等离子弧焊接喷嘴形状参数有哪些

子任务一　等离子弧焊接

目标要求

1.学会使用等离子弧焊机。

2.熟悉等离子弧焊接操作步骤。

3.掌握等离子弧焊的引弧、收弧方法。

4.掌握熔透型等离子弧焊操作技能。

一、任务

任务单如图6.1所示。

图6.1

注：不开坡口的对接焊缝，装配间隙为b。

二、任务准备

1.等离子弧试焊焊前准备

(1)LH—30型等离子弧焊机。

(2)氩气瓶及QD—1型单级式减压器和LZB型转子流量计(需要两套)，分别用于离子气瓶和保护气瓶的输出设置。

(3)等离子弧焊枪。

(4)铈钨极：直径为1mm。

(5)不锈钢板焊件1Cr18Ni9Ti：规格为300mm×100mm×1mm，若干块。

(6)不锈钢焊丝H0Cr19Ni9Ti：直径为1mm。

2.薄板不锈钢等离子弧焊焊前准备

(1)焊机、气瓶、焊枪和焊丝等与等离子弧平敷焊所用相同。

(2)不锈钢板焊件，规格为300mm×1mm×100mm，两块板组对一组焊件。

(3)装配采用I形坡口，不留间隙对接，并控制根部间隙不超过板厚的1/10，无错边，焊前将油污清理干净的焊件置于铜垫板上夹紧，薄板对接焊件装配示意图见图6.2。

图6.2

1—不锈钢压板；2—焊件；3—紫铜板

三、任务相关知识

借助水冷喷嘴对电弧的约束作用，获得较高能量密度的等离子弧焊接。等离子弧焊接过程示意图见图6.3。

1.等离子弧焊机

手工等离子弧焊机由焊接电源、焊枪、气路和水路系统、控制系统等部分组成，其外部线路连接见图6.4。

图6.3

1—钨极；2—喷嘴；3—小孔； 4—焊缝；5—焊件；6—等离子弧；7—尾焰

图6.4

1—电源；2—离子气瓶；3—保护气瓶；4—控制箱； 5—焊枪；6—焊件；7—控制线；8—电缆

(1)焊接电源。具有下降或陡降特性的电源均可供等离子弧焊使用。在等离子弧焊的焊接回路中加入高频振荡器的引燃装置，便于可靠引弧。

(2)焊枪。等离子弧焊时，产生等离子弧并用来进行焊接的重要装置称为焊枪，也叫做等离子弧发生器。焊枪主要由上枪体、下枪体和喷嘴三部分构成。等离子弧焊枪结构见图6.5。

图6.5

(a)大电流等离子弧焊枪；(b)微束等离子弧焊枪

1—喷嘴；2—保护外套；3—下枪体；4—上枪体；5—电极夹头；6—螺帽；7—钨极

图6.6

(a)、(c)多孔型；(b)单孔型

上枪体的作用是固定电极、冷却电极、导电和调节钨极内缩长度等；下枪体的作用是固定喷嘴和保护罩，对枪体及喷嘴进行冷却，输送离子气和保护气，以及使喷嘴与焊接电源正极端接通。上、下枪体之间绝缘要可靠，气密性要好，同轴度要求较高。喷嘴是等离子弧焊枪的关键部件，它的作用是导电、产生非转移弧和对电弧进行压缩，其形状和几何尺寸对等离子弧电弧的压缩程度和稳定性具有决定性的影响。喷嘴的基本结构见图6.6，有单孔型(图(b)所示)和多孔(图(a)、图(c)所示)型，中心压缩孔除图示柱状外，还有收敛扩散型。

喷嘴结构主要参数见表6.1。

表6.1　等离子弧焊枪喷嘴结构主要参数

喷嘴孔径d决定着等离子弧机械压缩的程度、等离子弧的稳定性和喷嘴的使用寿命。当电流和离子气流确定后，d越小，则压缩作用越大；但是d过小，则会引起双弧现象，破坏等离子弧的稳定性，甚至烧坏喷嘴。因此，对于给定的d值应有一个合理的电流范围，见表6.2。

表6.2　等离子弧焊枪喷嘴孔径与许用电流

喷嘴孔长度l对电弧的压缩也有很大的影响。当喷嘴孔径d确定后，随l增加，则喷嘴对电弧压缩作用加强，l/d称为孔道比，表征喷嘴孔道压缩特征。锥度α又称压缩角，常用的压缩角为60°～75°，压缩角最小可到25°。压缩孔道形状有圆柱形、圆锥形、台阶形和扩散形，一般情况下采用圆柱形压缩孔道。喷嘴的材料采用导热性好的紫铜制造，大功率喷嘴必须进行直接水冷。为保证冷却效果，孔道壁厚一般不大于2～2.5mm。

(3)气路和水路系统。气路系统应能分别供给离子气和保护气，等离子弧焊气路系统见图6.7。

图6.7

1—焊件；2—焊枪；3—电极；4—控制箱；5—离子气瓶；6—保护气瓶

手工等离子弧焊气路系统比氩弧焊多一条输送离子气流的气路，水路系统与钨极氩弧焊相似，冷却水从焊枪下部通入，再由焊枪上部流出，以此保证对喷嘴和钨极的冷却作用，一般情况进水压力不小于0.2MPa。

(4)控制系统。控制系统包括高频引弧电路、拖动控制电路、延时电路和程序控制电路等部分。其中，程序控制电路包括提前送保护气、高频引弧和转弧、离子气逆增、延时行走、电流衰减和延时停气等控制环节。等离子弧焊机一般故障及排除方法见表6.3。

表6.3　等离子弧焊机一般故障及排除方法

续表

2.等离子弧焊焊接方法

(1)小孔型等离子弧焊。小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊，适用于焊接2～8mm厚度的合金钢板材，可以不开坡口和背面不用衬垫进行单面焊双面成形。

(2)熔透型等离子弧焊。其主要用于薄板单面焊双面成形及厚板的多层焊。

(3)微束等离子弧焊。其一般用来焊接细丝和箔材。

3.等离子弧焊所用材料

(1)气体。所采用的气体分为离子气和保护气两种。大电流等离子弧焊时，离子气和保护气用同一种气体，否则影响等离子弧的稳定性。小电流等离子弧焊时，离子气一律用氩气；保护气可以用氩气，也可以用混合气体，加入二氧化碳后有利于消除焊缝内气孔，并能改善焊缝表面成形，但不宜加入过多，否则熔池下塌、飞溅增加。

(2)电极和极性。一般采用铈钨极作为电极。焊接不锈钢、钛及钛合金、镍及镍合金等采用直流正接；焊接铝、镁合金时采用直流反接，并使用水冷铜电极。为了便于引弧和提高等离子弧的稳定性，一般电极端部磨成60°的锥角。电流小、钨极直径较大时锥角可磨得更小一些。电流大、钨极直径大时可磨成圆台形、圆台尖锥形、球形等，以减少烧损。钨极的端部形状见图6.8。

图6.8

(a)、(c)圆台尖锥形；(b)圆台形；(d)、(e)球形

由钨极安装位置确定的电极内缩长度l_g，见图6.9(a)，此参数对等离子弧的压缩和稳定性有很大的影响。l_g增大时压缩程度提高，但l_g过大易引起双弧现象。一般选取l_g=l± 0.2mm，焊枪取l_g=l±(2～3)mm(l为孔道长度)。钨极与喷嘴不同心会造成等离子弧偏移、焊缝单侧咬边和成形不良，也易引起双弧现象。可用一平面镜放在喷嘴下方，观察电极与喷嘴之间产生同心度高频火花分布情况，见图6.9(b)，焊接时要求高频火花布满圆周的75％～80％。

4.等离子弧焊时的双弧现象

正常情况下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形成另一个燃烧于钨极、喷嘴、焊件之间的串列电弧，从外部观察两个并列电弧同时存在，见图6.10，这就是双弧现象。出现双弧时，主电弧电流降低，正常的焊接或切割过程被破坏，严重时会导致喷嘴烧毁。

图6.9

(a)钨极的内缩；(b)同心度高频火花分布

图6.10

1—主电弧；2—串列电弧上半段；3—串列电弧下半段

5.等离子弧焊工艺参数

(1)离子气流量。离子气流量增加可使等离子流压缩作用增大、能量密度增大、挺直度好和穿透力增大，但是，等离子流量过大则不能保证焊缝成形。等离子流量的大小应根据焊接电流、焊接速度及压缩喷嘴尺寸、高度等参数来确定。

(2)焊接电流。焊接电流增大使等离子弧熔透能力提高，但电流过大会使熔池金属下坠，不能形成稳定的穿孔焊接过程，而且还会产生双弧现象；焊接电流过小，不能形成穿透小孔或小孔直径减小。为形成稳定的穿透小孔焊接过程，焊接电流应有一个适当的范围。

(3)焊接速度。焊接速度增大，穿透小孔直径减小，甚至消失，还会引起焊缝两侧咬边和出现气孔缺陷；焊接速度太慢又会造成焊件过热、背面焊缝金属下陷凸出太高或烧穿等缺陷。

为了获得稳定的穿透型焊接过程，离子气流量、焊接电流和焊接速度三者应适当地匹配，随着焊接速度的提高，应提高焊接电流和离子气流量。

(4)喷嘴到焊件表面的距离。此距离一般为3～8mm。距离过大，会使熔透能力降低；距离过低，则造成飞溅物粘污喷嘴。

(5)保护气流量。保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例，保护气流量太小，则保护效果差；保护气流量太大，则会造成气流紊乱，影响等离子弧的稳定和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15～30L/min。

6.等离子弧焊的基本操作要点

(1)引弧操作。采用熔透型等离子弧焊接时，不用引弧板引弧，可直接在焊件上引弧。采用小孔型等离子弧焊接厚度较大的焊件时，需要较大的等离子弧焊接电流，则引弧处容易产生气孔和下凹等缺陷，要考虑在焊件端面(平板焊件)安装引弧板，即在引弧板上焊出小孔，然后再过渡到焊件上。对于管子环缝，因无法用引弧板，需要采用焊接电流和离子气流量斜率递增控制法在焊件上引弧。即先预通离子气，然后引燃非转移弧，焊枪对准焊件达到适当的高度，建立转移弧，加大焊接电流，同时递增离子气，对焊件预热片刻，并使管子转动，待形成“小孔效应”后进入正常焊接。

(2)收弧操作。采用熔透法焊接，收弧可在焊件上进行；采用小孔型焊接厚板时，应采用引出板使小孔闭合在引出板上；厚壁管子环缝收弧时，与引弧时相似，采取焊接电流和离子气流量斜率递增控制法收弧，逐渐闭合小孔。

四、任务实施

1.等离子弧试焊

(1)检查焊机。检查焊机外部接线是否正确，气路、水路和电路系统的接头处连接是否牢固可靠。

(2)调试焊枪。先磨削钨极端部成20°～60°的锥角，顶端呈尖状或稍加磨平。然后调整电极与喷嘴的同心度，其方法是在焊枪下方放一块平面镜，然后接通高频振荡回路，通过镜子可以观看在电极与喷嘴之间产生的高频火花，并调整电极与喷嘴同心度，使高频火花呈圆周均匀分布(75％～80％)。

(3)清理不锈钢焊件上的油污，并在焊件的纵向预先画出多条试焊轨迹线。

(4)确定焊接工艺参数，见表6.4。

表6.4　等离子弧焊试焊焊接工艺参数

(5)引弧。打开气路和水路开关，接通焊接电源，手工操纵等离子弧焊枪，焊枪与焊件的夹角为75°～85°，按启动按钮，接通高频振荡装置及电极与喷嘴的电源回路，非转移弧引燃；焊枪对准焊件，建立转移弧，保持喷嘴与焊件的距离为3～5mm，即可进行等离子弧焊接。

(6)试焊接。焊枪与焊件成75°～85°的夹角，焊丝与焊件的夹角为10°～20°，采用左向焊法，焊枪应保持均匀的直线形移动。在焊接过程中注意观察熔池的大小，当发现熔池增大、变浅时，则熔池温度增高，应迅速减小焊枪与焊件间的夹角，并加快焊接速度；当发现熔池小、焊缝窄而高时，应稍微拉长电弧，增大焊枪与焊件的夹角，减慢焊丝填充量，减小焊接速度直至正常为止；当发现有烧穿的危险时，应立即熄弧，待温度降低后再继续焊接。

(7)收弧。采用熔透法焊接时，收弧可在焊件上进行，但离子气流量和焊接电流应有衰减装置。收弧时，适当加入一定量的焊丝填满弧坑，避免产生弧坑缺陷。

2.薄板不锈钢等离子弧焊接

(1)启动焊机和焊枪调试，与试焊相同。

(2)确定焊接工艺参数，见表6.5。

表6.5　薄板不锈钢离子弧焊焊接工艺参数

(3)采用左向焊法，焊枪与焊件间夹角为80°左右，焊丝与焊枪间的夹角为90°左右，焊枪要始终对准焊件接口，并注意焊件熔透情况，适时、有规律地添加焊丝。焊枪移动要平稳，焊接速度要均匀，喷嘴与焊件之间的距离保持在4～5mm。当焊至焊缝终端时，适当添加焊丝，断开按钮，随电流衰减熄灭电弧。

五、任务分配

LH—30型等离子弧焊机。氩气瓶及QD—1型单级式减压器和LZB型转子流量计，两套，分别用于离子气瓶和保护气瓶的输出设置。等离子弧焊枪，铈钨极，直径为1mm。

焊件：不锈钢板焊件1Cr18Ni9Ti，规格为200mm×100mm×1mm，若干块。

焊丝：不锈钢焊丝，H0Cr19Ni9Ti，直径为1mm，按图6.1要求练习。

单件工时：20min。

六、任务检测与评价

七、任务总结(任务质量分析)

(1)当更换焊丝或磨削钨极需要停弧再重新焊接接头时，在焊缝接头部位前沿10mm处引弧，然后将焊枪移到接头部位，不加焊丝重新加热熔化，当形成新的熔池后，添加适量的焊丝向前焊接，保证焊缝宽窄、余高一致。

(2)对于低碳钢、低合金钢及不锈钢焊件，当厚度大于1.6mm且小于8mm时，可不开坡口，采用小孔型单面焊双面成形；对于厚度较大的焊件，须开坡口对接焊，与钨极氩弧焊相比，应采用较大的钝边和较小的坡口角度(如厚度10mm的焊件，钝边高度为5mm，坡口角度为55°)。

(3)焊件厚度0.05～1.6mm，通常采用微束等离子弧焊接，常用接头形式为I形对接接头、卷边对接接头、端接接头。焊接时要采用可靠的焊接夹具，以保证焊件的装配质量，间隙和错边越小越好。

八、复习思考题

(1)等离子弧焊机由哪几部分组成?

(2)等离子弧焊接有几种基本方法，各适用在哪些范围?

(3)什么是双弧现象，如何防止出现双弧现象?

(4)等离子弧焊的主要工艺参数有哪些?

(5)熔透型等离子弧焊与小孔型等离子弧焊的引弧和收弧的方法有什么不同?

(6)简述等离子弧焊操作与钨极氩弧焊操作的异同。

(7)等离子弧焊容易产生哪些缺陷，如何防止?