等离子弧焊方案课件.ppt

1、等离子弧焊接等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度、温度及电弧力。等离子弧是通过三种压缩作用获得的：1、机械压缩 水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压缩；2、热压缩 喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩；3、电磁压缩 将通过喷嘴的弧柱看作是许多载流导线束，由于电流同向，因此会彼此吸引，形成一个指向弧柱中心的力场，这就是电磁压缩。 通过喷嘴的电弧电流越大，磁压缩作用就越强。第一节第一节 等离子弧的形成等离子弧的形成第二节

2、第二节 等离子弧的分类等离子弧的分类按电源供电方式不同分为按电源供电方式不同分为: :1 1、非转移型电弧、非转移型电弧非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，工件不接电。适用于用于喷涂、薄板焊割。 2 2、转移型电弧、转移型电弧转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于大电流焊接及切割。 3 3、联合型电弧、联合型电弧转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此适合于小电流、微束等离子弧焊及粉末堆焊。 非转移型电弧非转移型电弧转移型等离子弧转移型

3、等离子弧联合型（混合型）联合型（混合型）焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，非转移型电弧是在钨极与喷嘴孔壁之间燃烧的，工件不接到焊接回路上，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。特点：特点： 工件本身不通电，被间接加热。因此热的有效利用率不高，约10%20%。温度、能量密度较其他等离子弧低，喷嘴受热较多。应用：应用： 非转移弧主要在等离子弧喷涂、焊接和切割较薄的金属及非金属时采用。1 1、非转移型电弧、非转移型电弧2 2、转移型等离子弧、转移型等离子弧 钨极接电源的负极、焊件接电源的正极，等离子弧燃烧于钨极与焊件之间。 引导弧（诱导弧）：先在钨极与喷嘴（喷嘴接正极）之间引燃电流

4、较小的等离子弧，为工件和电极之间提供足够的电离度。 主弧：接通钨极和工件之间的电路，使该电弧转移到钨极与工件之间直接燃烧。 主弧稳定燃烧后，自动切断维弧电源特点：特点： 采用转移弧工作时，等离子弧温度高、能量密度大，焊件上获得的热量多，热的有效利用率高，达60%75。应用：应用： 常用于金属材料的等离子弧切割、等离子弧焊接和等离子弧堆焊和喷涂等工艺方法中。3 3、联合型（混合型）、联合型（混合型） 非转移型等离子弧和转移型等离子弧在工作过程中同时存在。 非转移弧（维弧）：在工作中起补充加热和稳定电弧作用。 转移弧（主弧）：主要用于焊接时加热焊件和填充金属。特点：特点：联合型等离子弧稳定性好，电

5、流很小时也能保持电弧稳定。应用应用: :主要用于小电流（微束）等离子弧焊接和粉末堆焊等工艺方法中。等离子弧与一般自由电弧相比，有以下特点：（1）由于冷壁喷嘴的拘束作用，使等离子弧柱的横截面积减小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高， U形曲线的平直区较自由电弧明显减小；（2）当焊接电流较大时，等离子弧的磁收缩效应使弧柱直径的增加收到限制，静特性曲线会出现平的或上升的伏安特性；（3）喷嘴孔径越小，“U”形特性平直区域就越小，上升区域斜率增大，即弧柱电场强度增大；（4）离子气种类和流量不同时，弧柱的电场强度有明显变化，因此等离子弧供电电源的空载电压应按所用离子气种类而定；（5）如果采用联合型等离子

6、弧，转移弧的“U”形特性曲线下降区段斜率明显减小，这是由于非转移弧的存在为转移弧提供了导电通路。小电流微束等离子弧常采用联合型电弧，以提高其稳定性。2. 2.热源特性热源特性 热源特性具有下列特点：热源特性具有下列特点：（1 1）温度高且能量集中）温度高且能量集中 自由状态下的钨极氩弧温度为1000024000K，能量密度小于104W/cm2。等离子弧温度可高达2400050000K，能量密度可达105106 W/cm2。（2 2）有良好的电弧稳定性）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。自由电弧的扩散角为45，等离子弧约为5 ，这是因为压缩后从喷嘴

7、喷出的等离子弧带电质点运动速度明显提高所致。（3 3）热源组成）热源组成 普通钨极氩弧中，加热焊件的热量最主要来源于阳极斑点的产热，弧柱辐射和热传导仅起辅助作用，电弧的总电压降在阳极区、弧柱区和阴极区大致平均分配。 等离子弧中，最大电压降是弧柱区，弧柱高速等离子体通过接触传导和辐射带给工件的热量明显增加，弧柱成为加工工件的主要热源，而阳极产热降为次要地位。第四节第四节 等离子弧生器等离子弧生器一、分类：一、分类：按用途不同分为：等离子弧焊枪、割枪、喷枪。二、组成二、组成主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极。 1. 1.上枪体上枪体

8、组成：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：夹持并冷却钨极，对钨极导电以及调节钨极的对中与内收缩长度等。 2. 2.下枪体下枪体 组成：下枪体水套、等离子气室、保护气室、进气管及水电接头等。 作用：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. 3.喷嘴喷嘴 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。三、三、 喷嘴喷嘴1 1、结构形式、结构形式 目前国内采用的喷嘴结构形式主要有以下两种： 收敛型喷嘴，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。

9、其主要形式结构如下两图所示。 两侧各带有一个辅助小孔的三孔式喷嘴，可使等离子弧的截面变为椭圆，使热源有效功率密度提高，有利于进一步提高焊接速度和减小焊缝和热影响区宽度。多孔型喷嘴除了中心主孔外，主孔左右还有多个小孔。可使等离子弧在喷嘴外得到二次压缩，有利于进一步提高等离子弧挺度及切口质量。但小孔易受金属飞溅物堵塞，并造成等离子弧偏转，因此并未得到广泛应用。收敛型喷嘴的基本形式： 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，还可提高喷嘴的使用寿命，在焊接、切割、堆焊、喷涂中均有应用。 扩散型喷嘴的基本形式：4 4、喷嘴的压缩角、喷嘴的压缩角 实际上它对等离子弧的压缩状态

10、影响不大，特别当等离子气体流量较小，孔道比较小时，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。5 5、材料和冷却、材料和冷却 喷嘴一般采用导热性能良好的纯铜材料制造，大功率喷嘴必须采用直接水冷，且保证有足够水流量和水压力，最好配专用高压水源（0.50.8MPa）。采用循环的蒸馏水直接冷却枪体，再经换热器用自来水冷却蒸馏水，效果更好。为了提高冷却效果，喷嘴壁厚一般为22.5mm。但壁厚过薄，会影响喷嘴寿命。四、四、 电极电

11、极1 1、材料、材料 等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用锆钨极或锆电极。钨极一般需要进行水冷，小电流时采用间接水冷方式，钨极为棒状电极；大电流时，采用直接水冷，钨极为镶嵌式结构。2 2、形状：、形状： 为了方便引弧和增加电弧稳定性，电极端部常加工成一定形状。当电流小、电极直径细时，棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形，锥角可以小一些；电流较大、电极直径粗时，可磨成圆台形、锥球形、球形，以减缓电极烧损。钨棒内缩和同心度钨棒内缩和同心度五、送气方式五、送气方式 径向：压缩程度低，气流沿弧柱轴向流动。 切向：压缩程度高，气流形成的旋涡使喷嘴孔道中心成为低压区，中心压力低、周边压力高，有

12、利于弧柱稳定在孔道中心。 一般在大电流等离子弧焊枪中采用切向进气，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。一、双弧的定义一、双弧的定义 正常条件下，转移型电弧在钨极与工件之间产生。在某些异常情况下，会出现一种破坏电弧稳定燃烧的现象，这时除已存在的主弧外，在钨极喷嘴工件间会产生另外一种与正常电弧并联的旁路电弧（或叫副弧），即主弧与旁路电弧同时存在，这就是双弧现象。二、双弧的危害二、双弧的危害 双弧的出现，会降低主弧电流的大小，破坏正常的焊接或切割工艺过程，严重时会造成喷嘴漏水和烧毁。第五节第五节 双弧及其防止措施双弧及其防止措施双弧现象三、双弧产生机理三、双弧产生

13、机理冷气膜击穿理论等离子弧焊接时的双弧形成条件：,aba cuc cuTUUUU其中 abU：弧柱ab段压降,a cuU：铜的阳极压降, c cuU：铜的阴极压降TU: 击穿冷气膜所需电压 四、双弧形成因素：四、双弧形成因素：1 1、喷嘴因素、喷嘴因素喷嘴结构参数对双弧形成有决定性作用，喷嘴孔径越小，孔道长度或内缩增大时，都会使弧柱电压增加，形成双弧倾向越大。形成双弧的主要原因：钨棒和喷嘴不同心，会造成冷气膜不均匀，使局部冷气膜厚度和 减小。abUTU形成双弧的电流条件随着焊接电流增加（电源外特性外移）： D点：形成双弧的暂态临界工作点 F点：其稳态工作点 G点：双弧消失的临界点 C点：不发生

14、双弧的临界稳定工作点2 2、电流因素、电流因素喷嘴结构确定时，电流增加， 增大，容易形成双弧。因此，对于给定喷嘴，允许使用的电流有一个极限的临界值。abU3 3、离子气体因素、离子气体因素 离子气流量的增加会使 增加，同时也使冷气膜厚度增加， 增加，因此双弧形成可能性反而减小。 进气方式也是一种影响因素。当切向进气时，气流形成强烈的旋涡，使外围气体密度高于中心区域；有利于提高中心区域的电离度，降低外围区域温度，提高冷气膜厚度，对防止双弧形成比径向进气方式效果好。 离子气成分不同， 也不同。4 4、其他因素：、其他因素： 喷嘴冷却不好使温度提高，或喷嘴表面有氧化物或金属飞溅物等，都将会使 和 降

15、低，也是形成双弧的原因。abUTUabU,a CuU, c CuU第六节第六节 等离子弧焊接等离子弧焊接（PAW PAW ） 一、等离子弧焊接的工作原理：一、等离子弧焊接的工作原理： 等离子弧焊接是使用惰性气体作为工作气和保护气，利用等离子弧作为热源来加热并熔化母材金属，使之形成焊接接头的熔焊方法。 按照焊透母材的方式，等离子弧焊分为两种，即穿透型等离子弧焊接和熔透型等离子弧焊接。1 1、穿透型等离子弧焊（小孔型等离子弧焊）、穿透型等离子弧焊（小孔型等离子弧焊） 该焊法可实现一定厚度范围内的金属单面焊双面成形。 工艺特点：工艺特点：利用等离子弧能量密度大和等离子流吹力大的特点，将工件完全熔透，

16、并在熔池上产生一个贯穿焊件的小孔，并从焊件背面喷出部分电弧（亦称尾焰）随着等离子弧沿焊接方向的移动，熔化金属依靠其表面张力的承托，沿着小孔两侧的固体壁面向后方流动，熔池后方的金属不断封填小孔，并冷却凝固形成焊缝。焊缝断面为酒杯状。工艺特点：工艺特点： 弧柱压缩程度较弱，等离子气流喷出速度较小。2 2、普通熔透型等离子弧焊（熔入型焊接法）、普通熔透型等离子弧焊（熔入型焊接法）在焊接过程中不形成小孔效应，焊件背面无“尾焰”。液态金属熔池在弧柱的下面，靠熔池金属的热传导作用熔透母材，实现焊透。焊缝断面呈碗状。与穿透型等离子弧焊接相比的特点：与穿透型等离子弧焊接相比的特点： 1、焊接参数较软（即焊接电

17、流和离子气流量较小、电弧穿透能力较弱）2、焊接参数波动对焊缝成形的影响较小3、焊接过程的稳定性较高4、焊缝形状系数较大（主要是由于熔宽增加）5、热影响区较宽6、焊接变形较大 焊接电流在30A以下的熔透型等离子弧焊接。焊接时采用小孔径压缩喷嘴（ ）及联合型等离子弧。 3 3、微束等离子弧焊、微束等离子弧焊 该焊法可得到针状的、细小的等离子弧，因此适宜焊接非常薄的焊件。 0.6 1.2mm工艺特点：工艺特点： 可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm; 弧长在很大的范围内变化时也不会断弧，并且电弧保持柱状； 焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。 维弧（小弧）的作用：维弧（小弧）的作用：在

18、小电流（小于10A）时帮助和维持转移弧工作。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。 通常利用两个独立的焊接电源供电： 钨极喷嘴，产生非转移弧（称维弧或小弧），电流一般为25A，电源空载电压一般大于90V，以便引弧 钨极焊件，产生转移弧（称主弧）4 4、等离子弧焊接的特点：、等离子弧焊接的特点：（1）与钨极氩弧焊相比有以下优点： 电弧能量集中，因此焊缝深宽比大，截面积小；焊接速度快，特别是厚度大于3.2mm的材料尤显著；薄板焊接变形小，焊厚板时热影响区窄； 电弧挺度好。以焊接电流10A为例，等离子弧喷嘴高度（喷嘴到焊件表面距离

19、）达6.4mm，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm； 电弧稳定性好，微束等离子弧焊的电流小至0.1A时仍能稳定燃烧； 由于钨极内缩在喷嘴内，不可能与焊件接触，因此没有焊缝夹钨的问题（2）缺点： 由于需要两股气流，因而使过程的控制和焊枪的构造复杂化； 由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对准焊缝5 5、三种等离子弧焊的基本特点和应用、三种等离子弧焊的基本特点和应用类别电流范围/A可焊厚度范围/mm等离子弧类型焊缝成型方法应用场合大电流10050038转移型小孔法焊接技术厚度8mm的结构中电流151000.53联合型熔透法薄板结构小电流（微束）0.1150.0250.5联合型熔

20、透法超薄金属零件精密焊接非转移型等离子弧可对金属和非金属工件进行喷涂。可喷涂金属涂层，也可喷涂非金属涂层（如碳化物、氧化物、硼化物等）。第七节第七节 等离子弧焊接设备等离子弧焊接设备 等离子弧焊接设备主要包括焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统。根据不同需要有时还包括送丝系统、机械旋转系统、行走系统以及装夹系统等。1 1、焊接电源、焊接电源下降或垂下降特性的整流电源均可作为等离子弧焊接电源氩作离子气时，空载电压为6080V；氩、氢混合气时，空载电压需要110120V；微束等离子弧焊接电源空载电压在100130V等离子弧一般均采用直流正接（电极接负极）焊接铝及其合金等有色金属，可采用方波

21、交流电源或变极性等离子弧电源2 2、控制系统、控制系统包括引弧电路、程序控制电路、水和气体控制电路、送丝和行走，或转动控制与调节电路等。（1）引弧电路钨极喷嘴加约2500V电压或更高、频率为100kHz的高频电压以及焊接电源的空载电压把工件接到焊接电源的一极上（与喷嘴同极性）切断高频电压和非转移弧非转移弧建立转移弧建立（2）焊接电流递增和衰减（递减）电路 在穿透型焊接时，通常要求等离子弧焊接电流在起焊阶段随等离子气体流量一起递增，在收弧阶段两者同步衰减。起焊时，等离子弧在初始电流值下引燃，然后缓升至工作电流值。收弧时由工作电流值缓降至停弧电流值后熄弧。 目的:避免在起焊段焊缝产生气孔、在收弧段

22、焊缝中产生缩孔和弧坑。（3）气流控制电路 等离子弧焊接一般使用两路气体，即等离子气和保护气。气体从气瓶减压器电磁气阀流量计焊枪所经过的回路构成气路。（4）冷却水控制电路焊接过程中，等离子弧焊枪要求水冷，以带走钨极和喷嘴上的热量。冷却水路为水泵水冷导线焊枪下枪体喷嘴焊枪上枪体水冷导线水流开关水箱。（5）送丝、行走或转动调速电路等离子弧自动焊接纵缝或环缝时，焊枪或焊件作直线或旋转运动。当焊件间隙大、要求有余高或进行坡口焊接，还要向熔池自动送进焊丝。这些运动的驱动电机多为直流电动机，电动机的转速可以调整。单相桥式整流电路单相半控桥式整流电路全波整流电路削波 稳压集成块单结晶体管运算放大器直流电动机调

23、速电路（6）程序控制电路程序控制线路可把上述各部分线路有机结合在一起，构成程序控制系统，以便按照时间顺序完成从送气引弧（开始焊接）到收弧停气（结束焊接）的全部程序动作。主要完成提前送气、高频引弧、切断高频、转移弧形成、等离子气流递增、行走（送丝）等动作的控制。收弧时完成焊接电流衰减、等离子气流递减、停丝、熄弧、延迟停气等动作。第八节第八节 等离子弧焊接工艺等离子弧焊接工艺 1、接头形式 可以进行等离子弧焊接的接头形式主要有：I形对接接头、薄板搭接接头、T形接头、端接接头、卷边对接接头、外角接头等。 I形对接接头卷边对接接头卷边角接接头端接接头 采 用 穿 透 法 焊 接 厚 度 大 于1.6m

24、m，但小于下表所列适宜焊接厚度上限的焊件时，可不开坡口，不加填充金属，不用衬垫实现单面焊双面成形。当厚度大于上述范围，需开坡口。与钨极氩弧焊相比，可采用较大的钝边和较小的坡口角度。第一道焊缝采用穿透法焊接，填充焊道则用熔透法完成。 焊件厚度若在0.051.6mm之间，一般采用熔透法焊接（包括微束等离子弧焊）。如果厚度小于0.25mm，对接接头需要卷边。2、焊接材料（1）填充金属 主要化学成分与被焊母材相同，通常制成光焊丝或者光焊条，自动焊时使用光焊丝作填充金属，手工焊则用光焊条作填充金属。（2）气体焊枪压缩喷嘴：输送离子气枪体保护罩：输送保护气体，以充分保护熔池不受大气污染大电流焊接时，离子气

25、和保护气成分应相同，以使焊接过程稳定。小电流时，离子气一律使用氩气；保护气可以用纯氩气，也可以用其他成分气体，这取决于被焊金属。3、焊接参数穿透型焊接：焊接过程中确保小孔的稳定性，是获得优质焊缝的关键。以下参数会影响小孔稳定性：（1）离子气流量离子气流量增加可使等离子流力和穿透能力增大。喷嘴孔径确定后，等离子气流量应视焊接电流和焊接速度而定。（2）焊接电流其他条件给定时，焊接电流增加，等离子弧穿透能力提高。焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定。因此焊接电流和离子气流量都要有一个合适的范围，且二者相互制约离子气流量（其他条件给定时）形成小孔效应足够过大使熔池金属吹落，不能保证焊缝成形焊接电流（其

26、他条件给定时）过小过大小孔直径减少甚至形不成小孔熔池金属坠落，也不能形成稳定的小孔焊接过程甚至形成双弧（3）焊接速度焊接速度（其他条件给定时）增加过大焊缝热输入减小，小孔直径减小导致小孔消逝，且会引起焊缝两侧咬边和出现气孔焊接速度应与焊接电流、离子气流量相匹配，通常焊接速度与焊接电流、离子气流量成正比。（4）喷嘴高度喷嘴到焊件表面的距离一般取35mm。喷嘴高度（其他条件给定时）过高过低降低等离子弧的穿透能力易造成喷嘴沾粘飞溅物（5）保护气流量保护气除了影响保护效果外，还对等离子弧的稳定性有一定影响。保护气流量过大会造成气流紊乱。保护气流量应与离子气流量有一个恰当的比例。穿透型等离子弧焊接保护气

27、流量一般在1530L/min范围内。不锈钢和钛合金焊接时背面也应有保护气，必要时还应附加保护喷嘴。熔透型焊接：熔透型等离子弧焊的焊接参数项目与穿透型等离子弧焊基本相同，焊接熔化和焊缝成形过程与钨极氩弧焊相似。人有了知识，就会具备各种分析能力，人有了知识，就会具备各种分析能力，明辨是非的能力。明辨是非的能力。所以我们要勤恳读书，广泛阅读，所以我们要勤恳读书，广泛阅读，古人说古人说“书中自有黄金屋。书中自有黄金屋。”通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，通过阅读科技书籍，我们能丰富知识，培养逻辑思维能力；培养逻辑思维能力；通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，通过阅读文学作品，我们能提高文学鉴赏水平，培养文学情趣；培养文学情趣；通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。通过阅读报刊，我们能增长见识，扩大自己的知识面。有许多书籍还能培养我们的道德情操，有许多书籍还能培养我们的道德情操，给我们巨大的精神力量，给我们巨大的精神力量，鼓舞我们前进鼓舞我们前进。