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焊接2016年10月27日第六章等离子弧焊离子弧的形成条件、电弧特性、等离子弧发生器的结构对电弧特性的影响以及等离子弧焊接与切割的一般工艺技术,简介等离子弧堆焊与喷涂的工艺应用。第一节等离子弧特性及其发生器一种较高能量密度的电弧热源,显著有别于普通电弧的电弧形态与能量特性,在材料的焊接、切割和表面工程等领域,具有特殊的应用范围。一、等离子弧的形成等离子弧是一种受到约束的非自由电弧,也称压缩电弧,是借助于以下三大压缩效应而形成的。（1）机械压缩效应：利用等离子弧发生器的喷嘴孔来约束电弧，气体导电通道被限制在喷嘴孔道内。（2）热压缩效应：采用一定流量的冷却水冷却喷嘴，以降低喷嘴温度，当弧柱通过喷嘴孔道时,较低的喷嘴温度使喷嘴内壁形成一层冷气膜,迫使弧柱导电截面进一步减小,称为热压缩效应。（3）磁压缩效应：二、等离子弧的分类等离子弧按电源供电方式不同,分为三种形式。6-1，（1）非转移型：母材不参与导电。电弧是在电极和喷嘴之间产生,此时温度较低,能量密度较低,又称为等离子焰或间接电弧。主要用于喷涂以及焊接、切割较薄的金属或对非导电材料进行加热。二、等离子弧的分类等离子弧按电源供电方式不同,分为三种形式。6-1，（2）转移型：须先引燃非转移弧,然后使电弧从喷嘴转移到工件上。这种等离子弧温度和能量密度较高,常用于切割、焊接及堆焊。二、等离子弧的分类等离子弧按电源供电方式不同,分为三种形式。6-1，（3）联合型：需要两个电源独立供电。电极接两个电源的负极,喷嘴及母材分别接各电源的正极,主要用于小电流、微束等离子弧焊接及粉末堆焊。三、等离子弧特性1、等离子弧的静特性:与普通电弧近似,仍呈“U”形,但显著区别有:弧柱电场强度增大,电弧电压显著增高;U曲线的平直区段较自由电弧明显缩小.图6-22、普通钨极氩弧的最高温度为10000～24000K,能量密度小于104W/cm2。等离子弧的温度高达24000～50000K,能量密度可达105～106W/cm2,其温度分布见图6-3a。四、等离子弧发生器等离子弧发生器用来产生等离子弧。按其用途不同称为等离子弧焊枪、割枪和喷枪。发生器的基本结构通常应满足以下要求:（1—7）图6-4为300A等离子弧焊枪结构。喷嘴、电极及其冷却结构是等离子发生器的关键零部件,其结构和尺寸对等离子弧的能量参数与工作稳定性有决定性的影响。1.喷嘴孔径6-22.喷嘴孔道长度6-33.压缩角4.喷嘴孔道(6-5)5.喷嘴长度及冷却6.钨极及其结构6-6第二节等离子弧焊接与切割等离子弧的高温、高能量密度和高穿透能力等特性,具有某些特殊的应用优势,如穿孔型等离子弧焊接、微束等离子弧焊接、有色金属与不锈钢的切割等。等离子切割应用相当普遍,而等离子焊接,相对其他弧焊方法而言却应用较少,这可能与该方法的设备和工艺较复杂有关。一、等离子弧焊接工艺及其参数选择（一）穿孔型等离子弧焊接6-9，表6-4（一）穿孔型等离子弧焊接6-9，表6-41）由材料和板厚选择焊接电流（表6-2，6-3）2）离子气流量对拉高电弧的刚度和穿透力：太大可能造成切割状态,太小则形不成小孔效应。在Ar气中加入少量H2或He,可以增强电弧的穿透能力。3）焊接速度应与焊接电流和等离子气流量相匹配（6-10）速度与焊接电流、等离子气流量呈正比关系。焊速过高,不仅会导致小孔消失,出现未焊透,而且可能引起焊缝两侧咬边和出现气孔。4）喷嘴高度：常取3～5mm。5）保护气体流量（二）熔入型等离子弧焊接与穿孔型等离子弧焊比较,具有焊接参数较“软”（三）微束等离子弧焊接：箔、细丝的首选方法，通常把电流15～30A以下的熔入型等离子弧焊接设计合理的焊接接头形式(图6-12及表6-6)二、等离子弧切割(PAC)（一）切割原理与参数选择用其高温、高速的等离子体焰流,把金属局部熔化和蒸发并随即吹出而形成切口。等离子弧切割发明于20世纪50年代中期,现已扩展到广泛用于普通碳钢、低合金钢以及非金属材料的切割。表6-7为PAC的一般适用厚度范围。PAC的主要工艺参数选择原则:（1-4）（二）空气等离子弧切割利用压缩空气作为离子气,切割成本低,空气等离子弧的热焓值高、切割速度快,切口质量好等特点,成为国内外中厚板切割的广泛应用方法之一。常用切割电流一般在200A以下,大厚板切割机的输出切割电流可高达600A。空气等离子弧割枪中的电极不能采用钨合金类材料,这是因为空气中的O2、CO2、H2O等气体会严重氧化烧损钨极。第三节等离子弧堆焊和喷涂机械、工程结构中工作面,需要其具备耐磨、耐蚀、耐氧化等特殊性能。在廉价的基体材料上,通过堆焊或喷涂涂。大多数弧焊方法都可以用于堆焊,火焰、电弧及爆炸等方法可用于喷涂,然而由于等离子弧的特殊物理特性,使得等离子弧堆焊和喷涂在该技术领域具有重要的应用地位。第三节等离子弧堆焊和喷涂一、等离子弧堆焊等离子弧堆焊方法具有熔敷速度高、易于自动作业,稀释率低、焊层平整光滑、堆焊材料的钢种适应性极好结合,焊层冶金连续且致密等特点。广泛用于轴承、轴颈、阀门、挖掘机和推土机等产业机械零部件的制造与修复场合,尤其适用于焊层材料难以制成丝材但易于制成粉末的硬质耐磨合金。按焊层材料的供货状态,等离子弧堆焊有丝材式,粉末等离子弧堆焊应用最为广泛。（一）粉末等离子弧堆焊粉末等离子弧堆焊可采用转移弧或联合弧不需大熔深,故喷嘴孔道比一般均小于1。为了送进粉末,喷嘴的送粉系统中要引入一股送粉气流,常用氩气。送粉口放在喷嘴孔道底部,可用一个或二个以上。这里需要注意:（二）热丝等离子弧堆焊二、等离子弧喷涂等离子弧喷涂是目前工业上常用的热喷涂方法之一。热喷涂是将喷涂材料加热到熔融状态,通过高速气流使其雾化涂层,以赋予工件表面更高的耐磨等特殊性能。与火焰喷涂、电弧喷涂相比,由于等离子弧焰流的温度高达10000℃以上,可喷涂几乎所有的固态工程材料料、复合粉末等