第一节等离子弧焊接的特点及应用

等离子弧的形成
普通钨极氩弧的最高温度为 10000K～24000 K，能量密 度在104w／cm2以下。等离 子弧的最高温度可达 24000～50000K，能量密度 可达 105～108w／cm2，且 稳定性好。等离子弧和钨极 氩弧的温度比较如图6-2所示， 图中左半部为钨极氩弧，右 半部为等离子弧。
在一定的压缩孔径下，l0越长，对等离子弧的压缩作用越强， 但l0太大时，等离子弧不稳定。通常要求孔道比l0 /dn在一定的 范围之内， 3)锥角
对等离子弧的压缩角影响不大，30180范围内均可，但最 好与电极的端部形状配合，保证将阳极斑点稳定在电极的顶 端。
喷嘴类型
4．控制系统

等离子弧焊设备的控制系统一般包括高频引弧电路、拖动控制电路、 延时电路和程序控制电路等部分。控制系统一般应具备如下功能：
二）、等离子特点
由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性， 因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点： 1) 熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次 焊透810mm厚的不锈钢板； 2) 焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近 圆柱形，且挺直度好，弧长变化对加热斑点面积的影响很小， 易获得均匀的焊缝形状； 3) 钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不会与工件接触，因此可避免 焊缝金属产生夹钨现象； 4) 等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接 微型精密零件； 5) 可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获 得良好的单面焊双面成形。
2 -
3 -
+ 1 5 + +
+
4
非转移
转移
联合
（四）．双弧现象
在使用转移型等离子弧 进行焊接或切割过程中，当 等离子弧被过度压缩，冷却 不够时，就会在钨极和喷嘴 及喷嘴和工件之间产生与主 弧并列的电弧，这种现象称 为等离子弧的双弧现象，如 图所示 。在等离子弧焊接 或切割过程中，一旦产生双 弧，就会减小主弧电流，破 坏等离子弧的稳定性，严重 时还会烧烧毁喷嘴，使焊接 或切割工作无法进行。
等离子弧形成原理
• 目前广泛采用的压缩电弧的方法是将钨极缩入喷嘴内部，并且在水冷 喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形 成高温、高能量密度的等离子弧。
此时电弧受到下述三种压缩作用：（1）机械压缩效应 （2）热收缩效应（3）电磁收缩效应 在上述三种压缩效应中， 喷嘴孔径的机械压缩效 应是形成等离子弧的前 提；热收缩效应则是电 弧被压缩的最主要的原 因；电磁收缩效应是必 然存在的，它对电弧的 压缩也起到一定作用。
3．焊枪
• 等离子弧焊枪的设计应保证 等离子弧燃烧稳定，引弧及 转弧可靠，电弧压缩性好， 绝缘、通气及冷却可靠，更 换电极方便，喷嘴和电极对 中好。焊枪主要由电极、喷 嘴、上、下枪体、保护罩、 水路、气路、馈电体等组成， 如图
等离子弧生器
一、分类：等离子弧焊枪、割枪、喷枪。 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、 喷嘴。 分类 •按喷嘴孔道的数量，可分为单孔型和三孔型两种。 三孔型喷嘴除了中心主孔外，主孔左右还有两个小孔。从这 两个小孔中喷出的等离子气对等离子弧有一附加压缩作用，使等 离子弧的截面变为椭圆形。当椭圆的长轴平行于焊接方向时，可 显著提高焊接速度，减小焊接热影响区的宽度。 •按孔道的形状，可分为圆柱型及收敛扩散型等两种。通常采 用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。
等离子弧焊的缺点是：
1) 可焊厚度有限，一般在25mm以下；
2) 焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很 低；
3) 焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平 要求较高。
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三）、等离子弧的类型
（一）非转移型电弧 非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水 冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷 出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊接或切割较薄的 金属及非金属。 （二）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。这种电弧用于焊接较 厚的金属。 （三）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，因此特别适合于薄板及超薄 板的焊接。
2 1
K M1
3
( －) (＋)
4
3
(＋)
(－)
4 6
5
2 1 KM
( ＋)
5 7 8 9 10 6
KM2
(＋)
10
7 8 9
喷嘴的结构（尺寸和形状 ）以及钨极内缩量形成等 离子束流的特征
作用
u 提供气体通道
u 等离子电弧的形成
最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度。 1) 喷嘴孔径dn 2) dn决定了等离子弧的直径及能量密度。通常应根据焊接电流 大小及等离子气种类及流量来选择。直径越小，对电弧的压 缩作用越大，但太小时，等离子弧的稳定性下降，甚至导致 双弧现象，烧坏喷嘴。 2) 喷嘴孔道长度l0
喷涂、非金属的焊接与切割
混合型
小电流下的电弧稳定 性好
多用于微束等离子弧（<30A）焊接
四） 等离子弧焊设备
按操作方式不同，等离子弧焊设备可分为手工焊机和 自动焊机两大类。手工焊机主要由焊接电源、焊枪、控制 系统、气路系统和水路系统等部分组成，如图所示。自动 焊机除上述部分外，还有焊接小车和送丝机构（焊接时需 要加填充金属）。
1) 能提前输送和滞后停止保护气。 2) 能实现离子气流的递增和衰减。 3) 能可靠地引弧及转换。 4) 能实现引弧电流递增，熄弧电 流递减。 5) 无冷却水时不能开机。 6) 发生故障及时停机。
五、电极
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。 棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形，电流较大时 还可磨成球形，以减少烧损。 与TIG焊不同，等离子焊时，钨极一般内缩到压缩喷嘴之 内，从喷嘴外表面至钨极尖端的距离被称为内缩长度lr。 为了保证电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心 ，而且钨极的内缩长度lr要合适（lr=l00.2mm）。
一）、等离子弧的形成
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 由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密 度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大，使电弧受 到进一步的压缩，这就是电磁压缩。
图手工等离子弧焊机示意图
1．焊接电源
• 等离子弧焊机一般采用具有陡降或垂直下降外特 性的直流弧焊电源。 • 电源空载电压根据离子气的种类而定，如用纯 氩气或氩气加氢气((H2)＜7％)作离子气时，电 源空载电压只需80V左右；而用氦气或其它混合 气体作离子气时，为了可靠地引弧，则空载电压 还需更高一些，可达110～120V。
再见
第七章 等离子弧焊接与切割
第一节
等离子弧焊接的基本原理及设备
• 等离子弧 • 借助水冷铜喷嘴的外部
拘束作用，使弧柱的横截面 受到限制而不能自由扩大时， 就可使电弧的温度、能量密 度和等离子体流速都显著增 大。这种用外部拘束作用使 弧柱受到压缩的电弧就是通 常所称的等离子弧。等离子 弧是电弧的一种特殊形式， 是自由电弧被压缩后形成的。 从本质上讲，它仍然是一种 气体放电的导电现象。
2．气路和水冷系统
• 与氩弧焊或CO2气体保护电弧焊相比，等离子弧 焊机的供气系统比较复杂。典型供气系统如图6-8 所示，包括离子气、保护气等。为避免保护气对 离子气的干扰，保护气和离子气最好由独立气路 分开供给。 • 为延长喷嘴及电极的使用寿命，以及对等离子 弧产生良好的热收缩效应，等离子弧焊机必须具 有合适的水冷系统对焊枪进行良好的冷却。
双弧现象
等离子弧的应用
• 应用
• 可用钨极氩弧焊焊接的金属，比如不锈钢、铝及 铝合金、钛及钛合金、镍、铜、蒙耐尔合金等， 均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航 天、航空、核能、电子、造船及其它工业部门中 。
等离子弧的应用
类
型
特 电弧温度较高
点
应
用
转移型
常用于金属的焊接、堆焊与切割
非转移型
电弧温度较低