等離子弧加工是利用等離子弧的熱能對金屬或非金屬進行切割、焊接和噴塗等的特種加工方法。1955年，美國首先研究成功等離子弧切割。產生等離子弧的原理是：讓連續通氣放電的電弧通過一個噴嘴孔，使其在孔道中產生機械壓縮效應；同時，由於弧柱中心比其外圍溫度高、電離度高、導電性能好，電流自然趨向弧柱中心，產生熱收縮效應，同時加上弧柱本身磁場的磁收縮效應。這3種效應對弧柱進行強烈壓縮,在與弧柱內部膨脹壓力保持平衡的條件下，使弧柱中心氣體達到高度的電離，而構成電子、離子以及部分原子和分子的混合物，即等離子弧。
基本介紹
- 中文名：等離子弧加工
- 概述 ：等離子弧加工是利用
- 原理：等離子弧切割與焊接是現
- 分類：按電極的不同接法，等離子弧
原理,分類,特點,套用,電流極性,焊接方法,焊接材料,
原理
等離子弧切割與焊接是現代科學領域中的一項新技術。它是利用溫度高達15000~30000℃的等離子弧來進行切割和焊接的工藝方法。這種新的工藝方法不僅能對一般材料進行切割和焊接，而且還能切割和焊接一般工藝方法難以加工的材料。 電弧就是中性氣體電離並維持放電的現象。若使氣體完全電離，形成全部由帶正電的正離子和帶負電的電子所組成的電離氣體，就稱為電漿。
等離子弧加工流程
等離子弧加工流程一般的焊接電弧是一種自由電弧，弧柱的截面隨功率的增加而增大，電弧中的氣體電離不充分，其溫度被限制在5730~7730℃。若在提高電弧功率的同時，對自由電弧進行壓縮，使其橫截面減小，則電弧中的電流密度就大大提高，電離度也隨之增大，幾乎達到全部等離子狀態的電弧叫等離子弧。
對自由電弧進行的壓縮作用稱為壓縮效應。壓縮效應有如下三種形式：
1）、機械壓縮效應
在鎢極（負極）和焊件（正極）之間加上一個高電壓，使氣體電離形成電弧，當弧柱通過特殊孔形的噴嘴的同時，又施以一定壓力的工作氣體，強迫弧柱通過細孔，由於弧柱受到機械壓縮使橫截面積縮小，故稱為機械壓縮效應。
2）、熱收縮效應
當電弧通過噴嘴時，在電弧的外圍不斷送入高速冷卻氣流（氮氣或氫氣等）使弧柱外圍受到強烈冷卻，電離度大大降低，迫使電弧電流只能從弧柱中心通過，導致導電截面進一步縮小，這時電弧的電流密度大大增加，這就是熱收縮效應。
3）、磁收縮效應
由於電流方向相同，在電流自身產生的電磁力作用下，彼此互相吸引，將產生一個從弧柱四周向中心壓縮的力，使弧柱直徑進一步縮小。這種因導體自身磁場作用產生的壓縮作用叫“磁收縮效應”。電弧電流越大，磁收縮效應越強。
自由電弧在上述三種效應作用下被壓縮得很細，在高度電離和高溫條件下，電弧逐漸趨於穩定的等離子弧。
分類
按電極的不同接法，等離子弧分為轉移型弧、非轉移型弧、聯合型弧三種。
電極接負極、噴嘴接正極產生的等離子弧稱為非轉移型弧。用於焊接或切割較薄的材料。
電極接負極、焊件接正極產生的等離子弧稱為轉移型弧。適用於焊接、堆焊或切割較厚的材料。
電極接負極、噴嘴和焊件同時接正極．則非轉移弧和轉移弧同時存在，稱為聯合型弧。適用於微弧等離子焊接和粉末材料的噴焊。
等離子弧按導電方式可分為非轉移型、轉移型和混合型3種（見圖）。它們的區別主要是：非轉移型的電源正極接噴嘴，而轉移型電源正極接工件（一般先按非轉移型接線產生等離子弧後再過渡到轉移型）,混合型的電源正極同時接噴嘴和工件。這3種方式一般都使用具有直流陡降外特性的電源。空載電壓高低與使用的氣體有關，若使用氬時，空載電壓為65～100伏，而使用氮或氫時為250～400伏。
等離子弧加工
等離子弧加工轉移型等離子弧溫度高(10000～52000℃）,有效熱利用率高，主要用於切割、焊接(見等離子弧焊)和熔鍊金屬。切割的金屬有銅、鋁及其合金、不鏽鋼、各種合金鋼、低碳鋼、鑄鐵、鉬和鎢等。常用的切割氣體為氮或氫氬、氫氮、氮氬混合氣體。常用的電極為鈰鎢或釷鎢電極，採用壓縮空氣切割時使用的電極為金屬鋯或鉿。使用的噴嘴材料一般為紫銅或鋯銅。切割不鏽鋼、鋁及其合金的厚度一般為 3～100毫米，最大厚度可達250毫米。70年代後，又發展了雙層氣體等離子弧切割、筆式微束等離子弧切割和水壓縮等離子弧切割等，這些方法能減小工件的切縫寬度，提高切割質量。
非轉移型等離子弧溫度最高可達18000℃,主要用於工件表面噴塗耐高溫、耐磨損、耐腐蝕的高熔點金屬或非金屬塗層，也可以切割薄板金屬材料，還可以作為金屬表面熱處理的熱源。混合型等離子弧主要用於微束等離子弧焊接和粉末堆焊。
特點
（1）微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。
（2）具有小孔效應，能較好實現單面焊雙面自由成形。
（3）等離子弧能量密度大，弧柱溫度高，穿透能力強，10～12mm厚度鋼材可不開坡口，能一次焊透雙面成形，焊接速度快，生產率高，應力變形小。
（4）設備比較複雜，氣體耗量大，只宜於室內焊接。
套用
廣泛用於工業生產，特別是航空航天等軍工和尖端工業技術所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不鏽鋼、鉬等金屬的焊接，如鈦合金的飛彈殼體，飛機上的一些薄壁容器等。 切割用槍無保護氣體2及保護氣罩6。壓縮噴嘴5是等離子槍的關鍵部件，一般需用水冷。噴嘴孔徑dn及孔道長度l0是壓縮噴嘴的兩個主要尺寸。噴嘴內通的氣體稱離子氣。中性的離子氣在噴嘴內電離後使噴嘴內壓力增加，所以噴嘴內壁與電極4之間的空間稱增壓室。電離了的離子氣從噴嘴流出時受到孔徑限制，使弧柱截面變小，該孔徑對弧柱的壓縮作用稱機械壓縮。水冷噴嘴內壁表面有一層冷氣膜，電弧經過孔道時，冷氣膜一方面使噴嘴與弧柱絕緣，另一方面使弧柱有效截面進一步收縮，這種收縮稱熱收縮。弧柱電流自身磁場對弧柱的壓縮作用稱磁收縮。在機械壓縮與熱收縮的作用下，弧柱電流密度增加，磁收縮隨之增強，如電流不變，弧柱電場強度及弧壓降都隨電流密度增加而增加，所以等離子弧（也稱壓縮電弧）的電弧功率及溫度明顯高於自由電弧。圖2a所示的對比中，等離子弧的電弧溫度比自由電弧高30%，電弧功率高100%。
等離子弧加工
等離子弧加工由於電離後的離子氣仍具有流體的性質，受到壓縮從噴嘴孔徑噴射出的電弧帶電質點的運動速度明顯提高（可達 300m/s），所以等離子弧具有較小的擴散角及較大的電弧挺度，這也是等離子弧最突出的優點。電弧挺度是指電弧沿電極軸線的挺直程度。
等離子弧具有的電弧力、能量密度及電弧挺度等與加工有關的物理性能取決於下列五個參數：
1）電流；
2）噴嘴孔徑的幾何尺寸；
3）離子氣種類；
4）離子氣流量；
5）保護氣種類；
調整以上五個參數可使等離子弧適應不同的加工工藝。如在切割工藝中，應選擇大電流、小噴嘴孔徑、大離子氣量及導熱好的離子氣，以便使等離子弧具有高度集中的熱量及高的焰流速度。而在焊接工藝中，為防止焊穿工件則應選擇小的離子氣量及較大的噴嘴孔徑。
電流極性
（1）切割用等離子弧切割時只採用直流正接的電流極性，即工件接電源的正極。切割電流範圍：30~1000A。
（2）焊接
1）直流正接 大多數焊接工藝採用直流正接極性電流，如焊合金鋼、不鏽鋼、鈦合金及鎳基合金等。電流範圍：0.1~500A。
2）直流反接 電極接電源正極的反接極性電流用於焊接鋁合金。由於這種方法鎢極燒損嚴重且熔深淺，僅限於焊接薄件，電流不超過100A。
3）正弦交流 正弦交流電流用來焊鋁鎂合金，利用正接極性電流獲得較大的熔深而用反接極性電流清理工件表面的氧化膜，電流範圍：10~100A。為防止反接極性電弧熄滅，焊接設備需有穩弧裝置，由於存在焊縫深寬比小及鎢極燒損等問題，這種方法趨於被方波交流電流取代。
4）變極性方波交流 變極性方波交流電流是正反接極性電流及正、負半周時間均可調的交流方形波電流。用變極性方波交流等離子弧焊鋁、鎂合金時可獲得較大的焊縫深寬比及較少的鎢極燒損。
焊接方法
按焊縫成形原理，等離子弧有兩種基本焊接方法：小孔型等離子弧焊及熔透型等離子弧焊，其中30A以下的熔透型等離子弧焊又可稱為微束等離子弧焊。
（1）小孔型等離子弧焊利用小孔效應實現等離子弧焊的方法稱小孔型等離子弧焊，亦稱穿透性焊接法。
1）小孔法原理在對一定厚度範圍內的金屬進行焊接時，適當地配合電流、離子氣流及焊接速度三個工藝參數，等離子弧將會穿透整個工件厚度，形成一個貫穿工件的小孔，如圖5。小孔周圍的液體金屬在電弧吹力、液體金屬重力與表面張力作用下保持平衡。焊槍前進時，在小孔前沿的熔化金屬沿著等離子弧柱流到小孔後面並遂漸凝固成焊縫。 小孔法焊接的主要優點在於可以單道焊接厚板，板厚範圍：1.6~9mm。小孔法一般僅限於平焊；然而，對於某些種類的材料，採取必要的工藝措施，用小孔法可實現全位置焊接。
等離子弧加工
等離子弧加工2）焊接特點 小孔法焊接所具有的優點是：
a、孔隙率低。
b、由於小孔法產生較為對稱的焊縫，焊接橫向變形小。
c、由於電弧穿透能力強，對厚板可實現單道焊接。
d、不開坡口實現對接焊，焊前對工件坡口加工量減少。
小孔法的缺點是：
a、焊接可變參數多，規範區間窄。
b、厚板焊接時，對操作者的技術水平要求較高，並且小孔法僅限於自動焊接。
c、焊槍對焊接質量影響大，噴嘴壽命短。
d、除鋁合金外，大多數小孔焊工藝仍限於平焊位置。
（2）熔透型等離子弧焊 焊接過程過程中，只熔透工件，但不產生小孔效應的等離子弧焊方法，又稱熔透型焊接法。
1）熔透法原理 當離子氣流量較小，弧柱受壓縮程度較弱時，這種等離子弧在焊接過程中只熔化工件而不產生小孔效應，焊縫成形原理與氬弧焊類似。主要用於薄板焊接及厚板多層焊。
2）微束等離子弧焊 微束等離子通常採用如圖3c所示的聯合弧。由於非轉移弧的存在，焊接電流小至1A以下電弧仍具有較好的穩定性，能夠焊接細絲及箔材。這時的非轉移弧又稱維弧，而用於焊接的轉移弧又稱主弧。
3）焊接特點與GTAW焊相比，熔透法等離子弧焊具有優點是：
a、電弧能量集中，因此焊接工藝具有焊接速度快；焊縫深寬比大，截面積小；薄板焊接變形小，厚板焊接縮孔傾向小及熱影響區窄等優點。
b、電弧穩定性好。由於微束等離子弧焊接採用聯合弧，電流小至0.1A時電弧仍能穩定燃燒，因此可焊超薄件，如厚度0.1mm不鏽鋼片。
c、電弧挺直性好。以焊接電流10A為例，等離子弧焊噴嘴高度（噴嘴到工件表面的距離）達6.4mm時，弧柱仍較挺直，而鎢極氬弧焊的弧長僅能採用0.6mm（弧長大於0.6mm後穩定性變差）。鎢極氬弧的擴散角約450，呈圓錐形（見圖6a），工件上的加熱面積與弧長成平方關係，只要電弧長度有很小變化將引起單位面積上輸入熱量的較大變化。而等離子弧的擴散角僅50左右（見圖6b）基本上是圓柱形，弧長變化對工件上的加熱面積和電流密度影響比較小，所以等離子弧焊弧長變化對焊縫成形的影響不明顯。
d、由於等離子弧焊的鎢極內縮在噴嘴之內，電極不可能與工件相接觸，因而沒有焊縫夾鎢的問題。
與GTAW焊相比，熔縫法的主要缺點是：
a、由於電弧直徑小，要求焊槍噴嘴軸線更準確地對中焊縫。
b、焊槍結構複雜，加工精度高。焊槍噴嘴對焊接質量有著直接影響，必需定期檢查、維修，及時更換。
焊接材料
1、母材凡氬弧焊能夠焊接的材料均可用等離子弧焊接，如碳鋼、耐熱鋼、鈦合金、銅合金、鋁合金以及鎂合金等。
除鋁、鎂及其合金外，其餘材料均採用直流正接法焊接：鋁、鎂及其合金採用交流或直流反接法焊接。直流正接等離子弧單道可焊材料厚度範圍一般為0.3—6.4mm。交流變極性等離子弧單道可焊鋁合金厚度可達12.7mm(小孔法)。
等離子弧焊接的冶金過程與氬弧焊相同，只是由等離子弧具有較小的弧柱直徑，焊接時母材熔化量少，所以焊縫深寬比大、熱影響區窄。每一種母材金屬焊接時對預熱、後熱以及氣體保護等工藝要求與氬弧焊相同。
2、填充金屬與氬弧焊一樣，等離子弧焊工藝可以使用填充金屬。填充金屬一般製成光焊絲或者光焊條。自動焊使用光焊絲作填充金屬，手工焊則用光焊條作填充金屬。填充金屬的主要成分與被焊母材相同。
3、氣體等離子焊槍有兩層氣體，即從噴嘴流出的離子氣及從保護氣罩流出的保護氣。有時為了增強保護，還需使用保護拖罩及通氣的背面墊板以擴大保護氣的保護範圍。對鎢極應該是惰性的；以免鎢極燒；護氣對母材一般是惰性的，但如果類取決於被焊金屬，可供選擇的氣體有：
1)Ar氣Ar氣用於焊接碳鋼、高強度鋼及活性金屬，如鈦、鉭及鋯合金。焊接這些金屬所用的氣體中，即使含有極小量的H，也可能導致焊縫產生氣孔、裂紋或降低力學性能。
2)Ar-H2混合氣焊接奧氏體不鏽鋼、鎳合金及銅鎳合金時，允許使用Ar-H2混合氣體。
Ar氣中填加H2氣可提高電弧溫度及電弧電場強度，能夠更有效地將電弧熱量傳遞給工件，在給定的電流條件下可以得到較高的焊接速度。同時，H2具有還原性，使用Ar-H2混合氣體可以獲得更光亮的焊縫外觀。但H2含量過多焊縫易出現氣孔及裂紋，一般φ(H2)限制在7.5%以下。然而，在小孔焊接工藝中，由於氣體以充分逸出，加φ(H2)範圍為5%一15%，工件越薄，允許H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不鏽鋼時，加φ(H2)為5%；而進行3.8mm不鏽鋼管道高速焊時，允許加φ(H2)達15%。”使用Ar-H2混合氣體作離。混合氣體作離子氣時，由於電弧溫度較高，應降低噴嘴孔徑的額定電流。 3)Ar-He混合氣He氣也是—種惰性氣體，當被焊工件不允許使用Ar-H2混合氣時，可考慮使用Ar-He混合氣。在Ar-He混合氣體中，φ甲(He)超過40%以上電弧熱量才能有明顯的變化。φ(He)超過75%時，其性能基本與純He相同，通常在Ar氣中加入φ(He)=50%～75%進行鈦、鋁及其合金的小孔焊及在所有金屬材料上熔敷焊道。
等離子弧加工
等離子弧加工4)He氣採用純He作離子氣時，由於弧柱溫度較高，會降低噴嘴的熱負載，會降低噴嘴的使用壽命及承載電流的能力，另外He氣密度較小，在合理的離子氣流量下難以形成小孔。所以，純He僅用於熔透法焊接，如焊接銅。
5)Ar-C02混合氣由於保護氣體不與鎢極接觸，在小電流焊接低碳鋼及低合金鋼時，允許在保護氣中添加適性氣體，其流量在10~15L/min之內。如在Ar中加甲(C02)為25%作保護氣焊接鐵心疊片。
