等离子弧焊原理、设 备及材料

等离子弧焊原理、设 备及材料

等离子弧焊接与切割是在钨极氩弧焊的基础上形成的，是焊接领域中较有发展前途的一种先进工艺。等离子弧焊接利用等离子弧的高温，可以焊接电弧焊所不能焊接的金属材料，甚至解决了氩弧焊所不能解决的极薄金属焊接问题;可以切割氧—乙炔焰不能切割的难熔金属和非金属。

一、等离子弧的形成及类型

1.等离子弧的形成

焊条电弧焊所形成的电弧（图 8—1a）未受到外界的约束，弧柱的直径随电弧电流及电压的变化而变化。能量不是高度集中，温度限制在5 730～7730℃，故称为自由电弧。如果对自由电弧的弧柱进行强迫"压缩"，就能将导电截面收缩得比较小，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离。这样的电弧称为等离子弧。

对自由电弧的弧柱进行强迫压缩作用通称"压缩效应"。"压缩效应"有如下3 种形式

（1）机械压缩效应 如图8--1b所示，在钨极（负极）和焊件（正极）之间加上1个较高的电压，通过激发使气体电离形成电弧，此时用一定压力的气体作用于弧柱，强迫其通过水冷喷嘴细孔，弧柱便受到机械压缩，使弧柱截面积缩小，称为机械压缩效应。

（2）热收缩效应 如图8—1c 所示，当电弧通过水冷喷嘴，同时又受到不断送给的高速等离子气体流（氩气、氮气、氢气等）的冷却作用，使弧柱外围形成一个低温气流层，电离度急剧下降，迫使弧柱导电截面进一步缩小，电流密度进一步提高，弧柱的这种收缩称为热收缩效应。

（3）磁收缩效应 电弧弧柱受到机械压缩和产生热收缩效应后，喷嘴处等离子弧的电流密度大大提高。若把电弧看成一束平行的同向电流线，则其自身磁场所产生的电磁力，使之相互吸引，由此而产生电磁收缩力，这种磁收缩作用迫使电弧更进一步的受到压缩，如图8—1d所示。

在以上3 种效应的作用下，弧柱被压缩到很细的程度，弧柱内气体也得到了高度的电离，温度高达16000～33000℃，能量密度剧增，而且电弧挺度好，具有很强的机械冲刷力，形成高能束的等离子弧。

2.等离子弧的类型

根据电源的不同接法，等离子弧可以分为非转移型弧、转移型弧、联合型弧3 种。

（1）非转移型弧  钨极接电源负极，喷嘴接电源正极。等离子弧在钨极与喷嘴内表面之间产生（图8—2a），连续送入的等离子气体穿过电弧空间，形成从喷嘴喷出的等离子焰。这种等离子弧产生于钨极与喷嘴之间，工件本身不通电，而是被间接加热熔化，其热量的有效利用率不高，故不宜用于较厚材料的焊接和切割。

（2）转移型弧  钨极接电源负极，工件和喷嘴接电源正极。首先、在钨极和喷嘴之间引燃小电弧，随即接通钨极与工件之间的电路，再切断喷嘴与钨极之间的电路，同时钨极与喷嘴间的电弧熄灭，电弧转移到钨极与工件间直接燃烧，这类电弧称为转移型弧（图8—2b）。这种等离子弧可以直接加热工件，提高了热量有效利用率，故可用于中等厚度以上工件的焊接与切割。

（3）联合型弧  转移型弧和非转移型弧同时存在的等离子弧称为联合型弧（图8—2c）。联合型弧的2个电弧分别由2 个电源供电。主电源加在钨极和工件间产生等离子弧，是主要焊接热源。另一个电源加在钨极和喷嘴间产生小电弧。称为维持电弧。维持电弧在整个焊接过程中连续燃烧，其作用是维持气体电离。即在种因响下等离子弧中断时，依靠维持电弧可立即使等离子弧复燃。联合型弧主要用干网等离子焊接和粉末材料的喷焊。

二、等离子弧焊接

等离子弧焊接是指借助水冷喷嘴对电弧的约束作用，获得较高能量密度的等离子弧进行焊接的方法。它是利用特殊构造的等离子弧焊枪所产生的高达几万摄氏度的高温等离子弧，有效地熔化焊件而实现焊接的过程，如图 8—3 所示。

1.等离子弧焊接方法

等离子弧焊接有3种基本方法∶小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束型等离子弧焊。

（1）小孔型等离子弧焊  小孔型等离子弧焊又称为穿孔、锁孔或穿透焊。其焊缝成形原理如图8—4 所示。利用等离子弧能量密度大、电弧挺度好的特点，将焊件的焊接处完全熔透，并产生1个贯穿焊件的小孔。在表面张力的作用下，熔化金属不会从小孔中滴落下去（小孔效应）。随着焊枪的前移，小孔在电弧后锁闭，形成完全熔透的焊缝。

小孔型等离子弧焊采用的焊接电流范围在 100～300 A，适宜于焊接2～8 mm 厚度的合金钢板材，可以不开坡口和背面不用衬垫进行单面焊双面成形。

（2）熔透型等离子弧焊  当等离子气流量较小、弧柱压缩程度较弱时，等离子弧在焊接过程中只熔透焊件，但不产生小孔效应的熔焊过程称为熔透型等离子弧焊，主要用于薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。

（3）微束型等离子弧焊 采用30 A 以下的焊接电流进行熔透型的等离子弧焊，称为微束型等离子弧焊。当焊接电流小于10 A 时，电弧不稳定，所以往往采用联合型弧的形式，即使焊接电流小到0.05～10 A 时，电弧仍有较好的稳定性。它一般用来焊接细丝和箔材

2.等离子弧焊接设备

手工等离子弧焊接设备由焊接电源、焊枪、控制系统、气路系统和水路系统等部分组成。其外部线路连接如图 8—5所示。

（1）焊接电源  一般采用具有垂直下降外特性或陡降外特性的弧焊电源，以防止烟电流因弧长的变化而变化，从而获得均匀、稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交清源，只采用直流电源正接。与钨极氩弧焊相比，等离子弧焊所需的电源空载电压较高。电源空载电压根据所用等离子气体而定，采用氩气作为等离子气体时，空载电压尽65~80 V;当采用氩气和氢气或氩气与其他双原子的混合气体作为等离子气体时，电源终电压应为 110～120 V。

（2）焊枪  等离子弧焊枪主要由上枪体、下枪体、压缩喷嘴、中间绝缘体及冷却套组成，如图8—6 所示。其中，最关键的部件为喷嘴及电极。

焊枪是等离子弧焊设备中的关键组成部分（又称为等离子弧发生器），对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。焊枪安装与使用是否正确，直接影响焊枪的使用性能和寿命、焊接过程稳定性以及焊缝成形质量等。

1）喷嘴  喷嘴是等离子弧焊枪的关键零件，它的结构类型和尺寸以及与钨极的相互位置对等离子弧性能起决定性作用。钨极、喷嘴与工件的相互位置及主要尺寸如图 8—7 所示。大部分等离子弧焊枪采用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。

2）电极与喷嘴同轴度  电极偏心会使等离子弧偏斜，影响焊缝成形和喷嘴使用寿命。这也是造成双弧的主要原因之一。在使用过程中，可以通过观测高频引弧的火花在电极四周分布的情况来检查同轴度，如图8—9 所示。一般高频火花布满四周80% 以上，其同轴度才满足要求。

3）钨极与喷嘴同心 为了保证焊接电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心，而且钨极的内缩长度 L_g要合适。钨极的内缩长度L_g（图8—10）对电弧压缩作用有影响。l_g增大时，压缩作用大，但l_g过长易引起双弧。一般取l_g=l₀ ± （0.2～0.5）mm。

（3）控制系统  控制系统的作用是控制焊接设备的各个部分按照预定的程序进入、退出工作状态。整个设备的控制电路通常由高频发生器控制电路、送丝电动机拖动电路、焊接小车或专用工装控制电路以及程控电路等组成。程序控制电路控制等离子气预通时间、等离子气流递增时间、保护气预通时间、高频引弧及电弧转移、焊件预热时间、电流衰减熄弧、延迟停气等。 

  （4）气路系统  等离子弧焊接设备的气路系统较复杂，由等离子气路部分、正面保护气路部分及反面保护气路部分等组成，而等离子气路部分还必须能够进行衰减控制。为此，等离子弧焊设备气路一般采用两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现等离子气体的衰减控制。采用氩气与氢气的混合气体作为等离子气体时，气路中最好设有专门的引弧气路，以降低对电源空载电压的要求。

  （5）水路系统  由于等离子弧的温度在10 000℃以上，为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用，必须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不得小于3L/min，水压不小于0.15～0.2 MPa。水路系统中应设有水压开关，在水压达不到要求时，切断供电回路。

3.等离子弧焊所用材料

（1）气体 所采用的气体分为离子气体和保护气体。

大电流等离子弧焊时，离子气体和保护气体用同一种气体，否则影响等离子弧的稳定性。而小电流等离子弧焊时，离子气体一律用氩气;保护气体可以用Ar，或者可以用Ar（95%）+H，（5%）的混合气体、Ar（95%~80%）+CO₂（5%-20%）混合气体等。保护气体加入CO₂有利于消除焊缝内气孔，并能改善焊缝表面成形。但C0₂不宜加入过多，否则引起熔池下塌、飞溅增加。

（2）电极和极性 一般采用铈钨极作为电极，焊接不锈钢、合金钢、钛合金、镍合金等采用直流正接。焊接铝、镁合金时，采用直流反接，并使用水冷铜电极。

为了便于引弧和提高等离子弧的稳定性，一般电极端部磨成60°的尖角。电流小、钨极直径较大时锥角可磨得更小一些。电流大、钨极直径大的可磨成圆台形、圆台尖锥形、球形等，以减少烧损。钨极的端部形状如图8—11 所示。