8—3等离子弧焊的双弧现象

常用的接头形式如图8—15所示。
（四）熔化极等离子弧焊接 这种方法可以看作是等离子弧焊接和熔化极气体保护焊的组 合，这里的等离子弧在非熔化极与工件之间形成，如图8—16所示。
而通过焊丝的电流仍然决定着熔滴过渡的特点，焊丝电流小 于某一临界值为大滴过渡，但这时飞溅很小，大于临界值时呈旋转 射流过渡，前者适用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接，后者适用于 堆焊。
② 喷嘴水冷却效果的影响 其它条件不变，改变喷嘴的水冷槽壁厚，即改变冷却水对喷嘴 的冷却作用，显然，壁厚增大，削弱冷却作用，使冷气膜的平均温 度升高和壁厚减薄，从而使喷嘴的临界电流值下降。 3.其它因素对形成双弧的影响 ① 喷嘴表面有氧化物粘污，或金属飞溅物沾粘形成垂瘤凸起物时， 或保护气中含有氧化性气体时，会降低喷嘴的临界电流值。 ② 采用陡降外特性可以获得比较大的不发生双弧的等离子弧电流。 等离子弧焊时形成双弧的因素是很多的，但只要按具体情况 采用有针对性的措施，防止产生双弧是弧形成过程是这样的：首先是在喷嘴孔出口处和弧柱之间的 冷气膜位障被击穿而出现并联弧，然后并联弧游动扩展到喷嘴端面 上。 双弧产生的机理：等离子弧稳定燃烧时，在弧柱和喷嘴孔壁之 间存在着一层冷气膜位障。这层冷气膜位障相对于弧柱具有很低的 温度与电离度，在靠近喷嘴孔道壁处，由于气流呈层流状态，对弧 柱向喷嘴的传热和导电具有较强的阻滞作用。因此，冷气膜的存在 一方面对等离子弧柱有较好的热收缩效应，相当于造成一个位障， 使喷嘴避免过热或烧坏。另一方面在喷嘴孔道中建立的冷气膜位障， 相当于一个绝缘套筒，对保障等离子弧稳定性和防止出现双弧起着 重要作用。只有当冷气膜位障被击穿并遭到破坏时，双弧才能形成。
二 等离子弧焊接方法 （一）穿孔型等离子弧焊接 1.基本特点 利用等离子弧把工件完全熔透，并在等离子流力作用下在熔 池头部形一个穿透工件的小孔，在 孔的下方露出弧焰(图8--11)，熔化 金属被排挤在小孔的周围。随着电 弧的移动，熔化金属沿电弧周围熔 池壁向熔池后方移动，小孔随电弧 移动，熔化金厩不断填满小孔，冷 凝后形成焊缝，这就是穿孔型焊接法。
习题： 1.等离子弧是如何产生的？ 2.影响形成双弧的因素有哪些？ 3.简单叙述穿孔型等离子弧焊接的特点及适用条件。
穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成，板厚增大时， 所需能量密度增加。大电流等离子弧焊接的焊缝截面，通常具有明 显的酒杯状特征。穿孔型等离子弧焊接，作用在熔池液体金属上的 力，需保持下式关系(图8--12)。
如果FHY+FRg ＞ FZ1+FZ2 ,就会使熔池中液态金属从穿孔漏出， 使焊缝成型恶化，严重时切割。因此利用穿孔效应焊接时，要保证 焊件熔透并具有良好的正反面成型。
3.应用 穿孔型等离子弧焊接最适用于焊接3 ～8mm不锈钢，12mm以下 的钛合金、2 ～6mm低碳或低合金结构钢以及铜、镍及镍合金的对 接缝。在上述厚度范围内可不开坡口、不加填充金属，不用衬垫的 条件下便可实现单面焊双面成型。 厚度大于上述范围时，可采 用V形坡口多层焊，但钝边可增加 到5mm左右。这样比钨极氩弧焊明 显减少焊接层数和节省填充金属 (图8--14)，是厚板单面焊打底的 好方法。
2.规范参数的选择 穿孔型焊接工艺参数的匹配如图8—13所示。
①离子气流量 增加离子气流量，可使等离子流力和电弧穿透能力增大。为 了形成穿孔效应，需有足够大的离子气流量。但过大时不能保证良 好焊缝成形，甚至造成切割状态，因此对离子气流量必须严格控制。 离子气流量应按电流、焊速及喷嘴等匹配来选定。 ② 焊接电流 增加焊接电流，电弧熔透能力提高。跟其他电弧焊方法一样， 焊接电流总是根据焊件材质、板厚或熔透要求首先选定的。电流过 小，小孔直径很小，甚至不能形成小孔，电流过大，小孔直径过大， 熔池中熔化金属会坠落，也不能形成稳定的穿孔焊接过程，此外， 选用电流还要考虑电极及喷嘴的许用条件。电流太大，电极烧损
8—4 等离子弧焊接
等离子弧焊接的特点： 1.能量密度集中、电弧温度高、稳定性好、穿透性强。 2.可焊接超薄板，I=0.1A时。可焊接0.01mm的金属箔。 3.调节性能好，弧柱的粗细、长短、刚柔及温度均可调节。 等离子弧焊接的应用 主要应用于焊接不锈钢、高强度钢、耐热钢、铜合金以及钛合 金、钨、钼、钴等难熔和特种金属材料。 一 设备 1.电源
等离子气流量增大，也增强对电弧的热压缩作用，使弧柱截 面减小和增大冷气膜的厚度，提高喷嘴的临界电流值，减小形成双 弧的可能性。 钨极和喷嘴的同心度不好，会造成冷气膜不均匀，使局部冷 气膜厚度减小，易于导致产生双弧。 ③ 喷嘴端面到焊件表面距离的影响 喷嘴与工件距离增加，易导致双弧；但距离过小，喷嘴端面沾 粘飞溅粒子较多，也易致双弧，一般取5～12mm。 2.喷嘴的结构尺寸及传热条件的影响 ①喷嘴的结构参数对形成有决定性作用 收敛型喷嘴较扩散型喷嘴更易形成双弧，喷嘴孔径减小、孔道 长增加，电极内缩增大，易于形成双弧。
严重，还可能形成双弧而破坏稳定的穿孔焊接过程。因此，对每一 个喷嘴，为形成稳定的穿孔焊接过程，有一个电流适宜范围，等离 子气流量也有一个适宜范围，而且与电流之间将是相互制约的。 ③焊接速度 焊速增加，焊接线能量减小，小孔直径减小，焊速太慢，熔 池金属会坠落，正面咬边，反面突出太多，只能在一定焊速范围得 到稳定小孔焊接过程。在其他条件给定时，为了得到稳定小孔焊接 过程，离子气流量、焊接电流和焊速是三个主要关键参数要适当的 匹配。焊速过高，不仅会导致小孔消失，而且会引起焊缝两侧咬边 和出现气孔，甚至会形成贯穿焊缝的长条形气孔。此气孔通常是由 于焊速过高时，等离子弧明显后拖，离子气流不能从小孔中充分排
走而形成的。 ④ 喷嘴的高度 此高度过高，会降低焊透能力；过低易造成飞溅物沾粘喷嘴， 且可见度差，一般常取3—5mm。喷嘴高度自动焊时可取小些，手工 焊时可取大些。 ⑤保护气体流量 保护气体除了起保护作用外，还对等离子弧的稳定性有一定 的影响，故流量与离子气流量应有一个恰当的比例。保护气流量过 小或过大(造成气流紊乱)都会影响等离子弧的稳定性，并使保护效 果降低。
为了保证穿孔焊接过程的稳定性，必须严格控制装配间隙及错 边等。添加填充金属丝时，可以略为降低对装配精度的要求。 (二)熔入型等离子弧焊接 当等离子弧的离子气流量减小，穿孔效应消失时，等离子弧仍 可对接、角接焊。这种熔入型等离子弧焊接方法基本上跟钨极氩弧 焊相似，适用于薄板、多层焊缝的盖面及角焊缝，可添加或不加焊 丝，优点是焊接速度较快。 （三）微束等离子弧焊接 通常把电流15 ～30A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维护电流的同时存在，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。
8—3等离子弧焊的双弧现象
正常的转移型等离子弧应稳定地在钨极与工件之间燃烧。由于 某些原因，有时除了钨极与工件间存在等离子弧(称主弧)外，在喷 嘴与工件之间还出现与主弧并 列的电弧，即两个电孤同时燃 烧，这就是双弧现象， 如图8—8 所示。
一双弧的危害 焊接过程中产生双弧，可观察到电弧弧态发虚且飘忽不定，焊 接的电规范参数也发生变化，弧压降低，而焊接电流增大，双弧带 来的不良影响主要表现在： 1. 破坏了等离子弧的稳定性，使焊接过程不稳并会恶化焊缝成 型。 2.由于出现双弧，在钨极和焊件之间形成两条并联的导电通路， 故通过主弧的电流反而比原来的焊接电流值减小，且弧压也降低了， 固而降低了主弧的电功率，使对焊件的熔透能力减弱。 3.双弧现象一旦发生，喷嘴就成为并联弧的电极并通过并联弧 电流，且主弧和喷嘴孔内壁之间的冷气膜位障遭受破坏，使喷嘴受 到强烈加热，易引起喷嘴烧损。
上式即为焊接等离子弧产生双弧的条件。
三 影响产生双弧的因素 1.焊接规范参数对产生双合的影响 ①焊接电流的影响 电流增大，等离子弧直径扩粗，冷气膜厚度减薄，易于形成双 弧。对于一定形状和尺寸的喷嘴，避免出现双弧的最大许用电流有 一个极限值，称为喷嘴的临界电流。只要焊接时选定的电流值低于 临界电流值，一般就可避免出现双弧。 ②等离子气的成分和流量的影响 离子气成分不同，对弧柱的冷却作用、热收缩作用也不同，产 生双弧的倾向也不一样，例如Ar+H2混合气体做离子气时，引起双弧 的临界电流将会升高。
具有下降或陡降外特性的硅整流电源或弧焊发电机都可作为等 离子弧焊的电源。用纯氩作离子气时，电源空载电压只需65～80V； 用氢与氩混合气体时，空载电压需要110～120V，若无合适的专用 等离子弧焊电源，可用两台普通弧焊直流电源串联使用。 大电流等离子弧焊接都采用转移型弧，先用高频引燃非转移弧， 然后再转成转移弧。一般采用一个电源，用串联电阻得到非转移弧 所需的较小电流，如图8—10a所示。 30A以下的小电流微束等离子弧焊接，采用联合型弧(图8— 10b)，用高频或接触短路回抽引弧。 一般采用两个独立的电源。维 弧电源的空载电压为100一150V，电流为l～5A；转移弧电源的空载 电压为80V左右，电流为5～30A，是焊接的主要能源。
实测证明：
由图8—9所示，显然等离子弧电流越大，冷气膜的厚度越小， 喷嘴电流就越大，当喷嘴电流足够大时，很容易形成双弧。
正常燃烧的等离子弧，只在钨极与工件间形成主弧。
形成双弧时，有从钨极——喷嘴——工件旁路串列电弧电压 .
显然，要形成双弧必须穿透冷气膜的隔离作用，因此：
若主弧与旁弧的弧柱电场强度相同，则将上式整理得：
为了等离子弧焊接能顺利开始和圆满收弧填弧坑，通常还应配 置焊接电流递增一衰减装置。
2.气路系统 等离子弧焊机供气系统，应能供给可调节的离子气，正面保护 气、背面保护气。 离子气是氩气，加入少量的氢气可提高其穿透能 力，保护气一般采用纯氩气。 3.控制系统 等离子弧焊机控制系统一般采用由高频引弧器、行走小车和填 充焊丝拖动电路、程序控制电路组成。程控电路应包括提前送保护 气，高频引弧和转弧，等离子气递增，延迟行走，电流衰减或气流 衰减熄弧，延迟停气等环节。