第八章等離子弧焊接一本章重點1.掌握等離子弧的產(chǎn)生、特點及等離子弧焊的應(yīng)用。2.掌握雙弧的產(chǎn)生機(jī)理及影響因素。3.掌握等離子弧焊接方法及規(guī)范參數(shù)選擇。二學(xué)時4學(xué)時第1頁，共19頁。8—1等離子弧的產(chǎn)生及特性一等離子弧的產(chǎn)生對自由電弧進(jìn)行強(qiáng)迫壓縮，即是在提高電弧功率的同時使弧柱截面縮小，弧柱溫度急劇上升，弧柱中氣體電離程度也迅速提高，幾乎達(dá)到完全電離的狀態(tài)而獲得高能密度的等離子弧——壓縮電弧或拘束電弧。

等離子弧是通過三種效應(yīng)壓縮形成的。機(jī)械壓縮效應(yīng)即強(qiáng)迫電弧通過水冷噴嘴的細(xì)孔道，使弧柱直徑小于噴嘴孔徑，從而提高弧柱的能量密度，見圖8—1。第2頁，共19頁。第3頁，共19頁。噴嘴內(nèi)不斷通入具有一定壓力和流量的高速冷卻電流，該氣流層環(huán)繞著電弧使噴嘴不致被燒壞，并迫使帶電粒子向高溫和電離程度高的弧柱中心區(qū)域集中，弧柱直徑進(jìn)一步變細(xì)?；≈行牡膸щ娏Ｗ恿骺煽闯梢皇叫械耐妼?dǎo)體，導(dǎo)體自身的磁場產(chǎn)生的磁力使它們相互吸引，從而形成一個從弧柱四周向中心的壓縮力，則弧柱進(jìn)一步壓縮。經(jīng)三種壓縮效應(yīng)后的電弧能量密度很高，要在較小的電弧截面上通過同樣大小的電流，必須相應(yīng)的提高電弧電壓，即比普通電弧的電流高。二等離子弧的特性等離子弧的靜特性仍然呈“U”型特性，但平直區(qū)較自由電弧明顯縮小，弧柱電場強(qiáng)度增加，電弧電壓明顯提高，噴嘴孔徑越小“U”型特性平直區(qū)域就越小，上升區(qū)域斜率增大，即弧柱電場強(qiáng)度增大。第4頁，共19頁。熱源特性具有下列特點：1）溫度高且能量集中自由狀態(tài)下的鎢極氬弧溫度為10000~24000K，能來密度小于104W/cm2。等離子弧溫度可高達(dá)24000~50000K，能來密度可達(dá)105~106W/cm2。2）有良好的電弧穩(wěn)定性等離子弧的高溫及高能量密度使其穩(wěn)定性和挺度明顯高于普通電弧，等離子弧對弧長變化的敏感性小，焊接規(guī)范穩(wěn)定可靠，等離子弧的高挺度使弧柱呈圓柱形，自由電弧的擴(kuò)散角為45°，等離子弧僅為5°左右，見圖8—2。3)具有很強(qiáng)的沖擊力等離子弧截面收縮小，溫度升高，內(nèi)部具有很大的膨脹力，迫使帶電粒子高速從噴嘴噴出，產(chǎn)生很大的沖擊力，此沖擊力在焊接時可增加熔深，切割時可吹掉熔渣，噴圖時噴出粉末。4）調(diào)節(jié)范圍廣等離子弧的溫度、沖擊力、電流、弧長、弧柱直徑等均可以根據(jù)需要進(jìn)行調(diào)節(jié)。第5頁，共19頁。第6頁，共19頁。自由狀態(tài)下的鎢極氬弧溫度為10000~24000K，能來密度小于104W/cm2。2mm,割槍中取lg=l+（2~3mm）。對于噴嘴的選用，除了考慮結(jié)構(gòu)形狀外還要合理的確定噴嘴的幾何尺寸，其主要參數(shù)有：噴嘴孔徑dK、孔道長度lK和收縮角α。自由狀態(tài)下的鎢極氬弧溫度為10000~24000K，能來密度小于104W/cm2。工件不接電源而是被間接加熱融化的，這種等離子弧的溫度低，為10000~20000K，用于噴圖、薄板焊割。噴嘴內(nèi)不斷通入具有一定壓力和流量的高速冷卻電流，該氣流層環(huán)繞著電弧使噴嘴不致被燒壞，并迫使帶電粒子向高溫和電離程度高的弧柱中心區(qū)域集中，弧柱直徑進(jìn)一步變細(xì)。（二）目前國內(nèi)采用的噴嘴結(jié)構(gòu)形式主要有以下兩種：等離子弧的靜特性仍然呈“U”型特性，但平直區(qū)較自由電弧明顯縮小，弧柱電場強(qiáng)度增加，電弧電壓明顯提高，噴嘴孔徑越小“U”型特性平直區(qū)域就越小，上升區(qū)域斜率增大，即弧柱電場強(qiáng)度增大。擴(kuò)散型噴嘴，包括：圓錐形、臺階圓柱形噴嘴。等離子弧截面收縮小，溫度升高，內(nèi)部具有很大的膨脹力，迫使帶電粒子高速從噴嘴噴出，產(chǎn)生很大的沖擊力，此沖擊力在焊接時可增加熔深，切割時可吹掉熔渣，噴圖時噴出粉末。經(jīng)三種壓縮效應(yīng)后的電弧能量密度很高，要在較小的電弧截面上通過同樣大小的電流，必須相應(yīng)的提高電弧電壓，即比普通電弧的電流高。等離子弧的靜特性仍然呈“U”型特性，但平直區(qū)較自由電弧明顯縮小，弧柱電場強(qiáng)度增加，電弧電壓明顯提高，噴嘴孔徑越小“U”型特性平直區(qū)域就越小，上升區(qū)域斜率增大，即弧柱電場強(qiáng)度增大。對自由電弧進(jìn)行強(qiáng)迫壓縮，即是在提高電弧功率的同時使弧柱截面縮小，弧柱溫度急劇上升，弧柱中氣體電離程度也迅速提高，幾乎達(dá)到完全電離的狀態(tài)而獲得高能密度的等離子弧——壓縮電弧或拘束電弧。這類噴嘴壓縮程度降低，有利于提高等離子弧的穩(wěn)定性，便于單面焊雙面成型，還可提高噴嘴的使用壽命，在焊接、切割、堆焊、噴圖中均有應(yīng)用。5mm，主要用于焊接薄板金屬零件。三等離子弧的類型根據(jù)電極的不同接法，等離子弧可分為三類。電弧在鎢極和噴嘴之間燃燒，水冷噴嘴作為電弧的電極，又起冷拘束作用。工件不接電源而是被間接加熱融化的，這種等離子弧的溫度低，為10000~20000K，用于噴圖、薄板焊割。電弧是在鎢極和工件間燃燒，這種弧的產(chǎn)生要先引燃較小電流的非轉(zhuǎn)移弧，利用渦流溝通鎢極、工件的通路，在加一高電壓就形成等離子弧，然后切斷鎢極，正常工作時，噴嘴不帶電，主要用于大電流焊接及切割。轉(zhuǎn)移弧及非轉(zhuǎn)移弧同時存在，用于微束等離子弧焊接及噴焊。因此，等離子弧焊接分為三類：焊接電流大于100A（100~500A），可焊厚度3~10mm，能實現(xiàn)一次單面焊接雙面成型，使用轉(zhuǎn)移型等離子弧，焊縫成型利用穿孔效應(yīng)。

第7頁，共19頁。使用的電流范圍為15~100A，可焊厚度約為0.5~3mm，中電流等離子弧焊接，使用聯(lián)合型等離子弧，焊縫成型采用熔融焊接法。使用電流范圍0.1~15A，可焊接厚度范圍0.025~0.5mm，主要用于焊接薄板金屬零件。第8頁，共19頁。8—2等離子焊炬焊炬是等離子弧焊接設(shè)備的重要組成部分，焊炬的結(jié)構(gòu)設(shè)計是否合理與完善，直接影響到焊炬的使用特性，焊接過程的穩(wěn)定性，以及焊縫成型的質(zhì)量。一等離子弧焊對焊炬性能的要求1.便于引燃維弧，并保證獲得穩(wěn)定的等離子?。?.鎢極和噴嘴的對中性要好，且焊炬應(yīng)具有可靠的絕緣與密封性；3.焊炬應(yīng)保證噴出的保護(hù)氣流具有良好的保護(hù)作用；4.外形尺寸應(yīng)具有良好的可達(dá)性及可見性，以便焊接時能接近第9頁，共19頁。焊件的接縫位置，并在焊接時過程中能觀察到熔池和焊縫的成型情況。5.焊炬的加工裝配，使用調(diào)節(jié)以及更換噴嘴要簡便，供手工焊用的焊炬重量要輕。二等離子弧焊炬的結(jié)構(gòu)組成（一）結(jié)構(gòu)等離子弧焊炬的結(jié)構(gòu)組成，大體上可分為上槍體、下槍體和噴嘴等幾個重要組成部分。1.上槍體主要包括上槍體水套、鎢極夾持機(jī)構(gòu)、調(diào)節(jié)螺帽、絕緣罩與水電接頭等。作用是夾持并冷卻鎢極，對鎢極導(dǎo)電以及調(diào)節(jié)鎢極的對中與內(nèi)收縮長度等。第10頁，共19頁。2.下槍體是由下槍體水套、等離子氣室、保護(hù)氣室、進(jìn)氣管及水電接頭等組成。作用是對下槍體及噴嘴冷卻，安裝噴嘴與保護(hù)罩，輸送等離子氣與保護(hù)氣，以及對噴嘴導(dǎo)電等。3.噴嘴是等離子弧焊炬的關(guān)鍵部分，它的結(jié)構(gòu)形狀與幾何尺寸對等離子弧的壓縮作用及穩(wěn)定性有重要影響。（二）目前國內(nèi)采用的噴嘴結(jié)構(gòu)形式主要有以下兩種：收縮型噴嘴，包括：單孔噴嘴、三孔噴嘴、多孔噴嘴。擴(kuò)散型噴嘴，包括：圓錐形、臺階圓柱形噴嘴。其主要形式結(jié)構(gòu)如圖8—3，圖8—4所示。第11頁，共19頁。收斂型噴嘴的基本形式：第12頁，共19頁。擴(kuò)散型噴嘴的基本形式：這類噴嘴壓縮程度降低，有利于提高等離子弧的穩(wěn)定性，便于單面焊雙面成型，還可提高噴嘴的使用壽命，在焊接、切割、堆焊、噴圖中均有應(yīng)用。

第13頁，共19頁。對于噴嘴的選用，除了考慮結(jié)構(gòu)形狀外還要合理的確定噴嘴的幾何尺寸，其主要參數(shù)有：噴嘴孔徑dK、孔道長度lK和收縮角α。1）噴嘴的孔徑和孔道長度噴嘴孔徑dK和孔道長度lK是對電弧進(jìn)行機(jī)械壓縮作用的關(guān)鍵尺寸，它直接影響到等離子弧的壓縮性、能量密度、穩(wěn)定性與噴嘴使用壽命等，一般噴嘴孔徑越小和孔道越長，對等離子弧的壓縮作用越強(qiáng)，弧柱的溫度與能量密度越高，且穿透能力越強(qiáng)，但是噴嘴孔徑減小或孔道長度增大，將降低噴嘴的臨界電流值，易產(chǎn)生雙弧，破壞等離子弧和焊接過程的穩(wěn)定性，甚至燒壞噴嘴。因此確定噴嘴孔徑和孔道長度尺寸時，通常用孔道比lK/dK來衡量，一般在大電流等離子弧焊時，噴嘴孔徑在2~3.4mm，常用第14頁，共19頁。焊炬的加工裝配，使用調(diào)節(jié)以及更換噴嘴要簡便，供手工焊用的焊炬重量要輕。1~15A，可焊接厚度范圍0.2mm,割槍中取lg=l+（2~3mm）。焊炬應(yīng)保證噴出的保護(hù)氣流具有良好的保護(hù)作用；焊接電流大于100A（100~500A），可焊厚度3~10mm，能實現(xiàn)一次單面焊接雙面成型，使用轉(zhuǎn)移型等離子弧，焊縫成型利用穿孔效應(yīng)。熱源特性具有下列特點：機(jī)械壓縮效應(yīng)即強(qiáng)迫電弧通過水冷噴嘴的細(xì)孔道，使弧柱直徑小于噴嘴孔徑，從而提高弧柱的能量密度，見圖8—1。等離子弧的靜特性仍然呈“U”型特性，但平直區(qū)較自由電弧明顯縮小，弧柱電場強(qiáng)度增加，電弧電壓明顯提高，噴嘴孔徑越小“U”型特性平直區(qū)域就越小，上升區(qū)域斜率增大，即弧柱電場強(qiáng)度增大。下槍體是由下槍體水套、等離子氣室、保護(hù)氣室、進(jìn)氣管及水電接頭等組成?？椎辣萳K/dK=1.便于引燃維弧，并保證獲得穩(wěn)定的等離子?。桓鶕?jù)電極的不同接法，等離子弧可分為三類。使用電流范圍0.孔道比lK/dK=1.0~1.2。至于小電流等離子弧焊接時，電流很小，可采用較大的孔道比，如噴嘴直徑為0.6~1.0mm時，可選用孔道比lK/dK≥2~4。2）噴嘴的壓縮角α

實際上它對等離子弧的壓縮狀態(tài)影響不大，特別當(dāng)?shù)入x子氣體流量較小，孔道比較大時，30o~180o均可用，但應(yīng)考慮跟鎢極端部形狀相配合，如果壓縮角小于鎢極末端尖錐的角度時，易在噴嘴內(nèi)腔錐壁和鎢極末端錐面之間產(chǎn)生打弧現(xiàn)象，使等離子弧不穩(wěn)定，因此壓縮角的大小應(yīng)根據(jù)具體情況而定，常用的壓縮角值約為60o~

75o。

第15頁，共19頁。（三）電極電極是等離子弧發(fā)生器中又一個關(guān)鍵元件，它對電弧及焊接過程的穩(wěn)定性和焊接質(zhì)量均有很大的影響。主要影響因素有：1.材料和結(jié)構(gòu)；與TIG焊一樣，國內(nèi)基本上都采用鈰鎢電極,如表8—1。

第16頁，共19頁。2.端部形狀；為便于引弧和增加電弧穩(wěn)定性，等