等離子弧焊與等離子弧切割§9-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)§9-2等離子弧切割§9-3等離子弧焊思考與練習(xí)12一、等離子弧產(chǎn)生原理§9-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)二、等離子弧的特點(diǎn)三、等離子弧的類型及應(yīng)用3一、等離子弧產(chǎn)生原理一般的焊接電弧未受到外界的壓縮，稱為自由電弧。自由電弧中的氣體電離是不充分的，能量不能高度集中，并且弧柱直徑隨著功率的增大而增大，因此，弧柱中的電流密度近乎為常數(shù)，其溫度也就被限制在5730～7730℃。如果對(duì)自由電弧的弧柱進(jìn)行強(qiáng)迫“壓縮”，就能獲得導(dǎo)電截面較小而能量更加集中，弧柱中的氣體幾乎達(dá)到全部電離狀態(tài)的電弧，這種電弧稱為等離子弧?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)1．等離子弧4目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內(nèi)部，并在水冷噴嘴中通以一定壓力和流量的等離子氣，強(qiáng)迫電弧通過(guò)噴嘴孔道，以形成高溫、高能量密度的等離子弧。等離子弧的產(chǎn)生如圖所示?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)2．等離子弧的產(chǎn)生等離子弧的產(chǎn)生1—鎢極2—等離子氣流3—等離子弧4—工件5—水冷噴嘴5（1）機(jī)械壓縮作用電弧弧柱被強(qiáng)迫通過(guò)細(xì)孔道的噴嘴，使弧柱截面壓縮變細(xì)，而不能自由擴(kuò)大。（2）熱收縮作用電弧通過(guò)水冷噴嘴，同時(shí)又受到外部不斷送來(lái)的高速冷卻氣流（如氮?dú)?、氬氣等）的冷卻作用，這樣弧柱外圍受到強(qiáng)烈冷卻，使其外圍的電離度大大減弱，電弧電流只能從弧柱中心通過(guò)，電弧弧柱進(jìn)一步被壓縮?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)2．等離子弧的產(chǎn)生6（3）磁收縮作用帶電粒子在弧柱內(nèi)的運(yùn)動(dòng)可看成電流在一束平行的“導(dǎo)線”內(nèi)移動(dòng)，由于這些“導(dǎo)線”自身磁場(chǎng)所產(chǎn)生的電磁力使它們相互吸引，從而產(chǎn)生磁收縮效應(yīng)?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)2．等離子弧的產(chǎn)生7一、等離子弧產(chǎn)生原理1．溫度高，能量高度集中等離子弧的導(dǎo)電性高，承受的電流密度大，因此，溫度能高達(dá)16000～33000℃，并且截面很小，能量高度集中。2．電弧挺度好，燃燒穩(wěn)定自由電弧的擴(kuò)散角度約為45°，而等離子弧由于電離程度高，放電過(guò)程穩(wěn)定，在壓縮作用下，其擴(kuò)散角僅為5°，故電弧挺度好，燃燒穩(wěn)定?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)8一、等離子弧產(chǎn)生原理3．具有很強(qiáng)的機(jī)械沖刷力由于等離子弧發(fā)生裝置內(nèi)通入的常溫壓縮氣體受到電弧高溫加熱而膨脹，使氣體壓力大大增加，高壓氣流通過(guò)噴嘴細(xì)通道噴出時(shí)，可達(dá)到很高的速度，甚至可超過(guò)聲速，因此，等離子弧有很強(qiáng)的機(jī)械沖刷力?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)9三、等離子弧的類型及應(yīng)用電極接負(fù)極，噴嘴接正極，焊件不接電源，等離子弧在電極和噴嘴內(nèi)表面之間燃燒并從噴嘴噴出，如圖a所示，這種等離子弧稱為非轉(zhuǎn)移弧，又稱等離子焰?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)1．非轉(zhuǎn)移弧等離子弧的類型a）非轉(zhuǎn)移弧b）轉(zhuǎn)移弧c）聯(lián)合型弧10電極接負(fù)極，焊件接正極，電弧首先在電極與噴嘴之間引燃，當(dāng)電極與焊件間加上一個(gè)較高的電壓后，再轉(zhuǎn)移到電極與焊件間，使電極與焊件間產(chǎn)生等離子弧，這種電弧稱為轉(zhuǎn)移弧，這時(shí)電極與噴嘴間的電弧就熄滅，如上圖b所示?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)2．轉(zhuǎn)移弧11轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧同時(shí)存在的電弧稱為聯(lián)合型弧，如上圖c所示。聯(lián)合型弧中轉(zhuǎn)移弧為主弧，非轉(zhuǎn)移弧在工作中起補(bǔ)充加熱和穩(wěn)定電弧的作用（稱為維持電弧，簡(jiǎn)稱維弧），即在某種因素影響下，等離子弧中斷時(shí)，依靠維持電弧可立即使等離子弧復(fù)燃?！?-1等離子弧產(chǎn)生的原理及特點(diǎn)3．聯(lián)合型弧12一、等離子弧切割的原理、特點(diǎn)及類型§9-2等離子弧切割二、等離子弧切割設(shè)備三、等離子弧切割工藝四、空氣等離子弧切割13一、等離子弧切割的原理、特點(diǎn)及類型利用等離子弧的熱能實(shí)現(xiàn)切割的方法稱為等離子弧切割。等離子弧切割與氧乙炔焰切割有本質(zhì)上的區(qū)別，它是以高溫、高速的等離子弧為熱源，將被切割件局部熔化，并利用壓縮的高速氣流的機(jī)械沖刷力，將已熔化的金屬或非金屬吹走而形成狹窄切口的過(guò)程，如圖所示?！?-2等離子弧切割1．等離子弧切割的原理等離子弧切割1—鎢極2—進(jìn)氣管3—噴嘴4—等離子弧5—割件6—電阻14（1）應(yīng)用范圍廣泛等離子弧可以切割各種高熔點(diǎn)金屬及其他切割方法不能切割的金屬，如不銹鋼、耐熱鋼、鈦、鉬、鎢、鑄鐵、銅及銅合金、鋁及鋁合金等，切割不銹鋼、鋁材時(shí)厚度可達(dá)200mm以上。（2）切割速度快，生產(chǎn)效率高在目前采用的各種切割方法中，等離子弧切割的速度比較快，生產(chǎn)效率也比較高?！?-2等離子弧切割2．等離子弧切割的特點(diǎn)15（3）切割質(zhì)量高等離子弧切割時(shí)，能得到比較狹窄、光潔、整齊、無(wú)黏渣、接近于垂直的切口，而且切口的變形和熱影響區(qū)較小，其硬度變化也不大，切割質(zhì)量高?！?-2等離子弧切割2．等離子弧切割的特點(diǎn)16根據(jù)工作氣體不同，等離子弧切割包括氬等離子弧切割、氮等離子弧切割、空氣等離子弧切割等，其類型及應(yīng)用見表。§9-2等離子弧切割3．等離子弧切割的類型等離子弧切割的類型及應(yīng)用17二、等離子弧切割設(shè)備等離子弧切割設(shè)備包括電源、控制系統(tǒng)、水路系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和割炬等幾部分，其設(shè)備組成如圖所示?！?-2等離子弧切割等離子切割設(shè)備的組成1—電源2—?dú)庠?—調(diào)壓表4—控制箱5—?dú)饴房刂?—程序控制7—高頻發(fā)生器8—割炬9—進(jìn)水管10—水源11—出水管12—工件18等離子弧切割均采用具有陡降外特性的直流電源，并采用直流正接。要求具有較高的空載電壓，一般空載電壓在150～400V之間。電源類型有兩種：一種是專用弧焊整流器；另一種可用兩臺(tái)以上普通弧焊發(fā)電機(jī)或弧焊整流器串聯(lián)。§9-2等離子弧切割1．電源19控制系統(tǒng)主要包括程序控制接觸器、高頻振蕩器、電磁氣閥、水壓開關(guān)等部件，目的是對(duì)供電、供氣、供水及引弧等進(jìn)行控制。等離子弧切割過(guò)程的控制程序方框圖如圖所示。§9-2等離子弧切割2．控制系統(tǒng)等離子弧切割過(guò)程的控制程序方框圖20由于等離子弧切割的割炬在10000℃以上的高溫下工作，為保持正常切割必須通水冷卻，冷卻水流量應(yīng)大于3L/min，水壓為0.15～0.2MPa。水管設(shè)置不宜太長(zhǎng)，一般自來(lái)水即可滿足要求，也可采用循環(huán)水?！?-2等離子弧切割3．水路系統(tǒng)21氣路系統(tǒng)由氣瓶、減壓器、流量計(jì)和電磁氣閥組成。氣路系統(tǒng)的氣體用于防止鎢極氧化、壓縮電弧及保護(hù)噴嘴不被燒毀。一般氣體壓力應(yīng)在0.25～0.35MPa之間。§9-2等離子弧切割4．氣路系統(tǒng)22割炬（又稱割槍）是產(chǎn)生等離子弧的裝置，也是直接進(jìn)行切割的工具。等離子弧割炬主要由本體、電極組件、噴嘴和壓帽等部分組成。其中噴嘴是割炬的核心部分，其結(jié)構(gòu)形式和幾何尺寸對(duì)等離子弧的壓縮和穩(wěn)定有重要影響?！?-2等離子弧切割5．割炬23三、等離子弧切割工藝等離子弧切割的電極材料一般采用鈰鎢極，空氣等離子弧切割一般采用純鋯或純鉿電極。等離子弧切割的工作氣體是氮?dú)?、氬氣、氫氣以及它們的混合氣體，其中Ar—H2及N2—H2混合氣體切口質(zhì)量最高，但由于氮?dú)鈨r(jià)格低廉，故常用的是氮?dú)?，且氮?dú)饧兌炔坏陀?9.5%。此外，在碳素鋼和低合金鋼切割中常使用以壓縮空氣作為工作氣體的空氣等離子弧切割?！?-2等離子弧切割1．電極與工作氣體24（1）切割電流和切割電壓當(dāng)切割電流和切割電壓增大時(shí)，等離子弧功率增大，可切割厚度和切割速度也增大。（2）切割速度在切割功率不變的前提下，提高切割速度能使切口變窄，熱影響區(qū)減小?！?-2等離子弧切割2．切割參數(shù)25（3）氣體流量氣體流量要與噴嘴孔徑相適應(yīng)。（4）噴嘴與割件的距離噴嘴與割件的距離一般為6～8mm，切割厚度較大的工件時(shí)可增大到10～15mm，空氣等離子弧切割所需距離略小，正常切割時(shí)一般為2～5mm?！?-2等離子弧切割2．切割參數(shù)26（5）電極端部與噴嘴的距離電極端部與噴嘴的距離Ly稱為電極內(nèi)縮量，如圖所示?！?-2等離子弧切割2．切割參數(shù)電極內(nèi)縮量1—電極2—噴嘴3—割件H—噴嘴與割件的距離Ly—電極內(nèi)縮量27常用金屬材料等離子弧切割參數(shù)見表?！?-2等離子弧切割2．切割參數(shù)常用金屬材料等離子弧切割參數(shù)28四、空氣等離子弧切割（1）用壓縮空氣作為工作氣體，來(lái)源廣泛，價(jià)格低廉，可大大降低成本。（2）空氣等離子弧能量大，加上在切割過(guò)程中氧與被切割金屬發(fā)生氧化反應(yīng)而放熱，切割速度快，生產(chǎn)效率高。（3）壓縮空氣中的氧極易使電極氧化燒損，使電極使用壽命大大縮短，故不能采用純鎢極或含氧化物的鎢極?！?-2等離子弧切割1．空氣等離子弧切割的特點(diǎn)29空氣等離子弧切割機(jī)及切割設(shè)備如圖所示?？諝獾入x子弧切割設(shè)備比較簡(jiǎn)單，主要由電源（焊機(jī)）、氣源（空氣壓縮機(jī)）和割炬等組成?！?-2等離子弧切割2．空氣等離子弧切割設(shè)備空氣等離子弧切割機(jī)及切割設(shè)備a）切割機(jī)b）切割設(shè)備1—電源2—空氣壓縮機(jī)3—割炬4—工件5—接工件電纜6—電源開關(guān)7—過(guò)濾減壓閥30（1）電源空氣等離子弧切割電源一般為陡降外特性的直流電源，目前大多采用晶閘管整流或逆變直流電源。（2）氣源空氣等離子弧切割設(shè)備的氣源是壓縮空氣機(jī)，大多數(shù)企業(yè)都有壓縮空氣站，使用時(shí)只需接通壓縮空氣管路即可；若沒(méi)有壓縮空氣站或在野外施工時(shí)，則需購(gòu)置一臺(tái)壓力為0.6MPa、容積為0.3m3的小型空氣壓縮機(jī)，就可滿足切割需要?！?-2等離子弧切割2．空氣等離子弧切割設(shè)備31（3）割炬空氣等離子弧切割設(shè)備的割炬與其他等離子弧切割的割炬基本相同，其區(qū)別只是采用的電極材料不同。電極座可制成空心或?qū)嵭?，可采用水冷或氣冷冷卻方式，其結(jié)構(gòu)如圖所示。§9-2等離子弧切割2．空氣等離子弧切割設(shè)備空氣等離子弧切割用電極的結(jié)構(gòu)a）實(shí)心電極b）空心電極1—鑲?cè)氲匿?、鉿等耐高溫氧化金屬電極2—純銅電極座32需要注意的是，即使采用鋯或鉿金屬電極，其工作壽命也只有5～10h。為降低電極燒損，可采用雙層復(fù)合式割嘴，即在內(nèi)噴嘴通入惰性氣體對(duì)電極加以保護(hù)，在外噴嘴通入壓縮空氣，如圖所示?！?-2等離子弧切割2．空氣等離子弧切割設(shè)備雙層復(fù)合式割嘴1—等離子弧2—壓縮空氣3—電極4—保護(hù)氣體5—內(nèi)噴嘴6—外噴嘴7—工件33空氣等離子弧切割的主要參數(shù)有氣體流量、切割電壓、切割電流和切割速度等。不銹鋼、碳鋼的空氣等離子弧切割參數(shù)見表?！?-2等離子弧切割3．空氣等離子弧切割工藝不銹鋼、碳鋼的空氣等離子弧切割參數(shù)34一、等離子弧焊的原理及特點(diǎn)§9-3等離子弧焊二、等離子弧焊設(shè)備三、等離子弧焊工藝四、等離子弧焊（切割）的雙弧35一、等離子弧焊的原理及特點(diǎn)等離子弧焊是借助水冷噴嘴對(duì)電弧的拘束作用獲得較高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊接的一種方法。它是利用特殊構(gòu)造的等離子焊槍所產(chǎn)生的高溫等離子弧，并在保護(hù)氣體的保護(hù)下來(lái)熔化金屬實(shí)現(xiàn)焊接的，如圖所示?！?-3等離子弧焊1．等離子弧焊的原理等離子弧焊原理1—鎢極2—噴嘴3—焊縫4—焊件5—等離子弧36（1）由于等離子弧的溫度高，能量密度大（即能量集中），熔透能力強(qiáng)，焊接8mm或更厚的金屬時(shí)可不開坡口，不加填充金屬，可用比鎢極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。（2）由于等離子弧的形態(tài)近似于圓柱形，挺直性好，幾乎在整個(gè)弧長(zhǎng)上都具有高溫?！?-3等離子弧焊2．等離子弧焊的特點(diǎn)37（3）由于等離子弧的穩(wěn)定性好，特別是用聯(lián)合型等離子弧時(shí)，使用很?。ù笥?.1A）的焊接電流也能保持穩(wěn)定的焊接過(guò)程，因此其可焊接超薄的工件。（4）由于等離子弧焊的鎢極是內(nèi)縮在噴嘴里面的，焊接時(shí)不會(huì)與焊件接觸。因此，不僅可減少鎢極損耗，還可防止焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢等缺欠?！?-3等離子弧焊2．等離子弧焊的特點(diǎn)38二、等離子弧焊設(shè)備手工等離子弧焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、控制系統(tǒng)、氣路系統(tǒng)和水路系統(tǒng)等部分組成，如圖所示?！?-3等離子弧焊等離子弧焊設(shè)備1—焊件2—填充焊絲3—焊槍4—控制系統(tǒng)5—水冷系統(tǒng)6—啟動(dòng)開關(guān)（常安裝在焊槍上）7—焊接電源8、9—供氣系統(tǒng)39等離子弧焊一般采用具有陡降或垂直下降外特性的直流弧焊電源。電源空載電壓根據(jù)所用等離子氣體而定，當(dāng)采用氬氣作為等離子氣時(shí)，空載電壓應(yīng)為60～85V；當(dāng)采用氬氣和氫氣或氬氣與其他雙原子的混合氣體作為等離子氣時(shí)，電源空載電壓應(yīng)為110～120V?！?-3等離子弧焊1．焊接電源40等離子弧焊的焊槍（又稱等離子弧發(fā)生器）是等離子弧焊設(shè)備中的關(guān)鍵組成部分，主要由上槍體、下槍體、壓縮噴嘴、中間絕緣體和冷卻套等組成。其中，最關(guān)鍵的部件為噴嘴，圓柱形壓縮孔道噴嘴的應(yīng)用最廣泛?！?-3等離子弧焊2．焊槍41等離子弧焊設(shè)備的控制系統(tǒng)一般包括高頻引弧電路、拖動(dòng)控制電路、延時(shí)電路和程序控制電路等部分?？刂葡到y(tǒng)一般應(yīng)具備以下功能：可預(yù)調(diào)氣體流量，并實(shí)現(xiàn)等離子氣流的衰減；焊前能進(jìn)行對(duì)中調(diào)試；提前送氣，滯后停氣；可靠的引弧及轉(zhuǎn)換；實(shí)現(xiàn)起弧電流遞增，熄弧電流遞減；無(wú)冷卻水時(shí)不能開機(jī)；發(fā)生故障及時(shí)停機(jī)。§9-3等離子弧焊3．控制系統(tǒng)42與氬弧焊或CO2氣體保護(hù)電弧焊相比，等離子弧焊機(jī)的氣路系統(tǒng)比較復(fù)雜。典型的氣路系統(tǒng)如圖所示，包括等離子氣、保護(hù)氣等。為避免保護(hù)氣對(duì)等離子氣的干擾，保護(hù)氣和等離子氣最好由獨(dú)立的氣路分開供給?！?-3等離子弧焊4．氣路系統(tǒng)等離子弧焊氣路系統(tǒng)1—焊件2—焊槍3—電極4—控制箱5—等離子氣6—保護(hù)氣43由于等離子弧的溫度在10000℃以上，為了防止燒壞噴嘴并增加對(duì)電弧的壓縮作用，必須對(duì)電極及噴嘴進(jìn)行有效的水冷卻。冷卻水的流量應(yīng)不小于3L/min，水壓不小于0.2MPa。水路中應(yīng)設(shè)有水壓開關(guān)，在水壓達(dá)不到要求時(shí)切斷供電回路?！?-3等離子弧焊5．水路系統(tǒng)44三、等離子弧焊工藝等離子弧焊的接頭形式主要是對(duì)接接頭，還有角接接頭和T形接頭。板厚小于表所列的焊件可不開坡口，采用穿透型焊法一次焊透；§9-3等離子弧焊1．接頭形式和坡口等離子弧焊一次焊透的焊件厚度45對(duì)于較厚的焊件，需要開坡口（V形、Y形等）進(jìn)行多層焊，為使第一層采用穿透型焊法，坡口鈍邊可留至5mm，坡口角度也可減小，如圖所示?！?-3等離子弧焊2．等離子弧焊的特點(diǎn)10mm不銹鋼板采用不同焊接方法的坡口、鈍邊對(duì)比-----鎢極氬弧焊———等離子弧焊46等離子弧焊一般采用直流正接，焊接鎂、鋁薄件時(shí)可采用直流反接，焊接鎂、鋁厚件時(shí)可采用交流電源。等離子弧焊的電極材料一般采用鈰鎢極或釷鎢極。等離子弧焊的工作氣體分為等離子氣和保護(hù)氣，均為氬、氮或其與氫的混合氣體。進(jìn)行大電流等離子弧焊時(shí)，等離子氣和保護(hù)氣成分應(yīng)相同；小電流焊接時(shí)，等離子氣一律用氬氣，保護(hù)氣可用氬氣，也可選用其他成分的氣體，如Ar+H2等?！?-3等離子弧焊2．等離子弧焊極性、電極及工作氣體47（1）穿透型等離子弧焊焊接時(shí)，電弧在熔池前穿透工件形成小孔，隨著熱源移動(dòng)，在小孔后形成焊道的焊接方法稱為穿透型焊接法。穿透型等離子弧焊過(guò)程如圖所示?！?-3等離子弧焊3．等離子弧焊方法穿透型等離子弧焊過(guò)程48穿透法焊接采用的焊接電流較大（為100～300A），適用于焊接厚度為3～8mm的不銹鋼、12mm以下的鈦合金、2～6mm的低碳鋼或低合金鋼以及銅、鎳的對(duì)接焊。常用金屬穿透型等離子弧焊焊接參數(shù)見表。§9-3等離子弧焊3．等離子弧焊方法常用金屬穿透型等離子弧焊焊接參數(shù)49（2）熔透型等離子弧焊焊接過(guò)程中只熔透焊件，但不產(chǎn)生小孔效應(yīng)的等離子弧焊方法稱為熔透型焊接法，簡(jiǎn)稱熔透法。它采用較小的焊接電流（30～100A）和較低的等離子氣流量，主要用于薄板（厚度為0.5～2.5mm）焊接及厚板多層焊蓋面等。§9-3等離子弧焊3．等離子弧焊方法50（3）微束等離子弧焊利用小電流（通常小于30A）進(jìn)行焊接的等離子弧焊稱為微束等離子弧焊。一般不開坡口，對(duì)于板厚小于0.2mm的對(duì)接接頭，通常采用卷邊的接頭形式。不銹鋼的微束等離子弧焊焊接參數(shù)見表?！?-3等離子弧焊3．等離子弧焊方法不銹鋼的微束等離子弧焊焊接參數(shù)51四、等離子弧焊（切割）的雙弧在使用轉(zhuǎn)移型等離子弧進(jìn)行焊接或切割的過(guò)程中，正常的等離子弧應(yīng)穩(wěn)定地在鎢極和工件之間燃燒，如圖中的弧1。但由于某些原因往往還會(huì)在鎢極和噴嘴及噴嘴和工件之間產(chǎn)生與主弧并列的電?。ㄈ缁?和弧3），這種現(xiàn)象就稱為雙弧現(xiàn)象?！?-3等離子弧焊雙弧現(xiàn)象1—主弧2、3—并列弧52（1）破壞等離子弧的穩(wěn)定性，使焊接或切割過(guò)程不能穩(wěn)定地進(jìn)行，焊縫成形和切口質(zhì)量差。（2）產(chǎn)生雙弧時(shí)，在鎢極和工件之間同時(shí)形成兩條并列的導(dǎo)電通路，減小了主弧電流，降低了主弧的電功率。因而使焊接時(shí)熔透能力和切割時(shí)的切割厚度減小。（3）雙弧一旦產(chǎn)生，噴嘴就成為并列弧的電極，就有并列弧的電流通過(guò)?！?-3等離子弧焊1．雙弧的危害性53在等離子弧焊或等離子