴內(nèi)壁間的電弧，其電流值較小，電弧溫度低，因此等離子焰流的溫度也明顯低于的電弧，其電流值較小，電弧溫度低，因此等離子焰流的溫度也明顯低于電弧，指向性不如等離子弧。多用于表面堆焊

8、、處理。電弧，指向性不如等離子弧。多用于表面堆焊、處理。1.5 等離子弧靜特性等離子弧靜特性 受到水冷噴嘴孔道壁的拘束，弧柱截面積小，弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增受到水冷噴嘴孔道壁的拘束，弧柱截面積小，弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，靜特性曲線中平特性區(qū)不明顯，上升大，電弧電壓明顯提高，靜特性曲線中平特性區(qū)不明顯，上升特性區(qū)斜率增加。特性區(qū)斜率增加。 思考：為什么？思考：為什么？ 混合式等離子弧中的小弧電流對(duì)主弧特性有明顯影響，小弧電混合式等離子弧中的小弧電流對(duì)主弧特性有明顯影響，小弧電流值增加，有利于降低主弧電壓，這在小電流電弧（主?。┲辛髦翟黾樱欣诮档椭骰‰妷?，這在小電流電?。ㄖ骰。┲斜憩F(xiàn)尤為突

9、出表現(xiàn)尤為突出 拘束孔道的尺寸和形狀對(duì)靜特性有明顯影響，噴嘴孔徑越小，拘束孔道的尺寸和形狀對(duì)靜特性有明顯影響，噴嘴孔徑越小，弧柱壓縮強(qiáng)越大，電場(chǎng)強(qiáng)度也越大，靜特性中的平特性區(qū)間越弧柱壓縮強(qiáng)越大，電場(chǎng)強(qiáng)度也越大，靜特性中的平特性區(qū)間越窄，上升特性區(qū)的斜率越大。窄，上升特性區(qū)的斜率越大。 離子氣種類和流量對(duì)弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度有明顯影響。離子氣種類和流量對(duì)弧柱電場(chǎng)強(qiáng)度有明顯影響。1.6 PAW 電弧焊接特點(diǎn)電弧焊接特點(diǎn)l普通TIG焊接時(shí)，加熱工件的熱量主要來(lái)源于陽(yáng)極區(qū)產(chǎn)熱，弧柱輻射和傳導(dǎo)熱僅起輔助作用。在等離子弧中，弧柱高速高溫等離子體通過(guò)接觸傳導(dǎo)和輻射帶給焊件的熱量明顯增加，甚至可能成為主要的熱量來(lái)源，

10、而陽(yáng)極產(chǎn)熱則降為次要地位。二二. 等離子弧焊接設(shè)備及焊接過(guò)程等離子弧焊接設(shè)備及焊接過(guò)程2.1 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備總成總成基本組成：焊接電源：交流（方波、變極性）、直流（脈沖），陡降外特性或恒流外特性。PAWPAW電弧電場(chǎng)強(qiáng)度很高，需要較高的電源空載和工作電壓。電弧電場(chǎng)強(qiáng)度很高，需要較高的電源空載和工作電壓。小弧電源的空載電壓為100150V，而轉(zhuǎn)移弧電源的空載電壓只需65-80V（離子氣為Ar），如果在離子氣中摻入H或He，空載電壓需要達(dá)到110120V 。氣路：氣瓶（銀灰）、氣管、氣體流量計(jì)（減壓）、氣壓開(kāi)關(guān)水路：高壓循環(huán)水、水管、水壓開(kāi)關(guān)焊槍：自動(dòng)；水冷；電路：焊槍電纜（水冷）、地線、

11、起弧穩(wěn)弧裝置送絲機(jī)：外部送絲，必需工作臺(tái)：固定、運(yùn)動(dòng)（工件）式17焊接電源冷卻電器件 焊槍氣瓶、壓力表2.2 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍焊槍基本要求：能固定噴嘴與鎢極的相對(duì)位置，并可進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)對(duì)噴嘴和鎢極進(jìn)行有效的冷卻； 噴嘴與鎢極之間要絕緣，以便在鎢極和噴嘴內(nèi)壁間引燃小弧；必須有雙氣路，能導(dǎo)入離子氣流和保護(hù)氣流；1.輕便易用，特別是便于噴嘴和鎢極的更換。2.2 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍焊槍2.3 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍噴嘴焊槍噴嘴噴嘴噴嘴 材料：紫銅，壁厚 3000 mm的場(chǎng)合的場(chǎng)合, 筒體筒體直徑大于直徑大于2 200 mm.優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)：?jiǎn)蔚篮附舆^(guò)程單道焊接過(guò)程, 降低填充金屬量

12、，高速焊接，低變形降低填充金屬量，高速焊接，低變形熱影響區(qū)窄，高質(zhì)量，焊縫外觀好，降低坡口準(zhǔn)備時(shí)間。熱影響區(qū)窄，高質(zhì)量，焊縫外觀好，降低坡口準(zhǔn)備時(shí)間。4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG 等離子弧與等離子弧與MIG電弧聯(lián)合使用的焊接方法電弧聯(lián)合使用的焊接方法真正復(fù)合真正復(fù)合 combination of plasma welding and MIG-welding using a single gun PAW電弧燃燒在電極夾和母材之間電弧燃燒在電極夾和母材之間 A plasma arc produced by a reduction in the gas orifice results in

13、 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 for mechanised welding4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG普通MIGPlasma-MIG4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG4.5 等離子切割等離子切割 空氣等離子切割：空氣等離子切割：鉿電極，鉿電極，以壓

14、縮空氣為工作氣體以壓縮空氣為工作氣體, 以以高溫高速的等離子弧為熱源、高溫高速的等離子弧為熱源、 將被切割的金屬局部熔將被切割的金屬局部熔化、并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走、形成狹化、并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走、形成狹窄切縫窄切縫 不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料切割不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料切割, 不不僅切割速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小僅切割速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小,工工件變形度低、件變形度低、 操作簡(jiǎn)單操作簡(jiǎn)單, 而且具有顯著的節(jié)能效果。而且具有顯著的節(jié)能效果。 該設(shè)備適用于各種機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)的制造、安裝和維該設(shè)備適用于各種機(jī)械、金

15、屬結(jié)構(gòu)的制造、安裝和維修，作中、薄板材的切斷、開(kāi)孔、挖補(bǔ)、開(kāi)坡口等切修，作中、薄板材的切斷、開(kāi)孔、挖補(bǔ)、開(kāi)坡口等切割加工割加工 切割厚度不大的金屬的時(shí)候，等離子切割速度快，尤切割厚度不大的金屬的時(shí)候，等離子切割速度快，尤其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氧切割法的其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氧切割法的56倍、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)倍、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒(méi)有熱影響區(qū)針對(duì)下列行業(yè)，查閱公開(kāi)出版的文獻(xiàn)資料。經(jīng)過(guò)閱讀、理解后，就下列針對(duì)下列行業(yè)，查閱公開(kāi)出版的文獻(xiàn)資料。經(jīng)過(guò)閱讀、理解后，就下列內(nèi)容進(jìn)行綜述：行業(yè)：航天、航空、造船、兵器、電站鍋爐、管道、汽內(nèi)容進(jìn)行綜述：行業(yè)

16、：航天、航空、造船、兵器、電站鍋爐、管道、汽車、工程機(jī)械、石油化工、建筑車、工程機(jī)械、石油化工、建筑該行業(yè)使用的材料現(xiàn)狀、用途和典型產(chǎn)品；該行業(yè)使用的材料現(xiàn)狀、用途和典型產(chǎn)品；采用非熔化極氣體保護(hù)焊焊接典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的現(xiàn)狀；采用非熔化極氣體保護(hù)焊焊接典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的現(xiàn)狀；采用非熔化極氣體保護(hù)焊在焊接產(chǎn)品時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法；采用非熔化極氣體保護(hù)焊在焊接產(chǎn)品時(shí)可能出現(xiàn)的問(wèn)題及解決辦法；非熔化極氣體保護(hù)焊在該行業(yè)應(yīng)用前景展望；非熔化極氣體保護(hù)焊在該行業(yè)應(yīng)用前景展望；各班按照學(xué)號(hào)順序，每各班按照學(xué)號(hào)順序，每2個(gè)人按順序選擇上述的個(gè)人按順序選擇上述的1個(gè)行業(yè)撰寫(xiě)綜述報(bào)告。個(gè)行業(yè)撰寫(xiě)綜述報(bào)告。實(shí)驗(yàn)學(xué)院的同學(xué)選擇每個(gè)同學(xué)單獨(dú)選擇實(shí)驗(yàn)學(xué)院的同學(xué)選擇每個(gè)同學(xué)單獨(dú)選擇1個(gè)行業(yè)。個(gè)行業(yè)。報(bào)告的撰寫(xiě)要求：報(bào)告的撰寫(xiě)要求：采用采用B5紙打印或者手寫(xiě)；如果打印，正文字體為小四號(hào)字；紙打印或者手寫(xiě)；如果打印，正文字體為小四號(hào)字；作業(yè)的頁(yè)數(shù)為作業(yè)的頁(yè)數(shù)為3-5頁(yè)頁(yè)(包括封面包括封面)，不得超過(guò)，不得超過(guò)5頁(yè)；頁(yè)；至少閱讀至少閱讀6篇文章，文字精煉；篇文章，文字精煉；參考文獻(xiàn)按照格式來(lái)寫(xiě)；參考文獻(xiàn)按照格式來(lái)寫(xiě)；獨(dú)立完成，獨(dú)立完成，不得互相抄襲，不得互相抄襲，發(fā)現(xiàn)后抄襲者和被抄襲者該作業(yè)成績(jī)均按照發(fā)現(xiàn)后抄襲者和被抄襲者