等離子弧焊接與切割

1、.項(xiàng)目七 等離子弧焊接與切割教學(xué)目標(biāo)：了解等離子弧焊接和切割的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍；掌握等離子弧焊的基本方法；能合理制定等離子弧焊工藝。了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。教學(xué)活動(dòng)設(shè)計(jì)：1在實(shí)訓(xùn)室中進(jìn)行講練結(jié)合的現(xiàn)場教學(xué)；2利用多媒體課件、仿真等輔助教學(xué)；教學(xué)重點(diǎn)：條電弧焊的原理、工藝特點(diǎn)制定焊條電弧焊工藝；掌握焊條電弧焊操作技術(shù)教學(xué)難點(diǎn)：能合理制定等離子弧焊工藝。了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。學(xué)習(xí)單元一 認(rèn)知等離子弧的焊接與切割一、等離子弧的形成1等離子弧目前，焊接領(lǐng)域中應(yīng)用的等離子弧實(shí)際上是一種壓縮電弧，是由鎢極氣體保護(hù)電弧發(fā)展而來的。鎢極氣體保護(hù)電弧常被稱為自由電弧，它燃燒

2、于惰性氣體保護(hù)下的鎢極與焊件之間，其周圍沒有約束，當(dāng)電弧電流增大時(shí)，弧柱直徑也伴隨增大，二者不能獨(dú)立地進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此自由電弧弧柱的電流密度、溫度和能量密度的增大均受到一定限制。實(shí)驗(yàn)證明，借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴(kuò)大時(shí)，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。2等離子弧形成原理目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內(nèi)部，并且在水冷噴嘴中通以一定壓力和流量的離子氣，強(qiáng)迫電弧通過噴嘴孔道，以形成高溫、高能量密度的等離子弧，如圖67-1所示。此時(shí)電弧受到下述三種壓縮作用：（1）機(jī)械壓縮

3、效應(yīng) 當(dāng)把一個(gè)用水冷卻的銅制噴嘴放置在其通道上，強(qiáng)迫這個(gè)“自由電弧”從細(xì)小的噴嘴孔中通過時(shí)，弧柱直徑受到小孔直徑的機(jī)械約束而不能自由擴(kuò)大，而使電弧截面受到壓縮。這種作用稱為“機(jī)械壓縮效應(yīng)”。（2）熱收縮效應(yīng) 水冷銅噴嘴的導(dǎo)熱性很好，緊貼噴嘴孔道壁的“邊界層”氣體溫度很低，電離度和導(dǎo)電性均降低。這就迫使帶電粒子向溫度更高、導(dǎo)電性更好的弧柱中心區(qū)集中，相當(dāng)于外圍的冷氣流層迫使弧柱進(jìn)一步收縮。這種作用稱為“熱收縮效應(yīng)”。（3）電磁收縮效應(yīng) 這是由通電導(dǎo)體間相互吸引力產(chǎn)生的收縮作用。弧柱中帶電的粒子流可被看成是無數(shù)條相互平行且通以同向電流的導(dǎo)體。在自身磁場作用下，產(chǎn)生相互吸引力，使導(dǎo)體相互靠近。導(dǎo)體間

4、的距離越小，吸引力越大。這種導(dǎo)體自身磁場引起的收縮作用使弧柱進(jìn)一步變細(xì)，電流密度與能量密度進(jìn)一步增加。電弧在三種壓縮效應(yīng)的作用下，直徑變小、溫度升高、氣體的離子化程度提高、能量密度增大。最后與電弧的熱擴(kuò)散作用相平衡，形成穩(wěn)定的壓縮電弧。這就是工業(yè)中應(yīng)用的等離子弧。作為熱源，等離子弧獲得了廣泛的應(yīng)用，可進(jìn)行等離子弧焊接、等離子弧切割、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、等離子弧冶金等。在上述三種壓縮作用中，噴嘴孔徑的機(jī)械壓縮作用是前提；熱收縮效應(yīng)則是電弧被壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應(yīng)是必然存在的，它對(duì)電弧的壓縮也起到一定作用。3等離子弧的影響因素等離子弧是壓縮電弧，其壓縮程度直接影響等離子弧的溫度、

5、能量密度、弧柱挺度和電弧壓力。影響等離子弧壓縮程度的因素主要有：（1）等離子弧電流 當(dāng)電流增大時(shí)，弧柱直徑也要增大。因電流增大時(shí)，電弧溫度升高，氣體電離程度增大，因而弧柱直徑增大。如果噴嘴孔徑不變，則弧柱被壓縮程度增大。（2）噴嘴孔道形狀和尺寸 噴嘴孔道形狀和尺寸對(duì)電弧被壓縮的程度具有較大的影響，特別是噴嘴孔徑對(duì)電弧被壓縮程度的影響更為顯著。在其他條件不變的情況下，隨噴嘴孔徑的減小，電弧被壓縮程度增大。（3）離子氣體的種類及流量 離子氣（工作氣體）的作用主要是壓縮電弧強(qiáng)迫通過噴嘴孔道，保護(hù)鎢極不被氧化等。使用不同成分的氣體作離子氣時(shí)，由于氣體的熱導(dǎo)率和熱焓值不同，對(duì)電弧的冷卻作用不同，故電弧被

6、壓縮的程度不同。改變和調(diào)節(jié)這些因素可以改變等離子弧的特性，使其壓縮程度適應(yīng)于切割、焊接、堆焊或噴涂等方法的不同要求。例如為了進(jìn)行切割，要求等離子弧有很大的吹力和高度集中的能量，應(yīng)選擇較小的壓縮噴嘴孔徑、較大的等離子氣流量、較大的電流和導(dǎo)熱性好的氣體；為進(jìn)行焊接，則要求等離子弧的壓縮程度適中，應(yīng)選擇較切割時(shí)稍大的噴嘴孔徑、較小的等離子氣流量。二、等離子弧的特性1溫度高、能量密度大普通鎢極氬弧的最高溫度為1000024000K，能量密度在104W/cm2以下。等離子弧的最高溫度可達(dá)2400050000K，能量密度可達(dá)105l08W/cm2，且穩(wěn)定性好。等離子弧和鎢極氬弧的溫度比較如圖6-2所示。2

7、等離子弧的能量分布均衡等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場強(qiáng)度明顯提高，因此等離子弧的最大壓降是在弧柱區(qū)，加熱金屬時(shí)利用的主要是弧柱區(qū)的熱功率，即利用弧柱等離子體的熱能。所以說，等離子弧幾乎在整個(gè)弧長上都具有高溫。這一點(diǎn)和鎢極氬弧是明顯不同的。3等離子弧的挺度好、沖力大鎢極氬弧的形狀一般為圓錐形，擴(kuò)散角在45°左右；經(jīng)過壓縮后的等離子弧，其形態(tài)近似于圓柱形，電弧擴(kuò)散角很小，約為5°左右，因此挺度和指向性明顯提高。等離子弧在三種壓縮作用下，橫截面縮小，溫度升高，噴嘴內(nèi)部的氣體劇烈膨脹，迫使等離子體高速從噴嘴孔中噴出，因此沖力大，挺直性好。電流越大，等離子弧的沖力也越大

8、，挺直性也就越好。4等離子弧的靜特性曲線仍接近于U形由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，U形曲線上移且其平直區(qū)域明顯減小，。5等離子弧的穩(wěn)定性好等離子弧的電離度較鎢極氬弧更高，因此穩(wěn)定性好。外界氣流和磁場對(duì)等離子弧的影響較小，不易發(fā)生電弧偏吹和漂移現(xiàn)象。焊接電流在10A以下時(shí)，一般的鎢極氬弧很難穩(wěn)定，常產(chǎn)生電弧漂移，指向性也常受到破壞。而采用微束等離子弧，當(dāng)電流小至0.1A時(shí)，等離子弧仍可穩(wěn)定燃燒，指向性和挺度均好。這些特性在用小電流焊接極薄焊件時(shí)特別有利。三、等離子弧的類型及應(yīng)用等離子弧按接線方式和工作方式不同，可分為非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和混合型三種類型，如圖6-

9、5所示。1非轉(zhuǎn)移型等離子弧鎢極接電源的負(fù)極，噴嘴接電源的正極，焊件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁之間燃燒的，非轉(zhuǎn)移弧主要在等離子弧噴涂、焊接和切割較薄的金屬及非金屬時(shí)采用。2轉(zhuǎn)移型等離子弧鎢極接電源的負(fù)極、焊件接電源的正極，等離子弧燃燒于鎢極與焊件之間，如圖6-5b所示。但這種等離子弧不能直接產(chǎn)生，必須先在鎢極和噴嘴之間接通維弧電源，以引燃小電流的非轉(zhuǎn)移型?。ㄒ龑?dǎo)?。缓髮⒎寝D(zhuǎn)移型弧通過噴嘴過渡到焊件表面，再引燃鎢極與焊件之間的轉(zhuǎn)移型等離子?。ㄖ骰。?，并自動(dòng)切斷維弧電源。采用轉(zhuǎn)移弧工作時(shí)，等離子弧溫度高、能量密度大，焊件上獲得的熱量多，熱的有效利用率高。常用于等離子弧切割、等離子弧焊接和等

10、離子弧堆焊等工藝方法中。3混合型等離子弧在工作過程中非轉(zhuǎn)移型弧和轉(zhuǎn)移型弧同時(shí)存在，則稱之為混合型（或聯(lián)合型）等離子弧，如圖6-5c所示。兩者可以用兩臺(tái)單獨(dú)的焊接電源供電，也可以用一臺(tái)焊接電源中間串接一定電阻后向兩個(gè)電弧供電。其中的轉(zhuǎn)移弧主要用來加熱焊件和填充金屬，非轉(zhuǎn)移弧用來協(xié)助轉(zhuǎn)移弧的穩(wěn)定燃燒（小電流時(shí)）和對(duì)填充金屬進(jìn)行預(yù)熱（堆焊時(shí)）。混合型等離子弧穩(wěn)定性好，電流很小時(shí)也能保持電弧穩(wěn)定，主要用在微束等離子弧焊接和粉末等離子弧堆焊等工藝方法中。學(xué)習(xí)單元二 等離子弧焊接一、等離子弧焊的基本方法及應(yīng)用等離子弧焊是借助水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用，獲得高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的方法，國際統(tǒng)稱為PAW

11、（Plasma Arc Welding）。按焊縫成形原理，等離子弧焊有下列三種基本方法：穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊。1穿透型等離子弧焊穿透型焊接法又稱小孔型等離子弧焊。該方法是利用等離子弧直徑小、溫度高、能量密度大、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下實(shí)現(xiàn)的，焊縫斷面呈酒杯狀，如圖6-7所示。焊接時(shí)，采用轉(zhuǎn)移型等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流力作用下形成一個(gè)穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子弧（稱其為“尾焰”）。熔化金屬被排擠在小孔周圍，依靠表面張力的承托而不會(huì)流失。隨著焊槍向前移動(dòng)，小孔也跟著焊槍移動(dòng)，熔池中的液態(tài)金屬在電弧吹力、表面張力作用下沿熔池壁向

12、熔池尾部流動(dòng)，并逐漸收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波紋的焊縫，這就是所謂的小孔效應(yīng)。如圖6-8所示。利用這種小孔效應(yīng)，不用襯墊就可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。焊接時(shí)一般不加填充金屬，但如果對(duì)焊縫余高有要求的話，也可加入填充金屬。目前大電流（100 500A）等離子弧焊通常采用這種方法進(jìn)行焊接。2熔透型等離子弧焊熔透型等離子弧焊又稱熔入型焊接法，它是采用較小的焊接電流（30100A）和較低的離子氣流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。在焊接過程中不形成小孔效應(yīng)，焊件背面無“尾焰”。液態(tài)金屬熔池在弧柱的下面，靠熔池金屬的熱傳導(dǎo)作用熔透母材，實(shí)現(xiàn)焊透。焊縫斷面形狀呈碗狀，如圖6-9所示。熔透型等離子弧焊

13、基本焊法與鎢極氬弧焊相似。焊接時(shí)可加填充金屬，也可不加填充金屬。主要用于薄板（0.52.5mm以下）的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接以及角焊縫的焊接。3微束等離子弧焊焊接電流在30A以下的等離子弧通常稱為微束等離子弧焊。有時(shí)也把焊接電流稍大的等離子弧歸為此類。這種方法使用很小的噴嘴孔徑（ø0.5ø1.5mm），得到針狀細(xì)小的等離子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。上述三種等離子弧焊方法均可采用脈沖電流，借以提高焊接過程的穩(wěn)定性，此時(shí)稱為脈沖等離子弧焊。脈沖等離子弧焊易于控制熱輸入和熔池，適于全位置焊接，并且其焊接熱影響區(qū)和焊接變形都更小。尤其是脈沖

14、微束等離子弧焊，特點(diǎn)更突出，因而應(yīng)用較廣。交流等離子弧焊具有陰極清理作用，主要用來焊接鋁、鎂及其合金。熔化極等離子弧焊實(shí)質(zhì)上是一種等離子弧焊和MIG焊組合在一起的聯(lián)焊方法。這兩種方法特點(diǎn)不突出，目前用得尚不多。二、等離子弧焊工藝1等離子弧焊的工藝特點(diǎn)1）由于等離子弧的溫度高、能量密度大，因此等離子弧焊熔透能力強(qiáng)，可用比鎢極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。這不僅提高了焊接生產(chǎn)率，而且可減小熔寬、增大熔深，因而可減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。2）由于等離子弧的形態(tài)近似于圓柱形，挺度好，因此當(dāng)弧長發(fā)生波動(dòng)時(shí)熔池表面的加熱面積變化不大，對(duì)焊縫成形的影響較小，容易得到均勻的焊縫成形。3）由于等離子弧的穩(wěn)定性好

15、，使用很小的焊接電流也能保證等離子弧的穩(wěn)定，故可以焊接超薄件。4）由于鎢極內(nèi)縮在噴嘴里面，焊接時(shí)鎢極與焊件不接觸，因此可減少鎢極燒損和防止焊縫金屬夾鎢。2等離子弧焊工藝（1）接頭形式 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對(duì)接接頭、開單面V形和雙面V形坡口的對(duì)接接頭以及開單面U形和雙面U形坡口的對(duì)接接頭。除此之外，也可用角接接頭和T型接頭。（2）焊接參數(shù)的選擇 等離子弧焊焊接時(shí)，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊（包括微束等離子弧焊）兩種。在采用穿透型等子弧焊時(shí)，焊接過程中確保小孔的穩(wěn)定，是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的前提。影響小孔穩(wěn)定性的主要焊接工藝參數(shù)有：1）噴嘴孔徑 噴嘴孔徑直接決定等離子弧的壓縮程度，

16、是選擇其他參數(shù)的前提。在焊接生產(chǎn)過程中，當(dāng)焊件厚度增大時(shí)，焊接電流也應(yīng)增大，但一定孔徑的噴嘴其許用電流是有限制的，見表6-2。因此，一般應(yīng)按焊件厚度和所需電流值確定噴嘴孔徑。2）焊接電流 當(dāng)其他條件不變時(shí)，焊接電流增加，等離子弧的熱功率也增加，熔透能力增強(qiáng)。因此，應(yīng)根據(jù)焊件的材質(zhì)和厚度首先確定焊接電流。3）離子氣種類及流量 目前應(yīng)用最廣的離子氣是氬氣，適用于所有金屬。為提高焊接生產(chǎn)效率和改善接頭質(zhì)量，針對(duì)不同金屬可在氬氣中加入其他氣體。例如，焊接不銹鋼和鎳合金時(shí)，可在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為5%7.5%的氬氣；焊接鈦及鈦合金時(shí)，可在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為5075的氦氣。當(dāng)其他條件不變時(shí)，離子氣流量增

17、加，等離子弧的沖力和穿透能力都增大。因此，要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔法焊接過程，必須要有足夠的離子氣流量；但離子氣流量太大時(shí)，會(huì)使等離子弧的沖力過大將熔池金屬?zèng)_掉，同樣無法實(shí)現(xiàn)穿透法焊接。4）焊接速度 當(dāng)其他條件不變時(shí)，提高焊接速度，則輸入到焊縫的熱量減少，在穿孔法焊接時(shí)，小孔直徑將減?。蝗绻杆偬?，則不能形成小孔，故不能實(shí)現(xiàn)穿透法焊接。焊接速度的確定，取決于焊接電流和離子氣流量。5）噴嘴高度 噴嘴端面至焊件表面的距離為噴嘴高度。生產(chǎn)實(shí)踐證明噴嘴高度應(yīng)保持在3 8mm較為合適。如果噴嘴高度過大，會(huì)增加等離子弧的熱損失，使熔透能力減小，保護(hù)效果變差；但若噴嘴高度太小，則不便操作，噴嘴也易被飛濺物堵塞，還

18、容易產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象。6）保護(hù)氣成分及流量 等離子弧焊時(shí)，除向焊槍輸入離子氣外，還要輸入保護(hù)氣，以充分保護(hù)熔池不受大氣污染。大電流等離子弧焊時(shí)保護(hù)氣與離子氣成分應(yīng)相同，否則會(huì)影響等離子弧的穩(wěn)定性。小電流等離子弧焊時(shí)，離子氣與保護(hù)氣成分可以相同，也可以不同，因?yàn)榇藭r(shí)氣體成分對(duì)等離子弧的穩(wěn)定性影響不大。保護(hù)氣一般采用氬氣，焊接銅、不銹鋼、低合金鋼時(shí)，為防止焊縫缺陷，通常在氬氣中加一定量的氦氣、氫氣或二氧化碳等氣體。保護(hù)氣流量應(yīng)與離子氣流量有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?。如果保護(hù)氣流量過大，則會(huì)造成氣流紊亂，影響等離子弧穩(wěn)定性和保護(hù)效果。穿透法焊接時(shí)，保護(hù)氣流量一般選擇1530L/min。學(xué)習(xí)單元三 等離子弧切割一、

19、等離子弧切割原理及特點(diǎn)1等離子弧切割原理等離子弧切割是利用等離子弧的熱能實(shí)現(xiàn)切割的方法。國際統(tǒng)稱為PAC（Plasma Arc Cutting)。等離子弧切割的原理與氧氣的切割原理有著本質(zhì)的不同。氧氣切割主要是靠氧與部分金屬的化合燃燒和氧氣流的吹力，使燃燒的金屬氧化物熔渣脫離基體而形成切口的。因此氧氣切割不能切割熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化物熔點(diǎn)高和粘滯性大的材料。等離子弧切割過程不是依靠氧化反應(yīng)，而是靠熔化來切割工件的。等離子弧的溫度高（可達(dá)50000K），目前所有金屬材料及非金屬材料都能被等離子弧熔化，因而它的適用范圍比氧氣切割要大得多。等離子弧切割原理見圖6-14，其中圖6-14a采用轉(zhuǎn)移弧，

20、適用于金屬材料切割，圖6-14b采用非轉(zhuǎn)移弧，既可用于非金屬材料切割，也可用于金屬材料切割，但由于工件不接電源。電弧挺度差，故能切割的金屬材料厚度較小。2等離子弧切割特點(diǎn)（1）切割速度快，生產(chǎn)率高 它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。（2）切口質(zhì)量好 等離子弧切割切口窄而平整，產(chǎn)生的熱影響區(qū)和變形都比較小，特別是切割不銹鋼時(shí)能很快通過敏化溫度區(qū)間，故不會(huì)降低切口處金屬的耐蝕性能；切割淬火傾向較大的鋼材時(shí)，雖然切口處金屬的硬度也會(huì)升高，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋，但由于淬硬層的深度非常小，通過焊接過程可以消除，所以切割邊可直接用于裝配焊接。（3）應(yīng)用面廣 由于等離子弧的溫度高、能量集中，所以能切割幾乎各

21、種金屬材料，如不銹鋼、鑄鐵、鋁、鎂、銅等，在使用非轉(zhuǎn)移性等離子弧時(shí)，還能切割非金屬材料，如石塊、耐火磚、水泥塊等。三、等離子弧切割工藝1切割工藝參數(shù)的選擇等離子弧切割工藝參數(shù)較多，主要有離子氣種類和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、切割電流和切割電壓、切割速度和噴嘴高度等。各種參數(shù)對(duì)切割過程的穩(wěn)定性和切割質(zhì)量均有不同程度的影響，切割時(shí)必須依據(jù)切割材料種類、工件厚度和具體要求來選擇。（1）離子氣的種類和流量 等離子弧切割時(shí)，氣體的作用是壓縮電弧，防止鎢極氧化，吹掉割縫中的熔化金屬，保護(hù)噴嘴不被燒壞。離子氣的種類和流量對(duì)上述作用有直接影響，從而影響切割質(zhì)量。一般切割l00mm以下的不銹鋼、鋁等材料時(shí)，可以

22、使用純氮?dú)饣蜻m當(dāng)加些氬氣，既經(jīng)濟(jì)又能保證切割質(zhì)量；當(dāng)使用Ar （H2）35混合氣體時(shí)，由于H2的熱焓大，熱導(dǎo)率高，對(duì)電弧的壓縮作用更強(qiáng)，氣體噴出時(shí)速度極高。電弧吹力大，有利于切口熔化金屬的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的板材。（2）噴嘴 噴嘴孔徑的大小應(yīng)根據(jù)切割工件厚度和選用的離子氣種類確定。切割厚度較大時(shí)，要求噴嘴孔徑也要相應(yīng)增大；使用ArH2混合氣體時(shí)，噴嘴孔徑可適當(dāng)小一些，使用N2時(shí)應(yīng)大一些。（3）空載電壓 等離子弧切割要求電源有較高的空載電壓（一般不低于150V），因空載電壓低將使切割電壓的提高受到限制，不利于厚件的切割。（4）切割電流和切割電壓 切割電流和切割電壓是決定切割電弧功率的兩個(gè)重要參數(shù)。選擇切割電流應(yīng)根據(jù)選用的噴嘴孔徑d的大小而定，其相互關(guān)系大致為 I（30100)d。（5）切割速度 切割速度應(yīng)根據(jù)等離子弧功率、工件厚度和材質(zhì)來確定。在切割功率相同的情況下，由于鋁的熔點(diǎn)低，切割速度應(yīng)快些；鋼的熔點(diǎn)較高，切割速度應(yīng)較慢；銅的導(dǎo)熱性好，散熱快，故切割速度應(yīng)更慢些。（6）噴嘴高度 噴嘴端面至工件表面的距離為噴嘴高度。隨噴嘴高度的增大，等離子弧的切割電壓提高，功率增大。2提高切割質(zhì)量的途徑良好的切割質(zhì)量應(yīng)該是切口面光潔、切口窄，切口上部呈直角、無熔化圓角，切口下部