等离子弧焊设备

1第七章等离子弧焊设备7.1等离子弧焊的特点及应用7.1.1等离子弧的类型等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度及温度。等离子弧的压缩是依靠水冷铜喷嘴的拘束作用实现的，等离子弧通过水冷铜喷嘴时受到下列三种压缩作用：1)机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制了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，使电弧又受到进一步的压缩，这就是电磁压缩；根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧、转移型电弧及联合型电弧三种。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，见图3.7.1a；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。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，见图3.7.1b。这种电弧用于焊接较厚的金属。转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧，见图3.7.1c。图3.7.1等离子弧的类型(a)非转移弧(b)转移弧(c)联合弧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7.1.2等离子弧焊的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810mm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，弧长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状；23)钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，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。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。7.1.3等离子弧焊的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。7.2等离子弧焊设备的组成及分类7.2.1等离子弧焊设备的组成等离子弧焊接设备由焊接电源、等离子弧发生器（焊枪）、控制电路、供气回路及供水回路等组成。自动等离子弧焊接设备还包括焊接小车或其它自动工装。图3.7.2为典型手工等离子弧焊接设备的组成图。7.2.1.1弧焊电源等离子弧焊接设备一般采用具有垂直外特性或陡降外特性的电源，以防止焊接电流因弧长的变化而变化，获得均匀稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交流电源，只采用直流电源，并采用正极性接法。与钨极氩弧焊相比，等离子焊所需的电源空载电压较高。图3.7.2典型等离子弧焊接设备的组成图1-焊接电源2-高频振荡器3-离子气4-冷却水5-保护气6-保护气罩7-钨极8-等离子弧9-工件10-喷嘴KM1、KM2-接触器触头采用氩气作等离子气时，电源空载电压应为6085V；当采用Ar+H2或氩与其它双原子的混合气体作等离子气时，电源的空载电压应为110120V。采用联合型电弧焊接时，由于转移弧与非转移弧同时存在，因此，需要两套独立的电源供电。利用转移型电弧焊接3时，可以采用一套电源，也可以采用两套电源。一般采用高频震荡器引弧，当使用混合气体作等离子气时，应先利用纯氩引弧，然后再将等离子气转变为混合气体，这样可降低对电源的空载电压要求。7.2.1.2控制系统控制系统的作用是控制焊接设备的各个部分按照预定的程序进入、退出工作状态。整个设备的控制电路通常由高频发生器控制电路、送丝电机拖动电路、焊接小车或专用工装控制电路以及程控电路等组成。程控电路控制等离子气预通时间、等离子气流递增时间、保护气预通时间、高频引弧及电弧转移、焊件预热时间、电流衰减熄弧、延迟停气等。7.2.1.3供气系统等离子弧焊接设备的气路系统较复杂。由等离子气路、正面保护气路及反面保护气路等组成，而等离子气路还必须能够进行衰减控制。为此，等离子气路一般采用两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现等离子气的衰减控制。采用氩气与氢气的混合气体作等离子气时，气路中最好设有专门的引弧气路，以降低对电源空载电压的要求。图3.7.3为采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图。引弧时，打开气阀DF2，向等离子弧发生器中通以纯氩气，电弧引燃后，再打开电磁气阀DF1，使氢气也进入贮气筒中，此时等离子气为Ar+H2，通过针阀6及电磁气阀DF6可实现等离子气衰减。当焊接终了时，DF6打开，等离子气路中的气体经过针阀6及DF6部分向大气中排放，通过调节针阀b可调节衰减速度。图3.7.3采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图1-气瓶2-减压阀3-气体汇流筒4-调节阀5-贮气筒6-针阀7-流量计DF1DF6-气阀等离子气及保护气体通常根据被焊金属来选择。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。表3.7.1列出了大电流等离子弧焊焊接各种金属时所采用的典型气体。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。表3.7.2列出了小电流等离子弧焊常用保护气体。表3.7.1大电流等离子弧焊常用等离子气及保护气体金属厚度/mm焊接技术穿孔法熔透法4碳钢（铝镇静钢）3.2ArAr3.2Ar25%Ar+75%He低合金钢3.2ArAr3.2Ar25%Ar+75%He不锈钢3.2Ar或92.5%Ar+7.5%H2Ar3.2Ar或95%Ar+5%H225%Ar+75%He铜2.4ArHe或25%Ar+75%He2.4不推荐1）He镍合金3.2Ar或92.5%Ar+7.5%H2Ar3.2Ar或95%Ar+5%H225%Ar+75%He活性金属6.4ArAr6.4Ar+（50%70%）He25%Ar+75%He1）由于底部焊道成形不良，这种技术只能用于铜锌合金7.2.1.4水路系统由于等离子弧的温度在10000C以上，为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用，必须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不得小于3Lmin-1，水压不小于0.150.2MPa。水路中应设有水压开关，在水压达不到要求时，切断供电回路。7.2.1.5焊枪等离子弧焊枪是等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。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)喷嘴等离子弧焊设备的典型喷嘴结构如图3.7.4所示。根据喷嘴孔道的数量，等离子焊喷嘴可分为单孔型（图3.7.4a、c）和三孔型（图3.7.4b、d、e）两种。根据孔道的形状，喷嘴可分为圆柱型（图3.7.4a、b）及收敛扩散型（图3.7.4c、d、e）等两种。大部分焊枪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。三孔型喷嘴出来中心主孔外，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。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dd决定了等离子弧的直径及能量密度，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。表3.7.3列出了各种直径的喷嘴所许用的电流。(2)喷嘴孔道长度l0在一定的压缩孔径下，l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l/d在一定的范围之内，如表3.7.4所示。5(3)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。表3.7.2小电流等离子弧焊时常采用的保护气体（等离子气为氩气）金属厚度/mm焊接工艺穿孔法熔透法铝1.6不推荐Ar或He1.6HeHe碳钢（铝镇静钢）1.6不推荐Ar或75%Ar+25%He1.6Ar或25%Ar+75%HeAr或25%Ar+75%He低合金钢1.6不推荐Ar，He或Ar+（1%5%）H21.625%Ar+75%He或Ar+（1%5%）H2Ar，He或Ar+（1%5%）H2不锈钢所有厚度Ar，25%Ar+75%He或Ar+（1%5%）H2Ar，He或Ar+（1%5%）H2铜1.6不推荐75%Ar+25%He或He或75%H2+25%Ar1.6He或25%Ar+75%HeHe镍合金所有厚度Ar，25%Ar+75%He或Ar+（1%5%）H2Ar，He或Ar+（1%5%）H2活性金属1.6Ar，He或25%Ar+75%HeAr1.6Ar，He或25%Ar+75%HeAr或25%Ar+75%He2)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。表3.7.5给出了棒状电极的许用电流。镶嵌式电极的端部一般磨成平面形。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=l00.2mm）。7.2.2等离子弧焊设备的分类根据操作方式，等离子弧焊设备可分为手工及自动两种。根据所适用的焊接工艺可分为强流式（大电流）等离子弧焊机、微束等离子弧焊机、熔化极等离子弧焊机及脉冲等离子焊机等几种。6图3.7.4等离子弧焊接喷嘴的形状(a)圆柱单孔型(b)圆柱三孔型(c)收敛扩散单孔型(d)收敛扩散三孔型(e)带压缩段的收敛扩散三孔型表3.7.3各种直径的喷嘴所许用的电流直径/mm0.60.81.21.42.02.52.83.03.23.5许用电流/A51252060307040100140180210240300表3.7.4喷嘴的孔道比及压缩角喷嘴孔径d/mm孔径比l/d压缩角等离子弧类型0.61.22.06.02545联合型电弧1.63.51.01.26090转移型电弧表3.7.5不同直径棒状电极的许用电流电极直径/mm电流范围/A电极直径/mm电流范围/A0.25152.41502500.505203.22504001.015804.04005001.6701505.09.050010007.3强流（大电流）等离子弧焊机7.3.1强流等离子焊的工艺特点强流等离子焊机通常采用穿孔法焊接工艺进行焊接。通过选择较大的焊接电流及等离子流，焊接工件被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，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向熔池后方移动并结晶成焊缝，而小孔随着等离子弧向前移动。这种小孔焊接工艺是特别适用于单面焊双面成形；焊接18mm厚的不锈钢、17mm厚的碳钢以及110mm厚的钛合金时，可不开坡口、不加垫板、不加填充金属，一次实现双面成形。强流等离子焊机也可采用熔入法焊接工艺进行焊接，这种焊接工艺与TIG焊相似。7.3.2强流等离子焊机的技术参数表3.7.6为几种强流等离子焊机的技术参数。77.3.3穿孔型等离子焊的焊接规范的选择穿孔型等离子弧焊接的工艺参数主要有：等离子气种类及流量、保护气种类及流量、焊接电流