等离子弧焊接与切割

焊接方法与设备第七章等离子弧焊接与切割1主要内容第一节等离子弧第二节等离子弧焊接第三节等离子弧堆焊与喷涂第四节等离子弧切割第七章等离子弧焊接与切割2一、等离子弧的形成第一节等离子弧的形成及其特性等离子体：物质存在的一种状态(右图）等离子态及其形成过程（下图）电子正离子中性的原子分子3是一种压缩电弧（相对于自由电弧如TIG电弧而言）自由电弧——电流增大，弧柱直径增大，二者不能独立调节，所以电流密度、能量密度和温度的增加受限。压缩电弧——电流增大，但弧柱直径不能相应增大，则能量密度、温度、等离子体流速显著增大。1、等离子弧（Plasmaarc）4如何压缩？途径：将电极内缩于导电喷嘴内部，产生三种压缩作用电弧通过小孔机械压缩（前提）热收缩（主因）离子气冷却2、等离子弧的形成原理结果：电弧直径变小、温度升高、能量密度增大电磁收缩通电导体间相互吸引力产生，使弧柱变得更细。53、等离子弧的影响因素等离子弧是压缩电弧，其压缩程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。等离子弧电流喷嘴孔道形状和尺寸当电流增大时，弧柱直径也要增大。因电流增大时，电弧温度升高，气体，电离程度增大，因而弧柱直径增大。如果喷嘴孔径不变，则弧柱被压缩程度增大。离子气体的种类及流量喷嘴孔道形状和尺寸对电弧被压缩的程度只有较大的影响，特别是喷嘴孔径对电弧被压缩程度的影响更为显著。在其它条件不变的情况下，随喷嘴孔径的减小，电弧被压缩程度增大。在一定范围内，气体的携热性越强、流量越大，压缩程度越高，也有利于电弧的稳定。常用的氢、氮、氩三种气体中对电弧的冷却作用随氩—氮—氢顺序递增。6喷嘴孔径mm电流A离子气流量L/min0.81～250.241.620～700.472.140～1000.942.5100～2001.893.2150～3002.364.8200～5002.83改变和调节这些因素可以改变等离子弧的特性，使其压缩程度适应于切割、焊接、堆焊或喷涂等方法的不同要求。喷嘴孔径、电流大小、气体流量的配合可参见下表。71.温度高、能量密度大：24000~50000K、105~108W/cm2（TIG电弧相应为10000~24000K、104w）2.能量分布均衡：在整个弧长上温度均衡，靠弧柱加热3.挺度好、冲力大：扩散角小，对弧长波动不敏感4.稳定性好：电流小至0.1A电弧仍稳定燃烧二、等离子弧的特性8非转移型：电弧在钨极和喷嘴之间形成后，在高速气流作用下冲出喷嘴（也叫等离子焰）转移型：电弧先在钨极和导电喷嘴间引燃，转移到工件上形成新的导电回路后，切断钨极与导电嘴之间的电弧。混合型：同时保持转移弧与非转移弧（电弧转移到工件后主弧不切断钨极与导电嘴之间的电弧维弧）三、等离子弧的类型及应用9类型特点应用转移型电弧温度较高常用于金属的焊接、堆焊与切割非转移型电弧温度较低喷涂、非金属的焊接与切割混合型小电流下的电弧稳定性好多用于微束等离子弧（30A）焊接10四、等离子弧的双弧现象及防止1．双弧现象及危害在使用转移型等离子弧进行焊接或切割过程中，由于某些原因在钨极和喷嘴及喷嘴和焊件之间产生与主弧并列的电弧，这种现象就称为等离子弧的双弧现象。11双弧的危害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。破坏等离子弧的稳定性焊接熔透能力降低，切割厚度减小产生双弧时，在钨极和工件之间同时形成两条并列的导电通路，减小了主弧电流，降低了主弧的电功率。容易烧坏喷嘴双弧一旦产生，喷嘴就有并列弧的电流通过。此时等离子弧和喷嘴内孔壁之间的冷气膜又受到破坏，因而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。122．形成双弧的原因过度压缩，冷却不够,冷气膜的阻滞作用被击穿时，绝热和绝缘作用消失，就会产生双弧现象。绝热冷气膜绝缘133．防止双弧的措施双弧的形成主要是喷嘴结构设计不合理或工艺参数选择不当造成的。正确选择电流选择合适的离子气成分和流量一定尺寸的喷嘴，电流应小于许用电流，特别注意减少转移弧时的冲击电流。采用冷却作用强（Ar+H2)和增大离子气量可减小双弧产生。喷嘴结构设计合理喷嘴孔道不能太长；电极和喷嘴应尽可能对中；电极内缩量不能太大。喷嘴的冷却效果喷嘴应具有良好的冷却喷嘴端面至焊件表面距离不能过小过小使等离子弧的热量从焊件表面反射到喷嘴端面，喷嘴温度升高。14第二节等离子弧焊等离子弧焊----利用等离子弧作热源，加热并熔化母材金属，使之形成焊接接头的焊接方法。（PAW）一、等离子弧焊的基本方法及应用按焊缝成型原理等离子弧焊分为：穿孔型等离子弧焊熔透型等离子弧焊微束等离子弧焊脉冲等离子弧焊、交流等离子弧焊、熔化极等离子弧焊等。15（1）原理1．穿孔型等离子弧焊（穿孔型、小孔型）小孔焊接示意图焊接时小孔的照片2004年华恒公司不锈钢PAW的小孔（上：正面、左：背面）2004年华恒公司不锈钢PAW的焊缝（左：背面/单面焊双面成形下：正面）18100～500A转移弧，材料/板厚合适时，无须衬垫，悬空即可单面焊双面成形。不锈钢3～8mm、钛合金12mm以下、低碳钢或低合金结构钢及铜、黄铜、镍及镍合金的对接2～6mm.当厚度大于上述范围时，需开V形坡口进行多层焊。优点：厚板可实现单道焊接；对接焊不开坡口，焊前对工件坡口加工量减少；焊缝对称，焊接横向变形小；孔隙率低。缺点：焊接可变参数多，规范区间窄；厚板焊接时，对操作者的技术水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接；焊枪对焊接质量影响大，喷嘴寿命短；除铝合金外，大多数小孔焊仍限于平焊位置。（2）穿孔型等离子弧焊的特点192．熔透型等离子弧焊采用较小的焊接电流和较低的离子气流量，采用混合型等离子弧焊接的方法。在焊接过程中不形成小孔效应。（1）原理2030~100A混合弧。材料、板厚、接头形式不限，可单面焊双面成形、多层多道焊，对参数的要求不严格，易于实现，与TIG焊类似。主要用于薄板（0.5～2.5mm以下）的焊接、多层焊封底焊道以后各层的焊接以及角焊缝的焊接。（2）熔透型等离子弧焊的特点213．微束等离子弧焊微束等离子弧焊----焊接电流在30A以下的等离子弧焊通常称为微束等离子弧焊。微束等离子弧焊通常采用混合型等离子弧，采用二个独立焊接电源。主弧电源维弧电源向钨极与喷嘴之间的非转移弧供电，维弧电流一般为2～5A，维弧电源的空载电压一般90V，以便引弧。向钨极—焊件间的转移弧(主弧)供电，以进行焊接。当维弧电流大于2A时，转移型等离子弧在小至0.1A焊接电流下仍可稳定燃烧。因此小电流时微束等离子弧十分稳定。22上述三种等离子弧焊方法均可采用脉冲电流，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。尤其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，主要用来焊接铝、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方法。这两种方法特点不突出，目前用的尚不多。23二、等离子弧焊设备组成焊接电源控制系统焊枪供气系统供水系统手工焊设备自动焊设备自动焊设备除上述部分外，还有焊接小车和送丝机构（焊接时需要加填充金属）。24大电流等离子弧焊（151）微束等离子弧焊（152）251.焊接电源：应具有陡降或垂降特性，空载电压较高（纯氢气作离子气时需80V左右；用氩气加氢气的混合气体作离子气时，需要110～120V。）通常带有高频引弧和电流衰减装置。262.焊枪：结构组成如下图压缩喷嘴：最通用的材料是纯铜电极：等离子弧焊枪所采用的电极材料与钨极氩弧焊相同，有钨棒和镶嵌式电极两种。△压缩喷嘴属易损件，按既定规格选用293．气路和水冷系统焊接区保护气背面保护气离子气为保证引弧和收弧处的焊缝质量，离子气分两路供给，其中一路经放气阀放入大气，以实现离子气衰减。30为延长喷嘴及电极的使用寿命，以及对等离子弧产生良好的热收缩效应，等离子弧焊机必须具有合适的水冷。直接冷却间接冷却冷却水从上枪体进入，从下枪体流出喷嘴及电极分别进行水冷却，冷却效果好，一般都用在具有镶嵌式电极的焊枪结构中。314．控制系统等离子弧焊设备的控制系统一般包括高频引弧电路、拖动控制电路、延时电路和程序控制电路等部分。控制系统应具备的功能：1)可预调气体流量并实现离子气流的衰减。2)焊前能进行对中调试。3)调节焊接小车行走速度及填充焊丝的送进速度。4)提前送气，滞后停气。5)可靠的引弧及转换。6)实现起弧电流递增，熄弧电流递减。7)无冷却水时不能开机。8)发生故障及时停机。32三、等离子弧焊工艺容易得到均匀的焊缝成形可以焊接超薄件可减少钨极烧损和防止焊缝金属夹钨1．等离子弧焊的工艺特点等离子弧焊熔透能力强等离子弧的温度高、能量密度大,提高了焊接生产率，而且可减小熔宽、增大熔深，因而可减小热影响区宽度和焊接变形。等离子弧的形态近似圆柱形，挺度好，因此当弧长发生波动时对焊缝成形的影响较小等离子弧的稳定性好，使用很小的焊接电流也能保证电弧的稳定钨极内缩在喷嘴里面，焊接时钨极与焊件不接触332．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形接头。1)厚度大于1.6mm但小于所列厚度值的工件，可不开坡口，采用小孔法单面一次焊成。材料不锈钢钛及钛合金镍及镍合金低合金钢低碳钢焊接厚度范围≤8≤12≤6≤7≤8342)厚度较大的焊件，需开坡口进行多层焊第一层采用穿透型焊，坡口钝边5mm，坡口角度小，以后采用熔透型焊接法。3）0.025～1.6mm焊件，通常采用微束等离子弧焊常用接头形式如图。焊接时要采用可靠的焊接夹具，以保证工件的装配质量。装配间隙和错边量越小越好。35穿透型等离子弧焊，影响小孔稳定性的主要焊接参数：焊接电流离子气种类及流量焊接速度喷嘴孔径过大过小都不能实现穿透法焊接，过大还会引起双弧应用最广的离子气是氩气，流量足够，太大离子弧的冲力过大将熔池金属冲掉焊接速度的确定，取决于焊接电流和离子气流量喷嘴高度喷嘴高度应保持在3～8mm较为合适保护气成分及流量大电流等离子弧焊时保护气与离子气成分应相同，否则会影响等离子弧的稳定性。保护气一般采用氩气，穿孔法焊接时，保护气流量一般选择15～30L／min。(2)焊接工艺参数的选择36建议工艺方案：（1）对接接头，若材料/厚度合适，可用穿孔焊法，否则用熔入型焊法或穿孔焊打底+熔入型填充盖面。（2）其它接头形式：用熔入型焊法（3）细薄零件：用微束熔入型弧焊法，离子气对不同材料最好用不同的混合气。（4）如有可能，尽量脉冲电流焊接。焊材选用：填充金属的主要成分与被焊母材相同。37Ar+H2：焊接奥氏体不锈钢、镍基合金及铜镍合金时，H2在7.5%以下。小孔焊接时，H2范围为5%～15%。工件越薄，允许H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不锈钢时，加H2为5%，而进行3.8mm不锈钢管道高速焊时，允许加H2达15%使用Ar+H2作离子气时，由于电弧温度较高，应降低喷嘴孔径的额定电流。气体：包括离子气和保护气。离子气是惰性的，保护气允许添加活性气体。大电流焊接时，离子气与保护气成分应相同。Ar：用于焊接碳钢、高强度钢及活性金属，如钛、钽及锆合金。38Ar+He：He超过75%时，其性能基本与纯He相同。Ar+CO2：小电流焊接低碳钢及低合金钢时，允许添加活性气体，其流量在10~15L/min之内。He：纯He仅用于熔透法焊接，如焊铜。大电流及小电流条件下等离子弧焊接用气体选择39手工熔透法焊接的最佳电流范围是0.1～50A。当电流超过50A，使用手工氩弧焊更为经济。自动熔透法焊接工艺应用广泛。控制起弧电流、电流上升、脉冲电流、电流衰减、引弧电流。小孔法只能采用自动焊。需要精确地控制起弧与收弧、离子气流量、焊接电流、焊接速度等工艺参数。环缝焊接时，电流离子气量递增，递减。离子气流量、焊接电流和焊接速度这三者之间要有适当的匹配。小结：40堆焊(overla