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第七章 等离子弧焊接与切割
一、教学目的：
了解等离子体的概念及其形成原理
正确认识等离子弧的特性及应用
掌握等离子弧的双弧现象的产生原因及防止措施
掌握等离子弧焊操作方法
了解等离子弧焊的设备
理解等离子弧焊的工艺特点及参数选择
了解等离子弧堆焊的分类、原理及特点
了解等离子弧喷涂的原理及特点
掌握等离子弧切割的原理及特点
了解等离子弧切割的设备
理解等离子弧切割的工艺
了解其他的等离子弧切割方法
二、教学重点：
等离子弧焊的双弧现象的产生原因及防止措施
等离子弧焊的工艺特点及参数选择
等离子弧焊、等离子弧堆焊、等离子弧切割的原理及操作方法
三、教学难点：
离子弧的双弧现象的产生原因
等离子弧焊、等离子弧堆焊、等离子弧切割的原理及操作方法
四、参考学时数：
10学时，其中实训5课时
五、主要教学内容：
第一节 等离子弧的形成及其特性
一、等离子弧的形成
1、等离子弧
这种用外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是等离子弧。
2、等离子弧形成原理
目前广泛采用的方法是将钨极缩入喷嘴内部，并且在水冷喷嘴中通以一定压力和流量的离子气，强迫电弧通过喷嘴孔道，以形成高温、高能量密度的等离子弧。
在这个过程中，等离子弧受到了三种压缩作用：
（1）机械压缩效应（前提）
（2）热收缩效应（主要原因）
（3）电磁收缩效应（必然存在）
3、等离子弧的影响因素
影响等离子弧的主要因素有：
（1）等离子弧电流：电流越大，电流能量越高，被压缩的程度越大。
（2）喷嘴孔道形状和尺寸：喷嘴孔径直接影响电弧的压缩程度。
（3）离子气体的种类及流量：不同气体的热导率和热焓值不同，对电弧的冷却作用不同。一般H>N>Ar。
二、等离子弧的特性
1、温度高、能量密度大
2、等离子弧的能量分布均衡
3、等离子弧的挺度好，冲力大
4、等离子弧的静特性曲线仍接近于U形
5、等离子弧的稳定性好
三、等离子弧的类型及应用
1、非转移型等离子弧
形成原理：钨极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，焊件不接电源，电弧是在钨极与喷嘴孔壁之间燃烧的，在离子气流的作用下电弧从喷嘴孔喷出，电弧受到压缩而形成等离子弧（等离子焰）。
2、转移型等离子弧
形成原理：钨极接电源的负极、焊件接电源的正极，等离子弧燃烧于钨极于焊件之间。但这种等离子弧不能直接产生，必须先在钨极和喷嘴之间接通维弧电源，以引燃钨极与焊件之间的转移型等离子弧。
3、混合型等离子弧
原理：在工作过程中非转移型等离子弧和转移型等离子弧同时存在，则称之为混合型等离子弧。
四、等离子弧的双弧现象及防止
1、双弧现象及危害
双弧现象：在使用转移型等离子弧进行焊接或切割过程中，正常的等离子弧应稳定地在钨极与焊件之间燃烧，但由于某些原因往往还会在钨极和喷嘴及喷嘴和工件之间产生与主弧并列的电弧，这种现象就称为等离子弧的双弧现象。
双弧带来的危害主要表现在下列几个方面：
1）破坏等离子弧的稳定性。
2）双弧同时存在，减小了主弧电流，降低了主弧的电功率。
3）喷嘴受到强烈加热，容易烧坏喷嘴。
2、形成双弧的原因
一般认为，在等离子弧焊接或切割时，等离子弧弧柱与喷嘴孔壁之间存在着由离子气所形成的冷气膜。这层冷气膜由于铜喷嘴的冷却作用，具有比较低的温度和电离度，对弧柱向喷嘴的传热和导电都具有较强的阻滞作用。当冷气膜的阻滞作用被击穿时，绝热和绝缘作用消失，产生了双弧现象。
3、防止双弧的措施
双弧的形成主要是由于喷嘴结构设计不合理或工艺参数选择不当造成，因此防止双弧的措施有：
（1）正确选择电流
（2）选择合适的离子气成分和流量
（3）喷嘴结构设计应合理
（4）喷嘴的冷却效果
（5）喷嘴端面至焊件表面居里不能过小
表7-1 双弧产生的原因及防止措施
序号
原因
措施
1
在电流一定的条件下，喷嘴孔径太小或压缩孔道的长度过大
应匹配正确规格的喷嘴
2
等离子气体的流量过小
应适当增大等离子气体的流量
3
钨极轴线与喷嘴轴线之间的偏差过大；
使钨极轴线与喷嘴轴线对正
4
金属飞溅物堵塞喷嘴
清理喷嘴
5
电源的外特性不正确
选择陡降外特性的电源

第二节 等离子弧焊（PAW）
一、等离子弧焊的基本方法及应用
1、穿透型等离子弧焊（小孔型等离子弧焊）
原理：采用转移型等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透焊件的小孔，并从焊件的背面喷出部分等离子弧，熔化金属被排挤在小孔周围，依靠表面张力的承托而不会流失。随着焊枪的移动，小孔也跟着焊枪移动，液态金属逐渐收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波纹的焊缝。
2、熔透型等离子弧焊（溶入型焊接法）
熔透型等离子焊采用混合型等离子弧焊接的方法，在焊接过程中不形成小孔效应，焊件背面无尾焰，液态金属熔池在弧柱的下面，靠熔池金属的热传导作用熔透母材，实现焊透。
3、微束等离子弧焊
微束等离子弧焊通常采用混合型等离子弧，采用二哥独立焊接电源，一个向钨极与喷嘴之间的非转移弧供电，这个电弧称为维弧；另一个电源向钨极与焊件间的转移弧（主弧）供电，以进行焊接。焊接过程中两个电弧同时工作。
二、等离子弧焊设备
1、焊接电源
等离子弧焊设备一般采用具有陡降或垂直下降外特性的滞留弧焊电源。
2、焊枪
焊枪主要由电极，喷嘴，中间绝缘体，上、下焊枪，保护罩，水路，气路等组成。
3、气路系统
4、控制系统
等离子弧焊设备的控制系统一般包括高频引弧电路、拖动控制电路、延时电路和程序控制电路等部分、
三、等离子弧焊工艺
1、等离子弧焊的工艺特点
1）等离子弧焊的熔透能力强，焊接速度快，温度高，能量密度集中。
2）抗弧长波动能力好，焊缝成形美观。
3）等离子弧的稳定性好，可以焊接超薄焊件。
4）可以减少钨极烧损和防止焊缝夹钨。
2、等离子弧焊工艺
（1）接头形式
通常等离子弧焊的接头形式为I型对接接头、开单面V型和双面V型坡口的对接接头以及开单面U型坡口的对接接头。
（2）焊接参数的选择
1）喷嘴孔径
在焊接过程中，当焊件厚度增大时，焊接电流也应增大，但不能超过喷嘴的最大许用电流。
2）焊接电流
根据焊件的材质和厚度首先确定焊接电流，但
如果电流过小，可能会造成无法焊透焊件，焊接速度慢；
如果电流过大，可能会造成焊穿，甚至可能会引起双弧现象。
3）离子气种类及流量
目前应用最广的是氩气，适用于所有金属。也可适当加入一些其他气体来提高接头效率和改善接头质量。
离子气流量增加，等离子弧的冲力和穿透力都增大。
表7-2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
表7-3小电流等离子弧焊时常采用的保护气体（等离子气为氩气）
金属
厚度/mm
焊接工艺
穿孔法
熔透法
铝
<1.6
不推荐
Ar或He
>1.6
He
He
碳钢
（铝镇静钢）
<1.6
不推荐
Ar或75%Ar+25%He
>1.6
Ar或25%Ar+75%He
Ar或25%Ar+75%He
低合金钢
<1.6
不推荐
Ar，He或Ar+（1%~5%）H2
>1.6
25%Ar+75%He
或Ar+（1%~5%）H2
Ar，He或Ar+（1%~5%）H2
不锈钢
所有厚度
Ar，25%Ar+75%He
或Ar+（1%~5%）H2
Ar，He或Ar+（1%~5%）H2
铜
<1.6
不推荐
75%Ar+25%He
或 He或75% H2 +25% Ar
>1.6
He或25%Ar+75%He
He
镍合金
所有厚度
Ar，25%Ar+75%He
或Ar+（1%~5%）H2
Ar，He或Ar+（1%~5%）H2
活性金属
<1.6
Ar，He或25%Ar+75%He
Ar
>1.6
Ar，He或25%Ar+75%He
Ar或25%Ar+75%He

4）焊接速度
焊接速度直接影响到焊缝的热输入量，因此焊接速度取决于焊接电流和离子气流量。
5）喷嘴高度
喷嘴端面至焊件表面的居里为喷嘴高度。一般喷嘴高度应保持3～8mm较为合适。
6）保护气成分
大电流等离子弧焊时保护气应与离子气成分相同。
小电流等离子弧焊时保护气可以不同。
（3）等离子弧焊的缺陷及其防止
等离子弧焊的常见缺陷如表7-4所示
表7-4 常见缺陷及消除措施
缺 陷 类 型
产 生 原 因
预 防措 施
单 侧 咬 边
1.焊炬偏向焊缝一侧
2.电极与喷嘴不同心
3.两铺助孔编斜
4.接头错边量太大
5.磁偏吹
1．改正焊炬对中位置
2．调整同心度
3．调整辅助孔位置
4．加填充丝
5．改变地线位置
两 侧 咬 边
1.焊接速度太快
2.焊接电流太小
1．降低焊接速度
2．加大焊接电流
气 孔
1.焊前清理不当
2.焊丝不干净
3.焊接电流太小
4.填充丝送进太快
5.焊接速度太快
1．除净焊接区的油锈及污物
2．清洗焊丝
3．加大焊接电流
4．降低送丝速度
5．降低焊接速度
热 裂 纹
1.焊材或母材含硫量太高
2.焊缝熔深、熔宽较大，熔池太长
3．工件刚度太大
1．选用含硫低的焊丝
2．调整焊接工艺参数
3．预热、缓冷

第三节 等离子弧堆焊与喷涂
一、等离子弧堆焊
1、等离子弧堆焊原理及特点
等离子弧堆焊时利用等离子弧作热源将堆焊材料熔敷在基体金属表面上，从而获得与母材相同或不同成分、性能堆焊层的工艺方法。
等离子弧堆焊的基本原理与等离子弧焊接近似，也以转移型等离子弧作热源，多采用直流正极性接法。
等例子弧堆焊的优点有：
1）稀释率低且可以在5％～30％的较大范围调节。
2）熔敷速度较高。
3）填充金属的形态可以是丝，也可以是粉。
4）成本较低。
5）通过焊枪的摆动，可堆焊的范围宽，治疗好。
2、等离子弧堆焊设备
主要是由焊接电源、控制系统、等离子弧堆焊枪等组成。
3、等离子弧堆焊分类
根据堆焊材料的形态不同，等离子弧堆焊可分为填丝等离子弧堆焊及粉末等离子弧堆焊。
二、等离子弧喷涂
1、等离子弧喷涂的原理
等离子弧喷涂是利用等离子弧的高温、高速焰流，将粉末喷涂材料加热和加速后再喷射、沉积到工件表面上形成特殊涂层方法。
等离子弧喷涂的设备主要有：喷枪，电源，送粉器，冷却水供给系统，气体供给系统及控制系统等组成。等离子弧喷涂均采用直流电源，对电源的要求同等离子弧焊接。
2、等离子弧喷涂的特点
1）等离子弧温度高，可喷涂几乎所有材料，应用范围广。
2）喷涂层致密，结合强度高，喷涂生产率高。
3）用惰性气体保护，治疗好。
4）工件基体加热温度低，涂层稀释率很低。
5）涂层与工件表面呈机械结合，强度不高；涂层治疗主要依赖粉末材料。

第四节 等离子弧切割
一、等离子弧切割原理及特点
1、等离子弧切割原理
等离子弧切割的原理与氧气的切割原理有着本质的不同。等离子弧切割靠高温熔化来切割工件。
2、等离子弧切割特点
（1）切割速度快，生产率高
（2）切口质量好
（3）应用面广
二、等离子弧切割设备
等离子弧切割的设备与等离子弧焊接的设备大致相同。
1、等离子弧切割电源
2、割枪
3、控制系统
4、气路和水路系统
三、等离子弧切割工艺
1、切割工艺参数的选择
（1）离子气的种类和流量
（2）喷嘴
（3）空载电压
（4）切割电流和切割电压
（5）切割速度
（6）喷嘴高度
2、提高切割质的途径
（1）切口宽度和平直度
（2）切口毛刺的消除
（3）避免产生双弧
（4）大厚度工件的切割
1）适当提高切割功率
2）适当增大离子气流量
3）采用电流递增或分级转弧
4）切割前进行预热

Ø 金属切割实训（5课时），详见实训教案