项目二焊条电弧焊.docx

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项目二焊条电弧焊

项目七等离子弧焊接与切割

教学目标：

了解等离子弧焊接和切割的原理、特点及应用范围；

掌握等离子弧焊的基本方法；

能合理制定等离子弧焊工艺。

了解等离子弧堆焊、喷涂和切割的基本方法。

教学活动设计：

1在实训室中进行讲练结合的现场教学；

2．利用多媒体课件、仿真等辅助教学；

教学重点：

条电弧焊的原理、工艺特点

制定焊条电弧焊工艺；

掌握焊条电弧焊操作技术

教学难点：

能合理制定等离子弧焊工艺。

了解等离子弧堆焊、喷涂和切割的基本方法。

学习单元一认知等离子弧的焊接与切割

一、等离子弧的形成

1．等离子弧

目前，焊接领域中应用的等离子弧实际上是一种压缩电弧，是由钨极气体保护电弧发展而来的。

钨极气体保护电弧常被称为自由电弧，它燃烧于惰性气体保护下的钨极与焊件之间，其周围没有约束，当电弧电流增大时，弧柱直径也伴随增大，二者不能独立地进行调节，因此自由电弧弧柱的电流密度、温度和能量密度的增大均受到一定限制。

实验证明，借助水冷铜喷嘴的外部拘束作用，使弧柱的横截面受到限制而不能自由扩大时，就可使电弧的温度、能量密度和等离子体流速都显著增大。

这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是通常所称的等离子弧。

2．等离子弧形成原理

目前广泛采用的压缩电弧的方法是将钨极缩入喷嘴内部，并且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，如图67-1所示。

此时电弧受到下述三种压缩作用：

（1）机械压缩效应当把一个用水冷却的铜制喷嘴放置在其通道上，强迫这个“自由电弧”从细小的喷嘴孔中通过时，弧柱直径受到小孔直径的机械约束而不能自由扩大，而使电弧截面受到压缩。

这种作用称为“机械压缩效应”。

（2）热收缩效应水冷铜喷嘴的导热性很好，紧贴喷嘴孔道壁的“边界层”气体温度很低，电离度和导电性均降低。

这就迫使带电粒子向温度更高、导电性更好的弧柱中心区集中，相当于外围的冷气流层迫使弧柱进一步收缩。

这种作用称为“热收缩效应”。

（3）电磁收缩效应这是由通电导体间相互吸引力产生的收缩作用。

弧柱中带电的粒子流可被看成是无数条相互平行且通以同向电流的导体。

在自身磁场作用下，产生相互吸引力，使导体相互靠近。

导体间的距离越小，吸引力越大。

这种导体自身磁场引起的收缩作用使弧柱进一步变细，电流密度与能量密度进一步增加。

电弧在三种压缩效应的作用下，直径变小、温度升高、气体的离子化程度提高、能量密度增大。

最后与电弧的热扩散作用相平衡，形成稳定的压缩电弧。

这就是工业中应用的等离子弧。

作为热源，等离子弧获得了广泛的应用，可进行等离子弧焊接、等离子弧切割、等离子弧堆焊、等离子弧喷涂、等离子弧冶金等。

在上述三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是前提；热收缩效应则是电弧被压缩的最主要的原因；电磁收缩效应是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定作用。

3．等离子弧的影响因素

等离子弧是压缩电弧，其压缩程度直接影响等离子弧的温度、能量密度、弧柱挺度和电弧压力。

影响等离子弧压缩程度的因素主要有：

（1）等离子弧电流当电流增大时，弧柱直径也要增大。

因电流增大时，电弧温度升高，气体电离程度增大，因而弧柱直径增大。

如果喷嘴孔径不变，则弧柱被压缩程度增大。

（2）喷嘴孔道形状和尺寸喷嘴孔道形状和尺寸对电弧被压缩的程度具有较大的影响，特别是喷嘴孔径对电弧被压缩程度的影响更为显著。

在其他条件不变的情况下，随喷嘴孔径的减小，电弧被压缩程度增大。

（3）离子气体的种类及流量离子气（工作气体）的作用主要是压缩电弧强迫通过喷嘴孔道，保护钨极不被氧化等。

使用不同成分的气体作离子气时，由于气体的热导率和热焓值不同，对电弧的冷却作用不同，故电弧被压缩的程度不同。

改变和调节这些因素可以改变等离子弧的特性，使其压缩程度适应于切割、焊接、堆焊或喷涂等方法的不同要求。

例如为了进行切割，要求等离子弧有很大的吹力和高度集中的能量，应选择较小的压缩喷嘴孔径、较大的等离子气流量、较大的电流和导热性好的气体；为进行焊接，则要求等离子弧的压缩程度适中，应选择较切割时稍大的喷嘴孔径、较小的等离子气流量。

二、等离子弧的特性

1．温度高、能量密度大

普通钨极氩弧的最高温度为10000~24000K，能量密度在104W/cm2以下。

等离子弧的最高温度可达24000~50000K，能量密度可达105~l08W/cm2，且稳定性好。

等离子弧和钨极氩弧的温度比较如图6-2所示。

2．等离子弧的能量分布均衡

等离子弧由于弧柱被压缩，横截面减小，弧柱电场强度明显提高，因此等离子弧的最大压降是在弧柱区，加热金属时利用的主要是弧柱区的热功率，即利用弧柱等离子体的热能。

所以说，等离子弧几乎在整个弧长上都具有高温。

这一点和钨极氩弧是明显不同的。

3．等离子弧的挺度好、冲力大

钨极氩弧的形状一般为圆锥形，扩散角在45°左右；经过压缩后的等离子弧，其形态近似于圆柱形，电弧扩散角很小，约为5°左右，因此挺度和指向性明显提高。

等离子弧在三种压缩作用下，横截面缩小，温度升高，喷嘴内部的气体剧烈膨胀，迫使等离子体高速从喷嘴孔中喷出，因此冲力大，挺直性好。

电流越大，等离子弧的冲力也越大，挺直性也就越好。

4．等离子弧的静特性曲线仍接近于U形

由于弧柱的横截面受到限制，等离子弧的电场强度增大，电弧电压明显提高，U形曲线上移且其平直区域明显减小，。

5．等离子弧的稳定性好

等离子弧的电离度较钨极氩弧更高，因此稳定性好。

外界气流和磁场对等离子弧的影响较小，不易发生电弧偏吹和漂移现象。

焊接电流在10A以下时，一般的钨极氩弧很难稳定，常产生电弧漂移，指向性也常受到破坏。

而采用微束等离子弧，当电流小至0.1A时，等离子弧仍可稳定燃烧，指向性和挺度均好。

这些特性在用小电流焊接极薄焊件时特别有利。

三、等离子弧的类型及应用

等离子弧按接线方式和工作方式不同，可分为非转移型、转移型和混合型三种类型，如图6-5所示。

1．非转移型等离子弧

钨极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，焊件不接电源，电弧是在钨极与喷嘴孔壁之间燃烧的，非转移弧主要在等离子弧喷涂、焊接和切割较薄的金属及非金属时采用。

2．转移型等离子弧

钨极接电源的负极、焊件接电源的正极，等离子弧燃烧于钨极与焊件之间，如图6-5b所示。

但这种等离子弧不能直接产生，必须先在钨极和喷嘴之间接通维弧电源，以引燃小电流的非转移型弧（引导弧），然后将非转移型弧通过喷嘴过渡到焊件表面，再引燃钨极与焊件之间的转移型等离子弧．（主弧），并自动切断维弧电源。

采用转移弧工作时，等离子弧温度高、能量密度大，焊件上获得的热量多，热的有效利用率高。

常用于等离子弧切割、等离子弧焊接和等离子弧堆焊等工艺方法中。

3．混合型等离子弧

在工作过程中非转移型弧和转移型弧同时存在，则称之为混合型（或联合型）等离子弧，如图6-5c所示。

两者可以用两台单独的焊接电源供电，也可以用一台焊接电源中间串接一定电阻后向两个电弧供电。

其中的转移弧主要用来加热焊件和填充金属，非转移弧用来协助转移弧的稳定燃烧（小电流时）和对填充金属进行预热（堆焊时）。

混合型等离子弧稳定性好，电流很小时也能保持电弧稳定，主要用在微束等离子弧焊接和粉末等离子弧堆焊等工艺方法中。

学习单元二等离子弧焊接

一、等离子弧焊的基本方法及应用

等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得高能量密度的等离子弧进行焊接的方法，国际统称为PAW（PlasmaArcWelding）。

按焊缝成形原理，等离子弧焊有下列三种基本方法：

穿孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊。

1．穿透型等离子弧焊

穿透型焊接法又称小孔型等离子弧焊。

该方法是利用等离子弧直径小、温度高、能量密度大、穿透力强的特点，在适当的工艺参数条件下实现的，焊缝断面呈酒杯状，如图6-7所示。

焊接时，采用转移型等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透焊件的小孔，并从焊件的背面喷出部分等离子弧（称其为“尾焰”）。

熔化金属被排挤在小孔周围，依靠表面张力的承托而不会流失。

随着焊枪向前移动，小孔也跟着焊枪移动，熔池中的液态金属在电弧吹力、表面张力作用下沿熔池壁向熔池尾部流动，并逐渐收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波纹的焊缝，这就是所谓的小孔效应。

如图6-8所示。

利用这种小孔效应，不用衬垫就可实现单面焊双面成形。

焊接时一般不加填充金属，但如果对焊缝余高有要求的话，也可加入填充金属。

目前大电流（100~500A）等离子弧焊通常采用这种方法进行焊接。

2．熔透型等离子弧焊

熔透型等离子弧焊又称熔入型焊接法，它是采用较小的焊接电流（30~100A）和较低的离子气流量，采用混合型等离子弧焊接的方法。

在焊接过程中不形成小孔效应，焊件背面无“尾焰”。

液态金属熔池在弧柱的下面，靠熔池金属的热传导作用熔透母材，实现焊透。

焊缝断面形状呈碗状，如图6-9所示。

熔透型等离子弧焊基本焊法与钨极氩弧焊相似。

焊接时可加填充金属，也可不加填充金属。

主要用于薄板（0.5~2.5mm以下）的焊接、多层焊封底焊道以后各层的焊接以及角焊缝的焊接。

3．微束等离子弧焊

焊接电流在30A以下的等离子弧通常称为微束等离子弧焊。

有时也把焊接电流稍大的等离子弧归为此类。

这种方法使用很小的喷嘴孔径（ø0.5~ø1.5mm），得到针状细小的等离子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。

上述三种等离子弧焊方法均可采用脉冲电流，借以提高焊接过程的稳定性，此时称为脉冲等离子弧焊。

脉冲等离子弧焊易于控制热输入和熔池，适于全位置焊接，并且其焊接热影响区和焊接变形都更小。

尤其是脉冲微束等离子弧焊，特点更突出，因而应用较广。

交流等离子弧焊具有阴极清理作用，主要用来焊接铝、镁及其合金。

熔化极等离子弧焊实质上是一种等离子弧焊和MIG焊组合在一起的联焊方法。

这两种方法特点不突出，目前用得尚不多。

二、等离子弧焊工艺

1．等离子弧焊的工艺特点

1）由于等离子弧的温度高、能量密度大，因此等离子弧焊熔透能力强，可用比钨极氩弧焊高得多的焊接速度施焊。

这不仅提高了焊接生产率，而且可减小熔宽、增大熔深，因而可减小热影响区宽度和焊接变形。

2）由于等离子弧的形态近似于圆柱形，挺度好，因此当弧长发生波动时熔池表面的加热面积变化不大，对焊缝成形的影响较小，容易得到均匀的焊缝成形。

3）由于等离子弧的稳定性好，使用很小的焊接电流也能保证等离子弧的稳定，故可以焊接超薄件。

4）由于钨极内缩在喷嘴里面，焊接时钨极与焊件不接触，因此可减少钨极烧损和防止焊缝金属夹钨。

2．等离子弧焊工艺

（1）接头形式用于等离子弧焊接的通用接头形式为I形对接接头、开单面V形和双面V形坡口的对接接头以及开单面U形和双面U形坡口的对接接头。

除此之外，也可用角接接头和T型接头。

（2）焊接参数的选择等离子弧焊焊接时，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊（包括微束等离子弧焊）两种。

在采用穿透型等子弧焊时，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焊接工艺参数有：

1）喷嘴孔径喷嘴孔径直接决定等离子弧的压缩程度，是选择其他参数的前提。

在焊接生产过程中，当焊件厚度增大时，焊接电流也应增大，但一定孔径的喷嘴其许用电流是有限制的，见表6-2。

因此，一般应按焊件厚度和所需电流值确定喷嘴孔径。

2）焊接电流当其他条件不变时，焊接电流增加，等离子弧的热功率也增加，熔透能力增强。

因此，应根据焊件的材质和厚度首先确定焊接电流。

3）离子气种类及流量目前应用最广的离子气是氩气，适用于所有金属。

为提高焊接生产效率和改善接头质量，针对不同金属可在氩气中加入其他气体。

例如，焊接不锈钢和镍合金时，可在氩气中加入体积分数为5%~7.5%的氩气；焊接钛及钛合金时，可在氩气中加入体积分数为50％~75％的氦气。

当其他条件不变时，离子气流量增加，等离子弧的冲力和穿透能力都增大。

因此，要实现稳定的穿孔法焊接过程，必须要有足够的离子气流量；但离子气流量太大时，会使等离子弧的冲力过大将熔池金属冲掉，同样无法实现穿透法焊接。

4）焊接速度当其他条件不变时，提高焊接速度，则输入到焊缝的热量减少，在穿孔法焊接时，小孔直径将减小；如果焊速太高，则不能形成小孔，故不能实现穿透法焊接。

焊接速度的确定，取决于焊接电流和离子气流量。

5）喷嘴高度喷嘴端面至焊件表面的距离为喷嘴高度。

生产实践证明喷嘴高度应保持在3~8mm较为合适。

如果喷嘴高度过大，会增加等离子弧的热损失，使熔透能力减小，保护效果变差；但若喷嘴高度太小，则不便操作，喷嘴也易被飞溅物堵塞，还容易产生双弧现象。

6）保护气成分及流量等离子弧焊时，除向焊枪输入离子气外，还要输入保护气，以充分保护熔池不受大气污染。

大电流等离子弧焊时保护气与离子气成分应相同，否则会影响等离子弧的稳定性。

小电流等离子弧焊时，离子气与保护气成分可以相同，也可以不同，因为此时气体成分对等离子弧的稳定性影响不大。

保护气一般采用氩气，焊接铜、不锈钢、低合金钢时，为防止焊缝缺陷，通常在氩气中加一定量的氦气、氢气或二氧化碳等气体。

保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例。

如果保护气流量过大，则会造成气流紊乱，影响等离子弧稳定性和保护效果。

穿透法焊接时，保护气流量一般选择15~30L/min。

学习单元三等离子弧切割

一、等离子弧切割原理及特点

1．等离子弧切割原理

等离子弧切割是利用等离子弧的热能实现切割的方法。

国际统称为PAC（PlasmaArcCutting）。

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和氧气流的吹力，使燃烧的金属氧化物熔渣脱离基体而形成切口的。

因此氧气切割不能切割熔点高、导热性好、氧化物熔点高和粘滞性大的材料。

等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割工件的。

等离子弧的温度高（可达50000K），目前所有金属材料及非金属材料都能被等离子弧熔化，因而它的适用范围比氧气切割要大得多。

等离子弧切割原理见图6-14，其中图6-14a采用转移弧，适用于金属材料切割，图6-14b采用非转移弧，既可用于非金属材料切割，也可用于金属材料切割，但由于工件不接电源。

电弧挺度差，故能切割的金属材料厚度较小。

2．等离子弧切割特点

（1）切割速度快，生产率高它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。

（2）切口质量好等离子弧切割切口窄而平整，产生的热影响区和变形都比较小，特别是切割不锈钢时能很快通过敏化温度区间，故不会降低切口处金属的耐蚀性能；切割淬火倾向较大的钢材时，虽然切口处金属的硬度也会升高，甚至会出现裂纹，但由于淬硬层的深度非常小，通过焊接过程可以消除，所以切割边可直接用于装配焊接。

（3）应用面广由于等离子弧的温度高、能量集中，所以能切割几乎各种金属材料，如不锈钢、铸铁、铝、镁、铜等，在使用非转移性等离子弧时，还能切割非金属材料，如石块、耐火砖、水泥块等。

三、等离子弧切割工艺

1．切割工艺参数的选择

等离子弧切割工艺参数较多，主要有离子气种类和流量、喷嘴孔径、空载电压、切割电流和切割电压、切割速度和喷嘴高度等。

各种参数对切割过程的稳定性和切割质量均有不同程度的影响，切割时必须依据切割材料种类、工件厚度和具体要求来选择。

（1）离子气的种类和流量等离子弧切割时，气体的作用是压缩电弧，防止钨极氧化，吹掉割缝中的熔化金属，保护喷嘴不被烧坏。

离子气的种类和流量对上述作用有直接影响，从而影响切割质量。

一般切割l00mm以下的不锈钢、铝等材料时，可以使用纯氮气或适当加些氩气，既经济又能保证切割质量；当使用Ar＋φ（H2）35％混合气体时，由于H2的热焓大，热导率高，对电弧的压缩作用更强，气体喷出时速度极高。

电弧吹力大，有利于切口熔化金属的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的板材。

（2）喷嘴喷嘴孔径的大小应根据切割工件厚度和选用的离子气种类确定。

切割厚度较大时，要求喷嘴孔径也要相应增大；使用Ar＋H2混合气体时，喷嘴孔径可适当小一些，使用N2时应大一些。

（3）空载电压等离子弧切割要求电源有较高的空载电压（一般不低于150V），因空载电压低将使切割电压的提高受到限制，不利于厚件的切割。

（4）切割电流和切割电压切割电流和切割电压是决定切割电弧功率的两个重要参数。

选择切割电流Ｉ应根据选用的喷嘴孔径d的大小而定，其相互关系大致为I＝（30~100）d。

（5）切割速度切割速度应根据等离子弧功率、工件厚度和材质来确定。

在切割功率相同的情况下，由于铝的熔点低，切割速度应快些；钢的熔点较高，切割速度应较慢；铜的导热性好，散热快，故切割速度应更慢些。

（6）喷嘴高度喷嘴端面至工件表面的距离为喷嘴高度。

随喷嘴高度的增大，等离子弧的切割电压提高，功率增大。

2．提高切割质量的途径

良好的切割质量应该是切口面光洁、切口窄，切口上部呈直角、无熔化圆角，切口下部无毛刺（熔瘤）。

为实现上述质量要求，应注意下面几点：

（1）切口宽度和平直度

（2）切口毛刺的消除

（3）避免产生双弧在等离子弧切割过程中，为保证切割质量，必须防止产生双弧现象。

因为一旦产生双弧，一方面使主弧电流减小，即主弧功率减小，导致切割参数不稳，切口质量下降；另一方面喷嘴成为导体而易被烧坏，影响切割过程，同样会降低切口质量，甚至使切割无法进行。

所以在进行等离子弧切割时，必须设法防止产生双弧。

避免产生双弧的措施与等离子弧焊接类似。

（4）大厚度工件的切割为保证大厚度工件的切口质量，应采取下列工艺措施：

1）适当提高切割功率

2）适当增大离子气流量

3）采用电流递增或分级转弧

四、其他等离子弧切割

1．空气等离子弧切割

采用压缩空气作为离子气的等离子弧切割称空气等离子弧切割。

一方面由于空气来源广，因而切割成本低，为使等离子弧切割用于普通钢材开辟了广阔的前景；另一方面用空气作离子气时，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，因而切割速度快，生产率高。

近年来，空气等离子弧切割发展较快，应用越来越广泛。

不仅能用于普通碳钢与低合金钢的切割，也可用于切割铜、不锈钢、铝及其他材料。

空气等离子弧切割特别适合切割厚度在30mm以下的碳钢、低合金钢。

2．水再压缩等离子弧切割

该方法是在普通的等离子弧外围再用高速水束进行压缩。

切割时，从割枪喷出的除等离子气体外，还伴有高速流动的水束，共同迅速地将熔化金属排开，形成切口。

高速水束有三种作用：

①增强喷嘴的冷却，从而增强等离子弧的热收缩效应；②一部分压缩水被蒸发，分解成氢与氧一起参与构成切割气体；③由于氧的存在，特别在切割低碳钢和低合金钢时，引起剧烈的氧化反应，增强了材质的燃烧和熔化。

图6-16a、b分别表示了压缩水的两种喷射形式，其中径向喷水式对电弧的压缩作用更强烈。