等离子弧焊
等离子弧焊
等离子弧焊一、等离子弧及其形成等离子弧是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。
钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。
等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体——等离子弧。
两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。
经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。
目前广泛应用压缩电弧的方法将产生钨极氩弧的钨极缩入到焊枪的喷嘴内部，并在喷嘴中通入等离子气，强制电弧从喷嘴的孔道通过。
这样电弧就受到了三种压缩——机械压缩、冷收缩、弧柱磁收缩。
于是弧柱导电截面缩小，电流密度增大。
改变喷嘴孔径和孔道长度，可在一定范围内调节弧柱的压缩程度。
通入冷离子气的作用①作为产生等离子弧的气体介质②冷却电弧③使弧柱周围形成一层良好的电阻和热阻的“冷气壁”，使电弧稳定。
二、等离子弧特性与自由钨弧相比，有如下特点1、能量特性等离子弧的最大压降是在弧柱区，因为弧柱被强烈压缩，使电场强度明显增大。
因此等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属。
另外，等离子弧能量密度可达100000~1000000W/cm2，比自由钨弧高，其温度可达18000~24000K，比自由钨弧高很多。
2、静特性其静特性曲线接近U形。
在小电流时，等离子弧为缓降或平的，易与电源外特性相交建立稳定工作点。
3、等离子弧形态等离子弧成圆柱形，扩散角约5度，焊接时，当弧长发生波动时，母材的加热面积不会发生明显变化。
4、等离子弧的挺直度由于等离子弧是自由钨弧经压缩而成，故挺度比自由钨弧好，焰流速度大，可达每秒300米以上，因而指向性好，喷射有力，其熔透能力强。
三、等离子弧的类型按电源联接方式和形成等离子弧的过程不同，等离子弧有转移型、非转移型和联合型三种1、非转移型等离子弧电源接于钨极和喷嘴之间，在离子气流押送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
工件本身不导电，而是被间接加热，因此热的有效利用率不高。
主要用于焊接金属薄板、喷涂和许多非金属材料的切割与焊接。
等离子弧焊的工艺方法
等离子弧焊的工艺方法1、等离子弧焊的基本方法等离子弧焊可分为穿透型、熔透型和微束等离子弧焊三种。
（1）穿透（小孔）型等离子弧焊电弧在熔池前穿透工件形成小孔，随着热源移动在小孔后形成焊道的方法称为穿透（小孔）型等离子弧焊，如下图a所示。
▲等离子弧焊a）穿透型等离子弧焊b）微束等离子弧焊1—电极2—离子气3—冷却水4—保护气5—等离子弧6—焊件7—喷嘴8—维弧9—垫板10—压板它是利用等离子弧的能量密度大、挺直度好、等离子流量大的特点，将焊件熔透并产生一个贯穿焊件的小孔。
被熔化的金属在电弧吹力、液体金属重力和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。
小孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。
当工件厚度增大时所需的能量密度也要增加，然而等离子弧能量密度是有限的，所以穿透型等离子弧焊只能在一定的板厚范围内实现。
各种材料一次焊透的厚度见下表。
大电流等离子弧焊一次可焊透厚度穿透型等离子弧焊最适宜焊接厚3～8mm的不锈钢、厚12mm以下的钛合金及铝合金、厚2～8mm的低碳钢或低合金钢，以及铜和铜合金、镍和镍合金的对接焊缝。
（2）熔透型等离子弧焊在焊接过程中只熔透工件而不产生小孔效应的焊接方法称为熔透型等离子弧焊，简称熔透法。
熔透型等离子弧焊是离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时的一种等离子弧焊。
此种方法基本上与钨极氩弧焊相似，随着焊枪向前移动，熔池金属凝固成焊缝。
它适用于板厚小于3mm的薄板I形坡口、不加衬垫单面焊双面成形，厚板开V形坡口多层焊。
其优点是焊接速度比钨极氩弧焊快。
（3）微束等离子弧焊利用小电流（通常在30A以下）进行焊接的等离子弧焊，通常称为微束等离子弧焊，又称为针状等离子弧焊，如上图b所示。
它是采用ф0.6～ф1.2mm的小孔径压缩喷嘴及联合型弧，当焊接电流小于1A时，仍有较好的稳定性。
微束等离子弧焊特别适合于薄板和细丝的焊接。
焊接不锈钢时，最小厚度可以达到0.025mm。
等离子弧焊工艺概述
等离子弧焊工艺概述等离子弧焊，是一种高能量密度焊接工艺，常被应用于合金材料的焊接和切割工作。
本文将对等离子弧焊的工艺、特点和应用进行概述，帮助读者更好地了解该焊接工艺。
一、等离子弧焊工艺简介等离子弧焊是一种高温高压气体电弧焊接工艺，它利用弧焊发电机产生的电弧加热气体，使气体达到高温高能状态，形成等离子体。
等离子体具有很高的能量密度和局部热效应，能够快速加热和熔化焊接部件，实现焊接连接。
等离子弧焊可以分为直流等离子弧焊和交流等离子弧焊两种形式，具体选择根据焊接材料和要求来确定。
二、等离子弧焊的特点1. 高能量密度：等离子弧焊的能量密度较高，能够快速加热焊接部件，减少焊接时间和热影响区域，提高焊接效率。
2. 局部加热效应好：由于等离子体产生的高温高能状态，其加热范围非常局限，降低了对焊接部件周边材料的热影响。
3. 适用于合金材料焊接：等离子弧焊适用于焊接具有高熔点、难焊接的合金材料，如不锈钢、钨、钼等。
4. 焊缝质量高：等离子弧焊焊接质量好，焊缝均匀、致密，抗拉强度高。
三、等离子弧焊的应用领域1. 汽车工业：等离子弧焊在汽车制造领域有广泛应用，可以用于焊接车身零部件、燃油箱及排气管等。
2. 航空航天工业：等离子弧焊可以用于航空航天领域的部件焊接，如飞机结构、气动外壳等。
3. 石油化工工业：等离子弧焊可以用于石油化工设备的制造，如高压容器、石油储罐等。
4. 电子电器行业：等离子弧焊可以用于焊接电子电器行业的零部件，如电路板、连接器等。
综上所述，等离子弧焊是一种高能量密度焊接工艺，具有高能量密度、局部加热效应好、适用于合金材料焊接等特点。
在汽车工业、航空航天工业、石油化工工业和电子电器行业等领域有广泛的应用。
随着科学技术的发展，等离子弧焊技术将不断完善和创新，为各行各业的焊接需求提供更好的解决方案。
等离子弧焊接的名词解释
等离子弧焊接的名词解释等离子弧焊接是一种常见的金属材料连接技术，它利用弧焊的原理和等离子体的特性来实现焊接。
1. 弧焊基本原理弧焊是一种利用焊接电弧热量将金属材料熔化并通过填充材料形成焊缝的方法。
在等离子弧焊接中，焊工通过两电极间的电弧放电，使气体或气体混合物在高温电弧热作用下形成等离子体，然后利用等离子体的高温和大能量来熔化金属材料并完成焊接过程。
2. 等离子体的特性等离子体是带电的气体，它的特点是高温、高能量、导电性强以及能在电磁场中受力等。
这些特性使得等离子体在焊接过程中发挥重要作用。
等离子弧焊接中，通过控制等离子体的形成和行为，可以实现高效率、高质量的焊接。
3. 等离子弧焊接的设备等离子弧焊接需要特殊的设备来产生和控制焊接过程中的等离子体。
主要设备包括焊接电源、焊接电极、等离子弧焊枪和保护气体供给系统等。
焊接电源负责提供适当的电流和电压来维持电弧的稳定，并为电弧供能。
焊接电极是产生电弧的工具，常见的有钨极、钼极等。
等离子弧焊枪通过控制电弧的形成和维持，将电弧聚焦在焊接区域。
保护气体供给系统则提供保护气体，从而保护电弧、熔化金属和熔化池免受空气中的氧气和其他杂质的污染。
4. 等离子弧焊接的应用等离子弧焊接广泛应用于各个领域，特别是在航空航天、汽车制造、石油化工、核工程等重要领域中，具有重要的地位。
其应用范围包括焊接厚板、薄板、管道、容器等各种结构件，能够满足不同材料（如碳钢、不锈钢、铝合金等）的焊接需求。
5. 等离子弧焊接的优点等离子弧焊接具有以下优点：（1）焊接速度快，高效率；（2）焊接质量高，焊缝质量好；（3）可焊接不同材料的金属；（4）操作简单、易学易用。
总结等离子弧焊接是一种常见的金属材料连接技术，通过利用等离子体的特性和弧焊的原理来实现焊接。
它具有广泛的应用领域和重要的地位，能够满足不同材料的焊接需求。
通过控制等离子体的形成和行为，等离子弧焊接能够实现高效率、高质量的焊接。
等离子弧焊
等离子弧焊接（WP 15）一、等离子弧焊原理及方法分类1. 等离子弧：是等离子体组成。
自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。
2.等离子弧产生的三要素（1）机械压缩作用：利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。
（2）热收缩作用：由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一步减小，电流密度进一步提高。
这叫热收缩，也叫热压缩。
（3）磁收缩作用：弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。
也叫磁收缩效应。
电流密度越大，磁收缩作用越强。
3.等离子弧的特点（1）能量集中（能量密度105~6 W/cm²TIG自由电弧<10 4W/cm²）。
（2）温度高（18000K～24000K）。
图1 自由电弧和等离子弧的比较图4.等离子弧的三种基本形式（1）非转移型等离子弧钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。
（等离子束焊接）图2 非转移型等离子弧示意图（2）转移型等离子弧钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之间产生等离子弧。
（等离子弧焊接）图3 转移型等离子弧示意（3）联合型等离子弧非转移型和转移型弧同时并存。
主要用于微束等离子弧焊、粉末堆焊等方面。
图4 联合型等离子弧示意图5.等离子弧焊基本方法（1）小孔型等离子弧焊（穿孔、锁孔、穿透焊）利用能量密度大和等离子流力大的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的小孔，熔化金属被排挤在小孔的周围，沿着电弧周围的熔池壁向熔池后方移动，使小孔跟着等离子弧向前移动，形成完全熔透的焊缝。
一般大电流等离子弧（100～300安培）时采用该方法。
图5 小孔型等离子弧焊焊缝成形原理（2）熔透型等离子弧焊特点：离子气流量小，弧柱压缩程度较弱时，工件只熔化而不产生小孔效应。
用途：薄板单面焊双面成形，厚板多层焊。
图6 熔透型等离子弧焊焊缝成形原理（3）微弧（束）等离子弧焊30安培以下熔透型焊接方法为微弧（束）等离子弧焊。
等离子弧焊
等离子弧焊等离子弧焊成品等离子弧焊是利用等离子弧作为热源的焊接方法。
气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。
它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。
形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用氩。
根据各种工件的材料性质，也有使用氦或氩氦、氩氢等混合气体的。
目录基本信息工作方式过程特点应用等离子弧焊接和切割各种焊接方法及设备等离子弧焊设备国外焊接技术最新进展等离子弧焊的工艺参数等离子弧焊直接金属成形技术的工艺研究等离子焊优点等离子弧的特性合金材料的等离子弧焊•超薄壁管子的微束等离子弧焊安全防护技术基本信息缩写abbr. ：PAW.[军] Plasma-Arc Welding, 等离子弧焊——简明英汉词典工作方式等离子弧有两种工作方式。
一种是“非转移弧”，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，主要用於等离子喷镀或加热非导电材料；另一种是“转移弧”，电弧由辅助电极高频引弧后，电弧燃烧在钨极与工件之间，用於焊接。
形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式两种。
前一种形式的等离子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用於0.8～3毫米厚的板材焊接；后一种形式的等离子弧只熔穿板材，形成钥匙孔形的熔池，多用於 3～12毫米厚的板材焊接。
此外，还有小电流的微束等离子弧焊，特别适合於0.02～1.5毫米的薄板焊接。
等离子弧焊接属于高质量焊接方法。
焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多。
特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展，更扩大了等离子弧焊的使用范围。
过程特点操作方式等离子弧焊与TIG焊十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。
但是，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。
通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式：1、微束等离子：0.1～15A在很低的焊接电流下，材苁褂梦⑹?壤胱踊<词乖诨〕け浠?怀??0mm时，柱状弧仍能保持稳定。
等离子弧焊接的基本原理
二、等离子弧旳形成 等离子弧“压缩效应”原理
热压缩
二、等离子弧旳形成 等离子弧“压缩效应”原理
磁压缩
二、等离子弧旳形成
三、等离子弧旳特点 1、能量密度大、温度梯度大，热影响区小。
能量高度集中： 105~106W/cm2 弧柱中心温度： 18000~24000℃
三、等离子弧旳特点 2、电弧挺度好。
三、等离子弧旳特点 3、电弧稳定，气流喷速高。
焰流速度： 300m/s
三、等离子弧旳特点
4、能够焊接更细、更薄加工件。
微束等离子弧焊（ 30A下列）： 可焊接细丝和箔材
熔透型等离子弧焊： 厚度不大于2～ 3mm旳薄板
四、等离子弧旳类型
非转移型
转移型
联合型
End Thanks
钨极氩弧焊
等离子弧焊
二、等离子弧旳形成
电弧在电极与焊件 之间产生，经过水冷 喷嘴内腔受到强烈地 压缩。
使弧柱截面缩小，
电流密度增大，能量 密度增大，电弧温度 急剧上升，电弧介质 旳电离程度剧增以致 在电弧中心部分接近 完全电离，最终形成 明亮旳、细柱状旳等 离子弧。
二、等离子弧旳形成 等离子弧“压缩效应”原理
等离子弧焊接旳基本原理
一、什么是等离子弧 ？
等离子弧是自由电弧压缩而成旳。
焊接电弧就是指在加 有一定电压旳电极或 电极与焊件间旳气体 介质中产生旳强烈而 连续旳放电现象（俗 称电弧燃烧）。
一、什么是等离子弧 ？
电弧燃烧旳必要条件是气体电离及阴极电子发射。
、什么是等离子弧 ？
等离子弧焊
等离子弧加工等离子弧加工是利用等离子弧的热能对金属或非金属进行切割、焊接和喷涂等的特种加工方法。
1955年，美国首先研究成功等离子弧切割。
产生等离子弧的原理是：让连续通气放电的电弧通过一个喷嘴孔，使其在孔道中产生机械压缩效应；同时，由于弧柱中心比其外围温度高、电离度高、导电性能好，电流自然趋向弧柱中心，产生热收缩效应，同时加上弧柱本身磁场的磁收缩效应。
这3种效应对弧柱进行强烈压缩,在与弧柱内部膨胀压力保持平衡的条件下，使弧柱中心气体达到高度的电离，而构成电子、离子以及部分原子和分子的混合物，即等离子弧。
原理等离子弧切割与焊接是现代科学领域中的一项新技术。
它是利用温度高达15000~30000℃的等离子弧来进行切割和焊接的工艺方法。
这种新的工艺方法不仅能对一般材料进行切割和焊接，而且还能切割和焊接一般工艺方法难以加工的材料。
等离子弧加工流程电弧就是中性气体电离并维持放电的现象。
若使气体完全电离，形成全部由带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体，就称为等离子体。
一般的焊接电弧是一种自由电弧，弧柱的截面随功率的增加而增大，电弧中的气体电离不充分，其温度被限制在5730~7730℃。
若在提高电弧功率的同时，对自由电弧进行压缩，使其横截面减小，则电弧中的电流密度就大大提高，电离度也随之增大，几乎达到全部等离子状态的电弧叫等离子弧。
对自由电弧进行的压缩作用称为压缩效应。
压缩效应有如下三种形式：1)、机械压缩效应在钨极（负极）和焊件（正极）之间加上一个高电压，使气体电离形成电弧，当弧柱通过特殊孔形的喷嘴的同时，又施以一定压力的工作气体，强迫弧柱通过细孔，由于弧柱受到机械压缩使横截面积缩小，故称为机械压缩效应。
2）、热收缩效应当电弧通过喷嘴时，在电弧的外围不断送入高速冷却气流（氮气或氢气等）使弧柱外围受到强烈冷却，电离度大大降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，导致导电截面进一步缩小，这时电弧的电流密度大大增加，这就是热收缩效应。
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等离子弧焊接（WP 15）
一、等离子弧焊原理及方法分类
1. 等离子弧：
是等离子体组成。
自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。
2.等离子弧产生的三要素
（1）机械压缩作用：
利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。
（2）热收缩作用：
由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一步减小，电流密度进一步提高。
这叫热收缩，也叫热压缩。
（3）磁收缩作用：
弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。
也叫磁收缩效应。
电流密度越大，磁收缩作用越强。
3.等离子弧的特点
（1）能量集中（能量密度105~6 W/cm²TIG自由电弧<10 4W/cm²）。
（2）温度高（18000K～24000K）。
图1 自由电弧和等离子弧的比较图
4.等离子弧的三种基本形式
（1）非转移型等离子弧
钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。
（等离子束焊接）
图2 非转移型等离子弧示意图
（2）转移型等离子弧
钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之间产生等离子弧。
（等离子弧焊接）
图3 转移型等离子弧示意
（3）联合型等离子弧
非转移型和转移型弧同时并存。
主要用于微束等离子弧焊、粉末堆焊等方面。
图4 联合型等离子弧示意图
5.等离子弧焊基本方法
（1）小孔型等离子弧焊（穿孔、锁孔、穿透焊）
利用能量密度大和等离子流力大的特
点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的
小孔，熔化金属被排挤在小孔的周围，沿着
电弧周围的熔池壁向熔池后方移动，使小孔
跟着等离子弧向前移动，形成完全熔透的焊
缝。
一般大电流等离子弧（100～300安培）
时采用该方法。
图5 小孔型等离子弧焊焊缝成形原理
（2） 熔透型等离子弧焊
特点：
离子气流量小， 弧柱压缩程度较弱时， 工件只熔化而不产生 小孔效应。
用途：
薄板单面焊双面 成形，厚板多层焊。
图6 熔透型等离子弧焊焊缝成形原理
（3） 微弧（束）等离子弧焊
30安培以下熔透型焊接方法为微弧（束）等离子弧焊。
用途： 焊细丝、箔材、不锈钢0.025mm 的薄板。
二、等离子弧焊设备及电源特性
设备组成：
由焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统等组成。
图7 等离子弧焊设备构造简图
可分为：
大电流等离子弧焊接设备——采用转移型电弧。
微束等离子弧焊接设备——30安培以下采用联合型电弧。
1.焊接电源：
由于等离子弧工作在特性曲线的平特性段，所以电源一般采用下降或恒流特性外特性。
图8 自由电弧和压缩电弧特性曲线简图
需要较高的空载电压。
纯Ar时65～80伏
Ar+H2混合气时110～120伏
一般采用直流正接（负极型），焊A l、Mg、铝青铜时采用交流。
2.气路：
离子气——分三路供给，其中一路调节气路衰减时间。
保护气——Ar
背面保护气——Ar
3.控制系统：
高频引弧器、行走小车、填充焊丝拖动控制、衰减控制、程序控制电路等组成。
图9 等离子弧焊工作程序循环图
孔道长度L0 图10 等离子弧焊枪的术语
表1 等离子弧电流与喷嘴孔径间的关系
（1）喷嘴孔径dn：
它决定等离子
弧的直径和能量密
度，喷嘴孔径dn的
大小应根据电流和
离子气流量来决定。
（2）孔道长度L0：
表2 喷嘴孔道比
L0/dn来表示孔道
压缩特征。
过大会导致双弧产生。
（3）压缩角α：
对弧的压缩影响不大。
一般60°～90°左右， 60°的应用最多。
（4）电极：
钍钨极、铈钨极、锆钨极（锆 0.15～0.40%）
内缩Lr：
对等离子弧影响很大。
过大会引起双弧。
一般采用Lr=Lo±0.2mm
同心度：
一般要求周围占75～80%左右。
图11 同心度示意图
三、双弧问题
在转移弧时，除钨极与工件之间等离子弧外，钨极与喷嘴工件之间也产生电弧现象。
主要危害在于主电弧电流降低，破坏正常焊接， 烧毁喷嘴。
防止双弧措施：
1. 正确选择焊接电流和气体流量；
2. 合理选用孔道长度；
3. 保证同心度；
4. 电极内缩不能太大；
5. 喷嘴与工件距离不要太近；
6. 加强冷却作用。
图12 双弧示意图
四、等离子弧焊接典型应用及特点
1. 用途
直流等离子弧焊：
可以含碳钢、不锈钢、耐热钢、镍及其合金、钛及其合金、钢及其合金等。
交流等离子弧焊：
可焊铝、镁及其合金、铸青铜、铝青铜等。
1） 微弧等离子焊接举例 （见第4页）
不锈钢的焊接
因科镍、铜、钛的焊接
2）等离子焊接举例不锈钢的等离子焊接
钛的等离子焊接
镍的等离子焊接
非合金的等离子焊接
3）离子焊接与TIG焊比较（见第6、7页）焊接速度的比较
等离子弧焊与TIG焊典型区别
4）其它等离子弧焊方法（见第8页）等离子—MIG焊接
用途：
厚板深熔焊，薄板高速焊。
目的：
提高生产效率。
等离子粉末堆焊
特点：
①易实现过程自动化；
②生产率高（熔敷率高）；
③质量好（稀释度低）；
④易选用各种配方的合金粉末。
用途：
轴承、阀门芯、工具、推土机零件、叶片的制造和维修。
注意：
①受热的粉末形成熔滴，引起双弧。
因采用扩散型喷嘴。
②粉末的粗粒度有一定的影响。
一般选用40～120目。
等离子热丝堆焊
特点：
①提高熔敷率，生产率高；
②降低稀释度，焊接质量好。
用途：
石油化工、厚壁容器、核反应堆容器、耐磨耐蚀大面积堆焊。
2.优点：
1）在一定厚度的范围内，工件不开坡口；
2）在不留间隙的情况下，可单面焊双面成形；
3）电弧稳定；
4）热量集中，热影响区小，焊接变形量小；
5）生产率高；
6）可焊难熔、易氧化、热敏感性强的材料；
3.缺点：
1）设备投资较大；
2）对操作要求高；
3）难以手工操作。