等离子弧加工原理

等离子弧切割与焊接是现代科学领域中的一项新技术。它是利用温度高达15000~30000℃的等离子弧来进行切割和焊接的工艺方法。这种新的工艺方法不仅能对一般材料进行切割和焊接，而且还能切割和焊接一般工艺方法难以加工的材料。 电弧就是中性气体电离并维持放电的现象。若使气体完全电离，形成全部由带正电的正离子和带负电的电子所组成的电离气体，就称为等离子体。

一般的焊接电弧是一种自由电弧，弧柱的截面随功率的增加而增大，电弧中的气体电离不充分，其温度被限制在5730~7730℃。若在提高电弧功率的同时，对自由电弧进行压缩，使其横截面减小，则电弧中的电流密度就大大提高，电离度也随之增大，几乎达到全部等离子状态的电弧叫等离子弧。

对自由电弧进行的压缩作用称为压缩效应。压缩效应有如下三种形式：

1）、机械压缩效应

在钨极（负极）和焊件（正极）之间加上一个高电压，使气体电离形成电弧，当弧柱通过特殊孔形的喷嘴的同时，又施以一定压力的工作气体，强迫弧柱通过细孔，由于弧柱受到机械压缩使横截面积缩小，故称为机械压缩效应。

2）、热收缩效应

当电弧通过喷嘴时，在电弧的外围不断送入高速冷却气流（氮气或氢气等）使弧柱外围受到强烈冷却，电离度大大降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，导致导电截面进一步缩小，这时电弧的电流密度大大增加，这就是热收缩效应。

3）、磁收缩效应

由于电流方向相同，在电流自身产生的电磁力作用下，彼此互相吸引，将产生一个从弧柱四周向中心压缩的力，使弧柱直径进一步缩小。这种因导体自身磁场作用产生的压缩作用叫“磁收缩效应”。电弧电流越大，磁收缩效应越强。

自由电弧在上述三种效应作用下被压缩得很细，在高度电离和高温条件下，电弧逐渐趋于稳定的等离子弧。

（1）切割用等离子弧切割时只采用直流正接的电流极性，即工件接电源的正极。切割电流范围：30~1000A。

（2）焊接

1）直流正接 大多数焊接工艺采用直流正接极性电流，如焊合金钢、不锈钢、钛合金及镍基合金等。电流范围：0.1~500A。

2）直流反接 电极接电源正极的反接极性电流用于焊接铝合金。由于这种方法钨极烧损严重且熔深浅，仅限于焊接薄件，电流不超过100A。

3）正弦交流 正弦交流电流用来焊铝镁合金，利用正接极性电流获得较大的熔深而用反接极性电流清理工件表面的氧化膜，电流范围：10~100A。为防止反接极性电弧熄灭，焊接设备需有稳弧装置，由于存在焊缝深宽比小及钨极烧损等问题，这种方法趋于被方波交流电流取代。

4）变极性方波交流 变极性方波交流电流是正反接极性电流及正、负半周时间均可调的交流方形波电流。用变极性方波交流等离子弧焊铝、镁合金时可获得较大的焊缝深宽比及较少的钨极烧损。

按电极的不同接法，等离子弧分为转移型弧、非转移型弧、联合型弧三种。

电极接负极、喷嘴接正极产生的等离子弧称为非转移型弧。用于焊接或切割较薄的材料。

电极接负极、焊件接正极产生的等离子弧称为转移型弧。适用于焊接、堆焊或切割较厚的材料。

电极接负极、喷嘴和焊件同时接正极．则非转移弧和转移弧同时存在，称为联合型弧。适用于微弧等离子焊接和粉末材料的喷焊。

等离子弧按导电方式可分为非转移型、转移型和混合型3种（见图1）。它们的区别主要是：非转移型的电源正极接喷嘴，而转移型电源正极接工件（一般先按非转移型接线产生等离子弧后再过渡到转移型）,混合型的电源正极同时接喷嘴和工件。这3种方式一般都使用具有直流陡降外特性的电源。空载电压高低与使用的气体有关，若使用氩时，空载电压为65～100伏，而使用氮或氢时为250～400伏。

转移型等离子弧温度高(10000～52000℃）,有效热利用率高，主要用于切割、焊接(见等离子弧焊)和熔炼金属。切割的金属有铜、铝及其合金、不锈钢、各种合金钢、低碳钢、铸铁、钼和钨等。常用的切割气体为氮或氢氩、氢氮、氮氩混合气体。常用的电极为铈钨或钍钨电极，采用压缩空气切割时使用的电极为金属锆或铪。使用的喷嘴材料一般为紫铜或锆铜。切割不锈钢、铝及其合金的厚度一般为 3～100毫米，最大厚度可达250毫米。70年代后，又发展了双层气体等离子弧切割、笔式微束等离子弧切割和水压缩等离子弧切割等，这些方法能减小工件的切缝宽度，提高切割质量。

非转移型等离子弧温度最高可达18000℃,主要用于工件表面喷涂耐高温、耐磨损、耐腐蚀的高熔点金属或非金属涂层，也可以切割薄板金属材料，还可以作为金属表面热处理的热源。混合型等离子弧主要用于微束等离子弧焊接和粉末堆焊。

按焊缝成形原理，等离子弧有两种基本焊接方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊，其中30A以下的熔透型等离子弧焊又可称为微束等离子弧焊。

（1）小孔型等离子弧焊利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称小孔型等离子弧焊，亦称穿透性焊接法。

1）小孔法原理在对一定厚度范围内的金属进行焊接时，适当地配合电流、离子气流及焊接速度三个工艺参数，等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔，如图5。小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡。焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并遂渐凝固成焊缝。 小孔法焊接的主要优点在于可以单道焊接厚板，板厚范围：1.6~9mm。小孔法一般仅限于平焊；然而，对于某些种类的材料，采取必要的工艺措施，用小孔法可实现全位置焊接。

2）焊接特点 小孔法焊接所具有的优点是：

a、孔隙率低。

b、由于小孔法产生较为对称的焊缝，焊接横向变形小。

c、由于电弧穿透能力强，对厚板可实现单道焊接。

d、不开坡口实现对接焊，焊前对工件坡口加工量减少。

小孔法的缺点是：

a、焊接可变参数多，规范区间窄。

b、厚板焊接时，对操作者的技术水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接。

c、焊枪对焊接质量影响大，喷嘴寿命短。

d、除铝合金外，大多数小孔焊工艺仍限于平焊位置。

（2）熔透型等离子弧焊 焊接过程过程中，只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子弧焊方法，又称熔透型焊接法。

1）熔透法原理 当离子气流量较小，弧柱受压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与氩弧焊类似。主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

2）微束等离子弧焊 微束等离子通常采用联合弧。由于非转移弧的存在，焊接电流小至1A以下电弧仍具有较好的稳定性，能够焊接细丝及箔材。这时的非转移弧又称维弧，而用于焊接的转移弧又称主弧。

3）焊接特点与GTAW焊相比，熔透法等离子弧焊具有优点是：

a、电弧能量集中，因此焊接工艺具有焊接速度快；焊缝深宽比大，截面积小；薄板焊接变形小，厚板焊接缩孔倾向小及热影响区窄等优点。

b、电弧稳定性好。由于微束等离子弧焊接采用联合弧，电流小至0.1A时电弧仍能稳定燃烧，因此可焊超薄件，如厚度0.1mm不锈钢片。

c、电弧挺直性好。以焊接电流10A为例，等离子弧焊喷嘴高度（喷嘴到工件表面的距离）达6.4mm时，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm（弧长大于0.6mm后稳定性变差）。钨极氩弧的扩散角约45°，呈圆锥形，工件上的加热面积与弧长成平方关系，只要电弧长度有很小变化将引起单位面积上输入热量的较大变化。而等离子弧的扩散角仅5°左右基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小，所以等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。

d、由于等离子弧焊的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。

与GTAW焊相比，熔缝法的主要缺点是：

a、由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。

b、焊枪结构复杂，加工精度高。焊枪喷嘴对焊接质量有着直接影响，必需定期检查、维修，及时更换。

（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。

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。 切割用枪无保护气体2及保护气罩6。压缩喷嘴5是等离子枪的关键部件，一般需用水冷。喷嘴孔径dn及孔道长度l0是压缩喷嘴的两个主要尺寸。喷嘴内通的气体称离子气。中性的离子气在喷嘴内电离后使喷嘴内压力增加，所以喷嘴内壁与电极4之间的空间称增压室。电离了的离子气从喷嘴流出时受到孔径限制，使弧柱截面变小，该孔径对弧柱的压缩作用称机械压缩。水冷喷嘴内壁表面有一层冷气膜，电弧经过孔道时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面使弧柱有效截面进一步收缩，这种收缩称热收缩。弧柱电流自身磁场对弧柱的压缩作用称磁收缩。在机械压缩与热收缩的作用下，弧柱电流密度增加，磁收缩随之增强，如电流不变，弧柱电场强度及弧压降都随电流密度增加而增加，所以等离子弧（也称压缩电弧）的电弧功率及温度明显高于自由电弧。图2a所示的对比中，等离子弧的电弧温度比自由电弧高30%，电弧功率高100%。

由于电离后的离子气仍具有流体的性质，受到压缩从喷嘴孔径喷射出的电弧带电质点的运动速度明显提高（可达 300m/s），所以等离子弧具有较小的扩散角及较大的电弧挺度，这也是等离子弧最突出的优点。电弧挺度是指电弧沿电极轴线的挺直程度。

等离子弧具有的电弧力、能量密度及电弧挺度等与加工有关的物理性能取决于下列五个参数：

1）电流；

2）喷嘴孔径的几何尺寸；

3）离子气种类；

4）离子气流量；

5）保护气种类；

调整以上五个参数可使等离子弧适应不同的加工工艺。如在切割工艺中，应选择大电流、小喷嘴孔径、大离子气量及导热好的离子气，以便使等离子弧具有高度集中的热量及高的焰流速度。而在焊接工艺中，为防止焊穿工件则应选择小的离子气量及较大的喷嘴孔径。

1、母材凡氩弧焊能够焊接的材料均可用等离子弧焊接，如碳钢、耐热钢、钛合金、铜合金、铝合金以及镁合金等。

除铝、镁及其合金外，其余材料均采用直流正接法焊接：铝、镁及其合金采用交流或直流反接法焊接。直流正接等离子弧单道可焊材料厚度范围一般为0.3—6.4mm。交流变极性等离子弧单道可焊铝合金厚度可达12.7mm(小孔法)。

等离子弧焊接的冶金过程与氩弧焊相同，只是由等离子弧具有较小的弧柱直径，焊接时母材熔化量少，所以焊缝深宽比大、热影响区窄。每一种母材金属焊接时对预热、后热以及气体保护等工艺要求与氩弧焊相同。

2、填充金属与氩弧焊一样，等离子弧焊工艺可以使用填充金属。填充金属一般制成光焊丝或者光焊条。自动焊使用光焊丝作填充金属，手工焊则用光焊条作填充金属。填充金属的主要成分与被焊母材相同。

3、气体等离子焊枪有两层气体，即从喷嘴流出的离子气及从保护气罩流出的保护气。有时为了增强保护，还需使用保护拖罩及通气的背面垫板以扩大保护气的保护范围。对钨极应该是惰性的；以免钨极烧；护气对母材一般是惰性的，但如果类取决于被焊金属，可供选择的气体有：

1)Ar气Ar气用于焊接碳钢、高强度钢及活性金属，如钛、钽及锆合金。焊接这些金属所用的气体中，即使含有极小量的H，也可能导致焊缝产生气孔、裂纹或降低力学性能。

2)Ar-H2混合气焊接奥氏体不锈钢、镍合金及铜镍合金时，允许使用Ar-H2混合气体。

Ar气中填加H2气可提高电弧温度及电弧电场强度，能够更有效地将电弧热量传递给工件，在给定的电流条件下可以得到较高的焊接速度。同时，H2具有还原性，使用Ar-H2混合气体可以获得更光亮的焊缝外观。但H2含量过多焊缝易出现气孔及裂纹，一般φ(H2)限制在7.5%以下。然而，在小孔焊接工艺中，由于气体以充分逸出，加φ(H2)范围为5%一15%，工件越薄，允许H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不锈钢时，加φ(H2)为5%；而进行3.8mm不锈钢管道高速焊时，允许加φ(H2)达15%。”使用Ar-H2混合气体作离。混合气体作离子气时，由于电弧温度较高，应降低喷嘴孔径的额定电流。 3)Ar-He混合气He气也是—种惰性气体，当被焊工件不允许使用Ar-H2混合气时，可考虑使用Ar-He混合气。在Ar-He混合气体中，φ甲(He)超过40%以上电弧热量才能有明显的变化。φ(He)超过75%时，其性能基本与纯He相同，通常在Ar气中加入φ(He)=50%～75%进行钛、铝及其合金的小孔焊及在所有金属材料上熔敷焊道。

4)He气采用纯He作离子气时，由于弧柱温度较高，会降低喷嘴的热负载，会降低喷嘴的使用寿命及承载电流的能力，另外He气密度较小，在合理的离子气流量下难以形成小孔。所以，纯He仅用于熔透法焊接，如焊接铜。

5)Ar-C02混合气由于保护气体不与钨极接触，在小电流焊接低碳钢及低合金钢时，允许在保护气中添加适性气体，其流量在10~15L/min之内。如在Ar中加甲(C02)为25%作保护气焊接铁心叠片。 2100433B