等离子弧焊接与切割.doc

项目七 等离子弧焊接与切割教学目的：理解等离子弧焊接和切割的原理、特点及应用范畴；掌握等离子弧焊的基本措施；能合理制定等离子弧焊工艺理解等离子弧堆焊、喷涂和切割的基本措施教学活动设计：1在实训室中进行讲练结合的现场教学；2．运用多媒体课件、仿真等辅助教学；教学重点：条电弧焊的原理、工艺特点制定焊条电弧焊工艺；掌握焊条电弧焊操作技术教学难点：能合理制定等离子弧焊工艺理解等离子弧堆焊、喷涂和切割的基本措施学习单元一 认知等离子弧的焊接与切割一、等离子弧的形成1．等离子弧目前，焊接领域中应用的等离子弧事实上是一种压缩电弧，是由钨极气体保护电弧发展而来的钨极气体保护电弧常被称为自由电弧，它燃烧于惰性气体保护下的钨极与焊件之间，其周边没有约束，当电弧电流增大时，弧柱直径也随着增大，两者不能独立地进行调节，因此自由电弧弧柱的电流密度、温度和能量密度的增大均受到一定限制实验证明，借助水冷铜喷嘴的外部拘束作用，使弧柱的横截面受到限制而不能自由扩大时，就可使电弧的温度、能量密度和等离子体流速都明显增大这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是一般所称的等离子弧2．等离子弧形成原理目前广泛采用的压缩电弧的措施是将钨极缩入喷嘴内部，并且在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，逼迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧，如图67-1所示。

此时电弧受到下述三种压缩作用：（1）机械压缩效应 当把一种用水冷却的铜制喷嘴放置在其通道上，逼迫这个“自由电弧”从细小的喷嘴孔中通过时，弧柱直径受到小孔直径的机械约束而不能自由扩大，而使电弧截面受到压缩这种作用称为“机械压缩效应”2）热收缩效应 水冷铜喷嘴的导热性较好，紧贴喷嘴孔道壁的“边界层”气体温度很低，电离度和导电性均减少这就迫使带电粒子向温度更高、导电性更好的弧柱中心区集中，相称于外围的冷气流层迫使弧柱进一步收缩这种作用称为“热收缩效应”3）电磁收缩效应 这是由通电导体间互相吸引力产生的收缩作用弧柱中带电的粒子流可被当作是无数条互相平行且通以同向电流的导体在自身磁场作用下，产生互相吸引力，使导体互相接近导体间的距离越小，吸引力越大这种导体自身磁场引起的收缩作用使弧柱进一步变细，电流密度与能量密度进一步增长电弧在三种压缩效应的作用下，直径变小、温度升高、气体的离子化限度提高、能量密度增大最后与电弧的热扩散作用相平衡，形成稳定的压缩电弧这就是工业中应用的等离子弧作为热源，等离子弧获得了广泛的应用，可进行等离子弧焊接、等离子弧切割、等离子弧堆焊、等离子弧喷涂、等离子弧冶金等在上述三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是前提；热收缩效应则是电弧被压缩的最重要的因素；电磁收缩效应是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定作用。

3．等离子弧的影响因素等离子弧是压缩电弧，其压缩限度直接影响等离子弧的温度、能量密度、弧柱挺度和电弧压力影响等离子弧压缩限度的因素重要有：（1）等离子弧电流 当电流增大时，弧柱直径也要增大因电流增大时，电弧温度升高，气体电离限度增大，因而弧柱直径增大如果喷嘴孔径不变，则弧柱被压缩限度增大2）喷嘴孔道形状和尺寸 喷嘴孔道形状和尺寸对电弧被压缩的限度具有较大的影响，特别是喷嘴孔径对电弧被压缩限度的影响更为明显在其她条件不变的状况下，随喷嘴孔径的减小，电弧被压缩限度增大3）离子气体的种类及流量 离子气（工作气体）的作用重要是压缩电弧逼迫通过喷嘴孔道，保护钨极不被氧化等使用不同成分的气体作离子气时，由于气体的热导率和热焓值不同，对电弧的冷却作用不同，故电弧被压缩的限度不同变化和调节这些因素可以变化等离子弧的特性，使其压缩限度适应于切割、焊接、堆焊或喷涂等措施的不同规定例如为了进行切割，规定等离子弧有很大的吹力和高度集中的能量，应选择较小的压缩喷嘴孔径、较大的等离子气流量、较大的电流和导热性好的气体；为进行焊接，则规定等离子弧的压缩限度适中，应选择较切割时稍大的喷嘴孔径、较小的等离子气流量二、等离子弧的特性1．温度高、能量密度大一般钨极氩弧的最高温度为10000~24000K，能量密度在104W/cm2如下。

等离子弧的最高温度可达24000~50000K，能量密度可达105~l08W/cm2，且稳定性好等离子弧和钨极氩弧的温度比较如图6-2所示2．等离子弧的能量分布均衡等离子弧由于弧柱被压缩，横截面减小，弧柱电场强度明显提高，因此等离子弧的最大压降是在弧柱区，加热金属时运用的重要是弧柱区的热功率，即运用弧柱等离子体的热能因此说，等离子弧几乎在整个弧长上都具有高温这一点和钨极氩弧是明显不同的3．等离子弧的挺度好、冲力大钨极氩弧的形状一般为圆锥形，扩散角在45°左右；通过压缩后的等离子弧，其形态近似于圆柱形，电弧扩散角很小，约为5°左右，因此挺度和指向性明显提高等离子弧在三种压缩作用下，横截面缩小，温度升高，喷嘴内部的气体剧烈膨胀，迫使等离子体高速从喷嘴孔中喷出，因此冲力大，挺直性好电流越大，等离子弧的冲力也越大，挺直性也就越好4．等离子弧的静特性曲线仍接近于U形由于弧柱的横截面受到限制，等离子弧的电场强度增大，电弧电压明显提高，U形曲线上移且其平直区域明显减小，5．等离子弧的稳定性好等离子弧的电离度较钨极氩弧更高，因此稳定性好外界气流和磁场对等离子弧的影响较小，不易发生电弧偏吹和漂移现象焊接电流在10A如下时，一般的钨极氩弧很难稳定，常产生电弧漂移，指向性也常受到破坏。

而采用微束等离子弧，当电流小至0.1A时，等离子弧仍可稳定燃烧，指向性和挺度均好这些特性在用小电流焊接极薄焊件时特别有利三、等离子弧的类型及应用等离子弧按接线方式和工作方式不同，可分为非转移型、转移型和混合型三种类型，如图6-5所示1．非转移型等离子弧钨极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，焊件不接电源，电弧是在钨极与喷嘴孔壁之间燃烧的，非转移弧重要在等离子弧喷涂、焊接和切割较薄的金属及非金属时采用2．转移型等离子弧钨极接电源的负极、焊件接电源的正极，等离子弧燃烧于钨极与焊件之间，如图6-5b所示但这种等离子弧不能直接产生，必须先在钨极和喷嘴之间接通维弧电源，以引燃小电流的非转移型弧（引导弧），然后将非转移型弧通过喷嘴过渡到焊件表面，再引燃钨极与焊件之间的转移型等离子弧．（主弧），并自动切断维弧电源采用转移弧工作时，等离子弧温度高、能量密度大，焊件上获得的热量多，热的有效运用率高常用于等离子弧切割、等离子弧焊接和等离子弧堆焊等工艺措施中3．混合型等离子弧在工作过程中非转移型弧和转移型弧同步存在，则称之为混合型（或联合型）等离子弧，如图6-5c所示两者可以用两台单独的焊接电源供电，也可以用一台焊接电源中间串接一定电阻后向两个电弧供电。

其中的转移弧重要用来加热焊件和填充金属，非转移弧用来协助转移弧的稳定燃烧（小电流时）和对填充金属进行预热（堆焊时）混合型等离子弧稳定性好，电流很小时也能保持电弧稳定，重要用在微束等离子弧焊接和粉末等离子弧堆焊等工艺措施中学习单元二 等离子弧焊接一、等离子弧焊的基本措施及应用等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得高能量密度的等离子弧进行焊接的措施，国际统称为PAW（Plasma Arc Welding）按焊缝成形原理，等离子弧焊有下列三种基本措施：穿孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊1．穿透型等离子弧焊穿透型焊接法又称小孔型等离子弧焊该措施是运用等离子弧直径小、温度高、能量密度大、穿透力强的特点，在合适的工艺参数条件下实现的，焊缝断面呈酒杯状，如图6-7所示焊接时，采用转移型等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流力作用下形成一种穿透焊件的小孔，并从焊件的背面喷出部分等离子弧（称其为“尾焰”）熔化金属被排挤在小孔周边，依托表面张力的承托而不会流失随着焊枪向前移动，小孔也跟着焊枪移动，熔池中的液态金属在电弧吹力、表面张力作用下沿熔池壁向熔池尾部流动，并逐渐收口、凝固，形成完全熔透的正背面均有波纹的焊缝，这就是所谓的小孔效应。

如图6-8所示运用这种小孔效应，不用衬垫就可实现单面焊双面成形焊接时一般不加填充金属，但如果对焊缝余高有规定的话，也可加入填充金属目前大电流（100 ~500A）等离子弧焊一般采用这种措施进行焊接2．熔透型等离子弧焊熔透型等离子弧焊又称熔入型焊接法，它是采用较小的焊接电流（30~100A）和较低的离子气流量，采用混合型等离子弧焊接的措施在焊接过程中不形成小孔效应，焊件背面无“尾焰”液态金属熔池在弧柱的下面，靠熔池金属的热传导作用熔透母材，实现焊透焊缝断面形状呈碗状，如图6-9所示熔透型等离子弧焊基本焊法与钨极氩弧焊相似焊接时可加填充金属，也可不加填充金属重要用于薄板（0.5~2.5mm如下）的焊接、多层焊封底焊道后来各层的焊接以及角焊缝的焊接3．微束等离子弧焊焊接电流在30A如下的等离子弧一般称为微束等离子弧焊有时也把焊接电流稍大的等离子弧归为此类这种措施使用很小的喷嘴孔径（ø0.5~ø1.5mm），得到针状细小的等离子弧，重要用于焊接厚度1mm如下的超薄、超小、精密的焊件上述三种等离子弧焊措施均可采用脉冲电流，借以提高焊接过程的稳定性，此时称为脉冲等离子弧焊脉冲等离子弧焊易于控制热输入和熔池，适于全位置焊接，并且其焊接热影响区和焊接变形都更小。

特别是脉冲微束等离子弧焊，特点更突出，因而应用较广交流等离子弧焊具有阴极清理作用，重要用来焊接铝、镁及其合金熔化极等离子弧焊实质上是一种等离子弧焊和MIG焊组合在一起的联焊措施这两种措施特点不突出，目前用得尚不多二、等离子弧焊工艺1．等离子弧焊的工艺特点1）由于等离子弧的温度高、能量密度大，因此等离子弧焊熔透能力强，可用比钨极氩弧焊高得多的焊接速度施焊这不仅提高了焊接生产率，并且可减小熔宽、增大熔深，因而可减小热影响区宽度和焊接变形2）由于等离子弧的形态近似于圆柱形，挺度好，因此当弧长发生波动时熔池表面的加热面积变化不大，对焊缝成形的影响较小，容易得到均匀的焊缝成形3）由于等离子弧的稳定性好，使用很小的焊接电流也能保证等离子弧的稳定，故可以焊接超薄件4）由于钨极内缩在喷嘴里面，焊接时钨极与焊件不接触，因此可减少钨极烧损和避免焊缝金属夹钨2．等离子弧焊工艺（1）接头形式 用于等离子弧焊接的通用接头形式为I形对接接头、开单面V形和双面V形坡口的对接接头以及开单面U形和双面U形坡口的对接接头除此之外，也可用角接接头和T型接头2）焊接参数的选择 等离子弧焊焊接时，焊透母材的方式重要有穿透焊和熔透焊（涉及微束等离子弧焊）两种。

在采用穿透型等子弧焊时，焊接过程中保证小孔的稳定，是获得优质焊缝的前提影响小孔稳定性的重要焊接工艺参数有：1）喷嘴孔径 喷嘴孔径直接决定等离子弧的压缩限度，是选择其她参数的前提在焊接生产过程中，当焊件厚度增大时，焊接电流也应增大，但一定孔径的喷嘴其许用电流是有限制的，见表6-2因此，一般应按焊件厚度和所需电流值拟定喷嘴孔径2）焊接电流 当其她条件不变时，焊接电流增长，等离子弧的热功率也增长，熔透能力增强因此，应根据焊件的材质和厚度一方面拟定焊接电流3）离子气种类及流量 目前应用最广的离子气是氩气，合用于所有金属为提高焊接生产效率和改善接头质量，针对不同金属可在氩气中加入其她气体例如，焊接不锈钢和镍合金时，可在氩气中加入体积分数为5%~7.5%的氩气；焊接钛及钛合金时，可在氩气中加入体积分数为50％~75％的氦气当其她条件不变时，离子气流量增长，等离子弧的冲力和穿透能力都增大因此，要实现稳定的穿孔法焊接过程，必须要有足够的离子气流量；但。