文档库

最新最全的文档下载
当前位置:文档库 > 等离子弧焊接考试习题

等离子弧焊接考试习题

等离子弧焊接

1.何谓等离子弧?

等离子弧是利用等离子枪将阴极(如钨极)和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度及高能量密度的电弧。等离子枪的作用有些像消防水管前端的喷头,如没有这个喷头,喷出的水流速低,扬程小,加上喷头便极增大水的流速与扬程。等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊和切割。

2 等离子弧是如何产生的?

钨极氩弧焊所使用的电弧为自由电弧,利用等离子枪将自由电弧进一步压缩便形成等离子弧。焊枪的组成部分中压缩喷嘴是等离子弧焊枪的关键部件,一般需要水冷。喷嘴通的气体为离子气。一旦电弧引燃,中性的离子气便被电离。电离了的离子气从喷嘴孔径流出时受到喷嘴孔径的限制,使弧柱截面变小,电流密度增加。如电流不变,弧柱电场强度及电弧压降都随电流密度增加而增加,所以等离子弧的电弧功率及温度明显高于自由电弧。在所示的对比中,等离子弧的电弧温度比自由电弧高30%,电弧功率高100%。

3 有几种类型的等离子弧?

等离子弧按电源的供电方式有3种类型,分别是非转移型弧、转移型弧及联合型弧,其中非转移型弧和转移型弧是基本的等离子弧形式。

非转移型弧建立在电极与喷嘴之间,离子气强迫等离子弧从喷嘴孔径喷出,也称等离子焰。非转移型弧用于非金属材料的焊接与切割,也用于等离子喷涂。

转移型弧建立在电极与工件之间。一般要先引燃非转移弧,然后再将电弧转移到电极与工件之间,这时工作成为另一个电极,所以转移型弧能把较多的热量传递给工件。金属材料的焊接与切割一般多采用转移型弧。

非转移型弧与转移型弧同时存在的等离子弧称联合型弧。联合型弧需用两个独立电源供电,主要用于30A以下的微束等离子弧焊接。

4 有几种等离子弧焊接方法?

按焊缝成形原理,等离子弧有两种基本焊接方法:穿透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,穿透型等离子弧焊也称小孔型等离子弧焊。进行穿透型等离子弧焊时电弧在熔池前将工件穿透形成一个小孔,随着热源移动在小孔后形成焊道,主要用于厚度1.6~9mm 工件的单道焊接。熔透法焊接成形原理与氩弧焊类似,主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

5 何谓穿透型焊接,其应用特点是什么?

利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称穿透型等离子焊接,亦称小孔焊接法。其原理是:焊接时适当地配合电流、离子气流及焊接速度3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,焊枪前进时,在小孔后边并逐渐凝固成焊缝,穿透型等离子弧焊的主要优点在于可以单道焊接厚板,板厚围:1.6~9mm。穿透型等离子弧焊一般仅限于平焊,然而,对于某种类型的材料,采取必要的工艺措施,用穿透型等离子弧焊可以实现全位置焊接。

6 穿透型等离子弧焊接的主要优缺点是什么?

优点是:

1)气孔少。

2)由于穿透型等离子弧焊产生较为对称的焊缝,焊接横向变形小。

3)由于电弧穿透能力强,对厚板可实现单道焊接。

4)不开坡口实现对接焊,焊前对工件坡口加工量减少。

缺点是:

1)焊接可变参数多,参数区间窄。

2)厚板焊接是运载操作者的技术水平要求较高,并且穿透型等离子弧焊仅限于自动焊接。3)焊枪对焊接质量影响大,喷嘴寿命短。

4)除铝合金外,大多数穿透型等离子弧焊仍限于平焊位置。

7 何谓熔透型焊接,其应用特点是什么?

焊接过程中,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。熔透法要比穿透型等离子弧焊容易掌握,当离子气流量较小,弧柱压缩较弱时,等离子弧的穿透能力下降,弧柱只能熔化工件而不能产生小孔效应,焊缝盛开过程与氩弧焊类似,但焊接质量及焊接速度要优于氩弧焊。熔透法主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

8 进行等离子弧焊接时需要配备哪些设备?

按操作方式,等离子弧焊接工艺可分为手工操作及自动操作两类。进行手工操作时需配备等离子弧焊机、供气装置及冷却循环水装置。等离子弧焊机包括电源及焊枪。等离子弧焊机是以电流划分等级的,如20A、63A、200A等,用户可根据需要从市场购买。供气装置需为等离子弧焊枪提供离子气及保护气,在大多数焊接情况下,离子气与保护气的成分及流量不同,所以供气装置需有两套独立的供气系统,分别提供离子气及保护气。现多采用瓶装的高压气体作为供气气源。高压气源出口接减压流量计,将减压后的气体经气管输送到焊枪,调节流量计的旋钮可控制气流量的大小。减压流量计采用医用氧气减压流量计即可。冷却循环水装置为焊枪提供冷却水,由水泵及蓄水箱组成,为防止焊枪被水垢堵塞,最好采用去离子水(蒸馏水)。有的焊机自备冷却水装置,无须用户另行配备。手工操作设备输出电流围是0.1~225A。由于大电流焊接时弧光很强,焊枪也很烫,所以大电流焊接时需使用自动操作设备,自动操作设备的许用电流可高达 500A。自动操作与手工操作的区别在于焊枪不是人工操作而是将其固定在焊枪支架或者行走小车之上。如焊缝有填丝要求,自动操作设备还应增加送丝机。

9 大电流等离子弧焊设备与微束等离子弧焊设备有何区别?

按照焊接电流大小,等离子弧焊设备又可分为大电流等离子弧焊设备和微束等离子弧焊设备。大电流等离子弧焊设备常采用转移弧,设备中只有一套电源供电,而微束等离子弧焊设备常采用联合弧,需两套电源供电。

10 如何挑选等离子弧焊接设备?

挑选等离子弧焊接设备应从以下几个方面考虑:

被焊材料的性质。如被焊材料不是铝、镁及其合金,应选择直流等离子弧焊机。直流等离子弧焊机是指焊机的电源是直流的,焊接时电流的正极接工件,负极接焊枪中的钨电极,这种接法称直流正极性接法,是焊接工艺中应用最多的一种接线方法。

如果被焊材料是铝、镁及其合金,最好选用交流等离子弧焊机,交流等离子弧焊机的输

出电流时交变的。当输出电流的正极与钨极相连,负极与工件相连时,此时的极性称为反极性。反极性电流能够有效地清除铝、镁及其合金表面的氧化膜,只是焊缝熔深较浅。当输出电流转为正极性时,熔缝熔深增大。所以,使用交流等离子弧焊接铝、镁及其合金的目的是:利用正极性电流获得大熔深,利用反极性电流清除工件表面氧化膜。如使用直流等离子弧焊机采用直流反极性电流焊接铝、镁及其合金也是可以的,只是焊接时钨极烧损严重,焊缝成形差(熔深浅,熔宽大),所以只限于焊接薄板,电流不超过70A。

11 如何正确使用等离子弧焊接设备?

在购进等离子弧焊机时,应先仔细阅读厂商提供的使用说明书,按说明书的要求正确地连接电路、气路及水路。

电路包括焊机与电网的连线及焊机与焊枪的连线。在与电网连接时,应注意焊机的输入电压是380V还是220V,接错电网电压很容易烧毁焊机。使用大电流等离子弧焊机时,焊枪上的导线一端与钨极连接,另一端与焊机连接,如果是直流焊机,采用直流正极性工艺时应与焊机的负极连接。使用直流微束等离子弧焊机时,焊枪上有两根导线,其中一根导线与焊枪喷嘴连接,该导线的另一端与焊机维弧电源连接;而另一根导线的连接方式与大电流等离子弧焊机相同。

等离子弧焊接需要两路气,离子气及保护气,气路要将这两路气的气源与焊枪接通。由于焊机中有电磁阀控制气路的通断,所以在高压气瓶的减压阀与焊机的进气口之间以及焊机的出气口与焊枪之间要分别接通输气管。

焊枪需要循环水冷却,水路连通水源与焊枪,焊枪上有两根水管,分别接循环水的进水和出水。焊枪在不通冷却水的条件下容易被烧毁,所以有的焊机中有水流量控制开关,当水流量不足时禁止通电。

等离子弧焊枪是焊机的一个重要组成部分。焊枪上钨极与喷嘴是易损部件,需要定期检查,及时更换。由于喷嘴的几何尺寸与形状与焊接工艺有较大关系,而等离子弧焊机的制造厂商能够提供的喷嘴种类及数量有限,所以等离子弧焊机的使用者最好能熟悉焊枪的原理及结构,能加工等离子弧焊枪的喷嘴或等离子弧焊枪。

由于等离子弧电源空载电压高,使用等离子弧焊机时应注意防止触电,特别是在更换钨极或喷嘴时,应切断电源。

12 对等离子弧焊枪结构有何要求?

等离子弧焊枪在结构上应达到:

——能固定钨极与喷嘴之间的相对位置,并要求钨极与喷嘴孔径同心。

——能够水冷钨极及喷嘴,20A以下焊枪可以不水冷钨极,但必须冷却喷嘴。

——喷嘴要与钨极绝缘,以便在钨极与喷嘴间产生非转移弧。

——采用两路独立的气路分别导入离子气与保护气。

——等离子弧焊枪按其操作方式分为手工焊枪及自动焊枪。手工焊枪结构见图8。

13 如何设计等离子弧焊枪上的喷嘴?

压缩喷嘴是等离子弧焊枪中产生等离子弧的关键零件,它对电弧直接起机械压缩作用,而电弧形态影响焊缝质量及焊接效率,不同的焊接工艺对喷嘴形状及尺寸也不尽相同,所以要求工艺人员能够挑选或设计焊枪喷嘴。

图1中,喷嘴孔径dn及孔道长度lo是压缩喷嘴的两个重要尺寸。孔径决定等离子弧直径和能量密度,应根据电流和离子气流量来决定。对于给定的电流和离子气流量,增加dn

则降低喷嘴对电弧的压缩作用,弧压也随之降低,而减少dn易出现双弧,破坏等离子弧的稳定性。表1列出常用等离子弧电流与喷嘴孔径之间的关系。

孔径确定后,孔道长lo增大则对等离子弧的压缩作用增大,同时也易出现双弧,常以lo/dn 表示喷嘴孔道的压缩特征,称孔道比。孔道比的推荐值见表2。

等离子弧焊常用的压缩喷嘴类型,其压缩孔道为圆柱形,应用最广。其压缩孔道为收敛扩散型,减弱了对等离子弧的压缩作用,但这种喷嘴可以采用更大的焊接电流而不产生(或很少产生)双弧,所以收敛扩散型喷嘴适用于大电流、厚板焊接。均有大小孔三个,属三孔型喷嘴,三孔型喷嘴除了中心孔外,其在左右各有一个对称的小孔。采用三孔道喷嘴焊接时,电弧及部分离子气经较大的中心孔流出,而其他离子气则通过两旁较小的孔道。从这两个小孔流出的离子气可将等离子弧产生的圆形热场变成椭圆形。当三个孔中心的连线与焊道垂直时,椭圆形热场平行于焊接方向,这将有助于提高焊速及降低焊缝宽度。

压缩角α对等离子弧压缩作用不大,一般取60°。

最通用的喷嘴材料是纯铜。正常焊接时,喷嘴部电弧弧柱被一层冷气膜包围,如喷嘴冷却效果不好,冷气膜便容易被击穿形成双弧,破坏正常的焊接过程。大电流喷嘴必须采用直接水冷,为提高冷却效果,喷嘴壁厚一般不大于2~2.5mm。14 如何挑选钨极?

等离子弧焊枪所采用的电极材料与钨极氩弧焊相同,目前国主要采用钍钨和铈钨电极。使用钨极时应正确选择钨极直径,表3列出了钍钨电极的正极性(钨极接电源负极)许用电流,也可供铈钨电极参考。由于等离子弧焊枪对钨极的冷却效果优于氩弧焊枪,所以钨极烧损程度较氩弧焊轻。

为了便于引弧和提高电弧稳定性,电极前端都要磨成20°至60°的夹角。在直流大电流工艺中,为保持电极端部形状及降低钨极烧损程度,电极端部要磨成锥球形或球形,在交流焊接工艺中,常将钨极磨成尖锥状后,再用电弧烧成一个圆球。由于直流反极性会严重烧损钨极,必须降低钨电极的许用电流。

15 进行等离子弧焊接时应注意调节哪些工艺参数。

工艺参数包括焊接电流、电弧电场强度、焊接速度、保护气成分及流量以及离子气成分及流量。

焊接电流是通过焊机上的电流调节旋钮调节,电流的大小主要根据被焊材料的板厚确定。

电弧电场强度与压缩喷嘴孔道比、离子气成分及流量、保护气成分及流量有关。压缩喷嘴以及气体成分及流量确定之后,电弧电场强度也随之确定,电弧电场强度通过测量电弧电压间接测量。电弧长度确定之后,电场强度与电弧电压成正比。电弧电场强度主要根据被焊材料的板厚及材质确定。被焊材料熔点越高,厚度越大,应选择较高的电弧电场强度。应注意高的电弧电场强度容易引起双弧,破坏等离子电弧的稳定性。焊接用等离子电弧电压一般为18~30V。

焊接速度与焊接效率、电弧稳定性及焊缝成形稳定性有关,高的焊接速度容易引起双弧。

保护气及离子气气体成分及流量根据被焊材料及焊接工艺选择。进行小孔焊时,合理的离子气气体成分及流量是稳定形成小孔的重要条件。

16 如何选择等离子弧焊接用的气体?

等离子弧焊接需要两层气体,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扩大保护气的保护围。等离子弧焊接用的气体种类取决于被焊金属。

离子气对钨极应该是惰性的,以免钨极烧损过快。小电流焊接时,离子气一律作用纯氩,

大电流焊接时根据被焊材料的性质可选用纯氩、纯氦、氩氢混合气、氩氦混合气及氩二氧化碳混合气。

保护气对母材一般应是惰性的,但如活性气体不影响焊缝性能,允许在保护气中添加活性气体。大电流焊接时,保护气成分与离子气相同;小电流焊接时,可选用的气体有纯氩、纯氦、氩氢混合气及氩氦混合气。

17 何谓双弧,如何防止双弧?

等离子弧正常工作时,电弧应从钨极经喷嘴孔道到达工件。双弧是指钨极与喷嘴之间有一个电弧,喷嘴与工件有一个电弧,钨极到工件间的电流通道有两个相串联的电弧,出现双弧时,会造成工艺缺陷,严重时烧毁喷嘴,需要避免。防止双弧的方法主要有:降低喷嘴孔道比;增强喷嘴冷却;降低电流,改变离子气成分,如降低氩氢混合气中氢气的比例;改变保护气成分,如将纯氩保护气改成氩氢混合气或氩氦混合气或纯氦;适当加大离子气等。

18 进行穿透型等离子弧焊接时,应注意哪些问题?

穿透型等离子弧焊只能采用自动焊,需要精确地控制起弧与收弧、离子气流量、焊接电流、焊接速度等工艺参数。

板厚小于3mm时,可以直接在焊件上起弧及收弧。板厚大于3mm时,对于纵缝,可以采用起弧板及收弧板,将小孔起始区及收尾区排除在焊缝之外。环缝焊接时,须采用电流及离子气量递增的方式形成合适的小孔形成区,而采用电流及离子气量递减的方式获得小孔收尾区。

合理地搭配离子气流量、焊接电流以及焊接速度等工艺参数。为了形成小孔,必须有足够的离子气流量,但离子气流量过大会降低小孔周围液态金属的温度,使小孔无法闭锁成焊缝,所以离子气流量应与焊接电流及焊接速度适当地配合。与其他焊接方法一样,焊接电流是根据板厚及焊接速度来确定的,但穿透法选择电流参数区间要窄得多。离子气流量与喷嘴确定之后,电流过小不能形成小孔,过大会使熔池金属坠落。在确定新的焊接工艺时,一般根据相关的焊接手册确定焊接参数初始值,再根据焊接现象对参数加以调整。

焊接夹具由压板和垫板组成。采用穿透法焊接时,焊缝背面熔池是由液态金属的表面力支撑的,熔化的铁液不与垫板凹槽相接触。穿透法用的垫板通常宽13mm,穿透法是单面焊双面成形的焊接方法,如在凹槽通保护气,则有利于提高背面焊缝的成形质量。

19 在何种焊接条件下,应优先选用等离子弧焊接工艺?

等离子弧焊接工艺是在氩弧焊工艺的基本上发展起来的,凡是用氩弧焊能够实现的焊接工艺,用等离子弧焊都可以完成。但是等离子弧焊接设备较贵,工艺过程(特别是穿透法等离子弧焊工艺)复杂,所以要根据具体的焊接条件决定是否选用等离子弧焊。

与氩弧焊一样,等离子弧焊也可分为手工操作及自动操作,小孔法只能采用自动操作,而熔透法可以采用手工操作及自动操作两种方式。

手工熔透法等离子弧焊接的最佳电流围是0.1~50A,当电流超过50A时,使用手工氩弧焊更为经济。微束等离子弧焊机使用联合弧,如一段时间需焊接多段焊缝或多个焊点,在完成一段焊缝或一个焊点时,可以只熄灭主弧,保存维弧。这样,在下一次焊接时,便可以方便地引燃主弧,而不像氩弧焊那样反复地使用高频引弧。而且,等离子弧长偏差±1mm,对焊接质量无影响,所以手工等离子弧焊特别适合需要反复引燃主弧而又无法精确控制弧长的焊接工艺,如焊接丝网。

熔透法自动焊接应用广泛,特别是用微束等离子弧焊接小型精密元件如医疗设备元件,光学仪器元件,精密仪器元件,膜盒或波纹管等。而氩弧焊只适合焊接板厚0.2mm以上的工件,在使用氩弧焊焊接环缝超薄件时,引弧与收弧技术比等离子工艺复杂得多。

用等离子弧焊代替氩弧焊进行厚板焊接时,可以提高焊接速度或减少焊接道数。用穿透型等离子弧焊接工艺可以一次焊透1.6~8mm的工件,而氩弧焊电弧穿透力小,厚度超过3mm就要采用多道焊。

等离子弧温度高,能量集中,在焊高熔点材料,如焊耐热合金时,铁液流动性好,焊缝成形美观。而使用氩弧焊时,铁液发粘,焊接速度慢,焊缝表面不如等离子弧焊缝光亮。

等离子弧焊具有电弧刚性大,穿透力强,热量集中,电弧温度高等特点。所以等离子弧焊是最容易实现单面焊双面成形的弧焊方法。熔透法与氩弧焊相比,焊缝深宽比大,热影响区窄,焊缝两侧的金属更容易托住熔池,有利于形成背面焊缝。穿透型等离子弧焊本身就是单面焊背面成形的焊接方法。

20 用等离子弧进行环缝焊接时,应注意哪些问题?

环缝分为全位置焊接工艺及转动口(焊枪固定不动,工件旋转,相当于平焊)工艺。进行全位置焊接时,最好采用熔透法;而在转动口工艺中,既可以采用穿透法,也可以采用熔透法。

在环缝焊接过程中,应控制好引弧及收弧技术,所用的焊接电源应具有电流递增及电流衰减功能。在用小孔法进行焊接时,需采用焊接电流、离子气流量递增控制起弧,即引弧时逐渐增加电流及离子气流量,平缓地在工件上挖掘小孔。在收弧过程中,如采用熔透法,环缝首尾应相搭一段后再衰减电流熄灭电弧。如采用穿透法,收弧时逐渐减小电流及离子气流量来闭合小孔。

21 用微束等离子弧焊接超薄件时,应注意哪些问题?

微束等离子弧焊的电流围从0.1~30A。由于微束等离子弧采用联合弧,电弧燃烧很稳定。但仅有好的焊机还是不够的,还应采取合理的接头形式及夹具才能获得优质的焊接接头。

焊接厚度在0.05~1.0mm之间,常用的接头形式如图。厚度小于0.25mm的工件,建议使用端接接头,端接接头是焊金属箔片较方便的接头形式。

焊接壁厚为0.1~0.2mm的金属箔片时,焊口附近微小的热量波动都可能使熔化焊道分离,以致无法得到连续的焊缝。因此要求夹具在整个焊接过程中与工件紧密接触,利用夹具对焊件的良好的散热作用稳定焊缝成形以及降低焊接变形。如普通夹具紧箔件效果不好,可考虑使用气动琴键夹具或弹簧琴键夹具。

另外,焊接超薄件时对双弧极为敏感,双弧出现的次数与焊接缺陷有明显的对应关系。焊超薄件时较为简单有效的防止双弧的方法是降低焊接速度。

22 用等离子弧能够焊接哪些金属材料?

凡氩弧焊能焊的材料均可用等离子弧焊接,如碳钢、耐热钢、蒙乃尔合金、可伐合金、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极性接法焊接;铝、镁及其合金采用交流或直流反极性接法焊接。用直流正极性等离子弧焊可焊材料厚度围一般为0.3~6.4mm。交流变极性等离子弧单道可焊铝合金厚度达12mm(穿透法)。

等离子弧焊接的冶金过程与氩弧焊相同,只是由于等离子弧有较小的电弧直径,焊接时母材熔化量少,所以焊缝深宽比大,热影响区窄。焊接时对每一种母材的预热、后热以及气体保护等工艺要求与氩弧焊相同。

23 能够焊接铝、镁及其合金的等离子弧焊接设备有何特点?

由于铝、镁及其合金表面有坚硬、高熔点的氧化膜,在焊接过程中必须将这层氧化膜清除才能实现工件之间的焊合。当焊接电流的正极是钨极,负极是工件时,工件表面的氧化膜可以被有效地清除,这种利用工件为电流负极清除氧化膜的方式称做“阴极清理”或“阴极雾化”。工件接电源负极的连接方式称直流反极性接法。用直流电源,采用直流反极性接法虽然可以有效的清除氧化膜,但钨极烧损严重,焊缝深宽比小,所以直流反极性接法仅限于焊薄件,电流不大于70A。现在焊接铝、镁及其合金大多采用交流方波电源,这种交流电源输出的正半周电流持续时间及负半周电流持续时间是可以调整的,利用正极性电流获得大的熔深,用反极性电流清除氧化膜。还有一种专为穿透法设计的变极性交流方波电源,这种交流电源输出的正极性电流及反极性电流的幅值也是可以调节的。

24 等离子弧焊接时有哪些常见的焊接缺陷?

等离子弧焊常见的焊接缺陷有咬边及气孔。咬边是指由于焊接参数选择不当或操作方式不正确,沿着焊缝表面与母材交界处的母材部位产生的沟槽或凹陷。气孔是焊接时熔池中的气体在金属凝固之前未能来得及逸出,而在焊缝金属中(部或表面)残留下来所形成的孔穴。

出现咬边的主要原因有:

1)电流过大。焊接时采用大电流是为了提高焊接速度,但焊接速度的上限应以不出现咬边为基准。

2)焊枪喷嘴轴线与焊缝的对中性不好,即焊枪向焊缝一侧倾斜。等离子弧柱细,电弧刚度大,焊缝成形对弧长不敏感,但对电弧对中性敏感,所以要求焊枪能够更严格地对准焊缝。3)装配错边。坡口两侧边缘高低不平,则高位置一侧出现咬边。

出现气孔的主要原因有:

1)焊接速度过快。

2)焊前工件或填充丝表面没有清理干净。焊铝合金时,焊前应严格清洗工件及填充丝,否则很容易再现气孔。

3)使用的气体成分不合适。氩氢混合气体是焊接奥氏体不锈钢或耐热合金的常用气体,但氢含量过多会产生气孔。熔透法焊接时,φ(H2)≤7%。而穿透型等离子弧焊时,一般应控制φ(H2)在10%以下。

25 直流等离子弧焊电源有何特点?

等离子弧供电的电源应具有陡降或垂降特性,电源的空载电压应是等离子弧压的2.5倍以上,这种要为了稳定电弧。按电流等级等离子弧焊电源可分为微束等离子弧焊电源和大电流等离子电源。

微束等离子电源采用联合弧,需要两套电源。主弧电源空载电压一般为60V以上,输出电流为0.1~30A。维弧电源的空载电压超过100V,电流为2~5A。

大电流等离子电源采用转移弧,转移弧是指焊接时将电极及喷嘴之间的电弧转移到工件上去,一般只需一套电源。大电流等离子电源输出电流可达500A。由于大电流等离子弧压高,电源空载电压超过80V。

电源最好具有电流递增或电流递减功能,以满足引弧及收弧的要求,这种功能对焊接环缝特别重要。

26 等离子弧焊接工艺也可以使用脉冲电流吗?

可以使用脉冲电流,脉冲频率一般为0.1~10Hz。等离子脉冲电源与氩弧焊脉冲电源相似,,输出电流在脉冲电流和基值电流之间转换。使用脉冲等离子弧焊的目的是控制熔池,通常是一个脉冲形成一个熔池。与氩弧焊相似,脉冲电流期间,母材熔化,基值电流期间,熔池金属凝固成焊缝。脉冲焊接法可以降低焊缝热输入,控制焊缝成形,减少热影响区宽度及焊接变形。脉冲焊适合焊薄件、热敏感性高的材料以及全位置焊。脉冲焊的缺点是焊接速度低。

27 穿透型等离子弧焊接铝、镁及其合金最好使用何种电源?

最好使用变极性交流方波电源。这种电源输出的是正、反极性电源幅值及正、反极性电流持续时间均可调节的交流矩形波电流。

在铝、镁及其合金的穿透型等离子弧焊工艺中,焊前处理包括表面除油及清除氧化膜,一般可采用弱碱溶液清除表面油垢而用机械法清除氧化膜。但如使用变极性电源,由于反极性半周的电流具有较强的清理氧化膜的功能,焊接大多数种类的铝、镁合金时,无需用机械法清除氧化膜,简化了焊前处理工艺。

28 等离子弧焊设备可以当作氩弧焊设备使用吗?

可以。用等离子弧设备实施氩弧焊工艺时,只需将焊枪喷嘴孔径开得大于钨极直径,让钨极尖端伸出喷嘴之外。当电弧引燃后,便不再受喷嘴的压缩,成为自由电弧,就与氩弧焊的电弧相同了。应该指出,用等离子设备实施氩弧焊工艺是不经济的,因为等离子设备价格贵,电源空载电压高,所以不但设备投资大,而且运行费用也高。

29 为什么焊接可伐合金时会出现气孔?

可伐合金是镍铜合金,对氢气孔敏感,所以保护气及离子气都不能添加氢气。可伐合金常用来做传感器的膜片,焊接时需采用微束等离子工艺,离子气使用氩气,保护气使用氦气。

焊接材料

(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、蒙乃力<合金、可伐合金、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)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。如在Ar中加甲(C02)为25%作保护气焊接铁心叠片。

典型大电流焊接及小电流焊接条件下的气体选择分别见表1及表2。

表1 大电流等离子弧焊接用气体选择

表2 小电流等离子弧焊接用气体选择

焊接工装

(1)接头形式用于等离子弧焊接的通用接头形式为:I形坡口、单面V形和U形坡口以及双面V形和U形坡口。这些坡口形式用于从一侧或两侧进行对接接头的单道焊或多道焊,除对接接头外,等离子弧焊也适合于焊接角焊缝和T形接头,而且具有良好的熔透性。

厚度大于1.6mm但小于表3所列厚度值的工件,可不开坡口,采用小孔法单面一次焊成。

对于厚度较大的工件,需要开坡口对接焊时,与钨极氩弧焊相比,可采用较大的钝边和较小的坡口角度。第一道焊缝采用小孔法焊接,填充焊道则采用熔透法完成。图1为两种焊接方法所需V形坡口几何形状的比较。

焊件厚度如果在0.05~1.6mm之间,通常使用熔透法焊接。常用接头型式如图2所示。

图1 等离子弧焊和钨极氩弧焊V形坡口形状的对比

……钨极氩弧焊

——等离子弧焊

图2 薄板焊接接头形式

a) I形对接接头b) 卷边对接接头

d) 卷边角接接头d)端接接头

t—板厚(0.025~1mm)h—卷边高度=(2~5)

表3 一次焊透的厚度(单位:mm)

(2)装配与夹紧小电流等离子弧焊对接头的装配要求和钨极氩弧焊相同。引弧处坡口边缘必须紧密接触,间隙不应超过金属厚度的10%,难以保持上述公差时必须添加填充金属。对于厚度不大于0.8mm的金属,焊接接头的装配和夹紧要求如表4、图3和图4所示。

表4 厚度<0.8mm的薄板对接接头装配要求

①背面用Ar或He保护。

②板厚小于0,25mm的对接接头推荐采用卷边焊缝.

图4厚度小于0.8mm的薄板对接接头

图5 厚度小于0.8mm的薄板端面接头装配要求

a) 间隙b) 错边c) 夹紧距离

图4给出了接头间隙和错边的允许偏差、压板间距以及垫板凹槽等的尺寸。允许偏差与板厚成比例,I形坡口对接接头允许的最大间隙为0.2t。图5给出了端接接头的装配和夹紧的允许偏差。端接接头的允许偏差比对接接头大得多。所以端接接头是金属箔片较方便的连接接头。

焊接如壁厚0.1~0.2mm的金属薄片时,焊口附近微小的热量波动都可能使融化焊道分离,以致无法得到连续的焊缝。因此要求夹具在整个焊接过程中年工件紧密接触,利用夹具对焊件的良好散热作用稳定焊缝成形以及降低焊接变形。如普通夹具压紧箔件效果不好,司考虑使用气动琴键夹具或弹簧琴键夹具。图6是焊接lmm以下不锈钢对接接头的工装参数曲线。

焊接夹具一般分为压板和带凹槽的垫板(图6)。当采用熔透法焊接时,垫板与氩弧焊时相同,开口凹槽的垫板用以支撑熔池,但采用小孔法焊接时,熔池是由表面力支撑的,熔化的铁水不与垫板凹槽相接触。小孔法焊接用的典型垫板如图7所示,凹槽通常宽13mm,深19mm,这样的凹槽不仅能够容纳背面保护气,还为等离子射流提供一个穿出的空间。

图6 小电流焊接不锈钢对接接头的工装参数曲线

虚线示例:T=板厚,0.5 mmC=压板间距,3.5 mmD=垫板槽宽,2.0 mmI=焊接电流,

9A

图7 小孔法等离子弧焊接用的典型垫板

1—焊枪2—等离子射流3—工件4—背面保护气5—垫板

(3)焊枪定位与氩弧焊一样,等离子弧可以进行全位置焊接。由于等离子弧指向性强,弧柱直径小,所以要求焊接时焊枪能够更精确地对准焊缝,即严格地限制焊枪喷嘴轴线沿

焊缝中心线的横向摆动。等离子电弧对弧长不敏感,所以焊枪喷嘴至工件的距离不像氩弧焊时要求那么严格。

焊接工艺

(1)熔透法可以选择手工及自动两种方式进行熔透法焊接。

1)手工熔透法手工熔透法焊接的最佳电流围是0.1~50A。当电流超过50A,使用于工氩弧焊更为经济。使用等离子弧焊设备的过程是先引燃维弧,开始焊接时再引燃主弧。如—段时间需焊接多段焊缝或多个焊点,在完成一段焊缝或一个焊点时,可以只熄灭主弧,保存维弧。这样,在下—次焊接时,便可以方便地引燃主弧,而不像氩弧焊那样反复地使用高频引弧。而且,等离子弧长偏差±1mm对焊缝质量无影响,所以手工等离子弧特别适合焊接需要反复引燃主弧,而又无法精确控制弧长的焊接工艺,如焊接丝网。

2)自动熔透法自动熔透法焊接工艺应用广泛,特别是焊接小型精密元件如医疗设备元件、光学仪器元件、精密仪器元件、丝材、膜盒或波纹管等。

在许多焊接应用中,熔透法等离子弧应用微程序控制焊接参数。如控制起弧电流、电流上升、脉冲电流、电流衰减及引弧电流。

由于高频引弧器仅用来引燃维弧,焊接时无需再用高频引弧器便可以顺利地在工件与电极之间建立起转移弧。因此,等离子弧设备工作时不会损坏周围其他的电子设备。这种特点使等离子弧设备可以在电子检测设备、机器人、计算机周围使用而无需对这些设备加以隔离或防护。

熔透型等离子弧焊接工艺参数参考值见表5及6。

(2)小孔法小孔法只能采用自动焊。小孔法焊接需要精确地控制起弧与-收弧、离子气流量、焊接电流、焊接速度等工艺参数。

1)起弧与收弧板厚小于3mm时,可以直接在焊件上起弧及收弧。板厚大于3mm时,对于纵缝,可以采用引弧板及引出板,将小孔起始区及收尾区排除在焊缝之外。环缝焊接时,须采用电流及离子气量递增的方式形成合适的小孔形成区,而采用电流及离子气量递减的方式获得小孔收尾区。图8是小孔焊时电流及离子弧气流量斜率控制曲线。有的等离子弧设备配备了先进的流量控制器,可以在焊接过程中精确地控制离子气流量。

表5熔透型等离子弧焊接工艺参数参考值

表6 微束等离子弧焊接不锈钢的焊接工艺参数参考值

注:1.保护气:95%Ar-5%H2、流量10L/min。

2.背面保护气:Ar,流量5L/min。

①离子气:Ar。

②填充丝:310不锈钢,砂1.1mm。

③填充丝:310不锈钢,φ1.4mm。

图8 厚板环缝小孔焊时焊接电流及离子气流量斜率控制曲线

2)离子气流量离子气流量增加,可使等离子流力和熔透能力增大,在其他条件不变时,为了形成小孔,必须要有足够的离子气流量,但是离子气流量过大也不好,会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形,喷嘴孔径确定后,离子气流量大小视焊接电流和焊接速度而定,亦即离子气流量、焊接电流和焊接速度这三者之间—要有适当的匹配。

3)焊接电流焊接电流增加等离子弧穿透能力增加,和其他电弧焊方法一样,焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的,电流过小,不能形成小孔,电流过大,又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落。此外,电流过大还可能引起双弧现象。为此,在喷嘴结构确定后,为了获得稳定的小孔焊接过程,焊接电流只能被限定在某一个合适的围,而且这个围与离子气的流量有关。图9a为喷嘴结构、板厚和其他工艺参数给定时,用实验方法在8mm厚不锈钢板上测定的小孔型焊接电流和离子气流量的匹配关系。图中1为普通圆柱型喷嘴,2为收敛扩散型喷嘴,后者降低了喷嘴压缩程度,因而扩大了电流围,即在较高的电流—F也不会出现双弧。由于电流上限的提高,因此采用这种喷嘴可提高工件厚度和焊接速度。

图9 小孔型焊接工艺参数匹配

4)焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要工艺参数。其他条件一定时,焊速增加,焊缝热输入减小,小孔直径亦随之减小,最后消失。反之,如果焊速太低,母材过热,背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定,取决于离子气流量和焊接电流,这三个工艺参数相互匹配关系见图9b。由图可见,为了获得平滑’的小孔焊接焊缝,随着焊速的提高,必须同时提高焊接电流,如果焊接电流一定,增大离子气流量就要增大焊速,若焊速一定时,增加离子气流量应相应减小电流。

5)喷嘴距离距离过大,熔透能力降低:距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污。一般取3—8mm,和钨极氩弧焊相比,喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。

6)保护气体流量保护气体流量应与离子气流量有一个适当的比例,离子气流量不大而保护气体流.量太大时会导致气流的紊乱,将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15~30L/min围。

常用四类金属(碳钢和低合金钢、不锈钢、钛合金、铜和黄铜)小孔型焊接的工艺参考值见表7。

表7 小孔型等离子弧焊接工艺参数参考值

①碳钢和低合金焊接时喷嘴高度为1.2mm:焊接其它金属时。为4.8mm~采用多孔喷嘴;②预热到316~C~焊后加热至399~C:保温1h;③焊缝背面须用保护气体保护。④60°V形坡口,钝边高度4.8mm:⑤直径1.1mm的填充金属丝,送丝速度152cm/min。⑥要求采用保护焊缝背面的气体保护装置和带后拖的气体保护装置:⑦30°V形坡口,钝边高度9.5mm:⑧采用一般常用的熔化技术和石墨支撑衬垫。

焊接缺陷

等离子弧焊常见特征缺陷有:咬边、气孔等。

(1)咬边不加填充丝时最易出现咬边,产生咬边的原因为:

1)离子气流量过大,电流过大及焊速过高。

2)焊枪向一侧倾斜。

3)装配错边,坡口两侧边缘高低不平,则高位置一边咬边。

4)电极与压缩喷嘴不同心。

5)采用多孔喷嘴时,两侧辅助孔位置偏斜。

6)焊接磁性材料时,电缆连接位置不当,导致磁偏吹,造成单边咬边。

(2)气孔等离子弧焊的气孔常见于焊缝根部,引起气孔的原因是:

1)焊接速度过高,在一定的焊接电流、电压下,焊接速度过高会引起气孔,小孔焊接时甚至产生贯穿焊缝方向的长气孔。

2)其他条件一定,电弧电压过高。

3)填充丝送进速度太快。