等离子弧焊接原理及设备

第4章等离子弧焊接等离子弧焊接设备

4.1 等离子弧的产生及其特性1. 等离子弧的产生

1

）等离子弧概念

等离子电弧的形成及电弧形态比较

等离子弧是通过外部拘束

使自由电弧的弧柱被强烈

压缩形成的电弧。

通常情况下的GTA和GMA

电弧，为自由电弧，除受到电弧

自身磁场拘束和周围环境的冷却拘束

外，不受其他条件束缚，电弧相同相对比较扩展，电弧能量密度和温度较低。若把自由电弧缩进到喷嘴里，喷嘴的孔径小，电弧通过时，弧柱截面积受到限制，不能自由扩展，产生了外部拘束作用，电弧在径向上被强烈压缩，形成等离子弧。

2）等离子弧的工作方式

①转移型等离子弧。

(a)等离子弧方式

在喷嘴内电极与被加工工件间

产生等离子弧。由于电极到工件的

距离较长，引燃电弧时，首先在电极

和喷嘴内壁间引燃一个小电弧，称作“引燃弧”，

电极被加热，空间温度升高，高温气流从喷嘴孔道中流出，喷射到工件表面，在电极与工件间有了高温气层，随后在主电源较高的空载电压下，电弧能够自动的转移到电极与工件之间燃烧，称为“主弧”或“转移弧”。

②等离子焰流

在钨电极与喷嘴内壁之间引燃等离子弧。由于保护气通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流，堆被加工工件进行加热，称作“等离子焰流”。电极与喷嘴内壁间的电弧，其电流值较小，电弧温度低，故等离子焰流的温度也明显低于电弧，指向性不如等离子弧。

等离子焰流方式

③混合型等离子弧

当电弧引燃并形成转移

电弧后仍然能保持引燃

弧的存在，即形成两个

电弧同时燃烧的局面，

效果是转移弧的燃烧更

为稳定。

2. 等离子弧特性及用途

1）电弧静特性

与TIG电弧相比，等离子弧的静特性的特点：

①受到水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高，从大范围电流变化看，静特性曲线中平特性区不明显，上升特性区斜率增加。

等离子弧静特性变化特点

(a)等离子弧与TIG电弧静特性(b)小弧电流对等离子弧静特性影响

②混合式等离子弧中的小弧电流对转移弧特性有明显影响，小弧电流值增加，有利于降低转移弧电压。

③拘束孔道的尺寸和形状对静特性有明显影响，喷嘴孔径越小，静特性中的平特性区间越窄，上升特性区的斜率越大，即弧柱电场强度越大。

④在电极腔及喷嘴孔道中流过的气体称作“工作气”或“离子气”，离子气的种类和流量对弧柱电场强度有明显影响。故等离子弧供电电源的空载电源应按

所用等离子气种类而定。

a)等离子弧温度和能力密度提高的原因：

水冷喷嘴孔道对电弧的机械压缩作用，

使电弧弧柱截面积减小，能量更集中；

b)喷嘴水冷作用使靠近喷嘴内壁的气体

受到一定程度的冷却，其温度和电离

度下降，迫使弧柱区带电粒子集中到

弧柱中温度高电离区的流动，使弧柱面积紧一步减小；c) 压缩效应的存在，在弧柱电流密度增大以后，弧柱电流线之间的电磁收缩作用进一步增强，使弧柱温度和能量密度进一步提高。

2）热源特性

①温度更高，能量密度更大

TIG 电弧与等离子弧温度特征对比

普通TIG 弧的最高温度为1.0×104

～2.4×104K ，能量密度小于104W/cm 2

等离子弧温度可达2.4×104～5.0×104K ，

等离子弧温度和能量密度的提高使等离子弧的挺直性增强。

TIG电弧的扩散角约为45而等离子弧的近6 °。

这是由于等离子弧带电粒子的运动速度提高所致，最高达300m/s

(a) 等离子弧(b) TIG电弧

电弧断面形态和挺直性对比

②普通TIG，加热工件的热量主要来源于阳极斑点，弧柱辐射和热传导仅起辅助作用。在等离子弧中，主是接触热传导和辐射给焊件加热，为主要热源，阳极产热则降为次要地位。

3）等离子弧的应用

高温、高能量密度，可对各种金属材料进行焊接、堆焊、喷涂、切割。利用等离子焰流可对某些非金属材料进行加工。

等离子弧焊接的应用分类

4.2 等离子弧焊接设备

1. 焊接电源

1）电源特性：采用陡降或垂直下降特性（横流特性）电源。

包括焊接电源、等离子弧焊枪、水路和气路系统、动作控制系统

纯Ar作为等离子气，空载电压需要达65～80V；H2+Ar混合气体，110～120V 直流、交流、直流脉冲。交流焊铝，电弧稳定性要求高，方波或变极性电源

2

）单电源工作

单电源方式

大电流一般采用转移型等离子弧，需“引燃弧”配合

以高频方式在电极与喷嘴内壁间引燃小弧，然后转移到电极和工件之间燃烧

通过电位器动作切断“引燃弧”

30A 以下的小电流采用混合型

电弧工作，因为小电流电弧稳

定性差，在较长的电弧通道和

离子气的强烈冷却下容易熄灭

需要保持小弧(引燃弧)的继续

燃烧。

需要两套独立的电源分别对转移弧

和小弧供电。

小弧空载电压为100～150V ，而转

移弧电压的空载电压80V 即可。

小弧电流一般都很小，喷嘴是用铜材料制成，因此小弧也可以采取弹簧压缩－回抽的办法引燃，对焊枪电极的对中性要求更高。双电源方式

3）双电源工作

2. 等离子弧焊枪

1）焊枪基本要求和典型结构

①能固定喷嘴与钨极的相对位置，并可进行调节；

②对喷嘴和钨极进行有效的冷却；

③喷嘴与钨极之间要绝缘，以便在钨极和喷嘴内壁间引燃小弧；

④能导入离子气流和保护气流；

⑤便于加工和装配，特别是喷嘴的更换；

⑥尽可能轻巧，便于使用中进行观察。