第十一章 第十一章 等离子弧焊接与切割

第十一章等离子弧焊接与切割

第一节等离子弧概述

一、等离子弧原理

等离子弧是自由电弧压缩而成的。电弧通过水冷喷嘴、限制其直径，称机械压缩。水冷内壁温度较低，紧贴喷嘴内壁的气体温度也极低，形成了一定厚度的冷气膜，冷气膜进一步迫使弧柱截面减小，称热压缩。弧柱截面的缩小，使电流密度大为提高，增强了磁收缩效应，称磁压缩。在三种压缩的作用下，等离子弧的能量集中(能量密度可达105～106W／cm2)，温度高(弧柱中心温度18000～24000K)，焰流速度大(可达300m／s)。这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂、堆焊及切割。

二、等离子弧的特点

由于等离子弧的特性，与钨极氩弧焊相比，有以下特点：

(1)等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透、反面成形均匀的焊缝。

(2)电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5°左右，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，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。

(3)焊接速度比钨极氩弧焊快。

(4)能够焊接更细、更薄加工件。

(5)其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。

三、等离子弧的类型

按电源连接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。

(一)联合型等离子弧

工作时，非转移型弧和转移弧同时存在，称为联合型等离子弧。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等。

(二)非转移型等离子弧

钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。

(三)转移型等离子弧

钨极接电源负极，工件接电源正极，等离子弧体产生于钨极与工件之间。转移弧难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到转移弧。金属焊接、切割几乎均采用转移型弧。

四、适用范围

1、操作方式

等离子弧焊适于手工和自动两种操作，可以焊接连续或断续的焊缝。焊接时可添加或不添加填充金属。

2、被焊金属

一般TIG能焊的大多数金属，均可用等离子弧焊接，如碳钢、不锈钢、铜合金、镍及其合金、钛及其合金等。低熔点和沸点的金属如铅、锌等，不适于等离子弧焊接。

3、焊接位置

手工等离子弧焊可全位置焊接、自动等离子弧焊通常是在平焊和横焊位置上进行。

4、可焊厚度

等离子弧焊很适于焊接薄板，不开坡口，背面不加衬垫，最薄的可焊接0.01mm金属薄片。单面焊一次能焊透金属的厚度，如表11-1所列。

表11-1 等离子弧焊（小孔技术）一次焊透的厚度单位（mm）

材料不锈钢钛及其合

金镍及其合

金

低合金钢低碳钢铜及其合

金

焊接厚度

范围

≤8≤12≤6≤8≤8≤2.5

超过8mm厚度的金属，从经济上考虑不宜用等离子弧焊。通常是在质量要求较高的厚板，并要求单面焊反面成形的封底焊缝的焊接时采用。其余各层焊缝仍宜采用熔敷率更高更经济的焊接方法。

第二节等离子弧焊基本方法与设备组成

一．等离子弧焊基本方法

（一）按焊缝成形原理分类

等离子弧焊有三种基本方法：小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。

1．小孔型等离子弧焊

小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。利用等离子弧能量密度大和等离子流力强的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的小孔。被熔化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。

穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。

2．熔透型等离子弧焊

当离子气流量较小、弧抗压缩程度较弱时，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。焊缝成形原理和钨极氩弧焊类似，此种方法也称熔入型或熔触法等离子弧焊。主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。

3．微束等离子弧焊

焊接电流在30A以下的等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。为了保持小电流时电弧的稳定，一般采用小孔径压缩喷嘴(0.6～1.2mm)及联合型电弧。即焊接时会存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧，前者起着引弧和维弧作用，使转移弧在电流小至0．5A时仍非常稳定，后者用于熔化工件。

（二）焊接电流范围分类

焊接电流目前尚没有明确划分界限。有人以30A为分界，小于它为微束等离子弧焊，大于它通常称为大电流等离子弧焊。但又有人把使用电流分得更细，分为大、中、小三类。

（三）其他分类方法

除上述分类外，近来也有按所同电极分类，如非熔化极等离子弧焊和熔化极等离子弧焊；按所投电流类型分类,如直流、交流和脉冲等离子弧焊。

二、等离子弧焊设备的组成

和钨极氩弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成。如图11-1所示。

自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车(或转动夹具)、控制电路、气路及水路等部分组成。

图11-1 手工等离子弧焊设备

1-焊件；2-填充焊丝；3-焊枪；4-控制系统；5-水冷系统；

6-启动开关（常安在焊枪上）；7-焊接电源；8、9-供气系统

第三节等离子弧焊工艺参数与选择

一、小孔型等离子弧焊

1.离子气流量

离子气流量离子气流量增加，可使等离子流力和熔透能力增大，在其他条件不变时，为了形成小孔，必须要有足够的离子气流量，但是离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形，

2.焊接电流

焊接电流增加等离子弧穿透能力增加，和其他电弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的，电流过小，不能形成小孔，电流过大，又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落。

3.焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要工艺参数。其他条件一定时，焊速增加，焊缝热输入减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定，取决于离子气流量和焊接电流，

4.喷嘴距离

距离过大，熔透能力降低：距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污。一般取3—8mm，和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。

5.保护气体流量

保护气体流量应与离子气流量有一个适当的比例，离子气流量不大而保护气体流．量太大时会导致气流的紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15~30L ／min范围内。

二、熔透型等离子弧焊

熔透型等离子弧焊的工艺参数项目和小孔型等离子弧焊基本相同。工件熔化和焊缝成形过程则和钨极氩弧焊相似。中、小电流（0.2~100A）熔透型等离子弧焊通常采用联合型弧。由于非转移弧（维弧）的存在，使得主弧在很小电流下（1A以下）也能稳定燃烧。维弧的阳极斑点位于喷嘴孔壁上，维弧电流过大容易损坏喷嘴，一般算用2~5A。

小孔型、熔透型等离子弧焊也可以采用脉冲电流焊接，借以控制全位置焊接时的焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形，脉冲频率在15Hz以下。脉冲电源结构形式上基本和钨极脉冲氩弧焊相似。

三、微束等离子弧焊

15～30A以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和维弧电流的同时存在，使小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。为保证焊接质量，应采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。工件表面的清洁程度应给予特别重视。为了便于观察，可采用光学放大观察系统。