等離子弧(hu)焊通常由用 PAW 來表示,等離子弧焊是在直流鎢極氬弧焊的基礎上,于20世紀60年代研究發展起來的,并很快就被應用于焊接生產的一種新的焊接方法,受到了焊接工作者的廣泛重視。實驗證明,借助于水冷噴嘴的外部拘束條件,使電弧的弧柱橫截面擴散受到限制,電弧的溫度、能量密度、等離子流速都會顯著增大。這種采用外部拘束條件使得弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。從本質上講,等離子弧仍然是一種電弧放電的氣體導電現象,所用的電極仍是鎢棒。等離子弧焊一般采用直流正極性,電源外特性為下降或垂直下降特性,其原理圖5-8。


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一、等離子弧(hu)的(de)特性


1. 靜態特性(xing)


 等(deng)離子弧的靜態特性仍然呈U型曲(qu)線(xian),但具有以下特點:


  a. 由于(yu)冷壁噴嘴(zui)的拘束作用使(shi)弧柱橫截面積受到限制,弧柱電(dian)(dian)場強度增大,電(dian)(dian)弧電(dian)(dian)壓明顯提(ti)高(gao),U型特性的平直區較自由電(dian)(dian)弧明顯縮小(xiao)。


  b. 拘束孔道的尺寸(cun)和形狀對靜(jing)特性有明顯的影響,噴嘴孔徑(jing)越小,U型特性平直區(qu)域就越小,上(shang)升段斜(xie)率增(zeng)大,即弧柱(zhu)電(dian)場強度增(zeng)大。


  c. 離子氣(qi)的種類和流量不同時,弧柱的電場強(qiang)度將有明顯變化(hua)。因此,用(yong)于(yu)等離子弧焊(han)的電源空載電壓應按所用(yong)等離子氣(qi)種類而定。


  d. 如果采(cai)(cai)用(yong)聯(lian)合型(xing)等(deng)離子弧,轉移弧U型(xing)特性下降區段斜率明(ming)顯減小(xiao),這是由于非(fei)轉移弧的存在為轉移弧提供了導電通(tong)路之故。因此小(xiao)電流(liu)微束(shu)等(deng)離子弧常采(cai)(cai)用(yong)混合型(xing)弧,以提高其穩(wen)定性。


2. 熱(re)源特性


  a. 溫度(du)和能量密度(du)


   等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)的弧(hu)(hu)柱溫(wen)(wen)度高(gao)(gao),能(neng)量(liang)(liang)密度大。從圖5-9和圖5-10可以(yi)看出,等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)對(dui)焊(han)(han)(han)件加熱集中,熔透力強(qiang),焊(han)(han)(han)接時速(su)度要比氬弧(hu)(hu)焊(han)(han)(han)快得多,從而(er)可提高(gao)(gao)焊(han)(han)(han)接生(sheng)產(chan)效(xiao)率。普通鎢極氬弧(hu)(hu)的最高(gao)(gao)溫(wen)(wen)度為10000K~24000K,能(neng)量(liang)(liang)密度小于10kW/c㎡;而(er)等(deng)離(li)子弧(hu)(hu)的溫(wen)(wen)度可高(gao)(gao)達(da)24000K~50000K,能(neng)量(liang)(liang)密度可達(da)100kW/c㎡~1000kW/c㎡.



   因(yin)此,等離(li)子弧(hu)(hu)焊的焊縫截面形狀(zhuang)較窄,深寬比(bi)大(da),無疑焊件變形就小。等離(li)子弧(hu)(hu)焊和鎢極氬弧(hu)(hu)焊深寬比(bi)比(bi)較見(jian)圖5-11。


  等離子(zi)弧溫(wen)度和能量密度高的原因是(shi):


   ①. 水(shui)冷(leng)噴嘴孔徑限定了弧柱橫(heng)截面積不能(neng)自由擴大(da),這(zhe)種拘束作(zuo)(zuo)用稱為機(ji)械(xie)壓縮作(zuo)(zuo)用。


   ②. 噴嘴水冷(leng)(leng)作用使(shi)靠近噴嘴內壁(bi)的氣體也受到強(qiang)烈的冷(leng)(leng)卻作用,并(bing)且溫(wen)度和(he)電(dian)(dian)離(li)度均迅速下降,迫使(shi)弧柱(zhu)區(qu)電(dian)(dian)流集(ji)中到弧柱(zhu)中心的高(gao)溫(wen)高(gao)電(dian)(dian)離(li)度區(qu)。這樣由于(yu)冷(leng)(leng)壁(bi)而在弧柱(zhu)四周產生一(yi)層電(dian)(dian)離(li)度趨近于(yu)零的冷(leng)(leng)氣膜(mo),從而使(shi)弧柱(zhu)有效橫截(jie)面(mian)進(jin)一(yi)步(bu)減小(xiao),電(dian)(dian)流密(mi)度進(jin)一(yi)步(bu)提高(gao)。這種使(shi)弧柱(zhu)溫(wen)度和(he)能量密(mi)度提高(gao)的作用通常(chang)又稱為熱收縮效應。


  ③. 由(you)于以上兩個收縮效(xiao)應的(de)存在,弧(hu)柱電流密度(du)增(zeng)大以后,弧(hu)柱電流線(xian)之(zhi)間的(de)電磁(ci)收縮作用(yong)也進一(yi)步(bu)增(zeng)強(qiang),致使弧(hu)柱溫度(du)和能量密度(du)進一(yi)步(bu)提高。以上3個因(yin)素中,噴嘴機械拘束是前提條件(jian),而熱收縮則(ze)是最本質的(de)原因(yin)。


  等離(li)子(zi)弧(hu)溫度(du)(du)和能量密度(du)(du)的(de)(de)顯(xian)著提高(gao),弧(hu)柱近似(si)于圓柱形,使等離(li)子(zi)弧(hu)的(de)(de)穩定性和挺(ting)直度(du)(du)變得更好。自由電(dian)弧(hu)(如鎢極(ji)氬弧(hu)焊)的(de)(de)擴(kuo)散角約(yue)為(wei)45°,等離(li)子(zi)弧(hu)擴(kuo)散角約(yue)為(wei)5°(圖5-12),這是因為(wei)壓(ya)縮后從噴嘴口噴射出(chu)的(de)(de)等離(li)子(zi)弧(hu)帶電(dian)質(zhi)點(dian)運動(dong)速度(du)(du)明(ming)顯(xian)提高(gao)所致,速度(du)(du)最高(gao)可達300m/s(跟(gen)噴嘴結構、離(li)子(zi)氣種(zhong)類和流(liu)量有關)。


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  圖5-13是等離子(zi)弧(hu)焊和(he)鎢(wu)極氬弧(hu)焊時(shi),弧(hu)長(chang)波動時(shi)對(dui)焊縫熔(rong)(rong)深的(de)影響。當(dang)等離子(zi)弧(hu)長(chang)(實際上是噴嘴端面到(dao)焊件表面的(de)距(ju)離)從3mm增(zeng)(zeng)大(da)到(dao)8mm時(shi),對(dui)焊縫熔(rong)(rong)深幾乎不產生影響;而鎢(wu)極氬弧(hu)孤長(chang)從1.5mm增(zeng)(zeng)大(da)到(dao)2.5mm時(shi),焊縫的(de)熔(rong)(rong)深就明(ming)顯下降。


圖 13.jpg


 b. 熱源成(cheng)分


  普通鎢極(ji)氬弧(hu)(hu)焊(han)中(zhong),加熱(re)(re)(re)焊(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)(re)量主要(yao)(yao)來(lai)源(yuan)于(yu)陽(yang)(yang)極(ji)斑(ban)點,弧(hu)(hu)柱輻射熱(re)(re)(re)和傳(chuan)導熱(re)(re)(re)僅起輔助作用。在等(deng)離子弧(hu)(hu)焊(han)中(zhong),情況則(ze)有變化,弧(hu)(hu)柱高速等(deng)離子體通過接(jie)觸傳(chuan)導和輻射帶給焊(han)件(jian)的(de)熱(re)(re)(re)量明顯(xian)增加,甚至可能成為(wei)主要(yao)(yao)的(de)熱(re)(re)(re)量來(lai)源(yuan),而陽(yang)(yang)極(ji)熱(re)(re)(re)則(ze)降(jiang)為(wei)次要(yao)(yao)地(di)位。


3. 等離(li)子弧的基本形式


 等離子弧(hu)按電源的接法和(he)產生形(xing)式(shi)的不同,可分(fen)為(wei)轉(zhuan)(zhuan)移型、非轉(zhuan)(zhuan)移型和(he)聯合(he)型3種基(ji)本(ben)形(xing)式(shi),如圖5-14所示。


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  a. 轉移型等離子弧(hu)


  等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)是在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)工件之(zhi)間(jian)(jian)燃燒,但(dan)由于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)內(nei)縮于(yu)(yu)等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)噴(pen)嘴內(nei),難以(yi)直(zhi)接形(xing)成等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu),所以(yi)必須先在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)和(he)水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴之(zhi)間(jian)(jian)引(yin)燃電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)(水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴既是電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的一極(ji)(ji),又起著冷(leng)壁拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)的作用),再轉移(yi)(yi)為電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)工件之(zhi)間(jian)(jian)燃燒。這種借助(zhu)于(yu)(yu)電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)水(shui)冷(leng)噴(pen)嘴再轉移(yi)(yi)為電(dian)(dian)(dian)極(ji)(ji)與(yu)工件之(zhi)間(jian)(jian)的電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)稱為轉移(yi)(yi)弧(hu)(hu)(hu)(圖5-14a).由于(yu)(yu)轉移(yi)(yi)型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)的陽極(ji)(ji)斑點處于(yu)(yu)工件上,直(zhi)接加熱工件,使電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(hu)熱量的有效利用率提高,同時轉移(yi)(yi)型等離(li)子(zi)弧(hu)(hu)(hu)具有很高的動能和(he)沖(chong)擊(ji)力,特別適合于(yu)(yu)焊接。


  b. 非轉移型等離子弧


  電(dian)(dian)(dian)源接(jie)于電(dian)(dian)(dian)極(ji)和噴(pen)嘴(zui)(zui)之間(jian),工件不接(jie)入焊接(jie)回(hui)路(lu),鎢極(ji)為陰極(ji),噴(pen)嘴(zui)(zui)為陽極(ji),等(deng)離子弧(hu)(hu)在電(dian)(dian)(dian)極(ji)和水冷噴(pen)嘴(zui)(zui)之間(jian)引燃(ran)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)(水冷噴(pen)嘴(zui)(zui)既是(shi)電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的一極(ji),又起著冷壁(bi)拘束電(dian)(dian)(dian)弧(hu)(hu)的作用)噴(pen)出(chu),形成的等(deng)離子弧(hu)(hu)稱為非轉(zhuan)移型等(deng)離子弧(hu)(hu),又叫等(deng)離子焰,見圖5-14b。


  因為(wei)非轉移(yi)型等(deng)離子(zi)弧對工(gong)件(jian)的(de)(de)加熱(re)是間接的(de)(de),傳到工(gong)件(jian)上的(de)(de)熱(re)量較(jiao)少,只適用于(yu)焊接薄板和等(deng)離子(zi)噴涂,這里就不再詳細介(jie)紹(shao)。


 c. 聯合(he)型等(deng)離子弧(hu)


 轉移型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)和非轉移型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)同時存在(zai)的等(deng)離(li)(li)子弧(hu),稱為聯合型(xing)等(deng)離(li)(li)子弧(hu),如圖5-14c所示。這種(zhong)等(deng)離(li)(li)子弧(hu)焊很少采用(yong),這里就不再詳細介紹。



二、等離子弧焊(han)設備


1. 焊接電源


具(ju)有(you)下(xia)降或垂(chui)直(zhi)(zhi)陡降特(te)性的直(zhi)(zhi)流(liu)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)(與鎢極氬弧焊的電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)相(xiang)同)都(dou)可(ke)供(gong)等離(li)(li)(li)子弧焊使用(yong)。用(yong)純氬氣做(zuo)(zuo)離(li)(li)(li)子氣時,電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓只需(xu)65V~80V;用(yong)氬+氫混(hun)合(he)氣做(zuo)(zuo)離(li)(li)(li)子氣時,電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)空載(zai)電(dian)(dian)(dian)(dian)壓需(xu)110V~120V.若無合(he)適的專用(yong)電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),可(ke)用(yong)兩臺普通直(zhi)(zhi)流(liu)弧焊電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan)串聯使用(yong)。大電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu)等離(li)(li)(li)子弧焊都(dou)采(cai)用(yong)轉移型(xing)弧,用(yong)高頻引燃非(fei)轉移弧,然后轉移成轉移弧。因此,一般可(ke)以(yi)采(cai)用(yong)一臺焊接電(dian)(dian)(dian)(dian)源(yuan)(yuan),用(yong)串接電(dian)(dian)(dian)(dian)阻(zu)的方(fang)法(fa)向電(dian)(dian)(dian)(dian)極和水冷噴嘴回路(lu)提供(gong)產生(sheng)非(fei)轉移弧所需(xu)要(yao)的較(jiao)低電(dian)(dian)(dian)(dian)流(liu),見圖(tu)5-14a。


2. 引弧裝置


 等離子弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)與鎢(wu)極(ji)氬弧焊的引弧裝(zhuang)置(zhi)基(ji)本(ben)相(xiang)同。


3. 控制系統


使用(yong)兩套電(dian)源時,需(xu)能(neng)分別調(diao)節(jie)非轉(zhuan)移(yi)弧(hu)和轉(zhuan)移(yi)弧(hu)的電(dian)流,其余與鎢極氬弧(hu)焊類(lei)似。遇復雜情況,還需(xu)能(neng)控制離子氣的遞增和衰減。


4. 氣路和水(shui)路


 等離子(zi)弧焊(han)供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)的(de)氣(qi)(qi)路要(yao)比鎢極氬(ya)弧焊(han)復雜,見圖5-15。等離子(zi)弧焊(han)如采用混氫混合氣(qi)(qi)體時,必須保證供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)中不能漏氣(qi)(qi),否則會有(you)引起爆炸(zha)的(de)危險。在供氣(qi)(qi)系(xi)統(tong)中,要(yao)有(you)氣(qi)(qi)流匯流裝置進行均流,均勻地將氣(qi)(qi)分配給各路氣(qi)(qi)路;還要(yao)有(you)貯氣(qi)(qi)筒,對離子(zi)氣(qi)(qi)進行緩沖。衰減(jian)氣(qi)(qi)閥(fa)對結束(shu)焊(han)接時的(de)氣(qi)(qi)流進行衰減(jian)。


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 等(deng)離(li)子弧(hu)焊的水(shui)路(lu)與鎢(wu)極(ji)氬弧(hu)焊的水(shui)路(lu)相(xiang)同。


5. 焊槍


 等(deng)離(li)子弧焊槍要比鎢極氬焊焊槍復雜(za)、精密(mi)得多,其中最主要的部件(jian)是離(li)子弧噴嘴(zui)和保證鎢極與等(deng)離(li)子噴嘴(zui)同心的裝置(zhi)。某型號(hao)300A等(deng)離(li)子弧焊槍結構見(jian)圖(tu)5-16。


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三、等(deng)離子弧焊槍的噴(pen)嘴


 等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)焊槍的(de)噴嘴是產(chan)生等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的(de)關(guan)鍵部(bu)件,它的(de)設計是否(fou)合理,對保證等(deng)離子(zi)(zi)弧(hu)(hu)的(de)穩定、正常(chang)工(gong)作以(yi)及焊接質量具有決定性作用。


1. 噴嘴的主要結構參數(shu)(圖5-17)


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  a. 噴(pen)嘴孔徑d


   噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d,它決定(ding)(ding)等離(li)子弧(hu)直(zhi)徑(jing)(jing)的(de)(de)大(da)小。噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d決定(ding)(ding)了應使用的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)電(dian)流(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)量,也可(ke)以依據焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)電(dian)流(liu)和(he)離(li)子氣流(liu)量先(xian)擇噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d的(de)(de)大(da)小。總(zong)之,d越大(da)則壓縮(suo)作(zuo)用越小,當d過(guo)于大(da)對(dui)則無壓縮(suo)效果(guo);而d過(guo)小時,則會引起雙弧(hu)(圖5-47),破壞了等離(li)子弧(hu)的(de)(de)穩(wen)定(ding)(ding)性。因此,對(dui)于給定(ding)(ding)的(de)(de)d值,有一個合理的(de)(de)焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)電(dian)流(liu)使用范圍。表5-2列出了常用的(de)(de)某型號噴嘴(zui)孔徑(jing)(jing)d及其焊(han)(han)接(jie)(jie)(jie)電(dian)流(liu)的(de)(de)使用范圍,供(gong)參考。


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  b. 噴嘴孔長度(du)L


 當噴嘴(zui)孔徑d給定時,噴嘴(zui)孔長度(du)(深度(du))L的(de)增加,則壓(ya)縮作用加強(qiang)。常(chang)以L/d表示噴嘴(zui)孔道壓(ya)縮特征,稱之為孔道比(表5-3).


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  c. 錐角(jiao) α


   錐(zhui)角α又稱壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)(suo)角,實際上它對等離子(zi)弧壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)(suo)狀態影響(xiang)不(bu)大(da),特別是(shi)當離子(zi)氣流量(liang)較(jiao)小,L/d較(jiao)小時(shi)。但壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)(suo)角小時(shi),能增強對電弧的壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)(suo)作用。一(yi)般應(ying)注意和鎢極端部(bu)形(xing)狀相配合,以利于陰極斑點置于鎢極頂端而(er)不(bu)上漂。常(chang)用的壓(ya)(ya)(ya)縮(suo)(suo)(suo)(suo)角α值(zhi)為60°~75°。


 d. 壓(ya)縮通道(dao)的形(xing)狀(zhuang)


 多數噴(pen)嘴采用圓柱(zhu)形壓縮通(tong)道,但也有采用圓錐形、臺階圓柱(zhu)形等(deng)擴散型噴(pen)嘴。這類噴(pen)嘴降(jiang)低了(le)壓縮程度,有利于提高等(deng)離(li)子弧的穩定(ding)性和噴(pen)嘴使(shi)用壽命。擴散型噴(pen)嘴結構見圖(tu)5-18。


圖 18.jpg


 除了單孔(kong)型(圖5-17a)噴(pen)嘴外,還有(you)多(duo)孔(kong)型噴(pen)嘴。例如,兩側帶有(you)2個輔助小(xiao)孔(kong)的(de)焊接噴(pen)嘴(圖5-17b),可使等(deng)離子弧(hu)的(de)橫截面(mian)由圓形(xing)變為橢圓形(xing),使熱源有(you)效功(gong)率密(mi)度提(ti)高(gao)(gao),有(you)利(li)(li)于(yu)(yu)進(jin)一步提(ti)高(gao)(gao)焊速和減小(xiao)焊縫及(ji)熱影(ying)響區寬度。四周(zhou)帶有(you)多(duo)個小(xiao)孔(kong)的(de)噴(pen)嘴(圖5-17c)可使等(deng)離子弧(hu)在(zai)噴(pen)嘴外得到二次壓縮,用(yong)于(yu)(yu)切(qie)割,有(you)利(li)(li)于(yu)(yu)進(jin)一步提(ti)高(gao)(gao)等(deng)離子弧(hu)挺度及(ji)切(qie)口質量(liang);但過多(duo)的(de)小(xiao)孔(kong)易受金屬飛濺物(wu)堵塞而失去其有(you)利(li)(li)作(zuo)用(yong)并造(zao)成不利(li)(li)的(de)等(deng)離子弧(hu)偏(pian)轉,因此并未得到廣(guang)泛應用(yong)。


2. 噴(pen)嘴的材料和(he)冷卻


等離子弧焊的(de)噴嘴應采(cai)用導熱性良(liang)好的(de)紫銅制成,大(da)功(gong)率(電流)噴嘴還必須(xu)采(cai)用直(zhi)接(jie)水(shui)(shui)(shui)冷(leng)(leng),并保證冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)(shui)(shui)有(you)足(zu)夠(gou)的(de)流量和壓力,最好配備專用高壓冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)裝置。大(da)功(gong)率等離子弧焊槍應采(cai)用循環(huan)的(de)高壓蒸(zheng)餾水(shui)(shui)(shui)直(zhi)接(jie)冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)槍體,冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)水(shui)(shui)(shui)再(zai)經熱交(jiao)換器(qi)散熱后循環(huan)使用。為了提高冷(leng)(leng)卻(que)(que)(que)效果,噴嘴的(de)壁厚一般(ban)在(zai)2mm~2.5mm之(zhi)間。