現(xiàn)代焊接技術(shù)等離子焊接技術(shù)及進(jìn)展

現(xiàn)代焊接技術(shù)課程專業(yè)論文河南工程學(xué)院現(xiàn)代焊接技術(shù)考查課專業(yè)論文等離子焊接技術(shù)及進(jìn)展學(xué)生姓名： 任課教師： 2 等離子焊接技術(shù)及進(jìn)展1摘要：等離子弧是壓縮的電弧，與自由電弧的溫度分布、能量密度分布、電弧形態(tài)都存在較大差異，它利用等離子槍將陰極之間的自由電弧，壓縮成高溫，高電離度及高能量密度的電弧。1等離子弧的能量密度很大，可達(dá)105-106W/cm2,比自由電弧（104W/cm2）高出1-2個數(shù)量級，是一種高能束流焊接方法。由于等離子弧具有弧柱細(xì)長，能量密度高的特點(diǎn)，因而在焊接領(lǐng)域有著廣泛的應(yīng)用，且等離子焊接方法不斷進(jìn)行完善與發(fā)展，如變極性等離子弧焊接、活性等離子弧焊接、粉末等離子弧堆焊及噴涂、等離子弧-MIG焊、磁控等離子弧堆焊。2關(guān)鍵詞： 等離子弧 轉(zhuǎn)移型 壓縮效應(yīng) 新進(jìn)展3引言隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，人們對焊接工藝有了更高的要求，等離子焊接技術(shù)不斷發(fā)展，其能量密度大、電弧方向性強(qiáng)、熔透能力強(qiáng)的特點(diǎn)得到了充分發(fā)揮，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。在以高技術(shù)手段為基礎(chǔ)的再制造工程中，等離子焊接技術(shù)必然會得到廣泛的應(yīng)用。目前，離子焊接技術(shù)已經(jīng)應(yīng)用在汽車等工業(yè)領(lǐng)域中。中國經(jīng)濟(jì)的迅速崛起和制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，必然對焊接技術(shù)及焊接質(zhì)量提出更高的要求，等離子堆焊技術(shù)具有較寬的剛性和柔性調(diào)節(jié)范圍、生產(chǎn)效率高，焊接質(zhì)量高，電弧穩(wěn)定等特征，因而等離子堆焊技術(shù)的研究與應(yīng)用必將成為機(jī)械制造業(yè)的重要組成部分。24等離子弧焊接簡介等離子弧是受外部拘束條件的影響使弧柱受到壓縮的電弧。自由電弧弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離，能量未高度集中，而等離子弧弧區(qū)內(nèi)的氣體完全電離，能量高度集中，能量密度很大，電弧溫度可高達(dá)2400050000K（一般自由狀態(tài)的鎢極氬弧焊最高溫度為1000020000K）能迅速熔化金屬材料，可用來焊接和切割。等離子弧焊具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護(hù)氣體一般用氬，根據(jù)各種工件的材料性質(zhì)，也有使用氦、氮、氬或其中兩者混合的混合氣體的。5等離子電弧焊接方法的特點(diǎn)5.1等離子電弧焊的優(yōu)缺點(diǎn)1.等離子電弧焊的優(yōu)點(diǎn)等離子電弧焊與鎢極氬弧焊等傳統(tǒng)電弧焊方法相比，具有以下優(yōu)點(diǎn)。3(1)具有較寬的剛性和柔性調(diào)節(jié)范圍具有高溫、高能量密度、高沖擊力和挺度的等離子弧，稱為剛性等離子弧，能量密度較小、沖擊力小的等離子弧稱為柔性等離子弧。等離子弧剛性和柔性主要受電流、噴嘴孔徑和形狀、氣體種類和流量因素的影響，可根據(jù)不同工藝要求，調(diào)節(jié)各因素，得到具有不同溫度、能量密度、沖擊力和挺度等性能的等離子弧。(2)生產(chǎn)效率高由于等離子弧能量密度大、電弧方向性強(qiáng)、熔透能力強(qiáng)，在不開坡口、不加填充焊絲的情況下，可一次焊透8-10mm厚的不銹鋼板；與鎢極氳弧焊相比，在相同的焊縫熔深情況下，等離子弧焊接速度要快得多。(3)焊接質(zhì)量高焊接質(zhì)量對弧長的變化不敏感，這是由于等離子弧形態(tài)接近圓柱形，發(fā)散角小，挺度好，易獲得均勻的焊縫形狀。由于鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不與工件接觸，因此可避免焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象，且電弧攪動性好，熔池溫度高，有利于熔池內(nèi)氣體的釋放，焊接質(zhì)量高；另外，由于工件上受熱區(qū)域小，熱影響區(qū)窄，焊接薄板時變形小。(4)電弧穩(wěn)定等離子電弧由于壓縮效應(yīng)及電商度較高，電流較小時仍很穩(wěn)定，電流小至0.1A時仍可穩(wěn)定燃燒；并且電弧挺度好，弧長波動對電弧影響較小。2.等離子電弧焊的缺點(diǎn) (1)一次性投資大等離子電弧焊和切割設(shè)備比較昂貴，焊槍及控制線路復(fù)雜，且噴嘴使用壽命低。但是其焊接速度和切割速度快，焊縫和切割質(zhì)量好，若將這些因素考慮進(jìn)去。其使用成本還不是太高。 (2)操作要求較高焊接參數(shù)較多，對焊接操作人員的技術(shù)水平要求較高。由于等離子弧焊槍結(jié)構(gòu)復(fù)雜，比普通電弧焊槍體積大，重量重，手工焊時電弧作用區(qū)域可觀察性差。 (3)雙弧弊端使用轉(zhuǎn)移弧時，當(dāng)工藝參數(shù)選擇不當(dāng)時，或噴嘴結(jié)構(gòu)不合理、受損傷時，會產(chǎn)生雙弧現(xiàn)象，將導(dǎo)致焊接過程不正常，甚至燒壞噴嘴。(4)使用場合受限由于槍體大，鎢極內(nèi)縮在噴嘴里，電弧可達(dá)性差，因此對于某些接頭形式難以焊接。并且其可焊厚度有限，一般在25mm以下。5.2等離子弧分類按電源供電方式，等離子弧有非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種形式（見下圖）：圖1 等離子體弧的形式1非轉(zhuǎn)移型等離子?。烘u極接電源負(fù)極，噴嘴接電源正極，等離子弧體產(chǎn)生在鎢極與噴嘴之間，在離子氣流壓送下，弧焰從噴嘴中噴出，形成等離子焰(如圖1a)。2轉(zhuǎn)移型等離子?。烘u極接電源負(fù)極，工件接電源正極等離子弧體產(chǎn)生于鎢極與工件之間(如圖1b)。轉(zhuǎn)移弧難以直接形成，必須先引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后才能過渡到轉(zhuǎn)移弧，金屬焊接、切割幾乎都是采用轉(zhuǎn)移型弧，因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧能把更多的熱量傳遞給工件。3聯(lián)合型等離子弧：工作時非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧同時并存，則稱之謂聯(lián)合型等離子弧(如圖1c)。主要用于微束等離子弧焊和粉末堆焊等方面。6等離子電弧焊接方法的原理6.1等離子弧的獲得等離子弧焊槍在鎢極和噴嘴之間或鎢極與工件之間施加較高電壓，經(jīng)高頻振蕩使氣體電離形成電弧，該電弧將受到壓縮，形成離子?。ㄈ鐖D2）。等離子弧主要的三種壓縮作用如下：圖2 等離子弧的形成圖（1） 機(jī)械壓縮：它利用水冷噴嘴孔道限制弧柱直徑，來提高弧柱的能量密度和溫度。（2）熱 收 縮：由于水冷噴嘴溫度較低，從而在噴嘴內(nèi)壁建立起一層冷氣膜，迫使弧柱向中心集中，而進(jìn)一步減小，電流密度進(jìn)一步提高，弧柱這種收縮謂之“熱收縮”，也可叫做“熱壓縮”。（3）磁 收 縮：弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場對弧柱有壓縮作用(即磁收縮效應(yīng))。電流密度愈大，磁收縮作用愈強(qiáng)。6.2雙弧現(xiàn)象及防止措施（1）雙弧現(xiàn)象的產(chǎn)生原因當(dāng)離子氣過小、電流過大或噴嘴與焊件發(fā)生接觸時，噴嘴內(nèi)壁表面的冷氣膜會遭到破壞，在正常的轉(zhuǎn)移弧之外又形成一個燃燒于鎢極-噴嘴-焊件之間的串聯(lián)電弧這種現(xiàn)象被為雙弧現(xiàn)象（如圖3）。（2）影響雙弧形成的因素及防止措施噴嘴孔徑減小或孔道長度增大，會使冷氣膜厚度減薄，噴嘴產(chǎn)生雙弧的臨界電流降低，故容易產(chǎn)生雙弧。鎢極的內(nèi)縮量增大易產(chǎn)生雙弧。鎢極和噴嘴不同心造成冷氣膜不均勻，使局部區(qū)域冷氣膜厚度減小易被擊穿，導(dǎo)致雙弧。離子氣的成分和流量會對雙弧的產(chǎn)生造成影響。噴嘴本身冷卻效果和表面沾粘物會引起臨界電流改變；噴嘴冷卻不良，溫度提高，冷氣膜減薄，易產(chǎn)生雙??；噴嘴表面有氧化物或金屬飛濺物時，使臨界電流降低，會導(dǎo)致產(chǎn)生雙弧。如等離子粉末堆焊時，噴嘴上粘附粉末，會形成雙弧。適當(dāng)增大噴嘴直徑，減小孔道長度和內(nèi)縮量，保證鎢極和噴嘴的同心度，可防止雙弧形成。適當(dāng)增加氣流量，隔熱絕緣作用增強(qiáng)，雙弧形成可能性減小。采用切向進(jìn)氣，使外圍氣體密度高于中心區(qū)域，提高冷氣膜厚度，可有效防止雙弧的形成。采用陡降外特性電源，也有利避免產(chǎn)生雙弧。圖3 等離子弧的雙弧現(xiàn)象7等離子電弧焊接設(shè)備與焊接參數(shù)7.1等離子電弧焊接設(shè)備的組成等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊和自動焊兩類。手工焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、控制電路、氣路和水路等部分組成。自動焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉(zhuǎn)動夾具）、控制電路、氣路及水路等部分組成。焊接電源下降或垂直下降特性的整流電源或弧焊發(fā)電機(jī)均可作為等離子弧焊接電源。用純氫作為離子氣時，電源空載電壓只需65-80V；用氫、氫混合氣時，空載電壓需大電流等離子弧都采用等離子弧，用高頻引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后轉(zhuǎn)移成轉(zhuǎn)移弧。30A以下的小電流微束等離子弧焊接采用混合型弧，用高頻或接觸短路回抽引弧。由于非轉(zhuǎn)移弧在非常焊接過程中不能切除因此一般要用兩個獨(dú)立的電源。氣路系統(tǒng)等離子弧焊機(jī)供氣系統(tǒng)應(yīng)能分別供給可調(diào)節(jié)離子氣、保護(hù)氣、背面保護(hù)氣。為保證引弧和熄弧處的焊接質(zhì)量，離子氣可分兩路供給，其中一路可經(jīng)氣閥放空，以實(shí)現(xiàn)離子氣流衰減控制?？刂葡到y(tǒng)手工等離子弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)比較簡單，只要能保證先通離子氣和保護(hù)氣，然后引弧即可。自動化等離子弧焊機(jī)控制系統(tǒng)通常由高頻發(fā)生器、小車、填充焊口逆進(jìn)拖動電路及程控電路組成。程控電路應(yīng)能滿足提前送氣、高頻引弧和轉(zhuǎn)弧、離子氣遞增、延遲行走、電流和氣流衰減熄弧。延遲停氣等控制要求。一種新開發(fā)的用于等離子弧焊的焊矩系統(tǒng)，采用反極性電極和選用100-200A焊接電流可以經(jīng)濟(jì)有效地焊接鋁制零件，焊接質(zhì)量很好。7.2等離子焊接重要參數(shù)1.焊接電流在等離子焊接過程中，最重要的工藝參數(shù)是焊接電流，隨著焊接電流的增加，等離子弧能量增大，熔化和穿透能力增加。在堆焊過程中如果電流過小，填充金屬不易熔化，堆焊層與工件無法形成良好的冶金結(jié)合，電弧不穩(wěn)定，容易造成氣孔、夾雜及未熔合等多種缺陷。反之，如果電流過大，工件熔化過較多，在增加稀釋率的同時，增加了堆焊材料的燒損，降低堆焊層硬度；此外，由于較大的熱輸入量，工件還易燒穿焊壞，造成保護(hù)不良、氧化物多、咬邊等嚴(yán)重的焊接缺陷，影響堆焊質(zhì)量。2.電弧電壓電弧電壓過低時，不易引燃電弧，電弧較軟，穿度能力弱，不過電弧電壓小可以減小母材對于焊接材料的稀釋率。電弧電壓過高，溫度升高，沖淡率也增加，不易焊接，難于掌控，不過電壓過高，容易引弧。3.氣體的作用及流量（1)氣體作用 氬氣在堆焊過程中起輸送焊粉、引燃電弧和保護(hù)電弧穩(wěn)定燃燒的作用，在噴嘴內(nèi)壁和弧柱之間起堆焊熱源的作用，并對電弧進(jìn)行壓縮，增加能量集中度。氬氣作為電離介質(zhì)與電弧的熱導(dǎo)體，起熔化堆焊粉末和基材金屬作用，并保護(hù)鎢極、堆焊層和工件在堆焊過程中不被氧化，因此對氣體純度要求較高，以保證電弧穩(wěn)定燃燒，提供良好的攜熱性能，同時氬氣對鎢極和工件與噴嘴沒有腐蝕作用。(2)氣體流量 氣體流量包括離子氣、保護(hù)氣和送粉氣，在堆焊過程中需要對其分別進(jìn)行控制。進(jìn)氣口直徑一般為6-8mm，調(diào)節(jié)氣體流量時，如果流量過大，容易使電弧噴射速度加快，弧流沖力過大造成翻渣現(xiàn)象，易把噴嘴燒壞。氣體流量過小，對電弧壓縮能力減小，電弧軟弱無力，堆焊熱量減少。氣體流量對焊接質(zhì)量影響較大，因此需要慎重選擇。4.焊接速度焊接速度是影響堆焊質(zhì)量的一個重要參數(shù)。在其他條件一定時，焊接速度增加，工件表面的熱輸入量減小。反之，如果焊速太低，會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，直接影響焊接質(zhì)量。焊接速度和焊接電流以及氣體流量之間8典型的等離子電弧焊接方法1、微束等離子弧焊：30A以下的熔透型等離子弧焊是指電流在30A以下的熔透型等離子弧焊，通常稱為微束等離子弧焊。為了保證小電流等離子弧的穩(wěn)定，一般采用混合型等離子弧。主要用于超薄件的焊接。2、熔透型等離子弧焊：15-200A它是采用較小的焊接電流和較小的離子氣流量，等離子弧在焊接過程中只熔化焊件不產(chǎn)生小孔效應(yīng)，焊接方法與鎢極氬弧焊很相似，焊接時可以不添加金屬，主要用于薄板（0.5-2.5mm）的焊接。3、穿透型等離子弧焊：100-300A又稱穿孔型焊接法，通過增加焊接電流和等離子氣流速度，可產(chǎn)生強(qiáng)有力的等離子束，利用它溫度高、能量密度強(qiáng)、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，焊接時等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流量的作用下形成一個穿透焊件的小孔（小孔背面露出等離子?。?，形成了正反面都有波紋的焊縫，即所謂的“小孔效應(yīng)”，焊接時一般不加金屬。適用于3-8mm的不銹鋼、12mm以下的鈦合金、2-6mm低碳鋼低合金鋼以及銅、黃銅和鎳及鎳合金的焊接。9等離子焊接技術(shù)的新進(jìn)展1957年出現(xiàn)了以等離子弧為焊接熱源的等離子弧焊接和切割，20世紀(jì)80年代以后，人民對現(xiàn)有的等離子弧焊接熱源方法進(jìn)行完善與更新，使之更為有效、方便、經(jīng)濟(jì)實(shí)用，例如采用兩種熱源疊加，如等離子加激光等。等離子弧焊接技術(shù)是現(xiàn)代焊接技術(shù)的重要組成部分，其應(yīng)用范圍幾乎涵蓋了所有焊接生產(chǎn)領(lǐng)域。隨著市場競爭日趨激烈，提高焊接生產(chǎn)率，保證焊接質(zhì)量，實(shí)現(xiàn)焊接生產(chǎn)現(xiàn)代化、智能化越來越得到生產(chǎn)企業(yè)的重視，而人工智能技術(shù)，計(jì)算機(jī)視覺技術(shù)、數(shù)字化信息處理技術(shù)、機(jī)器人技術(shù)等現(xiàn)代高新技術(shù)的融入，促使電弧焊接技術(shù)向著焊接工藝高效化、焊接電源控制數(shù)字化、焊接質(zhì)量控制智能化、焊接生產(chǎn)過程機(jī)器人化的方向發(fā)展。49.1變極性等離子焊接技術(shù)變極性等離子弧焊是針對鋁合金焊接開發(fā)的，能夠有效破碎Al2O3氧化膜。采用立焊時，能夠讓熔池中形成的氣孔充分逸出，焊接質(zhì)量比一般氣體保護(hù)焊要好。鋁合金變極性穿孔等離子弧焊接的方法和工藝是人們在生產(chǎn)和實(shí)驗(yàn)研究的基礎(chǔ)上提出的，與其它的熔化極焊接方法相比，它既能夠滿足交流焊鋁的陰極清理作用，又能夠?qū)㈡u極的燒損減少到最低。穿孔型等離子弧焊接壓縮電弧能量集中，穿透力很強(qiáng)。5鋁合金變極性小孔等離子弧焊接有以下優(yōu)點(diǎn)1.正極性的高加熱能力，熱量輸入較大，改善接頭的性能，減少焊接變形；2.反極性的高效清理特性，減少焊前準(zhǔn)備工作；3.焊縫無氣孔，減少返修工作量；4.2-20mm厚接頭一次完全焊透，實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形9.2粉末等離子弧焊堆焊等離子弧焊堆焊包括冷絲、熱絲和粉末三種。其中粉末等離子弧焊堆焊是利用等離子弧作為熱源，將粉末狀合金材料融化成堆焊層的方法。粉末等離子弧焊堆焊具有生產(chǎn)效率高、堆焊層稀釋率低，堆焊質(zhì)量高等優(yōu)點(diǎn)。粉末等離子堆焊技術(shù)的水平提高和應(yīng)用擴(kuò)大，已開始向大型機(jī)械全數(shù)字化發(fā)展。主要體現(xiàn)在大型精密操作機(jī)械裝備的持續(xù)涌現(xiàn)。大型精密操作機(jī)械配備大功率等離子堆焊系統(tǒng)，在數(shù)字化主機(jī)的控制下能夠完成復(fù)雜高效的堆焊任務(wù)。粉末等離子堆焊技術(shù)的應(yīng)用已擴(kuò)大到大型工件，其裝備正向大型機(jī)械全數(shù)字化方向發(fā)展。9.3活性等離子弧焊活性等離子弧焊是采用在工件表面涂覆活性劑的方法，進(jìn)行等離子弧焊接。6活性等離子弧焊用活性劑的主要成分是TiO2 Cr2O3 ZrO2 CaF2等。使用時首先將活性劑粉末用丙酮調(diào)和成溶液，然后用扁平毛刷將其均勻地涂覆在工件表面。9.4等離子弧-MIG焊等離子弧-MIG焊也被稱為熔化極等離子弧焊，可以看做等離子弧焊與MIG焊的組合，它由兩臺獨(dú)立焊接電源和熔化極等離子焊槍組成。焊接參數(shù)均可以叫調(diào)節(jié)。與普通的MIG焊接相比，焊絲融化快、效率高、陰極霧化有清除氧化膜的作用、飛濺小、焊縫表面光滑，沒有裂紋、氣孔等缺陷。水冷銅嘴結(jié)構(gòu) 鎢棒結(jié)構(gòu)圖4 等離子弧-MIG焊9.5磁控等離子弧堆焊 磁控等離子弧堆焊是在堆焊中外加橫向交變磁場。橫向交變磁場的磁力線橫向