第5讲 等离子弧焊及切割简介

第5讲等离子弧焊及切割
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、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。

等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊及切割。

本章只介绍焊接及切割。

1 等离子弧工作原理
1.1等离子弧的形式
等离子枪按用途可分为焊枪及割枪，枪的主要组成部分及术语如图1所示。

切割用枪无保护气体2及保护气罩6。

压缩喷嘴5是等离子枪的关键部件，一般需用水冷。

喷嘴孔径dn及孔道长度l0是压缩喷嘴的两个主要尺寸。

喷嘴内通的气体称离子气。

中性的离子气在喷嘴内电离后使喷嘴内压力增加，所以喷嘴内壁与电极4之间的空间称增压室。

电离了的离子气从喷嘴流出时受到孔径限制，使弧柱截面变小，该孔径对弧柱的压缩作用称机械压缩。

水冷喷嘴内壁表面有一层冷气膜，电弧经过孔道时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面使弧柱有效截面进一步收缩，这种收缩称热收缩。

弧柱电流自身磁场对弧柱的压缩作用称磁收缩。

在机械压缩与热收缩的作用下，弧柱电流密度增加，磁收缩随之增强，如电流不变，弧柱电场强度及弧压降都随电流密度增加而增加，所以等离子弧（也称压缩电弧）的电弧功率及温度明显高于自由电弧。

图2a所示的对比中，等离子弧的电弧温度比自由电弧高30％，电弧功率高100％。

由于电离后的离子气仍具有流体的性质，受到压缩从喷嘴孔径喷射出的电弧带电质点的运动速度明显提高（可达300m／s），所以等离子弧具有较小的扩散角及较大的电弧挺度（图2b），这也是等离子弧最突出的优点。

电弧挺度是指电弧沿电极轴线的挺直程度。

等离子弧具有的电弧力、能量密度及电弧挺度等与加工有关的物理性能取决于下列五个参数：
1）电流；
2）喷嘴孔径的几何尺寸；
3）离子气种类；
4）离子气流量；
5）保护气种类；
调整以上五个参数可使等离子弧适应不同的加工工艺。

如在切割工艺中，应选择大电流、小喷嘴孔径、大离子气量及导热好的离子气，以便使等离子弧具有高度集中的热量及高的焰流速度。

而在焊接工艺中，为防止焊穿工件则应选择小的离子气量及较大的喷嘴孔径。

1.2等离子弧的类型
等离子弧按电源的供电方式分为非转移型、转移型及联合型三种形式，其中非转移弧及转移弧是基本的等离子弧形式。

（1）非转移型等离子弧电弧建立在电极与喷嘴之间，离子气强迫等离子弧从喷嘴孔径喷出，也称等离子焰，见图3a。

非转移弧主要用于非金属材料的焊接与切割。

（2）转移型等离子弧电弧建立在电极与工件之间，见图3b。

一般要先引燃非转移弧，然后再将电弧转移至电极与工件之间。

这时工件成为另一个电极，所以转移弧能把较多的能量传递给工件，金属材料的焊接及切割一般都采用转移弧。

（3）联合型弧非转移弧和转移弧同时存在的等离子弧（图3c）。

联合弧需用两个独立电源供电，主要用于电流小于30A以下的微束等离子弧焊接。

（4）双弧现象正常的转移弧应建立在电极与工件之间，但对于某一个喷嘴，如离子气过小，电流过大或者喷嘴与工件接触，喷嘴内壁表面的冷气膜便容易被击穿而形成如图4所示的串联双弧，这时，一个电弧产生在电极与喷嘴之间，另一个电弧产生在喷嘴与工件之间。

出现双弧将会破坏正常的焊接与切割，严重时还会烧毁喷嘴。

1.3等离子弧的电流极性
（1）切割用等离子弧切割时只采用直流正接的电流极性，即工件接电源的正极。

切割电流范围：30~1000A。

（2）焊接
1）直流正接大多数焊接工艺采用直流正接极性电流，如焊合金钢、不锈钢、钛合金及镍基合金等。

电流范围：0.1~500A。

2）直流反接电极接电源正极的反接极性电流用于焊接铝合金。

由于这种方法钨极烧损严重且熔深浅，仅限于焊接薄件，电流不超过100A。

3）正弦交流正弦交流电流用来焊铝镁合金，利用正接极性电流获得较大的熔深而用反接极性电流清理工件表面的氧化膜，电流范围：10~100A。

为防止反接极性电弧熄灭，焊接设备需有稳弧装置，由于存在焊缝深宽比小及钨极烧损等问题，这种方法趋于被方波交流电流取代。

4）变极性方波交流变极性方波交流电流是正反接极性电流及正、负半周时间均可调的交流方形波电流。

用变极性方波交流等离子弧焊铝、镁合金时可获得较大的焊缝深宽比及较少的钨极烧损。

2 等离子弧焊接
2.1基本焊接方法
按焊缝成形原理，等离子弧有两种基本焊接方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊，其中30A以下的熔透型等离子弧焊又可称为微束等离子弧焊。

（1）小孔型等离子弧焊利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称小孔型等离子弧焊，亦称穿透性焊接法。

1）小孔法原理在对一定厚度范围内的金属进行焊接时，适当地配合电流、离子气流及焊接速度三个工艺参数，等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔，如图5。

小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡。

焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并遂渐凝固成焊缝。

小孔法焊接的主要优点在于可以单道焊接厚板，板厚范围：1.6~9mm。

小孔法一般仅限于平焊；然而，对于某些种类的材料，采取必要的工艺措施，用小孔法可实现全位置焊接。

2）焊接特点小孔法焊接所具有的优点是：
a、孔隙率低。

b、由于小孔法产生较为对称的焊缝，焊接横向变形小。

c、由于电弧穿透能力强，对厚板可实现单道焊接。

d、不开坡口实现对接焊，焊前对工件坡口加工量减少。

小孔法的缺点是：
a、焊接可变参数多，规范区间窄。

b、厚板焊接时，对操作者的技术水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接。

c、焊枪对焊接质量影响大，喷嘴寿命短。

d、除铝合金外，大多数小孔焊工艺仍限于平焊位置。

（2）熔透型等离子弧焊焊接过程过程中，只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子弧焊方法，又称熔透型焊接法。

1）熔透法原理当离子气流量较小，弧柱受压缩程度较弱时，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，焊缝成形原理与氩弧焊类似。

主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

2）微束等离子弧焊微束等离子通常采用如图3c所示的联合弧。

由于非转移弧的存在，焊接电流小至1A以下电弧仍具有较好的稳定性，能够焊接细丝及箔材。

这时的非转移弧又称维弧，而用于焊接的转移弧又称主弧。

3）焊接特点与GTAW焊相比，熔透法等离子弧焊具有优点是：
a电弧能量集中，因此焊接工艺具有焊接速度快；焊缝深宽比大，截面积小；薄板焊接变形小，厚板焊接缩孔倾向小及热影响区窄等优点。

b、电弧稳定性好。

由于微束等离子弧焊接采用联合弧，电流小至0.1A时电弧仍能稳定燃烧，因此可焊超薄件，如厚度0.1mm不锈钢片。

c、电弧挺直性好。

以焊接电流10A为例，等离子弧焊喷嘴高度（喷嘴到工件表面的距离）达6.4mm时，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm（弧长大于0.6mm后稳定性变差）。

钨极氩弧的扩散角约450，呈圆锥形（见图6a），工件上的加热面
积与弧长成平方关系，只要电弧长度有很小变化将引起单位面积上输入热量的较大变化。

而等离子弧的扩散角仅50左右（见图6b）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。

d、由于等离子弧焊的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。

与GTAW焊相比，熔缝法的主要缺点是：
a、由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。

b、焊枪结构复杂，加工精度高。

焊枪喷嘴对焊接质量有着直接影响，必需定期检查、维修，及时更换。