第十一章第十一章等离子弧焊接与切割

第十一章等离子弧焊接与切割第一节等离子弧概述一、等离子弧原理等离子弧是自由电弧压缩而成的。电弧通过水冷喷嘴、限制其直径，称机械压缩。水冷内壁温度较低，紧贴喷嘴内壁的气体温度也极低，形成了一定厚度的冷气膜，冷气膜进一步迫使弧柱截面减小，称热压缩。弧柱截面的缩小，使电流密度大为提高，增强了磁收缩效应，称磁压缩。在三种压缩的作用下，等离子弧的能量集中(能量密度可达105～106W／cm2)，温度高(弧柱中心温度18000～24000K)，焰流速度大(可达300m／s)。这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂、堆焊及切割。二、等离子弧的特点由于等离子弧的特性，与钨极氩弧焊相比，有以下特点：(1)等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透、反面成形均匀的焊缝。(2)电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5°左右，基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小。所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。(3)焊接速度比钨极氩弧焊快。(4)能够焊接更细、更薄加工件。(5)其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。三、等离子弧的类型按电源连接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。(一)联合型等离子弧工作时，非转移型弧和转移弧同时存在，称为联合型等离子弧。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等。(二)非转移型等离子弧钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。(三)转移型等离子弧钨极接电源负极，工件接电源正极，等离子弧体产生于钨极与工件之间。转移弧难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到转移弧。金属焊接、切割几乎均采用转移型弧。四、适用范围1、操作方式等离子弧焊适于手工和自动两种操作，可以焊接连续或断续的焊缝。焊接时可添加或不添加填充金属。2、被焊金属一般TIG能焊的大多数金属，均可用等离子弧焊接，如碳钢、不锈钢、铜合金、镍及其合金、钛及其合金等。低熔点和沸点的金属如铅、锌等，不适于等离子弧焊接。3、焊接位置手工等离子弧焊可全位置焊接、自动等离子弧焊通常是在平焊和横焊位置上进行。4、可焊厚度等离子弧焊很适于焊接薄板，不开坡口，背面不加衬垫，最薄的可焊接0.01mm金属薄片。单面焊一次能焊透金属的厚度，如表11-1所列。表11-1等离子弧焊（小孔技术）一次焊透的厚度单位（mm）材料不锈钢钛及其合金镍及其合金低合金钢低碳钢铜及其合金焊接厚度范围≤8≤12≤6≤8≤8≤2.5超过8mm厚度的金属，从经济上考虑不宜用等离子弧焊。通常是在质量要求较高的厚板，并要求单面焊反面成形的封底焊缝的焊接时采用。其余各层焊缝仍宜采用熔敷率更高更经济的焊接方法。第二节等离子弧焊基本方法与设备组成一．等离子弧焊基本方法（一）按焊缝成形原理分类等离子弧焊有三种基本方法：小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。1．小孔型等离子弧焊小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。利用等离子弧能量密度大和等离子流力强的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的小孔。被熔化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。2．熔透型等离子弧焊当离子气流量较小、弧抗压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应。焊缝成形原理和钨极氩弧焊类似，此种方法也称熔入型或熔触法等离子弧焊。主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。3．微束等离子弧焊焊接电流在30A以下的等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。为了保持小电流时电弧的稳定，一般采用小孔径压缩喷嘴(0.6～1.2mm)及联合型电弧。即焊接时会存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧，前者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，后者用于熔化工件。（二）焊接电流范围分类焊接电流目前尚没有明确划分界限。有人以30A为分界，小于它为微束等离子弧焊，大于它通常称为大电流等离子弧焊。但又有人把使用电流分得更细，分为大、中、小三类。（三）其他分类方法除上述分类外，近来也有按所同电极分类，如非熔化极等离子弧焊和熔化极等离子弧焊；按所投电流类型分类,如直流、交流和脉冲等离子弧焊。二、等离子弧焊设备的组成和钨极氩弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成。如图11-1所示。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车(或转动夹具)、控制电路、气路及水路等部分组成。图11-1手工等离子弧焊设备1-焊件；2-填充焊丝；3-焊枪；4-控制系统；5-水冷系统；6-启动开关（常安在焊枪上）；7-焊接电源；8、9-供气系统第三节等离子弧焊工艺参数与选择一、小孔型等离子弧焊1.离子气流量离子气流量离子气流量增加，可使等离子流力和熔透能力增大，在其他条件不变时，为了形成小孔，必须要有足够的离子气流量，但是离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形，2.焊接电流焊接电流增加等离子弧穿透能力增加，和其他电弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的，电流过小，不能形成小孔，电流过大，又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落。3.焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要工艺参数。其他条件一定时，焊速增加，焊缝热输入减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定，取决于离子气流量和焊接电流，4.喷嘴距离距离过大，熔透能力降低：距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污。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。5.保护气体流量保护气体流量应与离子气流量有一个适当的比例，离子气流量不大而保护气体流．量太大时会导致气流的紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15~30L／min范围内。二、熔透型等离子弧焊熔透型等离子弧焊的工艺参数项目和小孔型等离子弧焊基本相同。工件熔化和焊缝成形过程则和钨极氩弧焊相似。中、小电流（0.2~100A）熔透型等离子弧焊通常采用联合型弧。由于非转移弧（维弧）的存在，使得主弧在很小电流下（1A以下）也能稳定燃烧。维弧的阳极斑点位于喷嘴孔壁上，维弧电流过大容易损坏喷嘴，一般算用2~5A。小孔型、熔透型等离子弧焊也可以采用脉冲电流焊接，借以控制全位置焊接时的焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形，脉冲频率在15Hz以下。脉冲电源结构形式上基本和钨极脉冲氩弧焊相似。三、微束等离子弧焊15～30A以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，使小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。为保证焊接质量，应采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。工件表面的清洁程度应给予特别重视。为了便于观察，可采用光学放大观察系统。第四节等离子弧切割工作原理与切割设备组成一、工作原理等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法。它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口。等离子弧坑的温度高，远远超过所有金属以及非金属的熔点。因此，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，因而比氧化切割方法的适用范围大得多，能够切割绝大部分金属和非金属材料。二、工作设备1．电源等离子弧切割与等离子弧焊接一样，一般都采用陡降外特性电源。但切割用电源空载电压一般大于150V，水再压缩空气等离子弧切割电源空载电压可高达600V，根据采用不同电流等级和工件气体而选定空载电压。电流等级选大，则选用切割电源空载的电压高。双原子气体和空气作为工件气体以及高压喷射水作为工件介质时，切割电流的空载电压要高一些，才能使引弧可靠和切割电弧稳定。2．割枪等离子弧切割割枪基本上与等离子弧焊接的焊枪相同。一般由电极、电极夹头、喷嘴、冷却水套、中间绝缘体、气室、水路、气路、馈电体等组成。割枪中工作气体的通入可以是轴向通入，切线旋转吸入或者是轴向和切线旋转组合吸入。切线旋转吸入或送气对等离子弧的压缩效果更好，是最为常用的二种。第五节等离子弧切割工艺参数与选择一．气体选择等离子弧切割工作气体既是等离子弧的导电介质，同时还要排除切口中的熔融金属，因此对等离子弧的切割特性以及切割质量和速度有明显的影响。等离子弧切割在生产中通常使用的离子气体有N2、Ar、N2+H2、N2+Ar，也有用压缩空气、氧气、水蒸气或水作为产生等离子弧的介质。离子气的种类决定切割时的弧压，弧压越高切割功率越大，切割速度及切割厚度都相应提高。但弧压越高，要求切割电源的空载电压也越高，否则难以引弧或电弧在切割过程中容易熄灭。用工业纯氩作为切割气体，只需要用较低的空载电压（70～90V），但切割厚度仅在30mm以下，且由于氩气费用较高，不经济，所以一般不常使用。N2、H2、Ar任意两种气体混合使用，比任何一种单一气体使用时效果好，因它们可以相互取长补短，各自发挥其特长。其中尤以Ar+H2及N2+H2混合气体切口质量和切割效果最好。切割较大厚度时，用N2+H2混合气体。我国实际生产上由于氮气价格低廉，所以大多用氮气作为切割气体。压缩空气作离子气时热焓值高，电弧电压100V以上，电源电压200V以上，在切割30mm以下厚度的材料时，有取代氧-乙炔火焰切割的趋势。切割碳钢或铸铁时，在气流中加入氧气，可以提供额外的切割能量。二、切割电流但切割电流过大，易烧损电极和喷嘴，且易产生双弧，因此对一定的电极和喷嘴有一定合适的电流。切割电流也影响切割速度和割口宽度，切割电流增大会使弧柱变粗，致使切口变宽，易形成V形割口。表7列出等离子弧切割电流与割口宽度的关系。表7等离子弧切割电流与割口宽度的关系切割电流/A2060120250500割口宽度/mm1.02.03.04.59.0三、空载电压空载电压高，易于引弧。切割大厚度板材和采用双原子气体时，空载电压相应要高。空载电压还与割枪结构、喷嘴至工件距离、气体流量等有关。四、切割速度切割速度决定于材质板厚、切割电流、气体种类及流量、喷嘴结构和合适的后拖量等。五、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。但当气体流量过大时，会因冷却气流从电弧中带走过多的热量，反而使切割能力下降，电弧燃烧不稳定。六、喷嘴距工件高度在电极内缩量一定（通常为2～4mm）时，喷嘴距离工件的高度一般在6～8mm，空气等离子切割和水再压缩等离子弧切割的喷嘴距离工件高度可略小。第六节等离子弧焊接与切割安全防护技术一、防电击事故等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，尤其在手工操作时，有电击的危险。因此，(1)电源在使用时必须可靠接地。(2)焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。(3)可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回路。(4)如果起动开关装在手把上，必须对外露开关套上绝缘橡胶管，避免手直接接触开关。(5)等离子弧焊接和切割用喷嘴及电极的寿命相对较短，要经常更换，更换时要保证电源处于断开状态。（6）防电弧光辐射二、防电弧光辐射等离子弧较其他电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重，操作者在焊接和切割时必须戴上良好的面罩、手套，颈部也要保护。面罩上除具有黑色目镜外，最好加上吸收紫外线的镜片。自动操作时，可在操作者与操作区之间设置防护屏。等离子弧切割时，可采用水下切割方法，利用水来吸收光辐射。三、防高频和射线等离子弧焊接和切割都采用高频振荡器引弧，但高频对人体有一定的危害。引弧频率选