等离子弧焊方案

喷嘴一般采用导热性能良好的纯铜材料制造，大功率喷嘴 必须采用直接水冷，且保证有足够水流量和水压力，最好配专 用高压水源（0.5~0.8MPa）。采用循环的蒸馏水直接冷却枪体， 再经换热器用自来水冷却蒸馏水，效果更好。为了提高冷却效 果，喷嘴壁厚一般为2~2.5mm。但壁厚过薄，会影响喷嘴寿命。
四、 电极
多孔型喷嘴除了中心主孔外，主孔左右还有多个小孔。可使等离 子弧在喷嘴外得到二次压缩，有利于进一步提高等离子弧挺度及切 口质量。但小孔易受金属飞溅物堵塞，并造成等离子弧偏转，因此 并未得到广泛应用。
扩散型喷嘴的基本形式：
这类喷嘴压缩程度降低，有利于提高等离子弧的稳定性，便于 单面焊双面成型，还可提高喷嘴的使用寿命，在焊接、切割、堆焊、 喷涂中均有应用。
随着等离子弧沿焊接方向的移 动，熔化金属依靠其表面张力 的承托，沿着小孔两侧的固体 壁面向后方流动，熔池后方的 金属不断封填小孔，并冷却凝 固形成焊缝。
焊缝断面为酒杯状。
2、普通熔透型等离子弧焊（熔入型焊接法） 工艺特点：
弧柱压缩程度较弱，等离子气流喷出速度较小。
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。
4、喷嘴的压缩角α 实际上它对等离子弧的压缩状态影响不大，特别当等离子
气体流量较小，孔道比较小时，30º ~ 180º 均可用，但应考虑跟 钨极端部形状相配合，如果压缩角小于钨极末端尖锥的角度时， 易在喷嘴内腔锥壁和钨极末端锥面之间产生打弧现象，使等离 子弧不稳定，因此压缩角的大小应根据具体情况而定，常用的 压缩角值约为60º ~ 75º。 5、材料和冷却
1、材料
等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用 锆钨极或锆电极。钨极一般需要进行水冷，小电流时采用 间接水冷方式，钨极为棒状电极；大电流时，采用直接水 冷，钨极为镶嵌式结构。
2、形状：
为了方便引弧和增加电弧稳定性，电极端部常加工成 一定形状。当电流小、电极直径细时，棒状电极端头一般 磨成尖锥形或尖锥平台形，锥角可以小一些；电流较大、 电极直径粗时，可磨成圆台形、锥球形、球形，以减缓电 极烧损。
3、电磁压缩 将通过喷嘴的弧柱看作是许多载流导线束，由 于电流同向，因此会彼此吸引，形成一个指向弧柱中心的力场 ，这就是电磁压缩。 通过喷嘴的电弧电流越大，磁压缩作用就 越强。
第二节 等离子弧的分类
按电源供电方式不同分为: 1、非转移型电弧 非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，工件不接电。适用于 用于喷涂、薄板焊割。 2、转移型电弧 转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨 极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间； 在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于大电流 焊接及切割。 3、联合型电弧 转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电 弧在很小的电流下就能保持稳定，因此适合于小电流、微束等 离子弧焊及粉末堆焊。
（2）当焊接电流较大时，等离子弧的磁收缩效应使弧柱直径的增 加收到限制，静特性曲线会出现平的或上升的伏安特性；
（3）喷嘴孔径越小，“U”形特性平直区域就越小，上升区域斜 率增大，即弧柱电场强度增大；
（4）离子气种类和流量不同时，弧柱的电场强度有明显变化，因 此等离子弧供电电源的空载电压应按所用离子气种类而定；
主弧稳定燃烧后，自动切断维弧电源。
•特点： 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，达60%~75％。
•应用： 常用于金属材料的等离子弧切割、等离子
弧焊接和等离子弧堆焊和喷涂等工艺方法中。
3、联合型（混合型）
非转移型等离子弧和转移型等离子弧在工作过程中同时存在。 非转移弧（维弧）：在工作中起补充加热和稳定电弧作用。 转移弧（主弧）：主要用于焊接时加热焊件和填充金属。
•特点： 联合型等离子弧稳定性好，电流很小时也 能保持电弧稳定。
•应用: 主要用于小电流（微束）等离子弧焊接 和粉末堆焊等工艺方法中。
等离子弧与一般自由电弧相比，有以下特点： （1）由于冷壁喷嘴的拘束作用，使等离子弧柱的横截面积减小， 弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高， U形曲线的平直区较自 由电弧明显减小；
一、双弧的定义 正常条件下，转移型电弧在钨极与工件之间产生。在某些
异常情况下，会出现一种破坏电弧稳定燃烧的现象，这时除 已存在的主弧外，在钨极—喷嘴—工件间会产生另外一种与 正常电弧并联的旁路电弧（或叫副弧），即主弧与旁路电弧 同时存在，这就是双弧现象。 二、双弧的危害
双弧的出现，会降低主弧电流的大小，破坏正常的焊接或 切割工艺过程，严重时会造成喷嘴漏水和烧毁。
（2）有良好的电弧稳定性 等离子弧的高温及高能量密度，使其稳定性和挺度明显高
于普通电弧。自由电弧的扩散角为45°，等离子弧约为5 °，这 是因为压缩后从喷嘴喷出的等离子弧带电质点运动速度明显提 高所致。
（3）热源组成 普通钨极氩弧中，加热焊件的热量最主要来源于阳
极斑点的产热，弧柱辐射和热传导仅起辅助作用，电弧 的总电压降在阳极区、弧柱区和阴极区大致平均分配。
（5）如果采用联合型等离子弧，转移弧的“U”形特性曲线下降 区段斜率明显减小，这是由于非转移弧的存在为转移弧提供了导 电通路。小电流微束等离子弧常采用联合型电弧，以提高其稳定 性。
2.热源特性
热源特性具有下列特点： （1）温度高且能量集中
自由状态下的钨极氩弧温度为10000~24000K，能量密度 小于104W/cm2。等离子弧温度可高达24000~50000K，能量密度 可达105~106 W/cm2。
等离子弧中，最大电压降是弧柱区，弧柱高速等离 子体通过接触传导和辐射带给工件的热量明显增加，弧 柱成为加工工件的主要热源，而阳极产热降为次要地位。
第四节 等离子弧生器
一、分类： 按用途不同分为：等离子弧焊枪、割枪、喷枪。 二、组成 主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下 枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极。
非转移型电弧 转移型等离子弧 联合型（混合型）
1、非转移型电弧
焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，非转移型 电弧是在钨极与喷嘴孔壁之间燃烧的，工件不接到焊接回路上 ，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。
•特点： 工件本身不通电，被间接加热。因此热的有效利用率不高，
约10%~20%。温度、能量密度较其他等离子弧低，喷嘴受热较 多。
双弧现象
三、双弧产生机理 冷气膜击穿理论
等离子弧焊接时的双弧形成条件： Uab Ua,cu Uc,cu UT
其中 Uab ：弧柱ab段压降 Ua,cu ：铜的阳极压降 Uc,cu ：铜的阴极压降 UT : 击穿冷气膜所需电压
四、双弧形成因素： 1、喷嘴因素
喷嘴结构参数对双弧形成有决定性作用，喷嘴孔 径越小，孔道长度或内缩增大时，都会使弧柱电压 Uab 增加，形成双弧倾向越大。
4、等离子弧焊接的特点：
按照焊透母材的方式，等离子弧焊分为两种，即穿透型等 离子弧焊接和熔透型等离子弧焊接。
1、穿透型等离子弧焊（小孔型等离子弧焊）
该焊法可实现一定厚度范围内的金属单面焊双面成形。
• 工艺特点：
利用等离子弧能量密度大和等离子流吹力大的特点，将 工件完全熔透，并在熔池上产生一个贯穿焊件的小孔， 并从焊件背面喷出部分电弧（亦称尾焰）
形成双弧的电流条件
3、离子气体因素 离子气流量的增加会使 Uab 增加，同时也使冷气膜厚度增加
，UT 增加，因此双弧形成可能性反而减小。 进气方式也是一种影响因素。当切向进气时，气流形成强
烈的旋涡，使外围气体密度高于中心区域；有利于提高中心区 域的电离度，降低外围区域温度，提高冷气膜厚度，对防止双 弧形成比径向进气方式效果好。
三、 喷嘴 1、结构形式 目前国内采用的喷嘴结构形式主要有以下两种：
收敛型喷嘴，包括：单孔喷嘴 、三孔喷嘴、多孔喷嘴。 扩散型喷嘴，包括：圆锥形、台阶圆柱形喷嘴。 其主要形式结构如下两图所示。
收敛型喷嘴的基本形式：
两侧各带有一个辅助小孔的三孔式喷嘴，可使等离子弧的截面变 为椭圆，使热源有效功率密度提高，有利于进一步提高焊接速度和 减小焊缝和热影响区宽度。
形成双弧的主要原因：钨棒和喷嘴不同心，会造 成冷气膜不均匀，使局部冷气膜厚度和 UT 减小。
2、电流因素 喷嘴结构确定时，电流增加，Uab 增大，容易形成双
弧。因此，对于给定喷嘴，允许使用的电流有一个极限 的临界值。
随着焊接电流增加（电源外特性外移）： D点：形成双弧的暂态临界工作点 F点：其稳态工作点 G点：双弧消失的临界点 C点：不发生双弧的临界稳定工作点
1.上枪体 组成：上枪体水套、钨极夹持机构、调节螺帽、绝缘罩与水 电接头等。 作用：夹持并冷却钨极，对钨极导电以及调节钨极的对中与 内收缩长度等。 2.下枪体 组成：下枪体水套、等离子气室、保护气室、进气管及水电 接头等。 作用：对下枪体及喷嘴冷却，安装喷嘴与保护罩，输送等离 子气与保护气以及对喷嘴导电等。 3.喷嘴 喷嘴是等离子弧焊炬的关键部分，它的结构形状与几何尺寸 对等离子弧的压缩作用及稳定性有重要影响。
电流一般为2~5A，电源空载电压一般大于90V，以 便引弧 ② 钨极——焊件，产生转移弧（称主弧）
维弧（小弧）的作用：
•在 小 电 流 （ 小 于 1 0 A） 时 帮助和维持转移弧工作。 •当维弧电流大于2A时，转 移型等离子弧在小至0.1A焊 接电流下仍可稳定燃烧， 因此小电流时微束等离子 弧十分稳定。
焊缝断面呈碗状。
与穿透型等离子弧焊接相比的特点：
1、焊接参数较软（即焊接电流和离子气流量较小、电弧 穿透能力较弱） 2、焊接参数波动对焊缝成形的影响较小 3、焊接过程的稳定性较高 4、焊缝形状系数较大（主要是由于熔宽增加） 5、热影响区较宽 6、焊接变形较大
3、微束等离子弧焊
该焊法可得到针状的、细小的等离子弧，因此适 宜焊接非常薄的焊件。
•应用： 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。 引导弧（诱导弧）：先在钨极与喷嘴（喷嘴接正极）之
间ຫໍສະໝຸດ Baidu燃电流较小的等离子弧，为工件和电极之间提供足够 的电离度。
主弧：接通钨极和工件之间的电路，使该电弧转移到钨 极与工件之间直接燃烧。
焊接电流在30A以下的熔透型等离子弧焊接。焊接 时采用小孔径压缩喷嘴（ 0.6 ~ 1.2mm ）及联合型等离 子弧。
工艺特点：
• 可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm; • 弧长在很大的范围内变化时也不会断弧，并且电弧 保持柱状； • 焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。
通常利用两个独立的焊接电源供电： ① 钨极——喷嘴，产生非转移弧（称维弧或小弧），
离子气成分不同，U ab 也不同。
4、其他因素： 喷嘴冷却不好使温度提高，或喷嘴表面有氧化物或金属飞
溅物等，都将会使 Ua,Cu 和Uc,Cu降低，也是形成双弧的原因。
第六节 等离子弧焊接（PAW ）
一、等离子弧焊接的工作原理： 等离子弧焊接是使用惰性气体作为工作气和保护气，利用
等离子弧作为热源来加热并熔化母材金属，使之形成焊接接头 的熔焊方法。
等离子弧焊接
第一节 等离子弧的形成
等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度、 温度及电弧力。等离子弧是通过三种压缩作用获得的：
1、机械压缩 水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大， 这种拘束作用就是机械压缩；
2、热压缩 喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜 ，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧 弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度 进一步提高的作用就是热压缩；
钨棒内缩和同心度
五、送气方式
径向：压缩程度低，气流沿弧柱轴向流动。
切向：压缩程度高，气流形成的旋涡使喷嘴孔道中心成 为低压区，中心压力低、周边压力高，有利于弧柱稳定在孔 道中心。
一般在大电流等离子弧焊枪中采用切向进气，这样可使 等离子气在喷嘴内腔围绕着钨极旋转流动，有利于气流与电 弧的热交换。
第五节 双弧及其防止措施