等離子弧焊接與噴涂01

第9章等離子弧焊接與噴涂Createdbygroup42014.12.23Contents目錄01等離子弧特性及其發(fā)生器02等離子弧焊接03等離子弧噴涂等離子弧特性及其發(fā)生器9.1定義

等離子弧是利用等離子弧焊槍，將陰極（如鎢極）和陽極之間的自由電弧壓縮成高溫、高電離度及高能量密度的電弧。等離子弧焊接（PlasmaArcWelding）是利用等離子弧作焊接熱源的熔焊方法；等離子弧噴涂（PlasmaArcSpraying）是以等離子弧為熱源，用氬、氮或其它氣體為噴射氣流的噴涂方法。9.1.1等離子弧的特性1、等離子弧的形成等離子弧是在鎢極氬弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，通常所說的等離子弧實(shí)際上是一種壓縮電弧，其借助水冷噴嘴等外部拘束條件使弧柱受到壓縮。電極等離子氣保護(hù)氣拘束噴嘴氣室保護(hù)氣噴嘴工件小孔焊縫金屬焊接方向三種壓縮效應(yīng)它是借助于以下三種壓縮效應(yīng)而形成的：（1）機(jī)械壓縮效應(yīng)也稱壁壓縮效應(yīng)。強(qiáng)迫電弧通過噴嘴通道，利用噴嘴來限制弧柱直徑，使電弧截面受到壓縮，從而提高弧柱能量密度。

（2）熱壓縮效應(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。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。

（3）磁壓縮效應(yīng)定向運(yùn)動(dòng)的電子、離子流就是相互平行的載流導(dǎo)體，在弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的電磁力使孤柱進(jìn)一步收縮。2、等離子弧的分類等離子弧按電源供電方式不同分為三種形式:（1）非轉(zhuǎn)移型等離子弧:非轉(zhuǎn)移型電弧燃燒在鎢極與噴嘴之間，焊接時(shí)電源正極接水冷銅噴嘴，負(fù)極接鎢極，工件不接到焊接回路上；依靠“等離子焰”將電弧帶出。主要用于非金屬材料的焊接與切割（2）轉(zhuǎn)移型等離子弧:轉(zhuǎn)移型電弧直接燃燒在鎢極與工件之間，焊接時(shí)首先引燃鎢極與噴嘴間的非轉(zhuǎn)移弧，然后將電弧轉(zhuǎn)移到鎢極與工件之間；在工作狀態(tài)下，噴嘴不接到焊接回路中。金屬材料的焊接及切割一般都采用轉(zhuǎn)移弧。（3）聯(lián)合型（又稱為混合型）聯(lián)合型弧非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧同時(shí)存在的等離子弧。聯(lián)合弧需用兩個(gè)獨(dú)立電源供電，主要用于電流小于30A以下的微束等離子弧焊接。

3、等離子弧特性

⑴靜態(tài)特性

等離子弧的靜態(tài)特性是指一定弧長(zhǎng)的等離子弧處于穩(wěn)定的工作狀態(tài)時(shí)，電弧電壓U

?與電弧電流I?之間的關(guān)系，即：U

?

＝?（I?）

Part熱源特性⑵

Part熱源組成⑶

普通的鎢極氬弧焊，加熱焊件的熱量主要來源于陽極斑點(diǎn)的產(chǎn)熱，電弧電壓在陽極區(qū)，弧柱區(qū)和陰極區(qū)大致平均分配。而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。這與鎢極氬弧是明顯不同的。9.1.2等離子弧發(fā)生器分類：按用途不同有等離子弧焊槍、等離子弧割槍、等離子弧噴槍。01組成：主要由電極、電極夾頭、壓縮噴嘴、中間絕緣體、上槍體、下槍體及冷卻套等組成。最關(guān)鍵的部件為噴嘴及電極02等離子弧焊槍a）大電流等離子弧焊槍b）微束等離子弧焊槍9.1.2等離子弧發(fā)生器噴嘴（1）主要結(jié)構(gòu)參數(shù)：

1）噴嘴孔徑d2）噴嘴孔長(zhǎng)度l3）錐角a4）噴嘴孔道形狀（2）材料和冷卻：一般使用純銅（導(dǎo)熱性能好）大功率噴嘴直接水冷03噴嘴的基本結(jié)構(gòu)（a）單孔式（b)三孔式（c)多孔式9.1.2等離子弧發(fā)生器電極材料及其結(jié)構(gòu)等離子弧焊接一般采用釷鎢極或鈰鎢極，有時(shí)也采用鋯鎢極或鋯電極。鎢極一般需要進(jìn)行水冷，小電流時(shí)采用間接水冷方式，鎢極為棒狀電極；大電流時(shí)，采用直接水冷，鎢極為鑲嵌式結(jié)構(gòu)。

棒狀電極端頭：

電流小，直徑細(xì)時(shí)：一般磨成尖錐形

電流大，直徑粗時(shí)：磨成圓臺(tái)形，錐球形，球形，以減少燒損。04鑲嵌式水冷電極與TIG焊不同，等離子焊時(shí)，鎢極一般內(nèi)縮到壓縮噴嘴之內(nèi)，從噴嘴外表面至鎢極尖端的距離被稱為內(nèi)縮量lg。為了保證電弧穩(wěn)定，不產(chǎn)生雙弧，鎢極應(yīng)與噴嘴保持同心，而且鎢極的內(nèi)縮長(zhǎng)度lg要合適（通常焊槍取lg=l0.2mm,割槍lg=l（2-3）mm）。9.1.2等離子弧發(fā)生器9.1.3雙弧現(xiàn)象及其防止正常的轉(zhuǎn)移型等離子弧會(huì)穩(wěn)定地燃燒在鎢極和工件之間。由于一些原因，有時(shí)會(huì)出現(xiàn)一種破壞電弧穩(wěn)定燃燒的現(xiàn)象，這時(shí)除已存在的等離子弧主弧以外，在鎢極－噴嘴－工件之間會(huì)產(chǎn)生另外一種旁路電?。ɑ蛘呓懈被。粗骰『团月冯娀⊥瑫r(shí)存在，這就是雙弧現(xiàn)象。解釋雙弧現(xiàn)象1、雙弧的形成機(jī)理在一定的電流及外界條件下，電弧電壓總是力圖維持最小值，這是電弧在燃燒過程中遵循的一個(gè)很重要的規(guī)律，即電壓最小原理。UAB=Uc,W+UAa+Uab+UbB+UajU'AB=Uc,W+UAc+Ua,Cu+Ucd+Uc,Cu+UdB+Uaj1、雙弧形成因素噴嘴因素:

噴嘴孔徑越小，孔道長(zhǎng)度或內(nèi)縮增大時(shí)，雙弧傾向增加；鎢極和噴嘴的不同心，使局部冷氣膜厚度減小，易形成雙弧。01電流因素：

電流增加，易形成雙弧，對(duì)于給定的噴嘴，允許使用的電流有一個(gè)極限的臨界值。02離子氣體因素：離子氣流量增加使Uab增加，同時(shí)也使冷氣膜厚度增加，UT增加，雙弧傾向減小。03其他因素:噴嘴冷卻不好，或表面有氧化物或金屬飛濺等，都使產(chǎn)生雙弧的傾向增加。04等離子弧焊接PlasmaArcWelding9.29.2.1等離子弧焊接原理、特點(diǎn)與應(yīng)用1、等離子弧焊接的工作原理

等離子弧焊接是使用惰性氣體作為工作氣和保護(hù)氣，利用等離子弧作為熱源加熱并熔化母材金屬，使之形成焊接接頭的熔焊方法。等離子弧焊接有三種基本方法：

穿透型等離子弧焊接普通熔透型等離子弧焊接微束等離子弧焊接

Part穿透型等離子弧焊接(100～300A)

⑴又稱穿孔(小孔)型焊接法，通過增加焊接電流和等離子氣流速度，可產(chǎn)生強(qiáng)有力的等離子束，利用它溫度高、能量密度強(qiáng)、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，焊接時(shí)等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流量的作用下形成一個(gè)穿透焊件的小孔形成了正反面都有波紋的焊縫，即所謂的“小孔效應(yīng)”，焊接時(shí)一般不加金屬，焊縫的斷面為酒杯狀。01穿孔型適用于單面焊雙面成形，焊接較薄的工件時(shí)，可不開坡口、不加墊板、不加填充金屬，一次實(shí)現(xiàn)雙面成形。對(duì)于厚度更大的板材，穿孔型等離子弧焊只能進(jìn)行第一道焊縫的焊接。02

Part普通熔透型等離子弧焊接(15～200A)

⑵它是采用較小的焊接電流和較小的離子氣流量，等離子弧在焊接過程中只熔化焊件不產(chǎn)生小孔效應(yīng)，焊接方法與鎢極氬弧焊很相似，焊接時(shí)可以不添加金屬，主要用于薄板（0.5～2.5mm）、多層焊的蓋面焊及角焊縫的焊接。焊縫斷面：碗狀01普通熔透型等離子弧焊接與穿透性等離子弧焊接比較：焊接參數(shù)較小，電弧穿透力較弱；焊接過程穩(wěn)定性高，焊縫形狀系數(shù)大，熱影響區(qū)較寬，焊接變形較大。02

Part微束等離子弧焊接(30A以下)

⑶一種小電流（通常小于30A）熔入型焊接工藝。01微束等離子弧焊接設(shè)備特點(diǎn)：?小孔徑壓縮噴嘴（0.6mm1.2mm）?聯(lián)合型電弧。非轉(zhuǎn)移弧起著引弧和維弧作用，使轉(zhuǎn)移弧在電流小至0.5A時(shí)仍非常穩(wěn)定。轉(zhuǎn)移弧向鎢極與焊件之間供電。02工藝特點(diǎn)：a)可焊更薄的金屬，最小可焊厚度為0.01mm;b)弧長(zhǎng)在很大的范圍內(nèi)變化時(shí)，也不會(huì)斷弧，并且電弧保持柱狀；c)焊接速度快、焊縫窄、熱影響區(qū)小、焊接變形小03其他種類的等離子弧焊接（一）脈沖等離子弧焊接 利用15Hz以下的脈沖電流代替穩(wěn)定的直流。電弧更穩(wěn)定，HAZ（熱影響區(qū)域）及變形更小。（二）交流等離子焊接一般采用方波電源，用來焊接鋁合金。（三）熔化極等離子電弧實(shí)際上使熔化極電弧與等離子弧的組合其他種類的等離子弧焊接（四）等離子弧堆焊（PlasmaArcSurfacing）

等離子弧堆焊是利用轉(zhuǎn)移型等離子弧為主要熱源（有時(shí)用非轉(zhuǎn)移型弧作為輔助熱源），在惰性氣體保護(hù)下，將絲狀或粉末狀合金材料熔化，熔敷到金屬表面形成堆焊層的一種焊接方法。分為：粉末等離子弧堆焊

熱絲等離子弧堆焊

粉末等離子弧堆焊圖9-32等離子粉末堆焊原理圖圖9-33熱絲等離子弧堆焊方法熱絲等離子弧堆焊

其他種類的等離子弧焊接（四）等離子弧堆焊（PlasmaArcSurfacing）的三個(gè)指標(biāo)熔敷效率：在堆焊過程中，熔敷金屬與使用的堆焊材料的質(zhì)量比，反映堆焊材料的利用率。熔敷速度：在單位時(shí)間內(nèi)有效熔敷的堆焊合金的質(zhì)量。（同焊絲融化速度，見2.1.2）稀釋率：母材成分在堆焊層中所占的比例，決定了堆焊層的性能。（同3.1.2熔合比）趨勢(shì)：目前等離子弧堆焊正向著高熔敷速度、低稀釋率方向發(fā)展！2、等離子弧焊接的特點(diǎn)由于等離子電弧具有較高的能量密度、溫度及剛直性，因此與一般電弧焊相比，等離子電弧具有下列優(yōu)點(diǎn)：1)熔透能力強(qiáng)，在不開坡口、不加填充焊絲的情況下可一次焊透8-10mm厚的不銹鋼板；2)焊縫質(zhì)量對(duì)弧長(zhǎng)的變化不敏感，這是由于電弧的形態(tài)接近圓柱形，且挺直度好，弧長(zhǎng)變化對(duì)加熱斑點(diǎn)面積的影響很小，易獲得均勻的焊縫形狀；3)鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不會(huì)與工件接觸，因此可避免焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象；4)等離子電弧的電離度較高，電流較小時(shí)仍很穩(wěn)定，可焊接微型精密零件；3、等離子弧焊接的缺點(diǎn)（1）可焊厚度有限，一般在25mm以下；（2)焊槍及控制線路較復(fù)雜，噴嘴的使用壽命很低；（3)焊接參數(shù)較多，對(duì)焊接操作人員的技術(shù)水平要求較高。（4）由于需要兩股氣流，因而使過程的控制和焊槍的構(gòu)造復(fù)雜化。（5）由于電弧的直徑小，要求焊槍噴嘴軸線更準(zhǔn)確地對(duì)中焊縫。4、等離子弧焊接的應(yīng)用直流正接等離子弧焊接可以用于焊接碳鋼，合金鋼、耐熱鋼、不銹鋼、銅及銅合金、鈦及鈦合金、鎳及鎳合金等材料。

交流等離子弧焊接主要用于鋁及鋁合金、鎂及鎂合金、鈹青銅、鋁青銅等材料的焊接。9.2.2等離子弧焊接設(shè)備1、焊接電源

等離子弧焊接電源應(yīng)具有下降或垂降的外特性。氬作離子氣時(shí)，空載電壓為60-80V。用氬、氫混合氣時(shí)，空載電壓為110-120V。微束等離子弧焊接空載電壓為100-130V。等離子弧一般均采用直流正接（等離子弧焊接實(shí)質(zhì)上是一種具有壓縮效應(yīng)的鎢極氣體保護(hù)焊）。2、控制系統(tǒng)等離子弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)包括引弧電路、程序控制電路、水和氣體控制電路、送絲和行走等。9.2.3等離子弧焊接工藝1、接頭形式A對(duì)接接頭C角接接頭B搭接接頭DT形接頭兩焊件端面相對(duì)平行的接頭稱為對(duì)接接頭，能承受較大的載荷。兩焊件重疊放置或兩焊件表面之間的夾角不大于30°構(gòu)成的端部接頭稱為搭接接頭。搭接接頭的應(yīng)力分布不均勻，接頭的承載能力低，應(yīng)盡量避免。兩焊件端面間構(gòu)成大于30°，小于135°夾角的接頭稱為角接接頭，承載能力不高。焊件端面與另一焊件表面構(gòu)成直角或近似直角的接頭稱為T形接頭，承受動(dòng)載荷的能力較強(qiáng)。厚度在0.05mm-1.6mm之間時(shí)，通常采用圖9-28中的接頭形式，利用微束等離子弧進(jìn)行焊接。如果厚度小于0.25mm,對(duì)接接頭需要卷邊，如圖9-28b所示。板厚大于1.6mm而小于表9-5中的板材時(shí)，通常不開坡口，利用穿孔法進(jìn)行焊接。板厚大于表9-5中的限值時(shí)，需要開坡口，進(jìn)行多層焊。與TIG焊相比，可采用較小的坡口角度及較大的鈍邊，如圖9-27所示。第一層用穿孔法進(jìn)行焊接，其他各層用熔入法或其他焊接方法焊接。圖9-2710mm厚不銹鋼采用等離子焊（實(shí)線）

與TIG焊（虛線）的坡口對(duì)比

圖9-28薄板等離子弧焊接接頭形式

a)I形對(duì)接接頭b)卷邊對(duì)接接頭c)卷邊角接接頭d)端接接頭

2、焊接材料填充金屬與鎢極氬弧焊相似，等離子弧焊接也可以使用填充金屬。其主要化學(xué)成分與被焊母材相同。

氣體焊接時(shí)，除要向焊槍壓縮噴嘴輸送離子氣外，還要向槍體保護(hù)罩輸送保護(hù)氣體，以充分保護(hù)熔池不受大氣污染。

大電流等離子弧焊接時(shí)，等離子氣及保護(hù)氣體通常采用相同的氣體，否則電弧的穩(wěn)定性將變差。

小電流等離子弧焊接通常采用純氬氣作等離子氣。這是因?yàn)闅鍤獾碾婋x電壓較低，可保證電弧引燃容易。3、焊接參數(shù)穿孔型焊接

a）離子氣流量:當(dāng)其他條件不變時(shí)，離子氣流量增加，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。

b）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。

c）焊接速度: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??；如果焊速太高，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。3、焊接參數(shù)穿孔型焊接

d）噴嘴高度:距離過大，熔透能力降低；距離過小則造成噴嘴堵塞。一般取3-8mm。和鎢極氬弧焊相比，噴嘴距離變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響不太敏感。

e）保護(hù)氣流量:在一定的離子氣流量下，保護(hù)氣體流量太大會(huì)導(dǎo)致氣流的紊亂，影響電弧穩(wěn)定性和保護(hù)效果。而保護(hù)氣流量太小，保護(hù)效果也不好，因此，保護(hù)氣體流量應(yīng)與等離子氣流量保持適當(dāng)?shù)谋壤?。小孔型焊接保護(hù)氣體流量一般在15-30L/min范圍內(nèi)。3、焊接參數(shù)熔透型焊接

熔透型等離子弧焊的焊接參數(shù)項(xiàng)目與穿孔型等離子弧焊基本相同，焊件熔化和焊縫成形過程與鎢極氬弧焊相似。等離子噴涂9.39.3.1等離子弧噴涂原理、特點(diǎn)及應(yīng)用1、等離子弧噴涂的工作原理利用非轉(zhuǎn)移型?。ㄓ蓢娮靽姵龊笮纬傻入x子焰）把難熔的金屬或非金屬粉末材料快速熔化，并以極高的速度將其噴散成較細(xì)的并具有很大動(dòng)能的顆粒，當(dāng)這些顆粒穿過等離子焰流撞擊到工件上時(shí)，產(chǎn)生嚴(yán)重塑性變形，而后填充到已預(yù)先做好的固體工件粗表面上，從而形成一個(gè)很薄的具有特殊性能的涂層。對(duì)比書本P259圖9-362、焊等離子弧噴涂的特點(diǎn)1）等離子焰流熱量高度集中，可達(dá)萬度以上，提供了能使所有材料都能熔化的必要條件。2）等離子焰流氣氛可控，可使還原性氣體和惰性氣體等作為工作氣體，這樣就能比較可靠的保護(hù)工件及噴涂材料不受氧化。3）等離子焰流的流速大，粉末顆粒能夠獲得較大的動(dòng)能。3、焊等離子弧噴涂的應(yīng)用廣泛用于工業(yè)生產(chǎn)，特別是航空航天等軍工和尖端工業(yè)技術(shù)所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接，如鈦合金的導(dǎo)彈殼體，飛機(jī)上的一些薄壁容器等。超薄壁管

用焊接工藝制造超薄壁有縫管是把帶材卷成圓管，然后焊接起來。超薄壁管在許多工業(yè)部門中有著廣泛的應(yīng)用，可用來制造金屬軟管、波紋管、扭力管、熱交換器的換熱管、儀器儀表的諧振筒等，還有時(shí)是在高