等离子弧焊设备.doc

第七章 等离子弧焊设备
7.1等离子弧焊的特点及应用
7.1.1 等离子弧的类型
等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧,具有很高的能量密度及温度。等离子弧的压缩是依靠水冷铜喷嘴的拘束作用实现的,等离子弧通过水冷铜喷嘴时受到下列三种压缩作用:
1) 机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制了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;
3) 电磁压缩 由于以上两种压缩效应,使得电弧电流密度增大,电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大,使电弧又受到进一步的压缩,这就是电磁压缩;
根据电源的连接方式,等离子弧分为非转移型电弧、转移型电弧及联合型电弧三种。非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间,焊接时电源正极接水冷铜喷嘴,负极接钨极,工件不接到焊接回路上,见图3.7.1 a;依靠高速喷出的等离子气将电弧带出,这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。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,见图3.7.1 b。这种电弧用于焊接较厚的金属。转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧,见图3.7.1 c。

图3.7.1 等离子弧的类型
(a) 非转移弧 (b) 转移弧 (c) 联合弧
1-钨极 2-喷嘴 3-转移弧 4-非转移弧 5-工件 6-冷却水 7-弧焰 8-离子气
7.1.2 等离子弧焊的特点
由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性,因此与一般电弧焊相比,等离子电弧具有下列优点:
1) 熔透能力强,在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8~10mm厚的不锈钢板;
2) 焊缝质量对弧长的变化不敏感,这是由于电弧的形态接近圆柱形,且挺直度好,弧长变化时对加热斑点的面积影响很小,易获得均匀的焊缝形状;
3) 钨极缩在水冷铜喷嘴内部,不可能与工件接触,因此可避免焊缝金属产生夹钨现象;
4) 等离子电弧的电离度较高,电流较小时仍很稳定,可焊接微型精密零件;
5) 可产生稳定的小孔效应,通过小孔效应,正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。
等离子弧焊的缺点是:
1) 可焊厚度有限,一般在25mm以下;
2) 焊枪及控制线路较复杂,喷嘴的使用寿命很低;
3) 焊接参数较多,对焊接操作人员的技术水平要求较高。
7.1.3 等离子弧焊的应用
可用钨极氩弧焊焊接的金属,比如不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、镍、铜、蒙耐尔合金等,均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航天、航空、核能、电子、造船及其它工业部门中。
7.2等离子弧焊设备的组成及分类
7.2.1 等离子弧焊设备的组成
等离子弧焊接设备由焊接电源、等离子弧发生器(焊枪)、控制电路、供气回路及供水回路等组成。自动等离子弧焊接设备还包括焊接小车或其它自动工装。图3.7.2为典型手工等离子弧焊接设备的组成图。
7.2.1.1 弧焊电源
等离子弧焊接设备一般采用具有垂直外特性或陡降外特性的电源,以防止焊接电流因弧长的变化而变化,获得均匀稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交流电源,只采用直流电源,并采用正极性接法。与钨极氩弧焊相比,等离子焊所需的电源空载电压较高。
图3.7.2 典型等离子弧焊接设备的组成图
1-焊接电源 2-高频振荡器 3-离子气 4-冷却水 5-保护气 6-保护气罩
7-钨极8-等离子弧 9-工件 10-喷嘴 KM1、KM2-接触器触头
采用氩气作等离子气时,电源空载电压应为60~85V;当采用Ar+H2或氩与其它双原子的混合气体作等离子气时,电源的空载电压应为110~120V。采用联合型电弧焊接时,由于转移弧与非转移弧同时存在,因此,需要两套独立的电源供电。利用转移型电弧焊接时,可以采用一套电源,也可以采用两套电源。
一般采用高频震荡器引弧,当使用混合气体作等离子气时,应先利用纯氩引弧,然后再将等离子气转变为混合气体,这样可降低对电源的空载电压要求。
7.2.1.2 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。程控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。
7.2.1.3 供气系统
等离子弧焊接设备的气路系统较复杂。由等离子气路、正面保护气路及反面保护气路等组成,而等离子气路还必须能够进行衰减控制。为此,等离子气路一般采用两路供给,其中一路可经气阀放空,以实现等离子气的衰减控制。采用氩气与氢气的混合气体作等离子气时,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。图3.7.3为采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图。引弧时,打开气阀DF2,向等离子弧发生器中通以纯氩气,电弧引燃后,再打开电磁气阀DF1,使氢气也进入贮气筒中,此时等离子气为Ar+H2,通过针阀6及电磁气阀DF6可实现等离子气衰减。当焊接终了时,DF6打开,等离子气路中的气体经过针阀6及DF6部分向大气中排放,通过调节针阀b可调节衰减速度。

图3.7.3 采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图
1-气瓶 2-减压阀 3-气体汇流筒 4-调节阀 5-贮气筒 6-针阀 7-流量计 DF1~DF6-气阀
等离子气及保护气体通常根据被焊金属来选择。大电流等离子弧焊接时,等离子气及保护气体通常采用相同的气体,否则电弧的稳定性将变差。表3.7.1列出了大电流等离子弧焊焊接各种金属时所采用的典型气体。小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氩气的电离电压较低,可保证电弧引燃容易。表3.7.2列出了小电流等离子弧焊常用保护气体。
表3.7.1大电流等离子弧焊常用等离子气及保护气体
金属
厚度/mm
焊接技术
穿孔法
熔透法
碳钢
(铝镇静钢)
<3.2
Ar
Ar
>3.2
Ar
25%Ar+75%He
低合金钢
<3.2
Ar
Ar
>3.2
Ar
25%Ar+75%He
不锈钢
<3.2
Ar或92.5%Ar+7.5%H2
Ar
>3.2
Ar或95%Ar+5%H2
25%Ar+75%He
铜
<2.4
Ar
He或25%Ar+75%He
>2.4
不推荐1)
He
镍合金
<3.2
Ar或92.5%Ar+7.5%H2
Ar
>3.2
Ar或95%Ar+5%H2
25%Ar+75%He
活性金属
<6.4
Ar
Ar
>6.4
Ar+(50%~70%)He
25%Ar+75%He
1)由于底部焊道成形不良,这种技术只能用于铜锌合金
7.2.1.4 水路系统
由于等离子弧的温度在10000°C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3 L×min-1,水压不小于0.15~0.2MPa。水路中应设有水压开关,在水压达不到要求时,切断供电回路。
7.2.1.5 焊枪
等离子弧焊枪是等离子弧