等离子切割与焊接工艺

等离子切割与焊接工艺
一、等离子弧的产生及特点
1.等离子弧的产生原理
1）等离子体
等离子体是一种特殊的物质，现代物理学中把它列于物质三态(固态、液态、气态)之后，称物质第四态。

在电弧的产生中提到所有物体的电离问题，即气体在获得足够能量的时候，便会使中性的气体分子或原子电离成带正电的离子和带负电的电子，较充分电离的气体就是等离子体。

由于等离子体具有较好的导电能力、极高的温度
(15000℃~30000℃)和导热性，能量又是高度集中，因而对于熔化一些难熔的金属或非金属非常有利。

普通焊接电弧的弧柱中心实际上就是等离子体,而等离子弧焊接与切割所使用的等离子体是经过“压缩”的电弧。

电弧经过压缩，弧柱横截面缩小，电流密度增大，电离程度提高，故等离子体又称为“压缩电弧"或通常所称的等离子弧。

2）等离子弧的产生
以前所说的电弧，由于未受到外界的约束，故称为自由电弧。

在电弧区内的气体是未被充分电离的,能量不能高度集中。

为了提高弧柱的温度，可以增大电弧电流和电压，但是由于弧柱直径与电弧电流和电压成正比，因而弧柱中的电流密度近乎等于常数,其温度也就被限制在5000℃~6000℃左右。

若对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，就能获得导电截面收缩比较小而能量更加集中的电弧即等离子孤。

这种强迫压缩的作用，称为“压缩效应”，使弧柱产生“压缩效应”有如下3种形式：
（1）机械压缩效应如图9-1(a)所示,在电极(负极)和工件(正极)之间加上一个较高电压，通过激发使气体电离形成电弧。

此时，若弧柱通过具有特殊
孔形的喷嘴，并同时送入一定压力的工作气体时，使弧柱强迫通过细孔道。

弧柱便受到了机械压缩,弧柱截面积缩小，这就称为机械压缩效应。

（2）热收缩效应当电弧通过水冷却的喷嘴，同时又受到外部不断送来的高速冷却气流(如氮气、氩气等)的冷却作用,使弧柱外围受到强烈冷却。

其外围电离度大大减弱，电孤电流只能从弧柱中心通过，即导电截面进一步缩小，这时电流急剧增加，这种作用称为热收缩效应，如图91(b)所示。

（3）磁收缩效应带电粒子在弧柱内的运动，可看成是电流在一束平行的“导线”内移动。

由于这些“导线”自身的磁场所产生的电磁力使这些“导线"相互吸引，则产生磁收缩效应。

由于前述两种收缩效应使电弧中心的电流密度已经很高，使得磁收缩效应明显增强，从而使电弧更进一步受到压缩，如图9-1(c)所示。

在以上3种效应的共同作用下，弧柱被压缩到很细的范围内，弧柱内的气体得到了高度的电离，
温度也达到了极高的程度，使电弧成为稳定的等离子弧。

等离子弧的产生过程由如图9-2所示的发生装置来实现的，即先通过高频振荡器激发气体电离形成电弧，然后在上述压缩效应的作用下,形成等离子弧焰。

2.等离子弧的分类、特点及电极
1）等离子弧的分类
根据电源电极的不同接法和等离子弧产生的形式不同，等离子弧可分为3种形式，如图9-3所示。

（1）非转移型弧非转移型弧是钨极接负极，喷嘴接正极。

等离子弧产生在电极和喷嘴之间，然后由喷嘴喷出，如阁9-3(a)所示，它依靠从喷嘴喷出的等离子焰流来加热熔化工件。

但加热能量和温度
较低,故不宜用于较厚材料的切割，主要用于非金属材料的切割。

（2）转移型弧当钨极接负极，工件接正极，等离子弧产生在钨极和工件之间称转移型弧，如图9-3(b)所示,此接法通常需先在电极和喷嘴间引燃电弧，然后再转移形成，所以叫转移型等离子弧。

转移后，电极与喷嘴间的电弧就熄灭。

由于阳极斑点直接落在工件上,工件热量很高，所以可用作切割、焊接和堆焊的热源，尤其是中厚板以上的金属材料切割时，均采用此种等离子孤。

（3）联合型弧转移和非转移型弧同时存在就称为联合型电弧，如图9-3(c）所示。

主要用于微型等离子焊接和粉等离子的喷焊。

2）等离子弧的特点
（1）能贵高度集中由于等离子弧有很高的导电性，能承受很大的电流密度，因而可以通过极大的电流，故具有极高的温度；又因其截面很小,能量高度集中，所以一般等离子弧在喷嘴出口中心温度达20000℃左右，而用于切割的等离子弧在喷嘴附近温度可达30000℃左右。

（2）极大的温度梯度由于等离子弧横截面积很小(直径一般小于3mm),从温度最高的中心到温度低的边沿，温度变化非常大，所以说其温度梯度极大。

（3）具有很强的吹力等离子发生装置内通入的常温压缩气体，由于受到电弧的高温而膨胀，使气体压力增高，能过喷嘴细孔的气体流速甚至可超过声速，故等离子体具有较强的冲击力。

（4）良好的电弧稳定性由于等离子弧电离程度很高，所以放电过程稳定，弧柱呈图柱形，挺直度好，使焊件受热面积几乎不变，当弧长变化时，电弧电压和焊接电流变化都非常小。

3）等离子弧电极材料
等离子弧所用的电极材料与钨极氩弧焊一样，应优先使用没有放射性的铈钨极，其电子发射能力和抗烧损情况都比钍钨极好。

它烧损后电极尖端仍能保持尖头,这对于维持长时间稳定的切割及保持电弧压缩效果,提高切割效率都是有利的。

4）等离子弧工作气体
常用的等离子弧的工作气体是氮、氩，氢以及它们的混合气体。

（1）氮气因为氮气的成本很低，化学性能不十分活泼，使用时危险性小，所以应用最广。

切割大厚度工件时，常使用混合气体。

氮气的纯度应不低于99.5%，若其中含氧或水气量较多时,会使钨极严重烧损。

氮是双原子气本,分子分解时吸热较大，所以使用氮气时，要求电源具有较高得空载电压。

（2）氩气氩气是惰性气体,在焊接化学性活泼的金属时是良好的保护气体。

（3）氢气氢气作为等离子弧的工作气体，具有最大的热传递能力，在工作气体中混合氢,会明显地提高等离子弧的热功率。

但氢是一种可燃气体，与空气混合后易燃烧或爆炸。

故不能单独使用,而多与其他气体混合使用。

另外,在碳素钢和低合金钢切割中，也有使用压缩空气作为产生等离子弧介质的空气等离子弧切割。

二、等离子弧切割的基本原理
等离子弧切割原理主要是依靠高温高速的等离子弧及其焰流作热源，把被切割的材料局部熔化及蒸发，并同时用高速气流将已熔化的属金属或非金属材料吹走，随着等离子弧割炬的移动而形成很窄的切口，并且这与氧一乙炔焰主要依靠金属氧化和燃烧来实现切割的实质是完全不同的。

所以它可以切割用氧_乙炔焰所不能切割的所有材料。

在采用转移型弧切割金属的过程中，熔化金属的热源主要来自3个方面:切口上部的等离子弧柱中心的辐射能量；切口中间部分阳极斑点(工件接正极)的能量；切口下部的等离子焰流的热传导能址，如图9-4所示。

其中，以阳极斑点的能量对切口的热作用最强烈。

在切割过程中，电弧阳极斑点是沿着切割面剧烈地上下移动的，这个移动有跳跃式的特点，且常分布于切口断面中部。

切割金属用的等离子弧是转移型弧，能量集中，温度及热效率都很高,尽管由于在切口断面上、中、下各部分的温度分布不太均匀，但它作为一种切割金属的热源还是非常好的。

1)优点
由于等离子弧能量集中、温度高、具有很大的机械冲击力，并且电弧稳定，因而等离子弧切割具有以下优点：
(1)可以切割任何黑色和有色金属等离子弧可以切割各种高熔点金属及其他切割方法不能切割的金属，如不锈钢、耐热钢、钛、钼、钨、铸造铁、铜、铝及其合金。

切割不锈钢、铝等厚度可达
200mm以上。

(2)可切割各种非金属材料采用非转移型电弧时，由于工件不接电，所以在这种情况下能切割各种非导电材料，如耐火砖、混凝土、花岗石、碳化硅等。

(3)切割速度快、生产率高在目前采用的各种切割方法中，等离子切割的速度比较快,生产率也比较高。

例如，切lOmm的铝板，速度可达
(200~300)m/h；切12mm厚的不锈钢，割速可达(100-130)m/h。

(4)切割质量高等离子弧切割时，能得到比较狭窄、光洁、整齐、无粘渣、接近于垂直的切口，而且切口的变形和热影响区较小,其硬度变化也不大。

2）缺点
（1）设备比氧一乙炔切割复杂、投资较大。

（2）电源的空载电压较高，要注意安全。

（3）切割时产生的气体会影响人体健康，所以操作时应注意通风。