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1、张明录,高级焊工技术培训,（等离子焊接）,目 录,一.等离子弧焊接原理 二.等离子弧焊接设备 三.离子弧焊接方法 四.焊接工艺参数,2,基本要求 掌握等离子弧的产生原理及特点 了解等离子弧发生器的结构原理 掌握等离子弧焊接的几种主要的工艺形式及特点 重点 等离子弧的热源特点、等离子弧的静特性； 等离子弧的焊接工艺参数的选择；,一.等离子弧焊接原理,1.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
2、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。,2.等离子弧的类型 1）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。,2）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
3、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。,3）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。 特别适合于薄板及超薄板的焊接。,非转移,转移,联合,3.等离子弧的特点 1）电弧静特性曲线与TIG电弧明显不同： （1）E大，因此上移。平直段缩小、上升段斜率增大。 （2）联合电弧的下降段不明显；因此，小电流电弧非常稳定。,2）电弧温度高24000K-50000K，功率密度大， 105- 106.而TIG电弧分别为10000-24000K。 3）刚直性性大，电弧集中系数大。 4）弧柱热量的对工件的加
4、热作用大,4.等离子弧焊的特点 1）特点：（优点） 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
5、。,2)等离子弧焊的缺点： （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。,5.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。,二.等离子弧焊接设备,1.设备分类： 焊接电源、焊枪、控制系统、水、气路系统。 1）焊枪的组成： 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。,2）喷嘴分类： （1）按喷嘴数量，可分
6、为单孔型和多孔型两种。 多孔型喷嘴除孔道的了中心主孔外，主孔左右还 有多个小孔。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。,（2）按孔道的形状，可分为圆柱型、收敛、扩散型等三种。 通常采用圆柱形压缩孔道，而收敛型压缩孔道有利于电弧的稳定。 最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度。, 喷嘴孔径dn dn决定了等离子弧的直径及能量密度。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。 通常应根据焊接电流大小及等离子气种类及流量来
7、选择。, 喷嘴孔道长度l0 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。转移弧一般为1.0-1.2。混合电弧为2-6。, 锥角 对等离子弧的压缩角影响不大，30-180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。 焊接时一般为60-90 。,喷嘴类型,喷嘴材料一般为紫铜，直接水冷,2. 电极 1）材料 等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用纯钨极或锆电极，钨极为棒状电极；钨极一般需要进行水冷。 小电流时采用空气冷却方式。 大电流时，采用直接水冷，钨极为镶嵌式结构。,2）形状
8、： 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。,3）内缩长度与同心度 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lg。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lg要合适（lg=l00.2mm）。,3.送气方式： 1)切向： 压缩程度高，中心压力低、周边压力高，电弧稳定在中心。 2)径向： 压缩程度低。,4.双弧 正常条件下，转移型电弧在钨极与工件之间产生，在某些异常情况下，会产生一个与正常电弧并联的燃烧在钨极喷嘴以及喷嘴-工件之间的串弧，这种现象叫双弧。,1）双弧产生机理：
9、 冷器膜击穿理论,2）双弧产生的原因及防止措施： （1）在电流一定的条件下，喷嘴压缩孔径太小或压缩孔道的长度过大，内缩长度过大。 （2）等离子气体的流量过小。 （3）钨极轴线与喷嘴轴线之间的偏差过大。 （4）金属飞溅物堵塞喷嘴。 （5）电源外特性不正确。,三.离子弧焊接方法,1.等离子弧焊的基本方法： 有三种方法： 穿孔型、熔入型及微束等离子弧焊。 1）穿孔型等离子弧焊： （1）采用较大的焊接电流及等离子流，使等离子弧具有较大的能量密度及等离子流力。,（2）工件完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个贯穿工件的小孔，而熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧在焊接方向移动，熔化金属沿电弧周围熔池壁
10、向熔池后方移动并结晶成焊缝，而小孔随着等离子弧同时向前移动。,（3）适用于单面焊双面成形，并且也只能进行单面焊双面成形。 （4）焊接较薄的工件时，可不开坡口、不加垫板、不加填充金属，一次实现双面成形。 小孔的产生依赖于等离子弧的能量密度，板厚越大，要求的能量密度越大。 对于厚度更大的板材，穿孔型等离子弧焊只能进行第一道焊缝的焊接。,穿孔型,穿孔型等离子弧焊接所适用的厚度,2） 熔入型等离子弧焊接 采用较小的等离子气流量，等离子流力小，电弧穿透能力低。 （1）只能熔化工件，形不成小孔，与TIG焊相似。 （2）适用于薄板、多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接。,3）微束等离子弧焊接 一种小电流（通常小于3
11、0A）熔入型焊接工艺。 （1）设备特点： 孔径压缩喷嘴（0.6 mm -1.2 mm）。 联合型电弧。非转移弧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。 （2）工艺特点： 可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm; 弧长在很大的范围内变化时，也不会断弧，并且电弧保持柱状； 焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。,2.脉冲等离子弧焊接 利用15Hz以下的脉冲电流代替稳定的直流，电弧更稳定，HAZ及变形更小。 3.交流等离子焊接 一般采用方波电源，用来焊接铝合金。 4.熔化极等离子电弧 实际上使熔化极电弧与等离子弧的组合，有两种形式。,1.接头及坡口形式 接头形式根据板厚
12、来选择： 1）厚度在0.05 mm -1.6 mm之间时，通常采用下图中的接头形式，利用微束等离子弧进行焊接。,五.焊接工艺参数,2）板厚小于1.6 mm板材时，通常不开坡口，利用穿孔法进行焊接。,3）板厚大于1.6 mm板材时，需要开V形或U形坡口，进行多层焊。与TIG焊相比，可采用较小的坡口及较大钝边，钝边的最大允许值等于穿孔法的最大焊接厚度。 第一层用穿孔法进行焊接，其他各层用熔入法或其他焊接方法焊接。,2.焊接电流及喷嘴孔径 1)焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定。 电流过小，焊不透，形不成小孔；焊接电流过大,熔池金 属会因小孔直径过大而坠落。 2)喷嘴孔径根据电流来选择，两者合适匹
13、配,而且要与离子气的流量有关。,3.等离子气 等离子气及保护气体通常根据被焊金属及电流大小来选择。 大电流等离子弧焊接时，等离子气及保护气体通常采用相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。 小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氩气的电离电压较低，可保证电弧引燃容易。,大电流等离子弧焊接各种金属时所采用的典型气体,4.焊接速度 焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择，三者要合适匹配。 其它条件一定时，如果焊速增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失。另外还易出现咬边、气孔。 如果焊速太低，母材过热，熔池金属容易坠落。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相
14、互匹配。,5.喷嘴离工件的距离 距离过大，熔透能力降低，距离过小则造成喷嘴堵塞。一般取38mm。与钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。,6.保护气体流量 保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。 在一定的离子气流量下，保护气体流量太大会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。 保护气流量太小，保护效果也不好，因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。 小孔型焊接保护气体流量一般在1530L/min范围内。,离子气流量直接决定了等离子流力和熔透能力。 等离子气的流量越大，熔透能力越大。 但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。 应根据喷嘴直径、等离子气的种类、焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。 利用熔入法焊接时，应适当降低等离子气流量，以减小等离子流力。,谢 谢,
