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等离子焊接以及切割技术  

2007-08-26 11:33:13|  分类: 技术类 |  标签: |举报 |字号 订阅

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子弧焊接和切割:

  1.1 等离子弧的产生:

  (1)等离子弧的概念:

  自由电弧:未受到外界约束的电弧,如一般电弧焊产生的电弧。

  等离子弧:受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。

  自由电弧弧区内的气体尚未完全电离,能量未高度集中,而等离子弧弧区内的气体完全电离,能量高度集中,能量密度很大,可达105~106W/cm2,电弧温度可高达24000~5000K(一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000~20000K,能量密度在104W/cm2以下)能迅速熔化金属材料,可用来焊接和切割。

  (2)等离子弧的产生

  等离子弧发生装置如图6-4-1所示。

  在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压,经高频振荡使气体电离形成自由电弧,该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。

  ①机械压缩效应(作用)——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道,使电弧截面受到拘束,不能自由扩展。

②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时,冷气流均匀地包围着电弧,使电弧外围受到强烈冷却,迫使带电粒子流(离子和电子)往弧柱中心集中,弧柱被进一步压缩。

  ③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体,在弧柱电流本身产生的磁场作用下,产生的电磁力使孤柱进一步收缩。

  电弧经过以上三种压缩效应后,能量高度集中在直径很小的弧柱中,弧柱中的气体被充分电离成等离子体,故称为等离子弧。

  当小直径喷嘴,大的气体流量和增大电流时,等离子焰自喷嘴喷出的速度很高,具有很大的冲击力,这种等离子弧称为“刚性弧”,主要用于切割金属。反之,若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时,该等离子弧称为“柔性弧”,主要用于焊接。

  1.2 等离子弧焊接

  1.2.1 基本知识

  用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。

  焊接时离子气(形成离子弧)和保护气(保护熔池和焊缝不受空气的有害作用)均为氩气。

  等离子弧焊所用电极一般为钨极(与钨极氩弧焊相同,国内主要采用钍钨极和铈钨极,国外还采用锆钨极和锆极),有时还需填充金属(焊丝)。一般均采用直流正接法(钨棒接负极)。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。

  1.2.2 等离子弧焊接的分类:

  等离子弧焊可分为大电流等离子弧焊和微束等离子弧焊等

  (1)大电流等离子孤焊:

  有两种工艺:一种为穿孔型等离子弧焊,一种为熔入型等离子弧焊。

  ①穿孔型等离子弧焊:

  在等离子能量密度足够和等离子流力够大等条件下焊接,产生穿透小孔,熔化金属被排挤在小孔周围和后方,随着等离子弧前移,小孔也前移,该现象叫小孔效应。该焊接工艺方法称为穿孔型等离子弧焊。

穿孔型离子弧焊可保证完全焊透,一般大电流等离子弧焊(100~300A)大都采用此方法。但穿孔效应只有在足够的能量密度条件下形成,且能量密度的提高受到限制,故该方法只能在有限板厚内进行——目前生产应用的板厚范围为:

  碳钢7mm,不锈钢8~10mm,钛10~12mm。

  该方法最适合于焊接3~8mm不锈钢,12mm以下钛合金,2~6mm低碳或低合金结构钢,以及铜、黄铜、镍及镍基合金的对接缝。

  ②熔入型等离子弧焊——当离子气流量减小,穿孔效应消失时采用。

  该方法同一般钨极氩弧焊相似。

  该方法适用于薄板,多层焊缝的盖面及角焊缝,可填加或不填加焊丝,其优点为焊速较快。

  (2)微束等离子弧焊:指15A~30A以下的熔入型等离子弧焊

  微束等离子弧焊的等离子弧喷射速度和能量密度较小,比较柔和,可用于焊接0.025~2.5mm的箔材及薄板。

  1.2.3 等离子弧焊接的特点及应用:

  特点:

  (1)微束等离子弧焊可以焊接箔材和薄板。

 

  (2)具有小孔效应,能较好实现单面焊双面自由成形。

 

  (3)等离子弧能量密度大,弧柱温度高,穿透能力强,10~12mm厚度钢材可不开坡口,能一次焊透双面成形,焊接速度快,生产率高,应力变形小。

  (4)设备比较复杂,气体耗量大,只宜于室内焊接。

  应用:广泛用于工业生产,特别是航空航天等军工和尖端工业技术所用的铜及铜合金、钛及钛合金、合金钢、不锈钢、钼等金属的焊接,如钛合金的导弹壳体,飞机上的一些薄壁容器等。等离子焊接与TIG焊十分相似,它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。但是,通过在焊炬中安置电极,能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来,随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将弧压缩。通过改变孔的直径和等离子气流速度,可以实现三种操作方式:
1、微束等离子:0.1~15A
  在很低的焊接电流下,材苁褂梦⑹壤胱踊 <词乖诨〕け浠怀?0mm时,柱状弧仍能保持稳定。
2、中等电流:15~200A
  在较大的15~200A电流下,等离子弧的过程特点与TIG弧相似,但由于等离子被压缩过,弧更加挺直。虽然可提高等离子气流速度来增加焊接熔池的度深,但会造成在紊乱的保护气流中,混入空气和保护气体的风险。
3、小孔型等离子:大于100A
  通过增加焊接电流和等离子气流速度,可产生强有力的等离子束,与激光或电子束焊接一样,它能够在材料上形成充分的熔深。焊接时,随着焊接熔池的流动,金属穿过小孔被切割后在表面张力作用下形成焊道。单道焊时,该过程可用于焊接较厚的材料(厚度不超过10mm的不锈钢)。

★电源
  使用等离子弧时,通常采用直流电流和垂降特性电源。由于从特别的焊炬排列方式和各自分离的等离子、保护气流中获得了独特的操作特性,可在等离子控制台上增加一个普通的TIG电源,还可以使用特别组建的等离子系统。采用正弦波交流电时,不容易使等离子弧稳定。当电极和工件间距较长且等离子被压缩时,等离子弧很难发挥作用,而且,在正半周期内,过热的电极会使导电嘴变成球形,从而干扰弧的稳定。
  可使用专用的直流开关电源。通过调节波形的平衡来减少电极正极的持续时间,使电极得到充分冷却,以维护尖头导电嘴形状,并形成稳定的弧。

★起弧
  虽然等离子弧是通过采用高频产生的,但它首先是在电极和等离子喷嘴之间形成的。该维弧被装在焊炬中,需要焊接时,再将它转移到工件上。与在焊缝间保持的维弧相同,维弧系统能确保稳定的起弧,这避免了对产生电子干涉的高频的需要。

★电极
  用于等离子过程使用的是含2%氧化钍的钨电极和铜的等离子喷嘴。与TIG焊使用的导电嘴不同,在等离子过程中,对电极导电嘴的直径要求不那么严格,但压缩角须保持在30°~60°左右。等离子喷嘴孔的直径是很重要的,在相同的电流强度和等离子气流速度下,孔直径太小会导致喷嘴被过度腐蚀甚至熔化。在工作电流下,需要谨慎使用直径过大的等离子喷嘴。
  注: 孔的直径过大,可能会对弧的稳定及孔的维护造成困难。

★等离子和保护气体
  通常等离子气体的组合气体是氩气,并含有2%~5%的氩气作为保护气体。氦气也能用做等离子气体,但由于它温度较高,会降低喷嘴的电流上升率。氢气含量越少,进行小孔型等离子焊接就越困难。

★应用
☆微束离子焊接
  微束离子通常用于焊接薄板材(厚度为0.1mm)、焊丝和网孔部分。针型挺直的弧能将弧的偏离和变形减到最小。虽然等效的TIG 弧更扩散,但更新的晶体管化的(TIG)电源能在低电流下产生非常稳定的弧。
☆中等电流焊接
  在熔化方式下可选择该方法进行传统的TIG焊。 它的优点是能产生较深的熔深(愿于较高的等离子气流),能容许包括药皮(焊炬中的焊条)在内的较大的表面污染。主要缺点是焊炬笨重,使手工焊接比较困难。在机械化焊接中,应该更加注意焊炬的维护以保证稳定的性能。
☆小孔型焊接
  可用的几点优势是:熔深较深、焊接速度快。与TIG 弧相比,它能焊透厚度达10mm的板材,但使用单道焊接技术时,通常将板材厚度限制在6mm内。通常的方法是使用有填充物的小孔,以确保焊道断面的光滑(无齿边)。由于厚度达到了15mm,要使用6mm厚的钝边进行V型接头准备。也可使用双道焊技术,在熔化方式下通过添加填充焊丝,自动生成第一和第二条焊道。
  必须精确地平衡焊接参数、等离子气流速度和填充焊丝的添加量(填入小孔)以维护孔和焊接熔池的稳定,这一技术只适用于机械化焊接。虽然通过使用脉冲电流,该技术能用于位置焊接,但它通常是用于对较厚的板材材料(超过3mm)进行高速平焊。进行管道焊接时,必须精确地控制溢出电流和等离子气流速度以确保小孔关闭。

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