第四章PAW焊接

1、電弧焊基礎(chǔ)電弧焊基礎(chǔ) 第四章第四章 等離子弧焊等離子弧焊 Chapter 4: Plasma Arc Welding （PAW） 一一. 等離子弧概念、形式和特性等離子弧概念、形式和特性 1.1 自由電弧和拘束電?。ǖ入x子?。┳杂呻娀『途惺娀。ǖ入x子?。?自由電弧：自由電?。?TIG電弧，除受到電弧自身磁場拘束電弧，除受到電弧自身磁場拘束 和周圍環(huán)境的冷卻拘束外，不受其它和周圍環(huán)境的冷卻拘束外，不受其它 條件束縛，電弧形態(tài)相對比較擴(kuò)展，條件束縛，電弧形態(tài)相對比較擴(kuò)展， 電弧能量密度和電弧溫度較低，稱作電弧能量密度和電弧溫度較低，稱作 自由電弧自由電弧 拘束電?。壕惺娀。?人為把自由電弧的一

2、極縮進(jìn)到小直徑人為把自由電弧的一極縮進(jìn)到小直徑 噴嘴（噴嘴（銅質(zhì)、水冷銅質(zhì)、水冷）里，則電弧通過）里，則電弧通過 噴嘴孔時(shí)，弧柱截面積受到限制，即噴嘴孔時(shí)，弧柱截面積受到限制，即 產(chǎn)生了外部拘束作用不能自由擴(kuò)展，產(chǎn)生了外部拘束作用不能自由擴(kuò)展， 電弧在徑向上被強(qiáng)烈壓縮，叫做電弧在徑向上被強(qiáng)烈壓縮，叫做“拘拘 束電弧束電弧”或或“壓縮電弧壓縮電弧”，電弧的溫，電弧的溫 度、能量密度、等離子流速都顯著增度、能量密度、等離子流速都顯著增 加，也稱為加，也稱為“等離子弧等離子弧” 離子氣、保護(hù)氣 1.2 PAW 電弧特點(diǎn)電弧特點(diǎn) lPAW溫度更高，能量 密度更大。 普通TIG弧的最高溫度為 10 00

3、024 000K，能量 密度小于104W/cm2。等 離 子 弧 溫 度 可 達(dá) 2 4 00050 000K，能量密度 可達(dá)105106W/cm2 。 l等離子弧帶電粒子的 運(yùn)動速度很高（可接近 音速），其挺直性明顯 好于TIG電弧。 TIG電弧的擴(kuò)散角約為 45，而等離子弧擴(kuò)散 角約為6。 各種焊接方法能量密度比較各種焊接方法能量密度比較 Point focal 普通TIG 雙氣流TIG焊 等離子焊電子束焊激光焊 高能束焊 能量密度 壓縮 （聚焦元件） 50W/mm2 150W/mm2103W/mm2105W/mm2105W/mm2 氣動 (噴嘴) 電磁 (聚焦線圈) 光學(xué) (聚焦透鏡)

4、熔化熔化 熔化 小孔 小孔小孔熔化模式 1.3 PAW 電弧溫度和能量密度提高的原因電弧溫度和能量密度提高的原因 l水冷噴嘴孔道對電弧的機(jī)械壓縮，使電弧弧柱截面積減小，能 量更為集中。這是前提條件。 l噴嘴水冷作用使靠近噴嘴內(nèi)壁的氣體受到一定程度的冷卻，其 溫度和電離度下降，迫使弧柱區(qū)帶電粒子集中到弧柱中的高溫高 電離度區(qū)流動，這樣由于冷壁而在弧柱四周產(chǎn)生一層電離度趨近 于零的冷氣膜，使弧柱有效截面積進(jìn)一步減小，電流密度進(jìn)一步 提高，這稱之為“熱壓縮” 。這是最本質(zhì)的原因。 l基于兩種壓縮效應(yīng)的存在，在弧柱電流密度增大以后，弧柱電 流線之間的電磁收縮作用也進(jìn)一步增強(qiáng)，使弧柱溫度和能量密度 進(jìn)一

5、步提高。 1.4 等離子弧三種形式等離子弧三種形式 轉(zhuǎn)移型等離子?。恨D(zhuǎn)移型等離子弧： 主電源正負(fù)極分別接續(xù)到工件和電極上，等離子弧燃燒在電極與母材之間主電源正負(fù)極分別接續(xù)到工件和電極上，等離子弧燃燒在電極與母材之間 。由于電極到工件的距離較長，引燃電弧時(shí)，首先在電極與噴嘴內(nèi)壁間引。由于電極到工件的距離較長，引燃電弧時(shí)，首先在電極與噴嘴內(nèi)壁間引 燃一個(gè)小電弧，稱作燃一個(gè)小電弧，稱作“引燃弧引燃弧”（小?。ㄐ』。臻g溫度升高，高溫氣流從噴，空間溫度升高，高溫氣流從噴 嘴孔道中噴出，其中也含有帶電粒子，隨后在主電源較高的空載電壓下，嘴孔道中噴出，其中也含有帶電粒子，隨后在主電源較高的空載電壓下，

6、 電弧能夠自動轉(zhuǎn)移到電極與工件之間，稱作電弧能夠自動轉(zhuǎn)移到電極與工件之間，稱作“主弧主弧”或或“轉(zhuǎn)移弧轉(zhuǎn)移弧”。主弧。主弧 引燃后，通過開關(guān)引燃后，通過開關(guān)切斷切斷引燃弧。引燃弧。大電流焊接可以采用轉(zhuǎn)移型大電流焊接可以采用轉(zhuǎn)移型PAW。 小弧引弧也可以采用從電源正極串聯(lián)一個(gè)電 阻接續(xù)到焊槍噴嘴上的方式 混合型等離子?。夯旌闲偷入x子?。?與轉(zhuǎn)移型等離子弧類似，但當(dāng)形成轉(zhuǎn)移弧后仍然保留引燃?。ㄅc轉(zhuǎn)移型等離子弧類似，但當(dāng)形成轉(zhuǎn)移弧后仍然保留引燃?。ā靶』⌒』　保?，即形成兩個(gè)電弧同時(shí)燃燒的局面，效果是轉(zhuǎn)移弧燃燒更為穩(wěn)定。，即形成兩個(gè)電弧同時(shí)燃燒的局面，效果是轉(zhuǎn)移弧燃燒更為穩(wěn)定。小電流小電流 焊接焊接

7、電弧冷卻強(qiáng)烈，易熄滅，可以電弧冷卻強(qiáng)烈，易熄滅，可以采用混合型采用混合型PAW。 小弧電源相對功率較小，一般只需要有幾安培的輸出。小弧電源相對功率較小，一般只需要有幾安培的輸出。 等離子焰流等離子焰流： 在鎢極與噴嘴內(nèi)壁之間引燃等離子弧，電弧電源正負(fù)極分別接續(xù)到電極和在鎢極與噴嘴內(nèi)壁之間引燃等離子弧，電弧電源正負(fù)極分別接續(xù)到電極和 噴嘴上。由于保護(hù)氣通過電弧區(qū)被加熱，流出噴嘴時(shí)帶出高溫等離子焰流噴嘴上。由于保護(hù)氣通過電弧區(qū)被加熱，流出噴嘴時(shí)帶出高溫等離子焰流 ，對被加工工件進(jìn)行加熱，因此稱作，對被加工工件進(jìn)行加熱，因此稱作“等離子焰流等離子焰流”。電極與噴嘴內(nèi)壁間。電極與噴嘴內(nèi)壁間 的電弧，其

8、電流值較小，電弧溫度低，因此等離子焰流的溫度也明顯低于的電弧，其電流值較小，電弧溫度低，因此等離子焰流的溫度也明顯低于 電弧，指向性不如等離子弧。多用于表面堆焊、處理。電弧，指向性不如等離子弧。多用于表面堆焊、處理。 1.5 等離子弧靜特性等離子弧靜特性 受到水冷噴嘴孔道壁的拘束，弧柱截面積小，弧柱電場強(qiáng)度增受到水冷噴嘴孔道壁的拘束，弧柱截面積小，弧柱電場強(qiáng)度增 大，電弧電壓明顯提高，靜特性曲線中平特性區(qū)不明顯，上升大，電弧電壓明顯提高，靜特性曲線中平特性區(qū)不明顯，上升 特性區(qū)斜率增加。特性區(qū)斜率增加。 思考：為什么？思考：為什么？ 混合式等離子弧中的小弧電流對主弧特性有明顯影響，小弧電混合式

9、等離子弧中的小弧電流對主弧特性有明顯影響，小弧電 流值增加，有利于降低主弧電壓，這在小電流電弧（主?。┲辛髦翟黾樱欣诮档椭骰‰妷?，這在小電流電?。ㄖ骰。┲?表現(xiàn)尤為突出表現(xiàn)尤為突出 拘束孔道的尺寸和形狀對靜特性有明顯影響，噴嘴孔徑越小，拘束孔道的尺寸和形狀對靜特性有明顯影響，噴嘴孔徑越小， 弧柱壓縮強(qiáng)越大，電場強(qiáng)度也越大，靜特性中的平特性區(qū)間越弧柱壓縮強(qiáng)越大，電場強(qiáng)度也越大，靜特性中的平特性區(qū)間越 窄，上升特性區(qū)的斜率越大。窄，上升特性區(qū)的斜率越大。 離子氣種類和流量對弧柱電場強(qiáng)度有明顯影響。離子氣種類和流量對弧柱電場強(qiáng)度有明顯影響。 1.6 PAW 電弧焊接特點(diǎn)電弧焊接特點(diǎn) l普通TIG

10、焊接時(shí)，加熱工件的熱量主要來源于陽極區(qū)產(chǎn)熱，弧柱輻射和 傳導(dǎo)熱僅起輔助作用。在等離子弧中，弧柱高速高溫等離子體通過接觸傳 導(dǎo)和輻射帶給焊件的熱量明顯增加，甚至可能成為主要的熱量來源，而陽 極產(chǎn)熱則降為次要地位。 二二. 等離子弧焊接設(shè)備及焊接過程等離子弧焊接設(shè)備及焊接過程 2.1 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備總成總成 基本組成： 焊接電源：交流（方波、變極性）、直流（脈沖），陡降外特性或恒 流外特性。 PAWPAW電弧電場強(qiáng)度很高，需要較高的電源空載和工作電壓。電弧電場強(qiáng)度很高，需要較高的電源空載和工作電壓。小弧電源的空載 電壓為100150V，而轉(zhuǎn)移弧電源的空載電壓只需65-80V（離子氣為Ar）

11、，如 果在離子氣中摻入H或He，空載電壓需要達(dá)到110120V 。 氣路：氣瓶（銀灰）、氣管、氣體流量計(jì)（減壓）、氣壓開關(guān) 水路：高壓循環(huán)水、水管、水壓開關(guān) 焊槍：自動；水冷； 電路：焊槍電纜（水冷）、地線、起弧穩(wěn)弧裝置 送絲機(jī)：外部送絲，必需 工作臺：固定、運(yùn)動（工件）式 17 焊接電源 冷卻電器件 焊槍 氣瓶、壓力表 2.2 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍焊槍 基本要求： 能固定噴嘴與鎢極的相對位置，并可 進(jìn)行調(diào)節(jié)，同時(shí)對噴嘴和鎢極進(jìn)行有效 的冷卻； 噴嘴與鎢極之間要絕緣，以便在鎢極 和噴嘴內(nèi)壁間引燃小弧； 必須有雙氣路，能導(dǎo)入離子氣流和保 護(hù)氣流； 1.輕便易用，特別是便于噴嘴和鎢極的 更換

12、。 2.2 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍焊槍 2.3 PAW焊接設(shè)備焊接設(shè)備焊槍噴嘴焊槍噴嘴 噴嘴噴嘴 材料：紫銅，壁厚 3000 mm的場合的場合, 筒體筒體 直徑大于直徑大于2 200 mm. 優(yōu)點(diǎn)：優(yōu)點(diǎn)： 單道焊接過程單道焊接過程, 降低填充金屬量，高速焊接，低變形降低填充金屬量，高速焊接，低變形 熱影響區(qū)窄，高質(zhì)量，焊縫外觀好，降低坡口準(zhǔn)備時(shí)間。熱影響區(qū)窄，高質(zhì)量，焊縫外觀好，降低坡口準(zhǔn)備時(shí)間。 4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG 等離子弧與等離子弧與MIG電弧聯(lián)合使用的焊接方法電弧聯(lián)合使用的焊接方法真正復(fù)合真正復(fù)合 combination of plasma welding and

13、 MIG-welding using a single gun PAW電弧燃燒在電極夾和母材之間電弧燃燒在電極夾和母材之間 A plasma arc produced by a reduction in the gas orifice results in a narrow high temperature arc. By feeding the MIG-electrode through the plasma arc coaxially very high deposition rates are possible 大熔深、高熔敷率大熔深、高熔敷率 only suitable for mec

14、hanised welding 4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG 4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG 普通MIG Plasma-MIG 4.4 復(fù)合焊接復(fù)合焊接PAW+MIG 4.5 等離子切割等離子切割 空氣等離子切割：空氣等離子切割：鉿電極，鉿電極，以壓縮空氣為工作氣體以壓縮空氣為工作氣體, 以以 高溫高速的等離子弧為熱源、高溫高速的等離子弧為熱源、 將被切割的金屬局部熔將被切割的金屬局部熔 化、并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走、形成狹化、并同時(shí)用高速氣流將已熔化的金屬吹走、形成狹 窄切縫窄切縫 不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材料切割不銹鋼、鋁、銅、鑄鐵、碳鋼等各種金屬材

15、料切割, 不不 僅切割速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小僅切割速度快、切縫狹窄、切口平整、熱影響區(qū)小,工工 件變形度低、件變形度低、 操作簡單操作簡單, 而且具有顯著的節(jié)能效果。而且具有顯著的節(jié)能效果。 該設(shè)備適用于各種機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)的制造、安裝和維該設(shè)備適用于各種機(jī)械、金屬結(jié)構(gòu)的制造、安裝和維 修，作中、薄板材的切斷、開孔、挖補(bǔ)、開坡口等切修，作中、薄板材的切斷、開孔、挖補(bǔ)、開坡口等切 割加工割加工 切割厚度不大的金屬的時(shí)候，等離子切割速度快，尤切割厚度不大的金屬的時(shí)候，等離子切割速度快，尤 其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氧切割法的其在切割普通碳素鋼薄板時(shí)，速度可達(dá)氧切割法的 56倍

16、、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒有熱影響區(qū)倍、切割面光潔、熱變形小、幾乎沒有熱影響區(qū) 針對下列行業(yè)，查閱公開出版的文獻(xiàn)資料。經(jīng)過閱讀、理解后，就下列針對下列行業(yè)，查閱公開出版的文獻(xiàn)資料。經(jīng)過閱讀、理解后，就下列 內(nèi)容進(jìn)行綜述：行業(yè)：航天、航空、造船、兵器、電站鍋爐、管道、汽內(nèi)容進(jìn)行綜述：行業(yè)：航天、航空、造船、兵器、電站鍋爐、管道、汽 車、工程機(jī)械、石油化工、建筑車、工程機(jī)械、石油化工、建筑 該行業(yè)使用的材料現(xiàn)狀、用途和典型產(chǎn)品；該行業(yè)使用的材料現(xiàn)狀、用途和典型產(chǎn)品； 采用非熔化極氣體保護(hù)焊焊接典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的現(xiàn)狀；采用非熔化極氣體保護(hù)焊焊接典型結(jié)構(gòu)產(chǎn)品的現(xiàn)狀； 采用非熔化極氣體保護(hù)焊在焊接產(chǎn)品時(shí)

17、可能出現(xiàn)的問題及解決辦法；采用非熔化極氣體保護(hù)焊在焊接產(chǎn)品時(shí)可能出現(xiàn)的問題及解決辦法； 非熔化極氣體保護(hù)焊在該行業(yè)應(yīng)用前景展望；非熔化極氣體保護(hù)焊在該行業(yè)應(yīng)用前景展望； 各班按照學(xué)號順序，每各班按照學(xué)號順序，每2個(gè)人按順序選擇上述的個(gè)人按順序選擇上述的1個(gè)行業(yè)撰寫綜述報(bào)告。個(gè)行業(yè)撰寫綜述報(bào)告。 實(shí)驗(yàn)學(xué)院的同學(xué)選擇每個(gè)同學(xué)單獨(dú)選擇實(shí)驗(yàn)學(xué)院的同學(xué)選擇每個(gè)同學(xué)單獨(dú)選擇1個(gè)行業(yè)。個(gè)行業(yè)。 報(bào)告的撰寫要求：報(bào)告的撰寫要求： 采用采用B5紙打印或者手寫；如果打印，正文字體為小四號字；紙打印或者手寫；如果打印，正文字體為小四號字； 作業(yè)的頁數(shù)為作業(yè)的頁數(shù)為3-5頁頁(包括封面包括封面)，不得超過，不得超過5頁；頁； 至少閱讀至少閱讀6篇文章，文字精煉；篇文章，文字精煉； 參考文獻(xiàn)按照格式來寫；參考文獻(xiàn)按照格式來寫； 獨(dú)立完成，獨(dú)立完成，不得互相抄襲，不得互相抄襲，發(fā)現(xiàn)后抄襲者和被抄襲者該作業(yè)成績均按照發(fā)現(xiàn)后抄襲者和被抄襲