搜索
第四章等离子弧焊接与切割（PAW&PAC）本章知识要点：①等离子弧的产生及其特性；②穿孔型等离子弧焊接工艺；③等离子弧切割工艺；学习提示：①等离子弧焊接成本高，设备、工艺复杂，仅适合于一些特殊场合的焊接，目前应用并不普遍；②空气等离子弧切割目前在工矿企业应用较多，因此应当予以关注；一、等离子弧的产生第一节等离子弧的形成及其特性等离子体：物质存在的一种状态等离子态及其形成过程等离子弧——是一种压缩电弧（相对于自由电弧如TIG电弧而言）自由电弧——电流增大，弧柱直径增大，二者不能独立调节，所以电流密度、能量密度和温度的增加受限。压缩电弧——电流增大，弧柱直径不能相应增大，因此能量密度、温度、等离子体流速显著增大。1、等离子弧（Plasmaarc）应用：焊接、切割、堆焊、喷涂（焊）等。如何获得压缩效应？途径：将电极内缩于导电喷嘴内部，产生三种压缩作用。电弧通过小孔——机械压缩（前提）水冷却——热收缩（主因）电流密度高——电磁收缩（加强）效果：电弧直径变小、温度升高、能量密度增大2、等离子弧的形成原理非转移型：电弧在钨极和喷嘴之间形成后，在高速气流作用下冲出喷嘴（也叫等离子焰）转移型：电弧先在钨极和导电喷嘴间引燃，转移到工件上形成新的导电回路后，切断钨极与导电嘴之间的电弧。3、等离子弧的类型及应用类型特点应用转移型电弧温度较高常用于金属的焊接、堆焊与切割非转移型电弧温度较低喷涂、非金属的焊接与切割混合型小电流下的电弧稳定性好多用于微束等离子弧（30A）焊接混合型：同时保持转移弧与非转移弧，即电弧转移到工件后不切断钨极与导电嘴之间的电弧。混合型等离子弧和转移型等离子弧都需要有两套电源供电(可以是一体式)，引弧电源功率较小一般只需要有几安培的输出。电流：电流越大，压缩程度越高；喷嘴孔道形状和尺寸：形状圆柱形（常用）、喇叭形（喷涂多用）、梅花形（切割多用）尺寸喷嘴孔径d及孔道长度L是压缩喷嘴的两个重要尺寸。孔径越小、孔道越长，压缩程度越大，其电弧静特性的平直段越窄、上升段斜率越大。4、等离子弧的影响因素内缩度和同心度：分别影响影响电弧的压缩程度稳定性。内缩长度一般取Lg=L+0.2mm。安装电极时应注意电极与喷嘴应保持同心。一般焊接时要求高频火花布满圆周75%～80%以上（可根据电极和喷嘴之间的高频火花在电极四周的分布情况检查）。在一定范围内，气体的吸热性越强、流量越大压缩程度越高；气体的电离能低，工作电压也低，有利于电弧的稳定。离子气体种类及流量：喷嘴孔径、电流大小、气体流量的配合可参见下表。喷嘴孔径mm电流A离子气流量L/min0.81～250.241.620～700.472.140～1000.942.5100～2001.893.2150～3002.364.8200～5002.831.热源特性温度高、能量密度大：弧柱中心最高温度可达50000K，能量密度可达105~106W/cm2（而TIG电弧相应为24000K、104w/cm2）；电弧刚性大、弧柱截面小：电弧挺度好、冲力大，加热工件的热主要来自等离子流及辐射，而不是阳极斑点热；二、等离子弧的特性2、电特性电弧静特性曲线为U型，但平直段较窄，上升段斜率较大；弧柱电场强度较大，弧压较高；小电流下的稳弧性好，电流小至1A以下电弧仍能稳定燃烧；组成：电源，控制系统，焊枪，供气系统，水冷系统，送丝机构，行走小车，工装夹具等三、等离子弧设备1、焊接电源直流恒流特性或下降外特性，空载电压较高；通常带有高频引弧和电流衰减装置。交流方波下降外特性（用于焊接Al、Mg等有色合金）；2、焊枪、电极对焊枪结构要求①能固定喷嘴与钨极的相对位置，并可进行调节；②对喷嘴和钨权进行有效的冷却；②喷嘴与钨极之间要绝缘．以便在钨极和喷嘴内壁间引燃小弧④能导入离子气流和保护气流；⑤便于拆卸、更换电极和喷嘴；电极材料应耐高温、热发射电子能力强，常用材质与钨极氩弧焊相同，为W+Th、W+Zr、W+Ce；电极形状为端部尖角，尖角角度60o，端部尖点应在轴线上，且锥面对称。3、供气系统分两路气体：等离子气、保护气；焊接和喷涂用的等离子气与保护气为Ar、Ar+H2、Ar+He；切割用等离子气流为N2、N2+H2、空气、水汽；等离子气送进方式分为切向进入、径向进入两种。切向送气时气体经一个或多个切向气道送入，气流形成旋涡流入喷嘴孔道，其中心为低压区，有利弧柱稳定于孔道中心，弧柱压缩程度较高。几种切向进气方式4、控制系统提前送气、滞后断气、电流衰减；引弧、送丝、行走等控制功能1、穿孔型焊接（1）基本特点：高能束等离子弧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的周围并沿熔池壁向熔池后方流动。随着等离子弧向前移动，小孔也跟着移动，熔化金属流回小孔凝固而形成焊缝，不采用衬垫实现单面焊双面成形。大电流（100～300A）等离子弧焊接大都采用这种方式。第二节等离子弧焊接一、焊缝形成方式及参数小孔焊接示意图焊接时小孔的照片2004年华恒公司不锈钢PAW的小孔（上：正面、左：背面）不锈钢PAW的焊缝（单面焊双面成形）左图：背面下图：正面（2）主要参数a.焊接电流及喷嘴尺寸：由工件厚度定电流大小，再由电流大小定喷嘴尺寸。电流过大，熔池下凹，液态金属下漏，引起双弧；电流太小，形不成小孔，不能实现穿透性双面成形；b.等离子气及保护气流量：最常用的是氩气；焊不锈钢时可采用Ar＋（5％～15％）H2；焊钛时可采用Ar＋（50％～75％）He；焊铜时可也采用100％N2或100％He；离子气流量应根据电流大小、焊速、喷嘴尺寸和高度等参数来确定，气体种类也有影响，以形成穿孔及焊缝成形良好为准；保护气流量以保护周到为准，必要时可实施反面气保护；c.焊接速度：应与电流大小、等离子气流量匹配好。焊速太小，熔池下凹，液态金属下漏；焊速过大，形不成穿透小孔，并产生气孔（等离子气被埋在焊缝内）；d.喷嘴高度：喷嘴距工件高度一般取3～5mm。过高会使电弧穿透力降低；过低喷嘴会受到金属蒸汽污染；（3）应用一般用于高合金、有色金属材质的焊接。a）10mm以下板对接，不开坡口、不填丝，单道焊双面成形；b）10mm以上板对接，开V型坡口，钝边高度5mm左右，不填丝打底焊；提示：为了保证起弧区及熄弧区的穿透性并避免气孔，在设备上最好具有程控的电流、焊速、气流量递增、递减等环节；此外要尽量减小对接间隙及错边量。材料不锈钢钛及钛合金镍及镍合金低合金钢低碳钢焊接厚度范围≤8≤12≤6≤7≤82、其它型式的焊接（1）熔入型30~100A混合弧，无穿孔效应，与一般的TIG焊类似。但焊接速度快，对材质、板厚、接头形式不限；可单面焊双面成形、多层多道焊，对参数的要求不严格，适用于薄板焊、角焊缝、盖面焊等，可填丝或不填丝，效率高。（2）微束焊焊接电流很小，一般在20A以下，最小可达1A以下；属于熔入型焊接；弧柱直径很小，从而保证了电弧的稳定。适用于超薄板（厚度0.5mm以下）焊接，焊速快、成形美观。对工件的装配固定（对准和防变形）要求很高，必须有专用工装夹具。（3）脉冲弧可精确控制焊缝成形，减少热输入。多用于薄板焊、全位置焊。（4）熔化极在焊嘴中增设焊丝作熔化极，电流同时流过钨极和焊丝，等离子弧仍在钨极或喷嘴与工件之间形成；一般用双电源供电（两个电源的外特性不一样）；适用于厚板坡口焊、堆焊，飞溅少、效率高。（5）变极性（交流）一般用交流矩形波电源，正负波的宽度可调；适用于Al合金厚板焊接，一次可焊透20mm以上厚板，效率高。1、双弧现象双弧现像产生于转移型等离子弧中。在正常情况下转移弧应稳定在钨极和工件之间燃烧，但由于某些原因，有时会形成另一个燃烧于钨极—喷嘴—工件之间的串联电弧，这就是双弧。形成双弧后，主弧电流降低，正常的焊接受到破坏，喷嘴过热，甚至烧毁，导致漏水、焊接过程中断。二、等离子弧焊接中的双弧问题2、形成双弧的条件根据电弧电压最小原理，当钨极与工件之间的电弧电压大于或等于钨极—喷嘴—工件之间的电压时，副弧就会产生。即：式中UT击穿冷气膜所需的电压，冷气膜越厚，UT越大；3、影响双弧形成的因素（1）喷嘴结构与尺寸：内孔越小、孔道越长、内缩长度越大，越易产生双弧；（2）电流大小：电流越大，弧柱压降越高，形成越有利；（3）等离子流量：流量越大，冷气膜越厚，越不利形成；UAB≥UAc+UdB+UT=U1+U2+UT（4）等离子进气方式：切向进气气流稳定，冷气膜较厚且四周均匀，不利双弧形成；（5）喷嘴冷却效果：冷却不好，喷嘴温升高，局部氧化或粘连飞溅，易促使双弧形成；（6）等离子气成分：气体电离电压越高，越有利双弧产生；（7）喷嘴至工件距离：距离越大，越有利双弧形成。但当距离很小时，飞溅易粘连、堵塞喷嘴，也会导致双弧发生；（8）工件厚度：等离子切割时，工件越厚，越易形成双弧；（9）电源外特性：陡降的电源外特性可抑制双弧产生，因为外界因素变化时，电流能维持恒定不变；堆焊(overlaying&surfacing)：用焊接的方法，在零件表面堆敷一层具有特别性能的材料。（目的不是为了连接零件，而是为了使零件获得耐磨，耐蚀或耐热的表面性能）。第三节等离子弧堆焊与喷涂(plasmaoverlaywelding)对堆焊的要求：稀释率低、熔敷率高，有的还要求焊层薄。等离子弧焊能较好地满足以上要求，尤其是可以用粉未进行堆焊，因而是一种较好的堆焊方法。能迅速顺利地堆焊难熔材料，稀释率和表面形状易于控制（稀释率最低可到约5%、堆层厚0.5~8mm、焊道宽3~40mm）；设备复杂、堆焊成本高，噪音、紫外线、臭氧较强。适用于质量要求高、批量大的零件表面堆焊。一、等离子弧堆焊的特点及应用堆焊方法稀释率（%）熔敷速度Kg/h最小堆焊层厚度mm熔敷效率（%）氧乙炔堆焊手工送丝1~100.5~1.80.8100自动送丝1~100.5~6.80.8100粉末堆焊1~100.5~1.80.885~95焊条电弧堆焊10~200.5~5.43.265埋弧堆焊单丝30~604.5~11.33.295单带极10~2012~363.095等离子弧堆焊自动送粉5~150.5~6.80.885~95手工送丝5~150.5~3.62.498~100自动送丝5~150.5~3.62.498~100双热丝5~1513~272.498~100等离子弧堆焊与其它堆焊方法的比较冷丝等离子弧堆焊——手工送棒或自动送丝（带），在工艺和堆焊层质量上都较稳定，应用于各种阀门耐磨、耐蚀零件的堆焊。热丝等离子弧堆焊——熔敷率提高和稀释率降低显著，可减少气孔倾向，适用于大面积的堆焊。预制型等离子弧堆焊——将堆焊合金预制成形后置于堆焊部位，然后以等离子弧熔化形成堆焊层，适用于形状简单、批量大的零件，如发动机排气阀密封面等的堆焊。粉末等离子弧堆焊——粉末来源广、种类多，熔敷率高、稀释率低、堆焊层质量好，工艺过程稳定，易于机械化、自动化；广泛应用于各种阀门密封面、石油钻杆、模具刃口等的强化与修复。二、等离子弧堆焊的类型对塑性较好的焊材，采用等离子弧填丝堆焊，且多用热丝法。对硬脆的焊材用粉末等离子弧堆焊(等离子弧喷焊)，配用双电源的混合型等离子弧更好。热喷涂thermalspray：以某种形式的热源将喷涂材料加热,受热的材料形成熔融或半熔融状态的微粒,这些微粒以一定的速度冲击并沉积在清洁而粗糙的基体表面上，形成具有一定特性的喷涂层。热喷涂是现代机械制造和设备维修中广泛应用的一项表面工程技术，具有零件受热小、基体组织不改变、零件变形小、涂层性能广泛等优点。喷涂不是焊接，因为喷涂层与工件的结合主要是机械结合。同样作为一项表面工程技术，喷涂与堆焊的比较见下表。零件尺寸零件几何形状零件的材料表面材料涂层厚度mm涂层孔隙率%堆焊易变形件除外对小孔有困难金属金属2～6通常无热喷涂无限制一般适用于简单形状几乎不受限制几乎不受限制0.1～0.51~15结合强度热输入预处理表面粗糙度沉积率Kg/h后处理堆焊高通常很高机械清理较粗1～70消除应力热喷涂一般低喷砂较细1～10通常需封孔按热源分，热喷涂主要有三种（1）火焰喷涂①粉末火焰