第六章等离子弧焊及切割设备

第六章等离子弧焊及切割设备第一节等离子弧的形成及特性一、等离子弧等离子弧是等离子体组成。自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。等离子弧是通过三种压缩作用获得的。1.机械压缩作用：利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。2.热收缩作用：由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一步减小，电流密度进一步提高。这叫热收缩，也叫热压缩。3.磁收缩作用：弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。也叫磁收缩效应。电流密度越大，磁收缩作用越强。在三种压缩作用中，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主要的原因；电磁收缩效应是必然存在的。二、等离子弧的特性1.温度高，能量密度大温度可达24000～50000K（TIG焊电弧的温度10000K～24000K），能量密度可达105~6W/cm²（TIG焊电弧的能量密度＜104W/cm²）。自由电弧和等离子弧的比较图2.等离子弧的能量分布均衡。等离子弧的最大压降是在弧柱区，在整个弧长上都具有高温，因此主要利用弧柱区的热功率（弧柱等离子体的热能）来加热金属的。3.等离子弧的挺度好，冲力大。4.等离子弧稳定性好。当电流小至0.1A时，等离子弧仍可稳定燃烧。三、等离子弧的基本形式及应用1.非转移型等离子弧●钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。●主要用于喷涂、焊接（等离子束焊接）和切割较薄的金属及非金属材料。2.转移型等离子弧●钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之间产生等离子弧。●这种等离子弧温度高，能量密度大，常用于各种金属材料的焊接（等离子弧焊接）和切割。3.联合型等离子弧●主要用于30A以下微束等离子弧焊接、粉末合金堆焊等。●非转移型和转移型弧同时并存。第二节等离子弧焊设备及电源特性设备的组成：由焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统等组成。可分为：大电流等离子弧焊接设备——采用转移型电弧。微束等离子弧焊接设备——30安培以下采用联合型电弧。一、焊接电源由于等离子弧工作在特性曲线的平特性段，所以电源一般采用下降或恒流特性外特性。需要较高的空载电压。纯Ar时65～80伏Ar+H2混合气时110～120伏一般采用直流正接，焊Al、Mg、铝青铜时采用交流。二、气路离子气——分三路供给，其中一路调节气路衰减时间。保护气——Ar背面保护气——Ar三、水路系统冷却喷嘴用。四、控制系统高频引弧器、行走小车、填充焊丝拖动控制、衰减控制、程序控制电路等组成。1）提前送气和滞后停气。2）实现离子气流的递增和衰减。3）可靠地引弧及转换。4）实现引弧电流递增和熄弧电流递减。5）无冷却水和发生故障时，不能开机或停机。功能：五、焊枪1.基本要求①能固定钨极和喷嘴，并同心度好。②钨极与喷嘴之间要可靠绝缘。③对钨极和喷嘴有效冷却。④有效导入离子气和保护气。⑤便于加工和装配。⑥便于操作和观察电弧。2.焊枪结构3.喷嘴焊枪中压缩喷嘴是最关键部件。它的结构类型和尺寸对等离子弧的性能起决定性作用。主要尺寸：喷嘴孔径dn孔道长度L01）喷嘴孔径dn它决定等离子弧的直径和能量密度，喷嘴孔径dn的大小应根据电流和离子气流量来决定。2）孔道长度L0L0/dn来表示孔道压缩特征。过大会导致双弧产生。3）压缩角（锥角）α对弧的压缩影响不大。一般60°～90°左右，60°的应用最多。4）喷嘴孔道形状喷嘴一般采用导热性好的纯铜制造，并要求具有良好的冷却效果。4）电极●电极材料：钍钨极、铈钨极、锆钨极（锆0.15～0.40%）●电极形状：●内缩Lr：对等离子弧影响很大。过大会引起双弧。一般焊枪中取Lr=Lo±0.2mm。割炬中取Lr=Lo+（2～3）mm。●同心度：一般要求周围占75～80%左右。特点：①易实现过程自动化；②生产率高（熔敷率高）；③质量好（稀释度低）；④易选用各种配方的合金粉末。用途：轴承、阀门芯、工具、推土机零件、叶片的制造和维修。注意：①受热的粉末形成熔滴，引起双弧。因采用扩散型喷嘴。②粉末的粗粒度有一定的影响。一般选用40～120目。六、等离子弧粉末堆焊枪七、等离子弧喷涂枪•有丝极喷涂、粉末喷涂两种。•利用等离子弧喷涂可在工件表面喷涂一层特殊材料，使工件表面获得耐磨、耐蚀、耐高温和抗氧化等性能。第三节等离子弧切割及设备一、等离子弧切割原理及特点1.等离子弧切割原理是利用高温、高冲力的等离子弧为热源，将被切割金属局部熔化，并立即吹掉，从而形成狭窄切口的切割方法。2.等离子弧切割特点•切割速度快，生产率高。•切口质量好。切口窄而平整，产生的热影响区和变形较小。•应用面广。能切割大部分金属材料；（如：不锈钢、铸铁、铝、镁、铜等）还能切割非金属材料。（适用非转移型等离子弧）。请注意：▲等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料的。▲氧气切割不能切割燃点高于熔点、导热性好、氧化物熔点高和粘滞性大的材料。二、等离子弧切割设备主要由电源、割炬、控制系统、气路和水路系统组成。1.切割电源空载电压:(210～250)V工作电压：(90～120)V一般采用高频引弧方式。高频电压：(2000～2500）V高频频率：(150～250）KHz一般采用陡降外特性的直流电源。LGK8—100空气等离子切割机LGK—40电气原理图LGK系列空气等离子切割机电路图逆变式空气等离子切割机2.割炬3.控制系统要求1）能提前送气和滞后停气，以免电极氧化。2）采用高频引弧后，能自动断开。3）若气压或冷却水压不够时，能自动停止工作。4）在切割结束或切割过程中断弧时，控制电路能自动断开。LGK—40时序控制电路2.切割质量对切割质量的要求：切割面光洁、切口窄、切口上部呈直线、切口下部无毛刺、无熔化圆角等。消除毛刺的方法：1）应有足够的功率；2）保证钨极与喷嘴同心；3）选择合适的气体流量；4）选择合适的切割速度。三、空气等离子弧切割利用空气压缩机提供的压缩空气作为工作气体和排除熔化金属的气流。压缩空气在电弧中加热后分解和电离，生成的氧与切割金属产生化学放热反应，加快了切割速度。1.空气等离子弧切割原理2.切割工艺手工空气等离子弧切割自动空气等离子弧切割台式数控精细等离子切割机等离子自动切割机第四节其它切割设备一、火焰切割设备微型/小型数控切割机多头直线切割机二、数控水射流切割设备特点：冷态切割应用：从以切割非金属（陶瓷、玻璃、石材）为主向切割金属（钛合金、不锈钢、铝合金、碳钢）的领域转变。水压等级：最低为300MPa最高为400MPa激光切割功率：2KW、2.4KW的已在实际生产中应用。切割厚度20mm的碳钢。正在开发4KW的光纤激光切割机，能切割35mm厚度的碳钢。三、激光切割设备复习题一、解释1.等离子弧二、填空题1.非转移型等离子弧就是接电源的负极，接电源的正极，不接电源。2.在形成等离子弧的三种压缩作用中，效应是前提；则是电弧被压缩的最主要的原因。3.等离子弧喷涂时采用弧，接电源的负极，接电源的正接，不接电源。4.等离子弧焊机一般采用具有外特性的电源。5.等离子弧切割过程不是依靠，而是靠来切割工件的。6.氧气切割不能切割、、和的材料。