第6单元 等离子弧焊及切割.ppt

第六单元第六单元 等离子弧焊接与切割等离子弧焊接与切割 等离子弧是利用等离子枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离、高能量密度及高焰流速度的电弧 利用等离子弧来进行切割与焊接的工艺方法称为等离子弧切割和焊接 模块一模块一 认识等离子弧认识等离子弧一、等离子弧的形成、特点及分类一、等离子弧的形成、特点及分类1等离子弧的形成（1）等离子弧对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，就能获得导电截面较小而能量更加集中，弧柱中的气体几乎达到全部电离状态的电弧，这种电弧称为等离子弧2）等离子弧的形成原理将钨极缩入喷嘴内部，并在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧等离子弧的形成如图6-1所示图图6-1 等离子弧的形成等离子弧的形成1-钨极 2-水冷喷嘴 3-保护罩 4-冷却水 5-等离子弧 6-焊缝 7-工件1）机械压缩作用 电弧弧柱被强迫通过细孔道的喷嘴，使弧柱截面压缩变细，而不能自由扩大 2）热收缩作用 电弧通过水冷却的喷嘴，同时又受到外部不断送来的高速冷却气流（氮气、氩气等）的冷却作用，电弧弧柱进一步被压缩 3）磁收缩作用 带电粒子在弧柱内的运动，可看成是电流在一束平行的“导线”内移动，由于这些“导线”自身磁场所产生的电磁力，使这些“导线”相互吸引，从而产生磁收缩效应。

小提示小提示 在等离子弧的三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是前提；热收缩作用则是电弧被压缩的主要原因；磁收缩作用是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定的作用2等离子弧的特点（1）温度高、能量高度集中 温度极高达1600033000，并且截面很小，能量密度高度集中2）电弧挺度好、燃烧稳定 自由电弧的扩散角度约为45，等离子弧扩散角仅为5，电弧挺度好，燃烧稳定3）具有很强的机械冲刷力 高压气流通过喷嘴细通道喷出时，可达到很高的速度甚至可超过声速，等离子弧有很强的机械冲刷力二、等离子弧的分类及应用根据电极的不同接法，等离子弧可以分为转移弧、非转移弧、联合型弧三种1）非转移弧 电极接负极，喷嘴接正极，焊件不接电源，等离子弧在电极和喷嘴内表面之间燃烧并从喷嘴喷出加热能量和温度较转移弧低，主要用于喷涂、焊接、切割较薄的金属和非金属材料2）转移弧 电极接负极，焊件接正极，电弧首先在电极与喷嘴之间引燃，当电极与焊件间加上一个较高的电压后，再转移到电极与焊件间，使电极与焊件间产生等离子弧，这个电弧就称为转移弧电弧热有效利用率大为提高，可用作中、厚板的切割、焊接和堆焊的热源3）联合型弧 转移弧和非转移弧同时存在的电弧称为联合型弧。

主要用于微束等离子弧焊接和粉末等离子弧堆焊 图图6-2 6-2 等离子弧的类型等离子弧的类型 a)非转移弧 b)转移弧 c)联合型弧三、等离子弧的双弧正常的等离子弧应稳定地在钨极和工件之间燃烧，如图6-3中弧1但由于某些原因往往还会在钨极和喷嘴及喷嘴和工件之间产生与主弧并列的电弧（弧2和弧3），这种现象就称为双弧现象图图6-3 双弧现象双弧现象1主弧 2、3-并列弧1双弧的危害性（1）破坏等离子弧的稳定性，使焊接或切割过程不能稳定地进行，恶化焊缝成形和切口质量2）产生双弧时，减小了主弧电流，降低了主弧的电功率，焊接时熔透能力和切割时的切割厚度减小3）双弧一旦产生，使喷嘴受到强烈加热，故容易烧坏喷嘴，使焊接或切割工作无法进行2双弧形成的原因等离子弧焊接或切割时，等离子弧弧柱与喷嘴孔壁之间存在着由离子气所形成的冷气膜这层冷气膜对弧柱向喷嘴的传热和导电都具有较强的阻滞作用焊接或切割时，当冷气膜被击穿遭到破坏时，绝热和绝缘作用消失，就会产生双弧现象3防止双弧产生的措施（1）正确选择焊接电流和离子气种类及流量采用Ar+H2的混合气体，由于H2的冷却作用强，弧柱热收缩作用增大，弧柱直径缩小，冷却膜厚度增大，故不易被击穿形成双弧。

同样，增大离子气流量，冷却作用增强，也可减少产生双弧的可能性2）正确选择喷嘴喷嘴孔径减少，喷嘴孔道长度增大或钨极内缩量增大都易产生双弧3）电极与喷嘴尽可能同心电极与喷嘴同心度不好，往往是引起双弧的主要原因4）正确确定喷嘴离工件的距离喷嘴离工件的距离过小易引起双弧，一般在5mm12mm之间为宜5）加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴端面清洁，采用切向进气的焊枪等也可防止双弧形成模块二模块二 等离子弧切割等离子弧切割一、等离子弧切割的原理及分类1、等离子弧切割原理利用等离子弧的热能实现切割的方法称为等离子弧切割等离子弧切割与氧一乙炔切割有本质上的区别，它是以高温、高速的等离子弧为热源，将被切割件局部熔化，并利用压缩的高速气流的机械冲刷力，将已熔化的金属或非金属吹走而形成狭窄切口的过程图图6-4 6-4 等离子弧切割示意图等离子弧切割示意图1一钨极 2进气管 5-喷嘴 4等离子弧 5割件 6电阻2、等离子弧切割的特点（1）应用范围广 等离子弧可以切割各种高熔点金属及其他切割方法不能切割的金属 转移弧，适用于金属材料切割；非转移弧，既可用于非金属材料切割，如耐火砖等，也可用于金属材料切割但由于工件不接电源，电弧挺度较差，故能切割的金属材料厚度较小。

（2）切割速度快、生产率高 等离子弧切割的速度比较快，生产率也比较高例如，切割10mm的铝板，速度可达200m/h300m/h3）切割质量高 能得到比较狭窄、光洁、整齐、无粘渣、接近于垂直的切口，而且切口的变形和热影响区较小，其硬度变化也不大，切割质量好小提示小提示等离子弧切割的原理与氧气的切割原理有着本质的不同氧气切割主要是靠氧与部分金属的化合燃烧而进行切割的等离子弧切割不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割工件的因此等离子弧切割的适用范围比氧气切割要大得多，氧气切割不能切割的材料可用等离子弧切割3等离子弧切割分类根据工作气体不同，等离子弧切割有氩等离子弧切割、氮等离子弧切割、空气等离子弧切割方法等，其特点及应用见表61二、二、 等离子弧切割设备等离子弧切割设备1等离子切割设备组成等离子切割设备包括电源、控制箱、水路系统、气路系统及割炬等几部分组成，其设备组成如图65所示1）电源陡降外特性的直流电源，直流正接较高的空载电压，一般在150400V之间电源类型有两种：一种是专用弧焊整流器电源；另一种可用两台以上普通弧焊发电机或弧焊整流器串联图图6 65 5 等离子切割设备组成等离子切割设备组成1电源 2气源 3调压表 4控制箱 5气路控制 6程序控制 7高频发生器 8割炬 9进水管 10出水管 11水源 12工件（2）控制箱电气控制箱主要包括程序控制接触器、高频振荡器、电磁气阀、水压开关等。

1）等离子弧切割过程的控制等离子弧切割过程的控制程序方框图如图66所示图图66 等离子弧切割过程的控制程序方框图等离子弧切割过程的控制程序方框图 （3）水路系统等离子弧切割的割炬在10000以上的高温下工作，为保持正常切割必须通水冷却，冷却水流量应大于2L/min3L/min，水压为0.15 MPa.0.2 MPa一般自来水可满足要求，也可采用循环水4）气路系统气路系统的气体作用是防止钨极氧化、压缩电弧和保护喷嘴不被烧毁，它由气瓶、减压器、流量器及电磁气阀组成一般气体压力应在0.25 MPa.0.35 MPa （5）割炬割炬（也称割枪）是产生等离子弧的装置，也是直接进行切割的工具等离子弧割炬如图67所示主要由本体、电极组件、喷嘴和压帽等部分组成其中喷嘴是割炬的核心部分，其结构形式和几何尺寸对等离子弧的压缩和稳定有重要影响 2常用等离子切割设备常用的等离子弧切割机有LG4001型、LG4002型和空气等离子弧切割机LGK840型等离子弧切割机的型号可按GB10249电焊机型号编制办法选用，L表示等离子焊割设备，G表示切割机，K表示空气等离子，400或40表示额定切割电流图图6 68 8 LGLG4004002 2型等离子弧切割机的外型等离子弧切割机的外部接线示意图部接线示意图三、三、 等离子弧切割工艺等离子弧切割工艺1等离子弧切割的电极与工作气体电极一般采用铈钨极，空气等离子弧切割一般采用纯锆或纯铪电极。

等离子弧切割的工作气体是氮、氩、氢以及它们的混合气体由于氮气价格低廉，故常用的是氮气，且氮气纯度不低于99.5%在碳素钢和低合金钢切割中， 常使用压缩空气作为工作气体2等离子弧切割的工艺参数等离子弧切割的工艺参数，主要有切割电流、切割电压、气体流量、切割速度、喷嘴与割件的距离、钨极端部与喷嘴的距离等1）切割电流和切割电压切割大厚度工件时，提高切割电压比提高切割电流更为有效切割电压超过电源空载电压2/3时容易熄弧，因此，电源空载电压一般应是切割电压的两倍2）切割速度在保证切透的前提下尽可能选择大的切割速度3）气体流量气体流量要与喷嘴孔径相适应气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中，提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属但气体流量过大，从电弧中带走过多的热量，降低了切割能力，不利于电弧稳定4）喷嘴与割件的距离一般为6mm8mm，切割厚件，可增大到10 mm15mm，空气等离子弧切割一般为2mm5mm5）钨极端部与喷嘴的距离钨极端部与喷嘴的距离Ly称为钨极内缩量，如图69所示内缩量越大，电弧压缩效果越强但内缩量太大时，电弧稳定性反而差内缩量太小，电弧压缩效果差，而且电极离喷嘴孔太近或者伸进喷孔，使喷嘴容易烧损。

一般取8mm11mm为宜图图6 69 9 电极内缩量示意图电极内缩量示意图1电极 2喷嘴 3割件四、四、 空气等离子弧切割空气等离子弧切割采用压缩空气作为工作气体的等离子弧切割称空气等离子弧切割空气等离子弧切割可切割铜、不锈钢、铝等材料，但特别适合切割厚度在30mm以下的碳钢及低合金钢空气等离子弧切1空气等离子弧切割的特点（1）压缩空气，来源广，价格低廉，可大大降低成本2）空气等离子弧能量大，加之在切割过程中氧与被切割金属发生氧化反应而放热，切割速度快，生产率高3）压缩空气中的氧极易使电极氧化烧损，使电极寿命大大缩短，故不能采用纯钨极或含氧化物的钨极 图图6-10 6-10 空气等离子弧切割机外形及切割系统示意图空气等离子弧切割机外形及切割系统示意图a）切割机外形 b）切割系统 1-电源 2-空气压缩机 3-割炬 4-工件 5-接工件电缆 6-电源开关 7过滤减压网2空气等离子弧切割方法空气等离子弧切割方法及割枪如图6-11所示，有两种形式：图6-11a所示为单一空气式，其工作气体是压缩空气由于空气氧化性强，不能采用钨电极，一般采用纯锆或纯铪做成的镶嵌式电极图6-11b所示为复合式，采用内外两层喷嘴，内喷嘴对电极通以惰性气体加以保护，以减少电极氧化烧损，外喷嘴通入压缩空气，但割炬结构复杂。

图6-11c所示为单一空气式割枪图图6-11 空气等离子弧切割方法及割枪空气等离子弧切割方法及割枪a) 单一空气式 b) 复合式 c) 单一空气式割枪1-电极冷却水 2-电极 3-压缩空气 4-喷嘴 5-喷嘴冷却水6-电弧 7-工件 8-工作气体 9-外喷嘴模块三模块三 等离子弧焊接等离子弧焊接一、等离子弧焊的原理及特点一、等离子弧焊的原理及特点等离子弧焊接是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的一种方法它是利用特殊构造的等离子焊枪所产生的高温等离子弧，并在保护气体的保护下，来熔化金属实行焊接的，如图6-12所示它几乎可以焊接电弧焊所能焊接的所有材料和多种难熔金属及特种金属材料，并具有很多优越性在极薄金属焊接方面，它解决了氩弧焊所不能进行的材料和焊件的焊接图6-12 等离子焊接示意图1钨极 2喷嘴 3焊缝 4焊件 5等离子弧特点：（1）等离子弧的温度高，能量密度大，熔透能力强，对于8mm或更厚的金属焊接可不开坡口，不加填充金属，提高了焊接生产率，减小热影响区宽度和焊接变形2）离子弧的形态近似于圆柱形，挺。