等离子弧焊接和切割

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　　1.1等离子弧的产生：

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　　(1)等离子弧的概念：

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　　自由电弧：未受到外界约束的电弧，如一般电弧焊产生的电弧。

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　　等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。

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　　自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达105~106W/cm2，电弧温度可高达24000～5000K(一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在104W/cm2以下)能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。

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　　(2)等离子弧的产生

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　　在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。

　　①机械压缩效应(作用)——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。

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　　②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流(离子和电子)往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。

　　③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。

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　　电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。

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　　当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。

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　　1.2等离子弧焊接

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　　1.2.1基本知识

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　　用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。

　　焊接时离子气(形成离子弧)和保护气(保护熔池和焊缝不受空气的有害作用)均为氩气。

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　　等离子弧焊所用电极一般为钨极(与钨极氩弧焊相同，国内主要采用钍钨极和铈钨极，国外还采用锆钨极和锆极)，有时还需填充金属(焊丝)。一般均采用直流正接法(钨棒接负极)。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。

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　　1.2.2等离子弧焊接的分类：

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　　等离子弧焊可分为大电流等离子弧焊和微束等离子弧焊等

　　(1)大电流等离子孤焊：

　　有两种工艺：一种为穿孔型等离子弧焊，一种为熔入型等离子弧焊。

　　①穿孔型等离子弧焊：

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　　在等离子能量密度足够和等离子流力够大等条件下焊接，产生穿透小孔，熔化金属被排挤在小孔周围和后方，随着等离子弧前移，小孔也前移，该现象叫小孔效应。该焊接工艺方法称为穿孔型等离子弧焊。

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　　穿孔型离子弧焊可保证完全焊透，一般大电流等离子弧焊(100～300A)大都采用此方法。但穿孔效应只有在足够的能量密度条件下形成，且能量密度的提高受到限制，故该方法只能在有限板厚内进行——目前生产应用的板厚范围为：碳钢7mm，不锈钢8～10mm，钛10～12mm。

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　　该方法最适合于焊接3～8mm不锈钢，12mm以下钛合金，2～6mm低碳或低合金结构钢，以及铜、黄铜、镍及镍基合金的对接缝。

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　　②熔入型等离子弧焊——当离子气流量减小，穿孔效应消失时采用。

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　　该方法同一般钨极氩弧焊相似。

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　　该方法适用于薄板，多层焊缝的盖面及角焊缝，可填加或不填加焊丝，其优点为焊速较快。

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　　(2)微束等离子弧焊：指15A～30A以下的熔入型等离子弧焊

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　　微束等离子弧焊的等离子弧喷射速度和能量密度较小，比较柔和，可用于焊接0.025～2.5mm的箔材及薄板。

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　　1.2.3等离子弧焊接的特点及应用：

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　　特点：(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。

　　应用：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【MechNet】