等離子弧焊接與切割課件

1、第七章 等離子弧焊與切割學(xué)習(xí)目標(biāo)： 通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生明確等離子弧焊接與切割的基礎(chǔ)知識(shí)；掌握等離子弧的形成、特性及應(yīng)用；熟悉等離子弧焊接與切割的特點(diǎn)、工藝及設(shè)備；并對(duì)等離子弧堆焊與噴涂有一定的了解。綜合知識(shí)模塊一 等離子弧的形成及其特性 1等離子弧 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(chēng)的等離子弧。等離子弧是電弧的一種特殊形式，是自由電弧被壓縮后形成的。從本質(zhì)上講，它仍然是一種氣體放電的導(dǎo)電現(xiàn)象。能力知識(shí)點(diǎn)一 等離子弧的形成2等離子弧形成原理 目前廣泛采

2、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(guò)噴嘴孔道，以形成高溫、高能量密度的等離子弧。此時(shí)電弧受到下述三種壓縮作用：（1）機(jī)械壓縮效應(yīng) （2）熱收縮效應(yīng)（3）電磁收縮效應(yīng) 在上述三種壓縮效應(yīng)中，噴嘴孔徑的機(jī)械壓縮效應(yīng)是形成等離子弧的前提；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。 能力知識(shí)點(diǎn)二 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10000K24000 K，能量密度在104wcm2以下。等離子弧的最高溫度可達(dá) 2400050000K，能量密度可達(dá) 105108wcm

3、2，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，圖中左半部為鎢極氬弧，右半部為等離子弧。圖6-2 等離子弧和鎢極氬弧的溫度分布 等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場(chǎng)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(shuō)，等離子弧幾乎在整個(gè)弧長(zhǎng)上都具有高溫。這一點(diǎn)和鎢極氬弧是明顯不同的。2等離子弧的能量分布均衡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(guò)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。等離子弧和鎢極氬弧的擴(kuò)散角比較如圖6

4、-3所示。 圖6-3 等離子弧和鎢 極氬弧的擴(kuò)散角 外界氣流和磁場(chǎng)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。由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場(chǎng)強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，U形靜特性曲線上移且其平直區(qū)域明顯減小，如圖6-4所示。 圖6-4 等離子弧的靜特性4等離子弧的穩(wěn)定性好能力知識(shí)點(diǎn)三 等離子弧的類(lèi)型及應(yīng)用 等離子弧按電源的供電方式不同可分為非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型及混合型等離子弧三種類(lèi)型，如圖6-5所示，特殊情況下還將形成雙弧現(xiàn)象。圖6-5 等離子弧的類(lèi)型a)非轉(zhuǎn)移型 b）轉(zhuǎn)移型 c）混合型 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，工件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁

5、之間燃燒的，在離子氣流的作用下電弧從噴嘴孔噴出，電弧受到壓縮而形成等離子弧，一般將這種等離子弧稱(chēng)為等離子焰，如圖65a）所示。 2轉(zhuǎn)移型等離子弧 鎢極接電源的負(fù)極、工件接電源的正極，等離子弧燃燒于鎢極與工件之間，如圖6-5b）所示。 4雙弧現(xiàn)象 在使用轉(zhuǎn)移型等離子弧進(jìn)行焊接或切割過(guò)程中，當(dāng)?shù)入x子弧被過(guò)度壓縮，冷卻不夠時(shí)，就會(huì)在鎢極和噴嘴及噴嘴和工件之間產(chǎn)生與主弧并列的電弧，這種現(xiàn)象稱(chēng)為等離子弧的雙弧現(xiàn)象，如圖所示 。在等離子弧焊接或切割過(guò)程中，一旦產(chǎn)生雙弧，就會(huì)減小主弧電流，破壞等離子弧的穩(wěn)定性，嚴(yán)重時(shí)還會(huì)燒燒毀噴嘴，使焊接或切割工作無(wú)法進(jìn)行。 3混合型等離子弧 在工作過(guò)程中非轉(zhuǎn)移型弧和轉(zhuǎn)移型

6、弧同時(shí)存在，則稱(chēng)之為混合型（或聯(lián)合型）等離子弧，如圖65c）所示。雙弧現(xiàn)象等離子弧不同的類(lèi)型及應(yīng)用類(lèi) 型特點(diǎn)應(yīng)用轉(zhuǎn)移型電弧溫度較高常用于金屬的焊接、堆焊與切割非轉(zhuǎn)移型電弧溫度較低噴涂、非金屬的焊接與切割混合型小電流下的電弧穩(wěn)定性好多用于微束等離子?。?0A）焊接 綜合知識(shí)模塊二 等離子弧焊 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。此外，還有一些派生類(lèi)型，如脈沖等離子弧焊、交流等離子弧焊等。能力知識(shí)點(diǎn)一 等離子弧焊的基本方法及應(yīng)用 穿孔型等離子弧焊又稱(chēng)穿透型焊接法。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?/p>

7、藝參數(shù)條件下實(shí)現(xiàn)的，如圖所示。 穿孔型等離子弧焊1穿孔型等離子弧焊 焊接時(shí)小孔的照片 熔透型等離子弧焊又稱(chēng)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。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)焊接。2熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊示意圖 熔透型等離子弧焊基本焊法與鎢極氬孤焊相似。焊接時(shí)可加填充金屬，也可不加填充金屬。 焊接電流在30A以下的等離子弧焊通常稱(chēng)為微束等離子弧焊。有時(shí)也把焊接電流稍大的等離子弧焊歸為此類(lèi)。這種方法使用很小的噴嘴孔徑(0.5mm1.5mm)，得到針狀細(xì)小的等離子弧，主要用于焊接厚度lmm以

8、下的超薄、超小、精密的工件。3微束等離子弧焊 以上三種形式都可以采用脈沖電流，焊接效果更好，但參數(shù)進(jìn)一步復(fù)雜化。 另外，還有交流等離子弧焊和等離子弧MIG焊（155）等。其中，正弦交流焊鋁鎂合金，焊縫深寬比小、鎢極燒損大，趨于被矩形波交流取代。變極性矩形波交流可獲得較大的焊縫深寬比及較少的鎢極燒損，主要用于小孔法焊接鋁合金。能力知識(shí)點(diǎn)二 等離子弧焊設(shè)備 按操作方式不同，等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊機(jī)和自動(dòng)焊機(jī)兩大類(lèi)。手工焊機(jī)主要由焊接電源、焊槍、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)等部分組成，如圖6-8所示。自動(dòng)焊機(jī)除上述部分外，還有焊接小車(chē)和送絲機(jī)構(gòu)（焊接時(shí)需要加填充金屬）。 圖6-8 手工等離子弧焊

9、機(jī)示意圖 等離子弧焊機(jī)一般采用具有陡降或垂直下降外特性的直流弧焊電源。 電源空載電壓根據(jù)離子氣的種類(lèi)而定，如用純氬氣或氬氣加氫氣(H2)7)作離子氣時(shí)，電源空載電壓只需80V左右；而用氦氣或其它混合氣體作離子氣時(shí)，為了可靠地引弧，則空載電壓還需更高一些，可達(dá)110120V。 1焊接電源 與氬弧焊或CO2氣體保護(hù)電弧焊相比，等離子弧焊機(jī)的供氣系統(tǒng)比較復(fù)雜。典型供氣系統(tǒng)如圖6-8所示，包括離子氣、保護(hù)氣等。為避免保護(hù)氣對(duì)離子氣的干擾，保護(hù)氣和離子氣最好由獨(dú)立氣路分開(kāi)供給。 為延長(zhǎng)噴嘴及電極的使用壽命，以及對(duì)等離子弧產(chǎn)生良好的熱收縮效應(yīng)，等離子弧焊機(jī)必須具有合適的水冷系統(tǒng)對(duì)焊槍進(jìn)行良好的冷卻。2氣路

10、和水冷系統(tǒng) 等離子弧焊槍的設(shè)計(jì)應(yīng)保證等離子弧燃燒穩(wěn)定，引弧及轉(zhuǎn)弧可靠，電弧壓縮性好，絕緣、通氣及冷卻可靠，更換電極方便，噴嘴和電極對(duì)中好。焊槍主要由電極、噴嘴、上、下槍體、保護(hù)罩、水路、氣路、饋電體等組成，如圖69所示。 圖6-9 等離子弧焊槍示意圖3焊槍1) 能提前輸送和滯后停止保護(hù)氣。 2) 能實(shí)現(xiàn)離子氣流的遞增和衰減。 3) 能可靠地引弧及轉(zhuǎn)換。 4) 能實(shí)現(xiàn)引弧電流遞增，熄弧電流遞減。 5) 無(wú)冷卻水時(shí)不能開(kāi)機(jī)。 6) 發(fā)生故障及時(shí)停機(jī)。 4控制系統(tǒng) 等離子弧焊設(shè)備的控制系統(tǒng)一般包括高頻引弧電路、拖動(dòng)控制電路、延時(shí)電路和程序控制電路等部分。控制系統(tǒng)一般應(yīng)具備如下功能：能力知識(shí)點(diǎn)三 等離

11、子弧焊工藝1等離子弧焊的工藝特點(diǎn)（l）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)。（2）由于等離子弧的形態(tài)近似于圓柱形，挺度好，因此容易得到均勻的焊縫成形。（3）由于等離子弧的穩(wěn)定性好，很小的焊接電流也能保證穩(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)與工件不接觸，因此可減少鎢極燒損和防止焊縫夾鎢。2等離子弧焊接頭形式 常用接頭形式如圖。焊接時(shí)要采用可靠的焊接夾具，以保證工件的裝配質(zhì)量。裝配間隙和錯(cuò)邊量越小越好。 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對(duì)接接頭、開(kāi)單面V形和雙面V形坡口的對(duì)接接頭以及開(kāi)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形

12、接頭。常用接頭形式 電流在0.1-225A的設(shè)備可用手工焊接，大電流等離子弧焊需使用自動(dòng)焊接。 凡氬弧焊能夠焊接的材料均可用等離子弧焊接，與鎢極氬弧焊相比，可采用較大的鈍邊和較小的坡口角度。其它如后熱以及氣體保護(hù)等工藝要求與氬弧焊基本相同。 建議工藝方案： （1）對(duì)接接頭，若材料/厚度合適，可用穿孔焊法，否則用熔入型焊法或穿孔焊打底+熔入型填充蓋面。（2）其它接頭形式：用熔入型焊法（3）細(xì)薄零件：用微束熔入型弧焊法，離子氣對(duì)不同材料最好用不同的混合氣。（4）如有可能，盡量脈沖電流焊接。3等離子弧焊工藝要點(diǎn) 厚度大于1.6mm但小于所列厚度值的工件，可不開(kāi)坡口，采用小孔法單面一次焊成。材 料 不

13、銹鋼 鈦及鈦合金 鎳及鎳合金低合金鋼 低 碳 鋼焊接厚度范圍 8 12 6 7 8 裝配與夾緊：小電流等離子弧焊對(duì)接頭的裝配要求和 鎢極氬弧焊相同。間隙不應(yīng)超過(guò)金屬厚 度的10%，難以保持上述公差時(shí)必須添加 填充金屬。對(duì)于厚度不大于0.8mm的金屬， 焊接接頭的裝配和夾緊要求。焊接金屬薄片時(shí)，要求夾具與工件緊密接觸。焊槍噴嘴至工件的距離不像氬弧焊時(shí)要求那么嚴(yán)格。能力知識(shí)點(diǎn)四 等離子弧堆焊與噴涂介紹 等離子弧堆焊可使堆焊層獲得與其基體金屬呈冶金結(jié)合的堆焊層，用以提高工件的耐磨性、耐蝕性、耐高溫性能，或用以彌補(bǔ)已磨損工件的尺寸、被腐蝕工件表面的蝕坑、麻點(diǎn)，達(dá)到修舊利廢的目的。目前在石油、冶金，造船

14、、軍工、化工、礦山機(jī)械、閥門(mén)等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用，并取得了巨大的經(jīng)濟(jì)效益。 按照堆焊材料的不同形態(tài)，等離子弧堆焊主要分為粉末等離子弧堆焊和熱絲等離子弧堆焊兩種，其中以粉末堆焊應(yīng)用較多。（一）等離子弧堆焊堆焊方法稀釋率（%）熔敷速度Kg/h最小堆焊層厚度mm熔敷效率（%）氧乙炔堆焊手工送絲1100.51.80.8100自動(dòng)送絲1100.56.80.8100粉末堆焊1100.51.80.88595焊條電弧堆焊10200.55.43.265埋弧堆焊單絲30604.511.33.295單帶極102012363.095等離子弧堆焊自動(dòng)送粉5150.56.80.88595手工送絲5150.53.62.498

15、100自動(dòng)送絲5150.53.62.498100雙熱絲51513272.498100等離子弧堆焊與其它堆焊方法的比較冷絲等離子弧堆焊手工送棒或自動(dòng)送絲（帶），在工藝和堆焊層質(zhì)量上都較穩(wěn)定，應(yīng)用于各種閥門(mén)耐磨、耐蝕零件的堆焊。熱絲等離子弧堆焊熔敷率提高和稀釋率降低顯著，可減少氣孔傾向，適用于大面積的堆焊。粉末等離子弧堆焊粉末來(lái)源廣、種類(lèi)多，熔敷率高、稀釋率低、堆焊層質(zhì)量好，工藝過(guò)程穩(wěn)定，易于機(jī)械化、自動(dòng)化；廣泛應(yīng)用于各種閥門(mén)密封面、石油鉆桿、模具刃口等的強(qiáng)化與修復(fù)。等離子弧堆焊的類(lèi)型：對(duì)塑性較好的焊材，用填絲等離子弧堆焊，且多用熱絲法。對(duì)硬脆的焊材用粉未等離子弧堆焊(等離子弧噴焊)，使用雙電源的

16、混合型等離子弧更好。（二）等離子弧噴涂等離子弧的噴涂具有其它噴涂方法的不具備的優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用廣泛（原理如上圖）噴涂材料幾乎不受限制（可噴涂非金屬）；不改變基體的熱處理狀態(tài)、焊件無(wú)變形；涂層薄而致密，結(jié)合強(qiáng)度高；工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)率高。 等離子弧噴涂是利用等離子弧的高溫、高速焰流，將粉末噴涂材料加熱和加速后再噴射、沉積到工件表面上形成特殊涂層的一種熱噴涂方法。等離子弧噴涂方法有絲極噴涂和粉末噴涂?jī)煞N，粉末等離子弧噴涂是其中應(yīng)用最廣泛的方法。(二)等離子弧噴涂等離子弧噴涂的一些應(yīng)用實(shí)例氣門(mén)噴涂（耐磨）發(fā)動(dòng)機(jī)葉片（耐高溫）絲極噴涂軋輥（耐磨）手工噴涂螺旋桿（耐磨）等離子弧噴涂的特點(diǎn)噴涂材料幾乎不受限制（

17、可 噴涂非金屬）； 不改變基體的熱處理狀態(tài)、 焊件無(wú)變形； 涂層薄而致密，結(jié)合強(qiáng)度高； 工藝穩(wěn)定、生產(chǎn)率高。 等離子弧的噴涂具有其它噴涂方法的不具備的優(yōu)勢(shì)，因而應(yīng)用廣泛。綜合知識(shí)模塊三 等離子弧切割 1等離子弧切割原理 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燃點(diǎn)高于熔點(diǎn)、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(guò)程不是依靠氧化反應(yīng)，而是靠熔化來(lái)切割工件的。能力知識(shí)點(diǎn)一 等離子弧切割原理及特點(diǎn) 圖6-14 等離子弧切割原理示意圖 等離子弧切割原理見(jiàn)圖6-1

18、4，其中圖a）采用轉(zhuǎn)移弧，適用于金屬材料切割，圖b）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。 （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，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，所以能切割大部分金屬材料，如不銹鋼、鑄鐵、鋁、銅等。在使用非轉(zhuǎn)移型等離子弧時(shí)還能切割非金屬材料，如石塊、耐火磚、水泥塊等。2等離子弧切割特點(diǎn)能力知識(shí)點(diǎn)二 等離子弧切割設(shè)備 等離子弧切割設(shè)備與等離子弧焊接設(shè)備大致相同，主要由電源、割槍、控制系統(tǒng)、氣路和水冷系統(tǒng)等組成。如果是自動(dòng)切割，還要有切割小車(chē)。主要不同之處是切割時(shí)所用的電壓、電流和離子氣流量都比焊接時(shí)高，而且全部是離子氣，不需要保護(hù)氣（沒(méi)有外噴嘴）。能力知識(shí)點(diǎn)三 等離子弧切割工藝參數(shù) 等離子弧切割工藝參數(shù)較多，主要有離子氣的種類(lèi)和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、