1、第八章 等离子弧焊接,一 本章重点 1.掌握等离子弧的产生、特点及等离子弧焊的应用。 2.掌握双弧的产生机理及影响因素。 3.掌握等离子弧焊接方法及规范参数选择。 二学时 4学时,81 等离子弧的产生及特性,一 等离子弧的产生对自由电弧进行强迫压缩，即是在提高电弧功率的同时使弧柱截面缩小，弧柱温度急剧上升，弧柱中气体电离程度也迅速提高，几乎达到完全电离的状态而获得高能密度的等离子弧压缩电弧或拘束电弧。等离子弧是通过三种效应压缩形成的。1.机械压缩效应机械压缩效应即强迫电弧通过水冷喷嘴的细孔道，使弧柱直径小于喷嘴孔径，从而提高弧柱的能量密度，见图81。,2.热压缩效应喷嘴内不断通入具有一定压力和
2、流量的高速冷却电流，该气流层环绕着电弧使喷嘴不致被烧坏，并迫使带电粒子向高温和电离程度高的弧柱中心区域集中，弧柱直径进一步变细。 3.电磁压缩效应弧柱中心的带电粒子流可看成一束平行的通电导体，导体自身的磁场产生的磁力使它们相互吸引，从而形成一个从弧柱四周向中心的压缩力，则弧柱进一步压缩。经三种压缩效应后的电弧能量密度很高，要在较小的电弧截面上通过同样大小的电流，必须相应的提高电弧电压，即比普通电弧的电流高。 二 等离子弧的特性 1.静特性等离子弧的静特性仍然呈“U”型特性，但平直区较自由电弧明显缩小，弧柱电场强度增加，电弧电压明显提高，喷嘴孔径越小“U”型特性平直区域就越小，上升区域斜率增大，
3、即弧柱电场强度增大。,2.热源特性 热源特性具有下列特点： 1）温度高且能量集中自由状态下的钨极氩弧温度为1000024000K，能来密度小于104W/cm2。等离子弧温度可高达2400050000K，能来密度可达105106 W/cm2。 2）有良好的电弧稳定性等离子弧的高温及高能量密度使其稳定性和挺度明显高于普通电弧，等离子弧对弧长变化的敏感性小，焊接规范稳定可靠，等离子弧的高挺度使弧柱呈圆柱形，自由电弧的扩散角为45，等离子弧仅为5 左右，见图82。 3)具有很强的冲击力等离子弧截面收缩小，温度升高，内部具有很大的膨胀力，迫使带电粒子高速从喷嘴喷出，产生很大的冲击力，此冲击力在焊接时可增
4、加熔深，切割时可吹掉熔渣，喷图时喷出粉末。 4）调节范围广等离子弧的温度、冲击力、电流、弧长、弧柱直径等均可以根据需要进行调节。,三 等离子弧的类型根据电极的不同接法，等离子弧可分为三类 。1.非转移弧电弧在钨极和喷嘴之间燃烧，水冷喷嘴作为电弧的电极，又起冷拘束作用。工件不接电源而是被间接加热融化的，这种等离子弧的温度低，为1000020000K，用于喷图、薄板焊割。2.转移弧电弧是在钨极和工件间燃烧，这种弧的产生要先引燃较小电流的非转移弧，利用涡流沟通钨极、工件的通路，在加一高电压就形成等离子弧，然后切断钨极，正常工作时，喷嘴不带电，主要用于大电流焊接及切割。3.联合型转移弧及非转移弧同时存
5、在，用于微束等离子弧焊接及喷焊。因此，等离子弧焊接分为三类：1.大电流等离子弧焊焊接电流大于100A（100500A），可焊厚度310mm，能实现一次单面焊接双面成型，使用转移型等离子弧，焊缝成型利用穿孔效应。,2.中电流等离子弧焊接使用的电流范围为15100A，可焊厚度约为0.53mm，中电流等离子弧焊接，使用联合型等离子弧，焊缝成型采用熔融焊接法。3.小电流等离子弧焊接使用电流范围0.115A，可焊接厚度范围0.0250.5mm，主要用于焊接薄板金属零件。,82 等离子焊炬,焊炬是等离子弧焊接设备的重要组成部分 ，焊炬的结构设计是否合理与完善，直接影响到焊炬的使用特性，焊接过程的稳定性，以
6、及焊缝成型的质量。 一 等离子弧焊对焊炬性能的要求1.便于引燃维弧，并保证获得稳定的等离子弧；2.钨极和喷嘴的对中性要好，且焊炬应具有可靠的绝缘与密封性；3.焊炬应保证喷出的保护气流具有良好的保护作用；4.外形尺寸应具有良好的可达性及可见性，以便焊接时能接近,焊件的接缝位置，并在焊接时过程中能观察到熔池和焊缝的成型情况。5.焊炬的加工装配，使用调节以及更换喷嘴要简便，供手工焊用的焊炬重量要轻。二 等离子弧焊炬的结构组成 （一）结构等离子弧焊炬的结构组成，大体上可分为上枪体、下枪体和喷嘴等几个重要组成部分。1.上枪体主要包括上枪体水套、钨极夹持机构、调节螺帽、绝缘罩与水电接头等。作用是夹持并冷却
7、钨极，对钨极导电以及调节钨极的对中与内收缩长度等。,2.下枪体是由下枪体水套、等离子气室、保护气室、进气管及水电接头等组成。作用是对下枪体及喷嘴冷却，安装喷嘴与保护罩，输送等离子气与保护气，以及对喷嘴导电等。3.喷嘴是等离子弧焊炬的关键部分，它的结构形状与几何尺寸对等离子弧的压缩作用及稳定性有重要影响。 （二）目前国内采用的喷嘴结构形式主要有以下两种：收缩型喷嘴，包括：单孔喷嘴 、三孔喷嘴、多孔喷嘴。扩散型喷嘴，包括：圆锥形、台阶圆柱形喷嘴。其主要形式结构如图83，图84所示。,收敛型喷嘴的基本形式：,扩散型喷嘴的基本形式：这类喷嘴压缩程度降低，有利于提高等离子弧的稳定性，便于单面焊双面成型，
8、还可提高喷嘴的使用寿命，在焊接、切割、堆焊、喷图中均有应用。,对于喷嘴的选用，除了考虑结构形状外还要合理的确定喷嘴的几何尺寸，其主要参数有：喷嘴孔径dK、孔道长度lK和收缩角 。1）喷嘴的孔径和孔道长度喷嘴孔径dK和孔道长度lK是对电弧进行机械压缩作用的关键尺寸，它直接影响到等离子弧的压缩性、能量密度、稳定性与喷嘴使用寿命等，一般喷嘴孔径越小和孔道越长，对等离子弧的压缩作用越强，弧柱的温度与能量密度越高，且穿透能力越强，但是喷嘴孔径减小或孔道长度增大，将降低喷嘴的临界电流值，易产生双弧，破坏等离子弧和焊接过程的稳定性，甚至烧坏喷嘴。因此确定喷嘴孔径和孔道长度尺寸时，通常用孔道比lK/dK来衡量
9、，一般在大电流等离子弧焊时，喷嘴孔径在2 3.4mm，常用,孔道比lK/dK=1.0 1.2。至于小电流等离子弧焊接时，电流很小，可采用较大的孔道比，如喷嘴直径为0.6 1.0mm时，可选用孔道比lK/dK 2 4。2）喷嘴的压缩角 实际上它对等离子弧的压缩状态影响不大，特别当等离子气体流量较小，孔道比较大时，30 180 均可用，但应考虑跟钨极端部形状相配合，如果压缩角小于钨极末端尖锥的角度时，易在喷嘴内腔锥壁和钨极末端锥面之间产生打弧现象，使等离子弧不稳定，因此压缩角的大小应根据具体情况而定，常用的压缩角值约为60 75。,（三）电极电极是等离子弧发生器中又一个关键元件，它对电弧及焊接过程的稳定性和焊接质量均有很大的影响。主要影响因素有：1.材料和结构； 与TIG焊一样，国内基本上都采用铈钨电极,如表81。,2.端部形状；为便于引弧和增加电弧稳定性，等离子弧发生器的电极端部常磨成60尖锥角，如图85所示。,3.电极内收缩量和喷嘴孔的同心度；通常焊枪中取lg=l0.2mm,割枪中取lg=l+（23mm）。,（四）送气方式常用的送气方式有两种：径向进气和切向进气，一般在大电流等离子弧焊炬中采用切向进气，这样可使等离子气在喷嘴内腔围绕着钨极旋转流动，有利于气流与电弧的热交换，如图87所示。,
