三束原理及应用课内试验

三束原理及应用课内试验实验一钨极氩弧/等离子弧形态对比3NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam一、实验目的1.实验熟悉钨极氩弧加热源和等离子加热源的加热电极和枪的特点；2.认识钨极氩弧和等离子电弧二种热源的电弧加热形态特点，熟悉参数变化对热源的影响；3.熟悉实验过程，通过对比电弧二种热源的电弧加热形态认识等离子电弧的加热优势，完成实验报告4NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam二、实验内容1.利用CCD弧光采集系统观测、测量钨极氩弧加热源的电弧加热形态特点；2.利用CCD弧光采集系统观测、测量等离子加热源的电弧加热形态特点；3.对比分析钨极氩弧和等离子电弧二种热源的加热形态。5NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam三、实验仪器设备和材料1.设备：TIG焊机1台，等离子焊机1台，减压表，防护眼镜，弧光CCD采集系统，辅助工具等。2.试样：20#碳钢板，保护气体（Ar气）。6NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理1．钨极氩弧的加热原理利用钨电极在工件和电极之间产生的高温放电现象，形成自由电弧，可以用于加热工件，如图1所示。7NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理2．等离子电弧的加热原理通过机械压缩、热压缩和电磁压缩等三种压缩效应，使得自由电弧被迫形成压缩电弧――等离子电弧缩进量伸出量8NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理等离子弧产生原理机械压缩：电弧受到水冷喷嘴内孔径大小拘束而不能自由扩散热压缩效应：电弧通过水冷喷嘴，受到外部冷气流和水冷喷嘴孔道内壁的冷却作用，弧柱外围气体的温度陡降，导致导电截面缩小电磁压缩效应指电弧自身电流产生的磁场对弧柱所产生的压缩作用。电磁压缩效应在自由电弧中也存在，但由于等离子弧有较高的电流密度，电磁压缩效应比前者要强些。不过它是在已经收缩的较细的弧柱中进一步增强压缩效应9NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理3．CCD采集原理3.1CCD选型弧光采集摄像头的主要传感部件是CCD，它具有灵敏度高、畸变小、寿命长、抗振动、抗磁场、体积小、无残影等特点。CCD的工作原理是：将被摄物体反射光线传播到镜头，经镜头聚焦到CCD芯片上，CCD根据光的强弱积聚相应的电荷，经周期性放电产生表示一幅幅画面的电信号，经过滤波、放大处理，通过摄像头的输出端子输出一个标准的复合数字视频信号。试验采用台湾敏通MTX1881-EX型摄像机，焦距为16mm，波长响应范围0.4～1.1m间，其它重要参数见表1。10NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理3．CCD采集原理3.2弧光CCD采集原理由于氩弧焊和等离子焊接过程的飞溅等可能对镜头产生物理损伤，需要对镜头进行必要保护，一般在CCD装置前透明玻璃；弧光光强较强，CCD成像可能不清楚，需要进行必要的减光或滤光处理支撑架图像采集计算机显示器滤光和CCD等离子弧或电弧工件焊接电源典型光路系统11NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理TIG电弧和等离子弧温度分布对比机械压缩热压缩电磁压缩提高弧柱温度提高能量密度自由电弧12NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam五、实验方法和步骤1．试验方法材料20#碳钢试样，直径Φ100~200mm，壁厚10~25mm，表面氧化物需要清理干净。对比采用钨极氩弧和等离子电弧加热碳钢板，调节加热功率、弧长等焊接规范，使得二种方法具有可比性。2．试验步骤同时了解钨极氩弧焊和等离子弧焊的二个系统主要结构，并且绘出相应结构图，掌握焊接电流、保护气流量、弧长、焊接速度等规范参数的调节方法和焊接设备的基本操作观测钨极氩弧焊枪和等离子焊枪、喷嘴的基本结构，掌握使用方法设计对比参数表，依据参数表，调好钨极氩弧焊和等离子弧焊的相应参数，启动焊机，引弧之后，利用CCD光路系统，拍摄不同方法、不同参数等条件下的电弧形态；比较相同功率条件下的加热区域面积或直径等。实验结束后、焊机关闭、氩气关闭。实验结束后总电源关闭。13NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam六、实验报告要求1.实验报告采用南京理工大学实验报告专用纸张2.实验报告中需要包含的实验结果和分析利用电弧图片，对比钨极氩弧和等离子电弧二种热源的电弧形态，分析各自特点，设法量化对比。设计适当的加热规范参数，在相同功率条件下的测量并比较加热区域面积或直径，分析等离子电弧热源的能量密度特点。有条件的可以在同样热输入功率条件下比较钨极氩弧和等离子电弧所加热焊缝横截面实验的截取。实验中出现的误差和其它异常现象的分析和讨论。实验二导热和穿孔等离子焊接实验15NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam一、实验目的1．实验熟悉等离子焊机，了解等离子焊接方法的不同焊接方式――热传导型和穿孔型焊接方式；2．认识等离子热传导焊接和穿孔焊接过程的不同特点，学习二种焊接方式的焊缝截面特点；3．熟悉实验过程，完成实验报告。16NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam二、实验内容1．通过调节等离子焊接参数，获得热传导型和穿孔型二种等离子焊接方式；2．分析等离子热传导焊接和穿孔焊接的焊缝截面的不同特点；3．对比分析热传导焊接和穿孔焊接二种焊接方式。17NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam三、实验仪器设备和材料1．设备：等离子焊机1台，减压表，防护眼镜，辅助工具；2．试样：20#碳钢板。18NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理1．等离子电弧的形成等离子电弧是一种特殊形式的电弧，它是利用外部拘束作用使正常电弧的弧柱区横截面受到约束而减小，从而使电弧的温度、能量密度以及等离子流速等得到显著增强。电弧在等离子枪中受到压缩，能量更加集中，其横截面的能量密度可提高到105W/cm2，弧柱中心温度可达到15000～33000K。在这种情况下，弧柱中的气体随着电离度的提高而转化为等离子体，所以称这种压缩电弧为等离子电弧，如图1所示是通过电弧压缩形成的等离子电弧。19NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理2．等离子弧导热焊和穿孔焊2.1等离子弧导热焊接等离子弧导热焊接也称熔透型、熔入型等离子弧焊，等离子电弧加热主要通过表面加热后以热传导的方式加热下一层金属，此时离子气流量减小、穿孔效应消失，弧柱压缩程度较弱。这种等离子弧导热焊接过程基本上跟钨极氩弧焊加热方式相似，适用于薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝。20NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理2．等离子弧导热焊和穿孔焊2.2等离子弧穿孔焊接利用等离子弧能量密度高和等离子流力大的特点，在适当参数条件下，可以由导热焊方式转化为穿孔焊方式。这时等离子电弧可以将工件完全熔透、并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小孔，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，小孔也就跟着等离子弧向前移动，同时熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动。一般大电流等离子弧焊（100-300A）可以形成稳定的穿孔焊接过程，并且可以不采用衬垫实现单面焊双面成型，图2所示。21NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理（1）小孔型等离子弧焊接等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小孔，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，于是小孔也就跟着等离子弧向前移动。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫实现单面焊双面一次成型的方法，一般大电流等离子弧焊（100-300A）大都采用这种方法22NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam四、实验原理等离子穿孔焊接的小孔效应只有在足够的能量密度条件下才能完成。板厚增加时所需要的能量密度也增加。由于等离子弧的能量密度难以进一步提高，因此小孔型等离子弧焊接只能在有限板厚内进行。一般认为穿孔等离子弧焊适用的厚度范围见表1所示。材料低碳钢低合金钢不锈钢镍及镍合金钛及钛合金焊接厚度范围≦8≦7≦8≦6≦1223NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam五、实验方法和步骤1．试验方法材料20#碳钢试板，厚度5~8mm，长度大于100mm，表面氧化物需要清理干净。焊接规范参考表2。2．试验步骤了解等离子弧焊电源的主要结构，绘出相应结构图，掌握焊接电流、保护气流量、弧长、焊接速度等规范参数的调节方法和焊接设备的基本操作。观测等离子焊枪、喷嘴的基本结构，掌握使用方法设计可对比的导热焊和穿孔焊二种方式的参数表，依据参数表，调好相应参数，启动焊机，引弧之后，观测不同方式和不同参数条件下的焊接情况，可以利用相机拍摄二种条件焊接的熔池动态过程和穿孔过程等，并且作出记录。焊接结束后、焊机关闭、氩气关闭。实验结束后总电源关闭。参数焊接电流（A）焊接速度（mm/min）保护气流量（l/min）电极直径（mm）弧长（mm）参考值100~250150~3008~201.6/2.024NJUSTPlasma---Laser---ElectronBeam六、实验报告要求1．实验报告采用南京理工大学实验报告专用纸张2．实验报告中需要包含的实验结果和分析导热和穿孔焊接方式的焊缝横截面实验的截取、照相。针对二种方式焊接的焊缝，测量、记录熔深和熔宽等焊缝截面数据，并且分析比较截面形状。实验中出现的误差和其它异常现象的分析和讨论。