等离子弧焊接与喷涂01.

第9章等离子弧焊接与喷涂Createdbygroup42014.12.23Contents目录01等离子弧特性及其发生器02等离子弧焊接03等离子弧喷涂等离子弧特性及其发生器定义等离子弧是利用等离子弧焊枪，将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。等离子弧焊接（PlasmaArcWelding）是利用等离子弧作焊接热源的熔焊方法；等离子弧喷涂（PlasmaArcSpraying）是以等离子弧为热源，用氩、氮或其它气体为喷射气流的喷涂方法。1、等离子弧的形成等离子弧是在钨极氩弧焊基础上发展起来的，通常所说的等离子弧实际上是一种压缩电弧，其借助水冷喷嘴等外部拘束条件使弧柱受到压缩。电极等离子气保护气拘束喷嘴气室保护气喷嘴工件小孔焊缝金属焊接方向三种压缩效应它是借助于以下三种压缩效应而形成的：（1）机械压缩效应也称壁压缩效应。强迫电弧通过喷嘴通道，利用喷嘴来限制弧柱直径，使电弧截面受到压缩，从而提高弧柱能量密度。（2）热压缩效应：水冷铜喷嘴的导热性很好，紧贴喷嘴孔道壁的“边界层”气体温度很低，电离度和导电性均降低。迫使带电粒子向温度更高、导电性更好的弧柱中心区集中，相当于外围的冷气流层迫使弧柱进一步收缩。（3）磁压缩效应定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。2、等离子弧的分类等离子弧按电源供电方式不同分为三种形式:（1）非转移型等离子弧:非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠“等离子焰”将电弧带出。主要用于非金属材料的焊接与切割（2）转移型等离子弧:转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。金属材料的焊接及切割一般都采用转移弧。（3）联合型（又称为混合型）联合型弧非转移弧和转移弧同时存在的等离子弧。联合弧需用两个独立电源供电，主要用于电流小于30A以下的微束等离子弧焊接。3、等离子弧特性⑴静态特性等离子弧的静态特性是指一定弧长的等离子弧处于稳定的工作状态时，电弧电压Uƒ与电弧电流Iƒ之间的关系，即：Uƒ＝ƒ（Iƒ）Part热源特性⑵Part热源组成⑶普通的钨极氩弧焊，加热焊件的热量主要来源于阳极斑点的产热，电弧电压在阳极区，弧柱区和阴极区大致平均分配。而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，加热金属时利用的主要是弧柱区的热功率，即利用弧柱等离子体的热能。这与钨极氩弧是明显不同的。分类：按用途不同有等离子弧焊枪、等离子弧割枪、等离子弧喷枪。01组成：主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极02等离子弧焊枪a）大电流等离子弧焊枪b）微束等离子弧焊枪喷嘴（1）主要结构参数：1）喷嘴孔径d2）喷嘴孔长度l3）锥角a4）喷嘴孔道形状（2）材料和冷却：一般使用纯铜（导热性能好）大功率喷嘴直接水冷03喷嘴的基本结构（a）单孔式（b)三孔式（c)多孔式电极材料及其结构等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用锆钨极或锆电极。钨极一般需要进行水冷，小电流时采用间接水冷方式，钨极为棒状电极；大电流时，采用直接水冷，钨极为镶嵌式结构。棒状电极端头：电流小，直径细时：一般磨成尖锥形电流大，直径粗时：磨成圆台形，锥球形，球形，以减少烧损。04镶嵌式水冷电极与TIG焊不同，等离子焊时，钨极一般内缩到压缩喷嘴之内，从喷嘴外表面至钨极尖端的距离被称为内缩量lg。为了保证电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心，而且钨极的内缩长度lg要合适（通常焊枪取lg=l0.2mm,割枪lg=l（2-3）mm）。正常的转移型等离子弧会稳定地燃烧在钨极和工件之间。由于一些原因，有时会出现一种破坏电弧稳定燃烧的现象，这时除已存在的等离子弧主弧以外，在钨极－喷嘴－工件之间会产生另外一种旁路电弧（或者叫副弧），即主弧和旁路电弧同时存在，这就是双弧现象。解释双弧现象1、双弧的形成机理在一定的电流及外界条件下，电弧电压总是力图维持最小值，这是电弧在燃烧过程中遵循的一个很重要的规律，即电压最小原理。UAB=Uc,W+UAa+Uab+UbB+UajU'AB=Uc,W+UAc+Ua,Cu+Ucd+Uc,Cu+UdB+Uaj1、双弧形成因素喷嘴因素:喷嘴孔径越小，孔道长度或内缩增大时，双弧倾向增加；钨极和喷嘴的不同心，使局部冷气膜厚度减小，易形成双弧。01电流因素：电流增加，易形成双弧，对于给定的喷嘴，允许使用的电流有一个极限的临界值。02离子气体因素：离子气流量增加使Uab增加，同时也使冷气膜厚度增加，UT增加，双弧倾向减小。03其他因素:喷嘴冷却不好，或表面有氧化物或金属飞溅等，都使产生双弧的倾向增加。04等离子弧焊接PlasmaArcWelding1、等离子弧焊接的工作原理等离子弧焊接是使用惰性气体作为工作气和保护气，利用等离子弧作为热源加热并熔化母材金属，使之形成焊接接头的熔焊方法。等离子弧焊接有三种基本方法：穿透型等离子弧焊接普通熔透型等离子弧焊接微束等离子弧焊接Part穿透型等离子弧焊接(100～300A)⑴又称穿孔(小孔)型焊接法，通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，利用它温度高、能量密度强、穿透力强的特点，焊接时等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流量的作用下形成一个穿透焊件的小孔形成了正反面都有波纹的焊缝，即所谓的“小孔效应”，焊接时一般不加金属，焊缝的断面为酒杯状。01焊接方向12345穿孔型适用于单面焊双面成形，焊接较薄的工件时，可不开坡口、不加垫板、不加填充金属，一次实现双面成形。对于厚度更大的板材，穿孔型等离子弧焊只能进行第一道焊缝的焊接。02Part普通熔透型等离子弧焊接(15～200A)⑵它是采用较小的焊接电流和较小的离子气流量，等离子弧在焊接过程中只熔化焊件不产生小孔效应，焊接方法与钨极氩弧焊很相似，焊接时可以不添加金属，主要用于薄板（0.5～2.5mm）、多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接。焊缝断面：碗状01普通熔透型等离子弧焊接与穿透性等离子弧焊接比较：焊接参数较小，电弧穿透力较弱；焊接过程稳定性高，焊缝形状系数大，热影响区较宽，焊接变形较大。02Part微束等离子弧焊接(30A以下)⑶一种小电流（通常小于30A）熔入型焊接工艺。01微束等离子弧焊接设备特点：•小孔径压缩喷嘴（0.6mm1.2mm）•联合型电弧。非转移弧起着引弧和维弧作用，使转移弧在电流小至0.5A时仍非常稳定。转移弧向钨极与焊件之间供电。02工艺特点：a)可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm;b)弧长在很大的范围内变化时，也不会断弧，并且电弧保持柱状；c)焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小03其他种类的等离子弧焊接（一）脉冲等离子弧焊接利用15Hz以下的脉冲电流代替稳定的直流。电弧更稳定，HAZ（热影响区域）及变形更小。（二）交流等离子焊接一般采用方波电源，用来焊接铝合金。（三）熔化极等离子电弧实际上使熔化极电弧与等离子弧的组合其他种类的等离子弧焊接（四）等离子弧堆焊（PlasmaArcSurfacing）等离子弧堆焊是利用转移型等离子弧为主要热源（有时用非转移型弧作为辅助热源），在惰性气体保护下，将丝状或粉末状合金材料熔化，熔敷到金属表面形成堆焊层的一种焊接方法。分为：粉末等离子弧堆焊热丝等离子弧堆焊图9-32等离子粉末堆焊原理图图9-33热丝等离子弧堆焊方法其他种类的等离子弧焊接（四）等离子弧堆焊（PlasmaArcSurfacing）的三个指标熔敷效率：在堆焊过程中，熔敷金属与使用的堆焊材料的质量比，反映堆焊材料的利用率。熔敷速度：在单位时间内有效熔敷的堆焊合金的质量。（同焊丝融化速度，见2.1.2）稀释率：母材成分在堆焊层中所占的比例，决定了堆焊层的性能。（同3.1.2熔合比）趋势：目前等离子弧堆焊正向着高熔敷速度、低稀释率方向发展！2、等离子弧焊接的特点由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性，因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点：1)熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8-10mm厚的不锈钢板；2)焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧长变化对加热斑点面积的影响很小，易获得均匀的焊缝形状；3)钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不会与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象；4)等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件；3、等离子弧焊接的缺点（1）可焊厚度有限，一般在25mm以下；（2)焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；（3)焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。（4）由于需要两股气流，因而使过程的控制和焊枪的构造复杂化。（5）由于电弧的直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。4、等离子弧焊接的应用直流正接等离子弧焊接可以用于焊接碳钢，合金钢、耐热钢、不锈钢、铜及铜合金、钛及钛合金、镍及镍合金等材料。交流等离子弧焊接主要用于铝及铝合金、镁及镁合金、铍青铜、铝青铜等材料的焊接。1、焊接电源等离子弧焊接电源应具有下降或垂降的外特性。氩作离子气时，空载电压为60-80V。用氩、氢混合气时，空载电压为110-120V。微束等离子弧焊接空载电压为100-130V。等离子弧一般均采用直流正接（等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊）。2、控制系统等离子弧焊机的控制系统包括引弧电路、程序控制电路、水和气体控制电路、送丝和行走等。1、接头形式厚度在0.05mm-1.6mm之间时，通常采用图9-28中的接头形式，利用微束等离子弧进行焊接。如果厚度小于0.25mm,对接接头需要卷边，如图9-28b所示。板厚大于1.6mm而小于表9-5中的板材时，通常不开坡口，利用穿孔法进行焊接。板厚大于表9-5中的限值时，需要开坡口，进行多层焊。与TIG焊相比，可采用较小的坡口角度及较大的钝边，如图9-27所示。第一层用穿孔法进行焊接，其他各层用熔入法或其他焊接方法焊接。图9-2710mm厚不锈钢采用等离子焊（实线）与TIG焊（虚线）的坡口对比图9-28薄板等离子弧焊接接头形式a)I形对接接头b)卷边对接接头c)卷边角接接头d)端接接头2、焊接材料填充金属与钨极氩弧焊相似，等离子弧焊接也可以使用填充金属。其主要化学成分与被焊母材相同。气体焊接时，除要向焊枪压缩喷嘴输送离子气外，还要向枪体保护罩输送保护气体，以充分保护熔池不受大气污染。大电流等离子弧焊接时，等离子气及保护气体通常采用相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氩气的电离电压较低，可保证电弧引燃容易。3、焊接参数穿孔型焊接＊a）离子气流量:当其他条件不变时，离子气流量增加，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；但离子气流量太大时，会使等离子弧的冲力过大将熔池金属冲掉，同样无法实现穿透法焊接。＊b）焊接电流:当其他条件不变时，焊接电流增加，等离子弧的热功率也增加，熔透能力增强。因此，应根据焊件的材质和厚度首先确定焊接电流。＊c）焊接速度:提高焊接速度，则输入到焊缝的热量减少，在穿孔法焊接时，小孔直径将减小；如果焊速太高，则不能形成小孔，故不能实现穿透法焊接。焊接速度的确定，取决于焊接电流和离子气流量。3、焊接参数穿孔型焊接＊d）喷嘴高度:距离过大，熔透能力降低；距离过小则造成喷嘴堵塞。一般取3-8mm。和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。＊e）保护气流量:在一定的离子气流量下，保护气体流量太大会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。而保护气流量太小，保护效果也不好，因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。小孔型焊接保护气体流量一般在15-30L/min范围内。3、