等离子弧摆动控制研究16MnR低温钢板材焊接工艺设计论文.docx

16MnR低温钢板材焊接工艺设计16M钢焊接坡口设计与焊缝质量控制
等离子弧摆动控制研究
目 录
Abstract …………………………………………………………………………………2一、
等离子弧焊的特点及应用……………………………………………………4
二、等离子弧生器………………………………………………………………………5
（一）等离子弧的分类与组成………………………………………………………5
（二）双弧及其防止措施………………………………………………………………6
三、等离子弧焊焊接工艺…………………………………………………………………7
（一）等离子弧焊的基本方法……………………………………………………………8
（二）熔入型等离子弧焊接………………………………………………………………8（三）微束等离子弧焊接…………………………………………………………………8
四、焊接工艺及参数 ……………………………………………………………………8
五、等离子弧焊安全操作规程………………………………………………………………9
六、最新研究发展动态………………………………………………………………………10
七、参考文献…………………………………………………………………………………11
致谢 ………………………………………………………………………………………12

摘 要

等离子弧焊与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
关键词:金属艺术 焊接 等离子弧焊 压缩

Plasma arc welding and TIG welding are very similar, they are in the arc two-foot-long tungsten electrode and workpiece formed between. However, through the welding torch placing electrode, can be plasma arc from protection gas airbag isolated, then push plasma pass good copper nozzle will arc compression. By changing the hole diameter and plasma flow speed
Keywords: plasma arc welding metal art compressed

一、等离子弧焊接

1、掌握等离子弧的产生原理及特点
2、了解等离子弧发生器的结构
3 掌握等离子弧焊接的几种主要的工艺形式及特点
4、等离子弧的热源特点、等离子弧的静特性；
5、等离子弧的焊接工艺参数的选择；
1.等离子弧焊接特点
（一）、等离子弧的形成
1、掌握等离子弧的产生原理及特点2、了解等离子弧发生器的结构3 掌握等离子弧焊接的几种主要的工艺形式及特点4、等离子弧的热源特点、等离子弧的静特性；5、等离子弧的焊接工艺参数的选择；
2.等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度、温度及电弧力。等离子弧是通过三种压缩作用获得的；机械压缩水冷铜喷嘴孔径限制弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压缩；喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩；由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大，使电弧受到进一步的压缩，这就是电磁压缩。
（二）、等离子弧的类型
1.非转移型电弧。非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。2.转移型电弧。转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于焊接较厚的金属。3.联合型电弧，弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此适合于薄板及超薄板的焊接。等离子焊与氩弧焊的比较通过水冷喷嘴压缩电弧电弧集中热影响区小3 -10 mm的板不用开坡口可以焊接穿空效应，接速度快，焊件变形小，焊缝成型美观，面焊接无需打底，不需复杂的焊前准备。

三）、等离子弧焊的特点及应用
由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性，因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点：
1) 熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8~10mm厚的不锈钢板；
2) 焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于电弧的形态接近圆柱形，且挺直度好，弧长变化对加热斑点面积的影响很小，易获得均匀的焊缝形状；
3) 钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不会与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象；
4) 等离子电弧的电离度较高，电流较小时仍很稳定，可焊接微型精密零件；
5) 可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。
等离子弧焊的缺点是：
1) 可焊厚度有限，一般在25mm以下；2) 焊枪及控制线路较复杂，喷嘴的使用寿命很低；3) 焊接参数较多，对焊接操作人员的技术水平要求较高。可用钨极氩弧焊焊接的金属，比如不锈钢、铝及铝合金、钛及钛合金、镍、铜、蒙耐尔合金等，均可用等离子弧焊焊接。这种焊接方法可用于航天、航空、核能、电子、造船及其它工业部门中。
二、等离子弧生器
（一）等离子弧的分类与组成
1.等离子焊枪、喷枪主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极。喷嘴分类孔道的数量，可分为单孔型和三孔型两种。三孔型喷嘴除了中心主孔外，主孔左右还有两个小孔。从这两个小孔中喷出的等离子气对等离子弧有一附加压缩作用，使等离子弧的截面变为椭圆形。当椭圆的长轴平行于焊接方向时，可显著提高焊接速度，减小焊接热影响区的宽度。按孔道的形状，可分为圆柱型及收敛扩散型等两种。通常采用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。

最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度喷嘴孔径dn dn决定了等离子弧的直径及能量密度。通常应根据焊接电流大小及等离子气种类及流量来选择。直径越小，对电弧的压缩作用越大，但太小时，等离子弧的稳定性下降，甚至导致双弧现象，烧坏喷嘴。 2) 喷嘴孔道长度l0 在一定的压缩孔径下，l0越长，对等离子弧的压缩作用越强，但l0太大时，等离子弧不稳定。通常要求孔道比l0 /dn在一定的范围之内，3)锥角a对等离子弧的压缩角影响不大，30~°180°范围内均可，但最好与电极的端部形状配合，保证将阳极斑点稳定在电极的顶端

2、 电极，子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用锆钨极或锆电极。钨极一般需要进行水冷，小电流时采用间接水冷方式，钨极为棒状电极；大电流时，采用直接水冷，钨极为镶嵌式结构。
棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形，电流较大时还可磨成球形，以减少烧损。与TIG焊不同，等离子焊时，钨极一般内缩到压缩喷嘴之内，从喷嘴外表面至钨极尖端的距离被称为内缩长度lr。为了保证电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心，而且钨极的内缩长度lr要合适（lr=l0±0.2mm）。

（二）双弧及其防止措施
正常条件下，转移型电弧在钨极与工件之间产生，在某些异常情况下，会产生一个与正常电弧并联的燃烧在钨极–喷嘴以及喷嘴-工件之间的串弧，这种现象叫双弧。

三、等离子弧焊焊接工艺
（一）、等离子弧焊的基本方法
有三种方法：穿孔型、熔入型及微束等离子 弧焊。穿孔型等离子弧焊采用较大的焊接电流及等离子流，使等离子弧具有较大的能量密度及等离子流力，工件完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个贯穿工件的小孔，而熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧在焊接方向移动，熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动并结晶成焊缝，而小孔随着等离子弧向前移动。适用于单面焊双面成形，并且也只能进行单面焊双面成形。焊接较薄的工件时，可不开坡口、不加垫板、不加填充金属，一次实现双面成形。小孔的产生依赖于等离子弧的能量密度，板厚越大，要求的能量密度越大，对于厚度更大的板材，穿孔型等离子弧焊只能进行第一道焊缝的焊接。
（二） 熔入型等离子弧焊接
采用较小的等离子气流量，等离子流力小，电弧穿透能力低。特点只能熔化工件，形不成小孔，与TIG焊相似。适用于薄板、多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接。
（三）微束等离子弧焊接 一种电流（通常小于30A）熔入型焊接工艺。设备特点：小孔径压缩喷嘴（0.6 mm ~ 1.2 mm）联合型电弧。非转移弧起着引弧和维弧作用，使转移弧在电流小至0.5A时仍非常稳定。
四、焊接工艺及参数
工艺特点：1) 可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm;2) 弧长在很大的范围内变化时，也不会断弧，并且电弧保持柱状；3) 焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。焊接缺陷

五、等离子弧焊安全操作规程
1.应检查并确认电源、气源、水源无漏电、漏气、漏水，接地或接零安全可靠。2.小车、工件应方在适当位置，并应适工件和切割电路正极接通，切割工作面下应设有溶渣坑。3.应根据工件材质、种类和厚度选定喷嘴孔径，调整切割电源、气体流量和电极的内缩量。4.自动切割小车应经空车远转，并选定切割速度。5.操作人员必须戴好防护面罩、电焊手套、帽子、滤膜防尘口罩和隔音耳罩。不戴防护镜的人员严禁直接观察等离子弧，裸露的皮肤严禁接近等离子弧。6.切割时，操作人员应站在上风处操作。可从工作台下部抽风，并宜缩小操作台上的敞开面积。7.切割时，当空载电压过高时，应检查电器接地、接零和割炬手把绝缘情况，应将工作台与地面绝缘，或在电气控制系统安装空载断路断电器。8.高频发生器应设有屏蔽护罩，用高频引弧后，应立即切断高频电路。9.使用钍、钨电极应符合JGJ33-2001第12.7.8条规定。10.切割操作及配合人员必须按规定穿戴劳动防护用品。并必须采取防止触电、高空坠落瓦斯中毒和火灾等事故的安全措施。11.现场使用的电焊机，应设有防雨、防潮、防晒的机棚，并应装设相应的消防器材。12.高空焊接或切割时，必须系好安全带，焊接切割周围和下方应采取防火措施，并应有专人监护。13.当需施焊受压容器、密封容器、油桶、管道、沾有可燃气体和溶液的工件时，应先消除容器及管道内压力，消除可燃气体和溶液，然后冲洗有毒、有害、易燃物质；对存有残余油脂的容器，应先用蒸汽、碱水冲洗，并打开盖口，确认容器清洗干净后，再灌满清水方可进行焊接。在容器内焊割应采取防止触电、中毒和窒息的措施。焊、割密封容器应留出气孔，必要时在进、出气口处装设备通风设备；容器内照明电压不得超过12V，焊工与焊件间应绝缘；容器外应设专人监护。严禁在已喷涂过油漆和塑料的容器内焊接。14.对承压状态的压力容器及管道、带电设备、承载结构的受力部位和装有易燃、易爆物品的容器严禁进行焊接和切割。15.雨天不得在露天电焊。在潮湿地带作业时，操作人员应站在铺有绝缘物品的地方，并应穿绝缘鞋。16.作业后，应切断电源，关闭气源和水源。

六、最新研究发展动态
    长期以来，采用穿孔等离子弧焊技术焊接更厚的材料，以及提高焊接过程稳定性一直是焊接研究人员积极致力的研究目标，近年来，国内外不断涌现关于等离子弧焊新工艺、新技术的研究报道，下面介绍几例。等离子弧点焊英国考文垂大学先进连接中心研究人员与美洲虎汽车厂的专家，联合开发研制了一种新型等离子弧点焊系统，用于焊接轿车底盘，焊点位置比较特殊，常规电阻点焊机器人手臂无法进入，与电阻点焊相比较，该系统具有以下几个特点： (1)焊枪重量大大降低，电阻点焊机头重量大于80kg，而等离子弧点焊焊枪重量小于10kg，大大降低了机器人操作臂的运动惯性，当变换焊接位置时，机器人操作臂的运动速度大幅度提高；(2)等离子弧点焊接头的拉伸强度和疲劳强度大大提高；(3)在焊接结构一侧施焊，焊枪运动的空间位置几乎不受限制；(4)焊接过程可实现计算机控制，可选择32种焊接程序，根据焊件厚度的不同连续控制焊接电压和电流，保持稳定的电弧功率；(5)等离子弧点焊焊点直径大约7mm，要比电阻点焊的焊点直径大2倍；(6)生产效率低于电阻点焊，对于2块1.Omm厚的板，焊1个点，电阻点焊时间大约为0.35s，而等离子弧点焊为O.7s；三重气体等离子弧焊美国NASA宇航局马歇尔宇航中心开发了一种新型等离子弧焊方法，称之为三重气体等离子弧焊(ternarygas plasma arc welding)，并于1995年5月申请了美国专利2，与常规等离子弧焊相比，这种新方法在焊枪上作了重大革新(见图3)：钨极为管状空心结构，中间通人惰性气体，因而在焊枪中存在三重气体。从钨极中间通人的气体与环绕钨极的离子气联合作用，有助于得到更挺直、更稳定的等离子弧，采用这种焊枪进行焊接，焊缝和HAZ的宽度减小了，熔深的可控性加大了，在相对低的热输入条件下可以焊接更厚的材料。真空等离子弧焊 成都电焊机研究所开展了真空磁压缩等离子弧焊实验研究，指出使用真空磁压缩等离子弧作为热源，可以焊接一般金属和活性金属，熔透能力超过大气电弧，通过调节磁场强度，可以改变电弧的能量分布；美国的G． Aston在1998年召开的第5届国际焊接研究发展趋势会议上，发表了无电极真空等离子弧焊研究的学术论文，这种新方法利用现有的等离子弧焊设备，可以焊接异种金属，尤其适用于焊接多种宇航合金及高温金属，焊缝缺陷率大大降低，焊接质量显著提高该项技术已被NASA宇航局马歇尔宇航中心列入太空焊接研究课题之一。

致谢
感谢我的老师李琨!本论文从选题构思、资料收集到修改定稿，无不凝聚着老师的心血。正是老师的辛勤劳动，我才有了今天的成绩!古语有云“师者，传道，授业，解惑者也”， 李琨老师广泛渊博的学识、严谨细致的治学态度、一丝不苟的工作作风和积极进取的事业精神，都使我受益匪浅。李琨老师的悉心教诲，使我在学术专业方面有了一定的提高，更为重要的是，老师在治学为人上的那份执著和热诚，也深深地影响着我，并将鼓励我在未来的路上不断地探索前进!
感谢所有给以我支持和帮助的朋友、同学们!
最后，感谢在百忙之中审阅本文的专家、老师们!谢谢大家!

参考文献
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