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第六单元等离子弧焊接与切割等离子弧是利用等离子枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离、高能量密度及高焰流速度的电弧。利用等离子弧来进行切割与焊接的工艺方法称为等离子弧切割和焊接。•模块一认识等离子弧•一、等离子弧的形成、特点及分类•1．等离子弧的形成（1）等离子弧•对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，就能获得导电截面较小而能量更加集中，弧柱中的气体几乎达到全部电离状态的电弧，这种电弧称为等离子弧。•（2）等离子弧的形成原理•将钨极缩入喷嘴内部，并在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧。等离子弧的形成如图6-1所示。图6-1等离子弧的形成1-钨极2-水冷喷嘴3-保护罩4-冷却水5-等离子弧6-焊缝7-工件•1）机械压缩作用•电弧弧柱被强迫通过细孔道的喷嘴，使弧柱截面压缩变细，而不能自由扩大。•2）热收缩作用•电弧通过水冷却的喷嘴，同时又受到外部不断送来的高速冷却气流（氮气、氩气等）的冷却作用，电弧弧柱进一步被压缩。•3）磁收缩作用•带电粒子在弧柱内的运动，可看成是电流在一束平行的“导线”内移动，由于这些“导线”自身磁场所产生的电磁力，使这些“导线”相互吸引，从而产生磁收缩效应。。小提示在等离子弧的三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是前提；热收缩作用则是电弧被压缩的主要原因；磁收缩作用是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定的作用。•2．等离子弧的特点•（1）温度高、能量高度集中•温度极高达16000℃～33000℃，并且截面很小，能量密度高度集中。•（2）电弧挺度好、燃烧稳定•自由电弧的扩散角度约为45°，等离子弧扩散角仅为5°，电弧挺度好，燃烧稳定。•（3）具有很强的机械冲刷力•高压气流通过喷嘴细通道喷出时，可达到很高的速度甚至可超过声速，等离子弧有很强的机械冲刷力。•二、等离子弧的分类及应用•根据电极的不同接法，等离子弧可以分为转移弧、非转移弧、联合型弧三种。•（1）非转移弧•电极接负极，喷嘴接正极，焊件不接电源，等离子弧在电极和喷嘴内表面之间燃烧并从喷嘴喷出。加热能量和温度较转移弧低，主要用于喷涂、焊接、切割较薄的金属和非金属材料。•（2）转移弧•电极接负极，焊件接正极，电弧首先在电极与喷嘴之间引燃，当电极与焊件间加上一个较高的电压后，再转移到电极与焊件间，使电极与焊件间产生等离子弧，这个电弧就称为转移弧。电弧热有效利用率大为提高，可用作中、厚板的切割、焊接和堆焊的热源。•（3）联合型弧•转移弧和非转移弧同时存在的电弧称为联合型弧。主要用于微束等离子弧焊接和粉末等离子弧堆焊。图6-2等离子弧的类型a)非转移弧b)转移弧c)联合型弧•三、等离子弧的双弧•正常的等离子弧应稳定地在钨极和工件之间燃烧，如图6-3中弧1。但由于某些原因往往还会在钨极和喷嘴及喷嘴和工件之间产生与主弧并列的电弧（弧2和弧3），这种现象就称为双弧现象。图6-3双弧现象1—主弧2、3-并列弧•1．双弧的危害性•（1）破坏等离子弧的稳定性，使焊接或切割过程不能稳定地进行，恶化焊缝成形和切口质量。•（2）产生双弧时，减小了主弧电流，降低了主弧的电功率，焊接时熔透能力和切割时的切割厚度减小。•（3）双弧一旦产生，使喷嘴受到强烈加热，故容易烧坏喷嘴，使焊接或切割工作无法进行。•2．双弧形成的原因•等离子弧焊接或切割时，等离子弧弧柱与喷嘴孔壁之间存在着由离子气所形成的冷气膜。这层冷气膜对弧柱向喷嘴的传热和导电都具有较强的阻滞作用。•焊接或切割时，当冷气膜被击穿遭到破坏时，绝热和绝缘作用消失，就会产生双弧现象。•3．防止双弧产生的措施•（1）正确选择焊接电流和离子气种类及流量•采用Ar+H2的混合气体，由于H2的冷却作用强，弧柱热收缩作用增大，弧柱直径缩小，冷却膜厚度增大，故不易被击穿形成双弧。同样，增大离子气流量，冷却作用增强，也可减少产生双弧的可能性。•（2）正确选择喷嘴•喷嘴孔径减少，喷嘴孔道长度增大或钨极内缩量增大都易产生双弧。•（3）电极与喷嘴尽可能同心•电极与喷嘴同心度不好，往往是引起双弧的主要原因。（4）正确确定喷嘴离工件的距离•喷嘴离工件的距离过小易引起双弧，一般在5mm～12mm之间为宜。•（5）加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴端面清洁，采用切向进气的焊枪等也可防止双弧形成。模块二等离子弧切割一、等离子弧切割的原理及分类•1、等离子弧切割原理•利用等离子弧的热能实现切割的方法称为等离子弧切割。等离子弧切割与氧一乙炔切割有本质上的区别，它是以高温、高速的等离子弧为热源，将被切割件局部熔化，并利用压缩的高速气流的机械冲刷力，将已熔化的金属或非金属吹走而形成狭窄切口的过程。图6-4等离子弧切割示意图1一钨极2—进气管5-喷嘴4—等离子弧5—割件6—电阻•2、等离子弧切割的特点（1）应用范围广•等离子弧可以切割各种高熔点金属及其他切割方法不能切割的金属。•转移弧，适用于金属材料切割；非转移弧，既可用于非金属材料切割，如耐火砖等，也可用于金属材料切割。但由于工件不接电源，电弧挺度较差，故能切割的金属材料厚度较小。•（2）切割速度快、生产率高•等离子弧切割的速度比较快，生产率也比较高。例如，切割10mm的铝板，速度可达200m/h～300m/h。•（3）切割质量高•能得到比较狭窄、光洁、整齐、无粘渣、接近于垂直的切口，而且切口的变形和热影响区较小，其硬度变化也不大，切割质量好。小提示•等离子弧切割的原理与氧气的切割原理有着本质的不同。氧气切割主要是靠氧与部分金属的化合燃烧而进行切割的。等离子弧切割不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割工件的。因此等离子弧切割的适用范围比氧气切割要大得多，氧气切割不能切割的材料可用等离子弧切割。•3．等离子弧切割分类•根据工作气体不同，等离子弧切割有氩等离子弧切割、氮等离子弧切割、空气等离子弧切割方法等，其特点及应用见表6－1。•二、等离子弧切割设备•1．等离子切割设备组成•等离子切割设备包括电源、控制箱、水路系统、气路系统及割炬等几部分组成，其设备组成如图6—5所示。（1）电源•陡降外特性的直流电源，直流正接。较高的空载电压，一般在150～400V之间。电源类型有两种：一种是专用弧焊整流器电源；另一种可用两台以上普通弧焊发电机或弧焊整流器串联。图6—5等离子切割设备组成1—电源2—气源3—调压表4—控制箱5—气路控制6—程序控制7—高频发生器8—割炬9—进水管10—出水管11—水源12—工件•（2）控制箱•电气控制箱主要包括程序控制接触器、高频振荡器、电磁气阀、水压开关等。•1）等离子弧切割过程的控制•等离子弧切割过程的控制程序方框图如图6—6所示。图6—6等离子弧切割过程的控制程序方框图•（3）水路系统•等离子弧切割的割炬在10000℃以上的高温下工作，为保持正常切割必须通水冷却，冷却水流量应大于2L/min～3L/min，水压为0.15MPa.～0.2MPa。一般自来水可满足要求，也可采用循环水。•（4）气路系统•气路系统的气体作用是防止钨极氧化、压缩电弧和保护喷嘴不被烧毁，它由气瓶、减压器、流量器及电磁气阀组成。一般气体压力应在0.25MPa.～0.35MPa。•（5）割炬•割炬（也称割枪）是产生等离子弧的装置，也是直接进行切割的工具。等离子弧割炬如图6—7所示。主要由本体、电极组件、喷嘴和压帽等部分组成。其中喷嘴是割炬的核心部分，其结构形式和几何尺寸对等离子弧的压缩和稳定有重要影响。•2．常用等离子切割设备•常用的等离子弧切割机有LG－400－1型、LG－400－2型和空气等离子弧切割机LGK8－40型等。•离子弧切割机的型号可按GB10249《电焊机型号编制办法》选用，L表示等离子焊割设备，G表示切割机，K表示空气等离子，400或40表示额定切割电流。图6－8LG－400－2型等离子弧切割机的外部接线示意图•三、等离子弧切割工艺•1．等离子弧切割的电极与工作气体•电极一般采用铈钨极，空气等离子弧切割一般采用纯锆或纯铪电极。等离子弧切割的工作气体是氮、氩、氢以及它们的混合气体。由于氮气价格低廉，故常用的是氮气，且氮气纯度不低于99.5%。•在碳素钢和低合金钢切割中，常使用压缩空气作为工作气体。•2．等离子弧切割的工艺参数•等离子弧切割的工艺参数，主要有切割电流、切割电压、气体流量、切割速度、喷嘴与割件的距离、钨极端部与喷嘴的距离等。•（1）切割电流和切割电压•切割大厚度工件时，提高切割电压比提高切割电流更为有效。切割电压超过电源空载电压2/3时容易熄弧，因此，电源空载电压一般应是切割电压的两倍。•（2）切割速度•在保证切透的前提下尽可能选择大的切割速度。•（3）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。但气体流量过大，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。•（4）喷嘴与割件的距离•一般为6mm～8mm，切割厚件，可增大到10mm～15mm，空气等离子弧切割一般为2mm～5mm。•（5）钨极端部与喷嘴的距离•钨极端部与喷嘴的距离Ly称为钨极内缩量，如图6—9所示。内缩量越大，电弧压缩效果越强。但内缩量太大时，电弧稳定性反而差。内缩量太小，电弧压缩效果差，而且电极离喷嘴孔太近或者伸进喷孔，使喷嘴容易烧损。一般取8mm～11mm为宜。图6—9电极内缩量示意图1—电极2—喷嘴3—割件•四、空气等离子弧切割•采用压缩空气作为工作气体的等离子弧切割称空气等离子弧切割。空气等离子弧切割可切割铜、不锈钢、铝等材料，但特别适合切割厚度在30mm以下的碳钢及低合金钢。空气等离子弧切•1．空气等离子弧切割的特点•（1）压缩空气，来源广，价格低廉，可大大降低成本。•（2）空气等离子弧能量大，加之在切割过程中氧与被切割金属发生氧化反应而放热，切割速度快，生产率高。•（3）压缩空气中的氧极易使电极氧化烧损，使电极寿命大大缩短，故不能采用纯钨极或含氧化物的钨极。图6-10空气等离子弧切割机外形及切割系统示意图a）切割机外形b）切割系统1-电源2-空气压缩机3-割炬4-工件5-接工件电缆6-电源开关7过滤减压网•2．空气等离子弧切割方法•空气等离子弧切割方法及割枪如图6-11所示，有两种形式：图6-11a所示为单一空气式，其工作气体是压缩空气。由于空气氧化性强，不能采用钨电极，一般采用纯锆或纯铪做成的镶嵌式电极。•图6-11b所示为复合式，采用内外两层喷嘴，内喷嘴对电极通以惰性气体加以保护，以减少电极氧化烧损，外喷嘴通入压缩空气，但割炬结构复杂。图6-11c所示为单一空气式割枪。图6-11空气等离子弧切割方法及割枪a)单一空气式b)复合式c)单一空气式割枪1-电极冷却水2-电极3-压缩空气4-喷嘴5-喷嘴冷却水6-电弧7-工件8-工作气体9-外喷嘴模块三等离子弧焊接•一、等离子弧焊的原理及特点•等离子弧焊接是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的一种方法。它是利用特殊构造的等离子焊枪所产生的高温等离子弧，并在保护气体的保护下，来熔化金属实行焊接的，如图6-12所示。•它几乎可以焊接电弧焊所能焊接的所有材料和多种难熔金属及特种金属材料，并具有很多优越性。在极薄金属焊接方面，它解决了氩弧焊所不能进行的材料和焊件的焊接。图6-12等离子焊接示意图1—钨极2—喷嘴3—焊缝4—焊件5—等离子弧特点：•（1）等离子弧的温度高，能量密度大，熔透能力强，对于8mm或更厚的金属焊接可不开坡口，不加填充金属，提高了焊接生产率，减小热影响区宽度和焊接变形。•（2）离子弧的形态近似于圆柱形，挺直性好，几乎在整个弧长上都具有高温。对焊缝成形的影响较小，容易得到均匀的焊缝成形。•（3）等离子弧的稳定性好，特别是联合型等离子弧，可使用很小（大于0.1A）的焊接电流，可焊超薄的工件。•（4）钨极内缩在喷嘴里面，不会与工件接触。可减少钨极损耗及产生夹钨等缺陷。•二、等离子弧焊设备•1．等离子弧焊设备组成•手工等离子弧焊设备由焊接电源、焊枪、控制系统、气路