等离子弧焊原理及操作安全

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1、等离子弧焊原理及操作安全什么是等离子弧焊？试述等离子弧的产生方法。借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得高能量浓度的等离子弧进行焊接的方法称 为等离子弧焊。等离子弧是自由电弧压缩而成, 应示意图见图22。它是通过以下三种压缩作用获得的，机械压缩效httpfuel dr. net冷却水保护气体1II图 22a）自由电弧b）压编电弧1钩极 2喷嘴 3冷气套 4 一热气套 5M柱1 机械压缩 将电弧强制通过具有小孔径喷嘴的孔道，使电弧受到压缩。2. 热压缩当等离子气体 （Ar、N气）以一定的速度和流量经喷嘴时，靠近电弧一侧的气体通过弧柱，吸收大量热量而电离，成为等离子弧的一个组成部分。 但 是靠近喷嘴内

2、壁的气体，由于受到喷嘴强烈的冷却作用，形成一个冷气套，迫使 弧柱截面进一步缩小称为热压缩。3. 磁压缩 弧柱电流是一束平行的同向电流线， 必然产生往内的收缩力。当电 弧受到机械压缩和热压缩之后，截面缩小，因而电流密度增大，由此产生的电磁 收缩力必然增大，形成磁压缩。试述等离子弧的类型。按电源连接方式的不同，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式见图23。b)图 23a）非转移型b）转移S! c）联合型一钩概2- H-转移弧4 一非转移豪弓一焊件6-掩却水7等羯子焰8尊离子7 （Ar. N汽）非转移型等离子弧钨极接电源负端，焊件接电源正端，等离子弧体产生在钨极与喷嘴之间，在等离子气体压送下，

3、弧柱从喷嘴中喷出，形成等离子焰。转移型等离子弧钨极接电流负端，焊件接电流正端，等离子弧产生的钨极和焊件之间。因为转移弧能把更多的热量传递给焊件，所以金属焊接、切割几乎 都是采用转移型等离子弧。联合型等离子弧工作时非转移弧和转移弧同时并存，故称为联合型等离子弧。非转移弧起稳定电弧和补充加热的作用， 转移弧直接加热焊件，使之熔化进 行焊接。主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊。56 试述转移型等离子弧的产生方法。为建立转移型等离子弧，应将钨极接电源负极，喷嘴和焊件同时接正极，转移型 弧示意图见图24。首先接通钨极与喷嘴之间的电路，引燃钨极与喷嘴之间的电 弧，接着迅速接通钨极和焊件之间的电路， 使电弧转

4、移到钨极和焊件之间直接燃 烧，同时切断钨极和喷嘴之间的电路，转移型等离子弧就正式建立。http : /vwf. we I dr net在正常工作状态下，喷嘴不带电，在开始引燃时产生的等离子弧，只是作为建立 转移弧的中间媒介。试述常用等离子弧焊的基本方法。常用的等离子弧焊基本方法有小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离 子弧焊三种。小孔型等离子弧焊使用较大的焊接电流，通常为50500A,转移型弧。施焊时，压缩的等离子焰流速度较快，电弧细长而有力，为熔池前端穿透焊件而形 成一个小孔，焰流穿过母材而喷出，称为“小孔效应”，其示意图见图25。随着焊枪的前移，小孔也随着向前移动，后面的熔化金属凝固

5、成焊缝。由于等离子 弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限厚板内进行焊 接，见表2。htztp:/Ziwm. Ito I dr. net矍焊接方向.冷i ：:*图 251一焊缝金属2F化金属3-钩极表2 小孔型等离子弧焊一次焊透厚度(mrh不锈钢钛及钛合金镍及镍合金低合金钢低碳钢812678熔透型等离子弧焊当等离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时，此种等离子弧在焊接过程中只熔化焊件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与钨极氩弧焊相 似，称为熔透型等离子弧焊，主要用于厚度小于 23mm勺薄板单面焊双面成形 及厚板的多层焊。微束等离子弧焊焊接电流30A以下熔透型焊接称为微束等离子弧焊。

6、采用小孔径压缩喷嘴（巾0.6mm巾1.2mm及联合型弧，当焊接电流小至 1A以下， 电弧仍能稳定地燃烧，能够焊接细丝和箔材。试述等离子弧焊设备的组成。等离子弧焊设备分为手工焊和自动焊两大类。 手工焊设备由焊接电源、焊枪、控 制电路、气路和水路等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车（或 转动胎具）、控制电路、气路及小路等部分组成。按照焊接电流的大小，等离子弧焊接设备又可分为大电流等离子弧焊设备和微束 等离子弧焊设备两大类。大电流等离子弧和微束等离子弧的焊接系统，见图26。http /www dr net图 26）丸电流等离子弧焊接系竦1焊接电Si 2”導离子吒4一挣却水5ft护气6保

7、护弐罩7T战S-等离子弧 I?件11喷雳头b）黴束裁离尹孤焊播系竦1 一焊接电屎2堆豪电專3钩槻4等离子气5冷却水H护丸7喷审X保护气罩 牛亠專离子孤KMSttSM头大电流等离子弧的引燃方法是在焊接回路中叠加一个高频振荡器，依靠高频火花在钨极与喷嘴之间引燃非转移弧（引弧时 KM闭合，KM断开）。微束等离子弧的引燃方法两种：一种是借助焊枪上的钨极移动机构向前推进钨 极，直到钨极端部与压缩喷嘴相接触， 然后回抽钨极引燃非转移弧； 另一种引弧 方法是采用高频振荡器。等离子弧焊的电源采用具有陡降外特性的直流电源。等离子弧焊有哪些特点？等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种新型焊接方法， 它在很

8、大程 度上填补了钨极氩弧焊的不足，与钨极氩弧焊相比，它具有如下一些特点：1) 弧柱温度高，能量密度大，加热集中，熔透能力强，可以高速施焊，生产率2) 等离子弧工作稳定，工艺参数调节范围宽，可焊接极薄的金属，但当金属厚度超过89mm寸，从费用上考虑采用等离子弧焊不合算。3) 热影响区窄，焊接变形小。4) 由于钨极内缩至喷嘴内，不与焊件接触，所以不会在焊缝内产生夹钨。缺点是电源及电气控制线路较复杂，设备费用约为钨极氩弧焊的 25倍，工艺 参数的调节匹配较复杂，喷嘴的使用寿命短。等离子弧焊接与切割及安全操作一、等离子弧的形成等离子弧是自由电弧压缩而成的。电弧通过水冷喷嘴、限制其直径，称机械压缩。 水

9、冷 内壁温度较低， 紧贴喷嘴内壁的气体温度也极低， 形成了一定厚度的冷气膜， 冷气膜进一步 迫使弧柱截面减小， 称热压缩。 弧柱截面的缩小， 使电流密度大为提高， 增强了磁收缩效应， 称磁压缩。在三种压缩的作用下，等离子弧的能量集中(能量密度可达 105 106W cm 2) ，温度高(弧柱中心温度1800024000K)，焰流速度大(可达300m/s)。这些特性使得等离子 弧广泛应用于焊接、喷涂、堆焊及切割。二、等离子弧的特点由于等离子弧的特性，与钨极氩弧焊相比，有以下特点：(1) 等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应， 可以得到充分熔透、反面成形均匀的焊

10、缝。(2) 电弧挺度好， 等离子弧的扩散角仅 5左右， 基本上是圆柱形， 弧长变化对工件上的 加热面积和电流密度影响比较小。所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。(3) 焊接速度比钨极氩弧焊快。(4) 能够焊接更细、更薄加工件。(5) 其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。54。三、等离子弧的类型按电源连接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式，见图8uV图5 4 等离子弧的类型1 钨极2喷嘴3转移弧气C)4 非转移弧5工件6冷却水7 弧焰8离子（一）非转移型等离子弧钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴

11、中喷出，形成等离子焰。（二）转移型等离子弧钨极接电源负极，工件接电源正极，等离子弧体产生于钨极与工件之间。转移弧难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到转移弧。 金属焊接、切割几乎均采用转移型弧。（三）联合型等离子弧工作时，非转移型弧和转移弧同时存在，称为联合型等离子弧。 主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等。四、等离子弧焊接（一一）等离子弧焊基本方法按焊缝成形原理，等离子弧焊有三种基本方法：小孔型等离子弧焊、 熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。1. 小孔型等离子弧焊小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。利用等离子弧能量密度大和等离子流力强的特点， 将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的小孔。被熔

12、化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。2. 熔透型等离子弧焊当离子气流量较小、 弧抗压缩程度较弱时， 这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不 产生小孔效应。焊缝成形原理和钨极氩弧焊类似， 此种方法也称熔入型或熔触法等离子弧焊。 主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。3. 微束等离子弧焊1530A以下的熔入型等离子弧焊接通常称为微束等离子弧焊接。由于喷嘴的拘束作用和

13、维弧电流的同时存在， 使小电流的等离子弧可以十分稳定，目前已成为焊接金属薄箔的有效方法。为保证焊接质量，应采用精密的装焊夹具保证装配质量和防止焊接变形。工件表面的清洁程度应给予特别重视。为了便于观察，可采用光学放大观察系统。（二 ）等离子弧焊设备1.等离子弧焊设备的组成和钨极氩弧焊一样， 按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊 枪、焊接小车（或转动夹具）、控制电路、气路及水路等部分组成。2焊接电源 下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源。 用纯氩作为 离子气时，电源空载

14、电压只需6580V ;用氢、氩混合气时，空载电压需110120V。大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。30A 以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧， 用高频或接触短路回抽引弧。 由于 非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源。3气路系统等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、 保护气、 背面保护气。 为保证引弧 和熄弧处的焊接质量， 离子气可分两路供给， 其中一路可经气阀放空， 以实现离子气流衰减 控制。4控制系统手工等离子弧焊机的控制系统比较简单， 只要能保证先通离子气和保护气， 然后引弧即 可。自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频

15、发生器， 小车行走。 填充焊口逆进拖动电路及 程控电路组成。程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电 流和气流衰减熄弧。延迟停气等控制要求。五、等离子弧焊接工艺参数小孔型等离子弧焊接时， 焊接过程中确保小孔的稳定， 是获得优质焊缝的前提。 影响小 孔稳定性的主要工艺参数有： 离子气流量、 焊接电流及焊接速度， 其次为喷嘴距离和保护气 体流量。（一）离子气流量离子气流量增加， 可使等离子流力和熔透能力增大。 在其它条件不变时， 为了形成小孔， 必须要有足够的离子气流量。 但是离子气流量过大也不好， 会使小孔直径过大而不能保证焊 缝成形。喷嘴孔径确定后，离子气流量大小视焊

16、接电流和焊接速度而定，即离子气流量、焊 接电流和焊接速度三者之间要有适当匹配。（二）焊接电流焊接电流增加， 等离子弧穿透能力增加。 和其它电弧焊方法一样， 焊接电流总是根据板 厚或熔透要求来选定的。 电流过小， 不能形成小孔。电流过大，又将因小孔直经过大而使熔 池金属坠落。此外，电流过大还可能引起双弧现象。为此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳 定的小孔焊接过程， 焊接电流只能被限定在某一个合适的范围内， 而且这个范围与离子气的 流量有关。（三）焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要参数。 其它条件一定时， 焊速增加， 焊缝热输入 减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速过低，因材过

17、热，背面焊缝会出现 下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定，取决于离子气流量和焊接电流。（四）焊嘴距离 距离过大，熔透能力降低，因为距离过大时，造成喷嘴被飞溅物粘污，一般取3 8mm距离合适。和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。（3-）保护气体流量 保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例， 离子气流量不大而保护气体流量过大时 会导致气流的紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在1530L min 范围内。熔透型等离子弧焊的工艺参数项目和小孔型等离子弧焊基本相同。工件熔化和焊缝成形过程则和钨极氩弧焊相似。中、小电流（0. 2100A）熔透型等离子弧焊通

18、常采用联合型弧。由于非转移弧（维弧）的存在，使得主弧在很小电流下（1A以下）也能稳定燃烧。维弧的阳极斑 点位于喷嘴孔壁上，维弧电流过大容易损坏喷嘴，一般选用25A。小孔型、 熔透型等离子弧焊也可以采用脉冲电流焊接， 借以控制全位置焊接时的焊缝成 形、减小热影响区宽度和焊接变形，脉冲频率在 15Hz 以下。脉冲电源结构形式基本上和钨 极脉冲氩弧焊的相似。六、安全防护技术（一）防电击等离子弧焊接和 等离子切割机 用电源的空载电压较高， 尤其在手工操作时，有电击的危 险。因此，电源在使用时必须可靠接地，焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回

19、路。如果启动开关装在手把 上，必须对外露开关套上绝缘橡胶套管，避免手直接接触开关。尽可能采用自动操作方法。（二）防电弧光辐射电弧光辐射强度大， 它主要由紫外线辐射、 可见光辐射与红外线辐射组成。等离子弧较其它电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重， 操作者在焊接或切割时必须带上良好的面罩、手套，最好加上吸收紫外线的镜片。自动操作时，可在操作者与操作区设置防护屏。等离子弧切割时，可采用水中切割方法，利用水来吸收光辐射。（三）防灰尘与烟气等离子弧焊接与切割过程中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等。尤其切割时，由于气体流量大，致使工作场地上的灰尘大量扬起，这些烟气与灰尘对操作工人的呼吸道、 肺等产生严重影响。切割时，在栅格工作台下方还可以安置排风装置，也可以采取水中切割方法。（四）防噪声等离子弧会产生高强度、 高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大，这对操作者的听觉系统和神经系统非常有害。其噪声能量集中在20008000Hz范围内。要求操作者必须戴耳塞。 在可能的条件下，尽量采用自动化切割， 使操作者在隔音良好的操作 室内工作，也可以采取水中切割方法，利用水来吸收噪声。（五）防高频等离子弧焊接和切割采用高频振高器引弧，高频对人体有一定的危害。引弧频率选择在2060kHz较为合适。还要求工件接地可靠，转移弧引燃后，立即可靠地切断高频振荡器电 源。