微束等离子弧焊工艺与设备

微束等离子弧焊工艺与设备

一、实验目的

1、熟悉等离子弧焊接过程及工艺参数的选择

2、熟悉等离子焊接设备

3、理解等离子的产生

二、实验设备及材料

1、LH-10型等离子焊机

2、氩气瓶

3、减压表

4、冷却泵

5、试验材料 1Cr18Ni9不锈钢管

三、实验原理

1、等离子弧的产生

等离子弧是利用等离子枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊及切割。等离子枪的结构及电弧压缩方式：

2、等离子焊枪的结构及工艺参数

等离子焊枪的结构如图1所示，从图中可以看出，压缩喷嘴5是等离子枪的关键部件，一般需用水冷，对于微束等离子枪可以不进行直接水冷，但需要间接水冷和直接气冷。喷嘴孔径d0和孔道长度L0是压缩喷嘴的两个主要尺寸。喷嘴内通的气体称为离子气。中性的离子气在喷嘴内电离后使喷嘴内压力增加，所以喷嘴内壁与电极4之间的空间称增压室。电离了的离子气从喷嘴流出时受到孔径限制，使弧柱截面变小，该孔径对弧柱的压缩作用称为机械压缩。水冷喷嘴内壁表面有一层冷气膜，电弧经过孔道时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面使弧柱有效截面进一步收缩，这种收缩称热收缩。弧柱电流自身磁场对弧柱的压缩作用称为磁收缩。在机械与热收缩的作用下，弧柱电流密度增加，磁收缩随之增强，

如电流不变，弧柱电场强度及弧压降都随电流密度增加而增加，所以等离子弧的电弧功率及温度明显高于自由电弧。从图2看出，等离子电弧温度比自由弧高30%，电弧功率高100%。

由于电离后的离子气仍具有流体的性质，受到压缩从喷嘴孔径喷射出的电弧带电质点的运动速度明显提高（可达300m/s），所以等离子弧具有较小的扩散角及较大的电弧挺度。

等离子弧具有的电弧力、能量密度及电弧挺度等与加工有关的物理性能取决于下列五个参数：

1）电流

2）喷嘴孔径的几何尺寸

3）离子气种类

4）离子气流量

5）保护气种类

调整以上五个参数可使等离子弧适应不同的加工工艺。如在切割工艺中，应选择大电流、小喷嘴孔径、大离子气量及导热好的离子气，以便使等离子弧具有高度集中的热量及高的焰流速度。而在焊接工艺中，为防止焊穿工件则应选择小的离子气量及较大的喷嘴孔径。

3、等离子弧的类型

等离子弧按电源的供电方式分为非转移弧型、转移弧型及联合弧型三种形式，其中非转移弧形及转移弧是基本的等离子弧形式。

（1）非转移型等离子弧电弧建立在电极与喷嘴之间，见图3a离子气强迫等离子弧从喷嘴孔径喷出，也称为等离子焰，非转移弧主要用于非金属材料的焊接与切割。

（2）转移型等离子弧电弧建立在电极与工件之间，见图3b。一般要先引燃非转移弧，然后再将电弧转移至电极与工件之间。这时工件成为另一个电极，所以转移电弧能把较多的能量传递给工件。金属材料的焊接及切割一般都采用转移弧。

（3）联合型弧非转移弧和转移弧同时存在的等离子弧，见图3c。联合弧需要两个独立的电源供电，主要用于电流小于30A以下的微束等离子弧焊接。

（4）双弧现象正常的转移弧应建立在电极与工件之间，但对于某一个喷嘴，如离子气过小，电流过大或者喷嘴与工件接触，喷嘴内壁表面的冷气膜便容易被击穿而形成图4所示的串联双弧，这时，一个电弧产生在电极与喷嘴之间，另一个电弧出现在喷嘴与工件之间。出

现双弧将会破坏正常的焊接与切割，严重时还会烧毁喷嘴。

4、等离子弧的电流极性

（1） 切割用等离子弧切割是只采用直流正接的电流极性，即工件接电源的正极，切割电流范围：30~1000A。

（2） 焊接

1）直流正接大多数焊接工艺采用直流正接极性电流，如焊接合金钢、不锈钢、钛合金及镍合金等，电流范围：0.1~500A。

2）直流反接电极接电源的正极的反接极性电流用于焊接铝合金。由于这种方法钨极烧损严重且熔深浅，仅限于焊接薄件，电流不超100A。

3）正弦交流正弦交流电流用来焊铝镁合金，利用正接极性电流获得较大的熔深而用反接极性清理工件表面的氧化膜，电流范围：10~100A。为防止反接极性电弧熄灭，焊接设备需要有稳弧装置。由于存在寒风深宽比小及钨极烧损等问题。这种方法被方波交流电流取代。

4）变极性方波交流变极性方波交流电流是正反接极性电流及正、负半周时间均可调的交流方波形电流。用变极性方波交流等离子弧焊铝镁合金时可获得较大的焊缝宽度比及较少的钨极烧损。

5、等离子弧焊接

1）基本焊接方法按焊缝成形原理，等离子弧有两种基本焊接方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊，其中30A以下的熔透型等离子弧焊又称为微束等离子弧焊。（1）小孔型等离子弧焊利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称为小孔型等离子弧焊，

也称穿透性焊接法。在一定厚度范围内的金属进行焊接时，适当配合电流、离子气流及焊接速度三个工艺参数，等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔，在小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡。焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并逐渐凝固成焊缝。

小孔法焊接的主要优点在于可以单道焊接厚板，板厚范围：1.6~9mm，小孔法一般仅限于平焊，然而，对于某些种类的材料，采取必要的工艺措施，用小孔法可实现全位置焊接。

（2）熔透型等离子弧焊焊接过程中，只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子弧焊方法。当离子气流量较小，弧柱受压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应，焊缝成型原理与氩弧焊类似。主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

（3）微束等离子弧焊通常采用联合弧，由于非转移弧的存在，焊接电流小至1A以下电弧仍具有较好的稳定性，能够焊接细丝及箔材。这时的非转移弧又称为维弧，而用于焊接的转移弧又称主弧。

4）焊接特点与TIG焊相比，熔透法等离子弧焊具有的优点是：

A、电弧能量集中，因此焊接工艺具有焊接速度快；焊缝熔深宽比大，截面积小；薄板焊接变形小，厚板焊接缩孔倾向小及热影响区窄等优点。

B、电弧稳定性好，由于采用联合弧，电流小至0.1A时电弧仍能稳定燃烧，因此可焊超薄件，如厚度0.1mm 不锈钢片。

C、电弧挺直性好。以焊接电流10A为例，等离子弧焊喷嘴高度达到6.4mm时，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm。钨极氩弧的扩散角约45°，呈圆锥形，工件上的加热面积与弧长成平方关系，只要电弧长度有很小变化将引起单位面积上输入热量的较大变化。而等离子弧的扩散角仅5°基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小，所以等离弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。

D、由于等离子弧焊枪的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。

与TIG焊相比，熔透法的主要缺点是：1由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。2焊枪结构复杂，加工精度高。焊枪喷嘴对焊接质量有着直接影响，必需定期检查、维修，及时更换。

6、焊接设备

基本的等离子弧焊设备系统如图5所示。