等离子切割等离子切割六节 等离子弧焊接与切割及安全操作一、等离子弧的形成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，见图 5—4。
图 5—4 等离子弧的类型1—钨极 2—喷嘴 3—转移弧 4—非转移弧 5—工件 6—冷却水 7—弧焰 8—离子气(一)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，形成等离子焰二)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三)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四、等离子弧焊接(一)等离子弧焊基本方法按焊缝成形原理，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二)等离子弧焊设备1．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2．焊接电源下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源用纯氩作为离子气时，电源空载电压只需 65～80V；用氢、氩混合气时，空载电压需 110～120V大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。
30A 以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧，用高频或接触短路回抽引弧由于非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源3．气路系统等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气可分两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现离子气流衰减控制4．控制系统手工等离子弧焊机的控制系统比较简单，只要能保证先通离子气和保护气，然后引弧即可自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频发生器，小车行走填充焊口逆进拖动电路及程控电路组成程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧延迟停气等控制要求五、等离子弧切割(一)工作原理等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口等离子弧坑的温度高，远远超过所有金属以及非金属的熔点因此，等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，因而比氧化切割方法的适用范围大得多，能够切割绝大部分金属和非金属材料经过三种压缩效应压缩的等离子弧的能量、能量密度以及等离子气流的速度取决于等离子气体的种类及流量，喷嘴形状参数和所施加给等离子弧的电能。
等离子弧切割方法除一般型外，派生的型式有水再压缩等离子弧切割、空气等离子弧切割或水再压缩空气等离子弧切割方法图 5—5 等离子弧焊机供气系统实例1—氩气瓶 2—减压表 3—气体汇流排 4—储气筒 5～9—调节阀 10—流量计 DF1~5—电磁气阀(二)切割设备1．切割电源等离子弧切割与等离子弧焊接一样，一般都采用陡降外特性电源但切割用电源空载电压一般大于 150V，水再压缩空气等离子弧切割电源空载电压可高达 600V，根据采用不同电流等级和工件气体而选定空载电压电流等级选大，则选用切割电源空载的电压高双原子气体和空气作为工件气体以及高压喷射水作为工件介质时，切割电流的空载电压要高一些，才能使引弧可靠和切割电弧稳定等离子弧切割采用转移型电弧时，电极与喷嘴之间和电极与工件之间可以共用一套电源，也可以分别采用独立电源切割起始阶段，为了易于引燃电弧，先选入小流量的非转移弧用的离子主体，引燃电弧后，再送入大流量的切割气体如果是水再压缩等离子弧切割或空气等离子弧切割，则引燃电弧后，送入的分别是大流量高压水或压缩空气2．割枪等离子弧切割割枪基本上与等离子弧焊接的焊枪相同一般由电极、电极夹头、喷嘴、冷却水套、中间绝缘体、气室、水路、气路、馈电体等组成。
割枪中工作气体的通入可以是轴向通入，切线旋转吸入或者是轴向和切线旋转组合吸入切线旋转吸入或送气对等离子弧的压缩效果更好，是最为常用的二种割枪的设计要考虑充分水冷却作用和电极容易更换六、等离子弧焊接工艺参数小孔型等离子弧焊接时，焊接过程中确保小孔的稳定，是获得优质焊缝的前提影响小孔稳定性的主要工艺参数有：离子气流量、焊接电流及焊接速度，其次为喷嘴距离和保护气体流量一)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它条件不变时，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喷嘴孔径确定后，离子气流量大小视焊接电流和焊接速度而定，即离子气流量、焊接电流和焊接速度三者之间要有适当匹配二)焊接电流焊接电流增加，等离子弧穿透能力增加和其它电弧焊方法一样，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，又将因小孔直经过大而使熔池金属坠落此外，电流过大还可能引起双弧现象为此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能被限定在某一个合适的范围内，而且这个范围与离子气的流量有关三)焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要参数。
其它条件一定时，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，如果焊速过低，因材过热，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四)焊嘴距离距离过大，熔透能力降低，因为距离过大时，造成喷嘴被飞溅物粘污，一般取 3～8mm 距离合适和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感3-)保护气体流量保护气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过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，一般选用 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基本上和钨极脉冲氩弧焊的相似。
七、等离子弧切割工艺(一)气体选择等离子弧切割最常用的气体为氩气、氧气、氮加氩混合气体、氮加氢混合气体、氩加氢混合气体等，依被切割材料及各种工艺条件而选用空气等离子弧切割采用压缩空气或者离子气为常用气体，而外喷射为压缩空气水再压缩等离子弧切割采用常用气体为工作气体，外喷射为高压水氮气是双原子主体，热压缩效应好，动能大，但引弧与稳弧性更差，且使用安全要求高，常用作切割大厚度板材辅助主体氩气为单原子气体，引弧性和稳弧性好，但切割气体流量大，不经济，一般与双原子气体混合使用二)切割工艺参数1．切割电流切割电流过大，易烧损电极和喷嘴，且易产生双弧，因此相应于一定的电极和喷嘴有一合适的电流2．空载电压空载电压高，易于引弧切割大厚度板材和采用双原子气体时，空载电压相应要高空载电压还与割枪结构、喷嘴至工件距离、气体流量等有关3．切割速度主要取决于材质板厚、切割电流、切割电压、气流种类及流量、喷嘴结构和合适的后拖量等4．气体流量气体流量要与喷嘴孔径相适应气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中，提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属但气体流过大，从电弧中带走过多的热量，降低了切割能力，不利于电弧稳定。
5．喷嘴距工件高度在电极内缩量一定时(通常 2～4mm)，喷嘴距离工件的高度一般在 6～8mm，空气等离子弧切割和水再压缩等离子弧切割的喷嘴距离工件高度可略小八、安全防护技术(一)防电击等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，尤其在手工操作时，有电击的危险因此，电源在使用时必须可靠接地，焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回路如果启动开关装在手把上，必须对外露开关套上绝缘橡胶套管，避免手直接接触开关尽可能采用自动操作方法二)防电弧光辐射电弧光辐射强度大，它主要由紫外线辐射、可见光辐射与红外线辐射组成等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重，操作者在焊接或切割时必须带上良好的面罩、手套，最好加上吸收紫外线的镜片自动操作时，可在操作者与操作区设置防护屏等离子弧切割时，可采用水中切割方法，利用水来吸收光辐射三)防灰尘与烟气等离子弧焊接与切割过程中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等尤其切割时，由于气体流量大，致使工作场地上的灰尘大量扬起，这些烟气与灰尘对操作工人的呼吸道、肺等产生严重影响切割时，在栅格工作台下方还可以安置排风装置，也可以采取水中切割方法。
四)防噪声等离子弧会产生高强度、高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大，这对操作者的听觉系统和神经系统非常有害其噪声能量集中在 2000～8000Hz 范围内要求操作者必须戴耳塞在可能的条件下，尽量采用自动化切割，使操作者在隔音良好的操作室内工作，也可以采。