等離子弧是以鎢極作為電極，等離子弧為熱源的熔焊方法。焊接鋁合金時，采用直流反接或交流。鋁及鋁合金交流等離子弧焊接多采用矩形波交流焊接電源，用氬氣作為等離子氣和保護(hù)氣體。對于純鋁、防銹鋁，采用等離子弧焊，焊接性良好；硬鋁的等離子弧焊接性尚可。
為了獲得高質(zhì)量的焊縫應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
1、焊前要加強(qiáng)對焊件、焊絲的清理，防止氫溶人產(chǎn)生氣孔，還應(yīng)加強(qiáng)對焊縫和焊絲的保護(hù)。
2、交流等離子弧焊的許用等離子氣流量較小，流量稍大，等離子弧的吹力過大，鋁的液態(tài)金屬被向上吹起，形成凸凹不平或不連續(xù)的凸峰狀焊縫。為了加強(qiáng)鎢極的冷卻效果，可以適當(dāng)加大噴嘴孔徑或選用多孔型噴嘴。
3、當(dāng)板厚大于6mm時，要求焊前預(yù)熱100－－200℃。板厚較大時用氦作等離子氣或保護(hù)氣，可增加熔深或提高效率。
4、需用的墊板和壓板最好用導(dǎo)熱性不好的材料制造（如不銹鋼）。墊板上加工出深度lmm、寬度20～40mm的凹槽，以使待焊鋁板坡口近處不與墊板接觸，防止散熱過快。
5、板厚不大于lOmm時，在對接的坡口上海間隔150mm點(diǎn)固焊一點(diǎn)；板厚大于l0mm時，每間隔300mm點(diǎn)固焊一點(diǎn)。點(diǎn)固焊采用與正常焊接相同的電流。
6、進(jìn)行多道焊時，焊完前一道焊道后應(yīng)用鋼絲或銅絲刷清理焊道表面至露出純凈的鋁表面為止。
了解等離子弧焊接和切割的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍； 目標(biāo) 掌握等離子弧焊的基本方法； 能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 教學(xué)活動設(shè)計： 教學(xué)活動設(shè)計：
1 在實(shí)訓(xùn)室中進(jìn)行講練結(jié)合的現(xiàn)場教學(xué)；
2．利用多媒體課件、仿真等輔助教學(xué)； 教學(xué)重點(diǎn)： 教學(xué)重點(diǎn)：條電弧焊的原理、工藝特點(diǎn) 制定焊條電弧焊工藝； 掌握焊條電弧焊操作技術(shù) 教學(xué)難點(diǎn)： 教學(xué)難點(diǎn)：能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 學(xué)習(xí)單元一 認(rèn)知等離子弧的焊接與切割 認(rèn)知等離子弧的焊接與切割 等離子弧 一、等離子弧的形成 1．等離子弧 目前，焊接領(lǐng)域中應(yīng)用的等離子弧實(shí)際上是一種壓縮電弧，是由鎢極氣體保護(hù)電弧 發(fā)展而來的。鎢極氣體保護(hù)電弧常被稱為自由電弧，它燃燒于惰性氣體保護(hù)下的鎢極與 焊件之間，其周圍沒有約束，當(dāng)電弧電流增大時，弧柱直徑也伴隨增大，二者不能獨(dú)立 地進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此自由電弧弧柱的電流密度、溫度和能量密度的增大均受到一定限制。 實(shí)驗(yàn)證明，借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴(kuò)大 時，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使 弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。
2．等離子弧形成原理 目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內(nèi)部， 并且在水冷噴嘴中通以一 定壓力和流量的離子氣， 強(qiáng)迫電弧通過噴嘴孔道， 以形成高溫、 高能量密度的等離子弧， 如圖67-1所示。此時電弧受到下述三種壓縮作用： （1）機(jī)械壓縮效應(yīng) 當(dāng)把一個用水冷卻的銅制噴嘴放置在其通道上，強(qiáng)迫這個“自 由電弧” 從細(xì)小的噴嘴孔中通過時， 弧柱直徑受到小孔直徑的機(jī)械約束而不能自由擴(kuò)大， 而使電弧截面受到壓縮。這種作用稱為“機(jī)械壓縮效應(yīng)”。
（2）熱收縮效應(yīng) 水冷銅噴嘴的導(dǎo)熱性很好，緊貼噴嘴孔道壁的“邊界層”氣體溫 度很低，電離度和導(dǎo)電性均降低。這就迫使帶電粒子向溫度更高、導(dǎo)電性更好的弧柱中 心區(qū)集中，相當(dāng)于外圍的冷氣流層迫使弧柱進(jìn)一步收縮。這種作用稱為“熱收縮效應(yīng)”。
（3）電磁收縮效應(yīng) 這是由通電導(dǎo)體間相互吸引力產(chǎn)生的收縮作用?；≈袔щ姷?粒子流可被看成是無數(shù)條相互平行且通以同向電流的導(dǎo)體。在自身磁場作用下，產(chǎn)生相 互吸引力，使導(dǎo)體相互靠近。導(dǎo)體間的距離越小，吸引力越大。這種導(dǎo)體自身磁場引起 的收縮作用使弧柱進(jìn)一步變細(xì)，電流密度與能量密度進(jìn)一步增加。 電弧在三種壓縮效應(yīng)的作用下，直徑變小、溫度升高、氣體的離子化程度提高、能 量密度增大。最后與電弧的熱擴(kuò)散作用相平衡，形成穩(wěn)定的壓縮電弧。這就是工業(yè)中應(yīng) 用的等離子弧。作為熱源，等離子弧獲得了廣泛的應(yīng)用，可進(jìn)行等離子弧焊接、等離子 弧切割、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、等離子弧冶金等。 在上述三種壓縮作用中，噴嘴孔徑的機(jī)械壓縮作用是前提；熱收縮效應(yīng)則是電弧被 壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應(yīng)是必然存在的，它對電弧的壓縮也起到一定作用。
3．等離子弧的影響因素 等離子弧是壓縮電弧，其壓縮程度直接影響等離子弧的溫度、能量密度、弧柱挺度 和電弧壓力。影響等離子弧壓縮程度的因素主要有：
（1）等離子弧電流 當(dāng)電流增大時，弧柱直徑也要增大。因電流增大時，電弧溫度 升高，氣體電離程度增大，因而弧柱直徑增大。如果噴嘴孔徑不變，則弧柱被壓縮程度 增大。
（2） 噴嘴孔道形狀和尺寸 噴嘴孔道形狀和尺寸對電弧被壓縮的程度具有較大的影 響，特別是噴嘴孔徑對電弧被壓縮程度的影響更為顯著。在其他條件不變的情況下，隨 噴嘴孔徑的減小，電弧被壓縮程度增大。
（3）離子氣體的種類及流量 離子氣（工作氣體）的作用主要是壓縮電弧強(qiáng)迫通過 噴嘴孔道，保護(hù)鎢極不被氧化等。使用不同成分的氣體作離子氣時，由于氣體的熱導(dǎo)率 和熱焓值不同，對電弧的冷卻作用不同，故電弧被壓縮的程度不同。 改變和調(diào)節(jié)這些因素可以改變等離子弧的特性，使其壓縮程度適應(yīng)于切割、焊接、 堆焊或噴涂等方法的不同要求。例如為了進(jìn)行切割，要求等離子弧有很大的吹力和高度 集中的能量，應(yīng)選擇較小的壓縮噴嘴孔徑、較大的等離子氣流量、較大的電流和導(dǎo)熱性 好的氣體；為進(jìn)行焊接，則要求等離子弧的壓縮程度適中，應(yīng)選擇較切割時稍大的噴嘴 孔徑、較小的等離子氣流量。 二、等離子弧的特性 1．溫度高、能量密度大 普通鎢極氬弧的最高溫度為10000~24000K，能量密度在10 W/cm 以下。等離子弧的 最高溫度可達(dá)24000~50000K，能量密度可達(dá)105~l08W/cm2，且穩(wěn)定性好。等離子弧和鎢極 氬弧的溫度比較如圖6-2所示。
2．等離子弧的能量分布均衡 等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場強(qiáng)度明顯提高，因此等離子弧的 最大壓降是在弧柱區(qū)，加熱金屬時利用的主要是弧柱區(qū)的熱功率，即利用弧柱等離子體 的熱能。所以說，等離子弧幾乎在整個弧長上都具有高溫。這一點(diǎn)和鎢極氬弧是明顯不 同的。
3．等離子弧的挺度好、沖力大 鎢極氬弧的形狀一般為圓錐形，擴(kuò)散角在45°左右；經(jīng)過壓縮后的等離子弧，其形 態(tài)近似于圓柱形，電弧擴(kuò)散角很小，約為5°左右，因此挺度和指向性明顯提高。等離 子弧在三種壓縮作用下，橫截面縮小，溫度升高，噴嘴內(nèi)部的氣體劇烈膨脹，迫使等離 子體高速從噴嘴孔中噴出，因此沖力大，挺直性好。電流越大，等離子弧的沖力也越大， 挺直性也就越好。
4．等離子弧的靜特性曲線仍接近于U形 由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，U形 曲線上移且其平直區(qū)域明顯減小，。
5．等離子弧的穩(wěn)定性好 等離子弧的電離度較鎢極氬弧更高，因此穩(wěn)定性好。外界氣流和磁場對等離子弧的 影響較小，不易發(fā)生電弧偏吹和漂移現(xiàn)象。焊接電流在10A以下時，一般的鎢極氬弧很 難穩(wěn)定， 常產(chǎn)生電弧漂移， 指向性也常受到破壞。 而采用微束等離子弧， 當(dāng)電流小至0.1A 時，等離子弧仍可穩(wěn)定燃燒，指向性和挺度均好。這些特性在用小電流焊接極薄焊件時 特別有利。 三、等離子弧的類型及應(yīng)用 等離子弧按接線方式和工作方式不同， 可分為非轉(zhuǎn)移型、 轉(zhuǎn)移型和混合型三種類型， 如圖6-5所示。
1．非轉(zhuǎn)移型等離子弧 4 2 鎢極接電源的負(fù)極，噴嘴接電源的正極，焊件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁 之間燃燒的，非轉(zhuǎn)移弧主要在等離子弧噴涂、焊接和切割較薄的金屬及非金屬時采用。
2．轉(zhuǎn)移型等離子弧 鎢極接電源的負(fù)極、 焊件接電源的正極， 等離子弧燃燒于鎢極與焊件之間， 如圖6-5b 所示。但這種等離子弧不能直接產(chǎn)生，必須先在鎢極和噴嘴之間接通維弧電源，以引燃 小電流的非轉(zhuǎn)移型?。ㄒ龑?dǎo)弧），然后將非轉(zhuǎn)移型弧通過噴嘴過渡到焊件表面，再引燃 鎢極與焊件之間的轉(zhuǎn)移型等離子弧．（主?。?，并自動切斷維弧電源。采用轉(zhuǎn)移弧工作 時，等離子弧溫度高、能量密度大，焊件上獲得的熱量多，熱的有效利用率高。常用于 等離子弧切割、等離子弧焊接和等離子弧堆焊等工藝方法中。 3．混合型等離子弧 在工作過程中非轉(zhuǎn)移型弧和轉(zhuǎn)移型弧同時存在，則稱之為混合型（或聯(lián)合型）等離 子弧，如圖6-5c所示。兩者可以用兩臺單獨(dú)的焊接電源供電，也可以用一臺焊接電源中 間串接一定電阻后向兩個電弧供電。其中的轉(zhuǎn)移弧主要用來加熱焊件和填充金屬，非轉(zhuǎn) 移弧用來協(xié)助轉(zhuǎn)移弧的穩(wěn)定燃燒（小電流時）和對填充金屬進(jìn)行預(yù)熱（堆焊時）。混合 型等離子弧穩(wěn)定性好，電流很小時也能保持電弧穩(wěn)定，主要用在微束等離子弧焊接和粉 末等離子弧堆焊等工藝方法中。 學(xué)習(xí)單元二 等離子弧焊接 等離子弧焊接一、等離子弧焊的基本方法及應(yīng)用 等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用， 獲得高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊 接的方法，國際統(tǒng)稱為PAW（Plasma Arc Welding）。按焊縫成形原理，等離子弧焊有 下列三種基本方法：穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊。
1．穿 透型等離子弧焊 穿透型焊接法又稱小孔型等離子弧焊。該方法是利用等離子弧直徑小、溫度高、能 量密度大、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下實(shí)現(xiàn)的，焊縫斷面呈酒杯狀，如 圖6-7所示。焊接時，采用轉(zhuǎn)移型等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流力作用下形成 一個穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子?。ǚQ其為“尾焰”）。熔化金 屬被排擠在小孔周圍，依靠表面張力的承托而不會流失。隨著焊槍向前移動，小孔也跟 著焊槍移動， 熔池中的液態(tài)金屬在電弧吹力、 表面張力作用下沿熔池壁向熔池尾部流動， 并逐漸收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波紋的焊縫，這就是所謂的小孔效應(yīng)。 如圖6-8所示。利用這種小孔效應(yīng)，不用襯墊就可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。焊接時一般不 加填充金屬， 但如果對焊縫余高有要求的話， 也可加入填充金屬。 目前大電流 （100 ~500A） 等離子弧焊通常采用這種方法進(jìn)行焊接。
2．熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊又稱熔入型焊接法，它是采用較小的焊接電流（30~100A）和較 低的離子氣流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。在焊接過程中不形成小孔效應(yīng)，焊 件背面無“尾焰”。液態(tài)金屬熔池在弧柱的下面，靠熔池金屬的熱傳導(dǎo)作用熔透母材， 實(shí)現(xiàn)焊透。焊縫斷面形狀呈碗狀，如圖6-9所示。熔透型等離子弧焊基本焊法與鎢極氬 弧焊相似。焊接時可加填充金屬，也可不加填充金屬。主要用于薄板（0.5~2.5mm以下） 的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接以及角焊縫的焊接。 3．微束等離子弧焊 焊接電流在30A以下的等離子弧通常稱為微束等離子弧焊。有時也把焊接電流稍大 的等離子弧歸為此類。這種方法使用很小的噴嘴孔徑（0.5~1.5mm），得到針狀細(xì)小 的等離子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。 上述三種等離子弧焊方法均可采用脈沖電流，借以提高焊接過程的穩(wěn)定性，此時稱 為脈沖等離子弧焊。脈沖等離子弧焊易于控制熱輸入和熔池，適于全位置焊接，并且其 焊接熱影響區(qū)和焊接變形都更小。尤其是脈沖微束等離子弧焊，特點(diǎn)更突出，因而應(yīng)用 較廣。 交流等離子弧焊具有陰極清理作用，主要用來焊接鋁、鎂及其合金。熔化極等離子 弧焊實(shí)質(zhì)上是一種等離子弧焊和MIG焊組合在一起的聯(lián)焊方法。 這兩種方法特點(diǎn)不突出， 目前用得尚不多。 二、等離子弧焊工藝
1．等離子弧焊的工藝特點(diǎn) 1）由于等離子弧的溫度高、能量密度大，因此等離子弧焊熔透能力強(qiáng)，可用比鎢 極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。這不僅提高了焊接生產(chǎn)率，而且可減小熔寬、增大熔 深，因而可減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。
2）由于等離子弧的形態(tài)近似于圓柱形，挺度好，因此當(dāng)弧長發(fā)生波動時熔池表面 的加熱面積變化不大，對焊縫成形的影響較小，容易得到均勻的焊縫成形。 3）由于等離子弧的穩(wěn)定性好，使用很小的焊接電流也能保證等離子弧的穩(wěn)定，故 可以焊接超薄件。
4）由于鎢極內(nèi)縮在噴嘴里面，焊接時鎢極與焊件不接觸，因此可減少鎢極燒損和 防止焊縫金屬夾鎢。
2．等離子弧焊工藝
（1）接頭形式 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對接接頭、開單面V形和雙 面V形坡口的對接接頭以及開單面U形和雙面U形坡口的對接接頭。除此之外，也可用角 接接頭和T型接頭。
（2）焊接參數(shù)的選擇 等離子弧焊焊接時，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊 （包括微束等離子弧焊） 兩種。 在采用穿透型等子弧焊時， 焊接過程中確保小孔的穩(wěn)定， 是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的前提。影響小孔穩(wěn)定性的主要焊接工藝參數(shù)有：
1）噴嘴孔徑 噴嘴孔徑直接決定等離子弧的壓縮程度，是選擇其他參數(shù)的前提。在 焊接生產(chǎn)過程中，當(dāng)焊件厚度增大時，焊接電流也應(yīng)增大，但一定孔徑的噴嘴其許用電 流是有限制的，見表6-2。因此，一般應(yīng)按焊件厚度和所需電流值確定噴嘴孔徑。
2）焊接電流 當(dāng)其他條件不變時，焊接電流增加，等離子弧的熱功率也增加，熔透 能力增強(qiáng)。因此，應(yīng)根據(jù)焊件的材質(zhì)和厚度首先確定焊接電流。
3）離子氣種類及流量 目前應(yīng)用最廣的離子氣是氬氣，適用于所有金屬。為提高焊 接生產(chǎn)效率和改善接頭質(zhì)量，針對不同金屬可在氬氣中加入其他氣體。例如，焊接不銹 鋼和鎳合金時，可在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為5%~7.5%的氬氣；焊接鈦及鈦合金時，可在 氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為50％~75％的氦氣。 當(dāng)其他條件不變時，離子氣流量增加，等離子弧的沖力和穿透能力都增大。因此， 要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔法焊接過程，必須要有足夠的離子氣流量；但離子氣流量太大時，會 使等離子弧的沖力過大將熔池金屬沖掉，同樣無法實(shí)現(xiàn)穿透法焊接。
4）焊接速度 當(dāng)其他條件不變時，提高焊接速度，則輸入到焊縫的熱量減少，在穿 孔法焊接時，小孔直徑將減??；如果焊速太高，則不能形成小孔，故不能實(shí)現(xiàn)穿透法焊 接。焊接速度的確定，取決于焊接電流和離子氣流量。
5）噴嘴高度 噴嘴端面至焊件表面的距離為噴嘴高度。生產(chǎn)實(shí)踐證明噴嘴高度應(yīng)保 持在3 ~8mm較為合適。如果噴嘴高度過大，會增加等離子弧的熱損失，使熔透能力減小， 保護(hù)效果變差；但若噴嘴高度太小，則不便操作，噴嘴也易被飛濺物堵塞，還容易產(chǎn)生 雙弧現(xiàn)象。
6）保護(hù)氣成分及流量 等離子弧焊時，除向焊槍輸入離子氣外，還要輸入保護(hù)氣， 以充分保護(hù)熔池不受大氣污染。大電流等離子弧焊時保護(hù)氣與離子氣成分應(yīng)相同，否則 會影響等離子弧的穩(wěn)定性。小電流等離子弧焊時，離子氣與保護(hù)氣成分可以相同，也可 以不同，因?yàn)榇藭r氣體成分對等離子弧的穩(wěn)定性影響不大。保護(hù)氣一般采用氬氣，焊接 銅、不銹鋼、低合金鋼時，為防止焊縫缺陷，通常在氬氣中加一定量的氦氣、氫氣或二 氧化碳等氣體。保護(hù)氣流量應(yīng)與離子氣流量有一個適當(dāng)?shù)谋壤?。如果保護(hù)氣流量過大， 則會造成氣流紊亂，影響等離子弧穩(wěn)定性和保護(hù)效果。穿透法焊接時，保護(hù)氣流量一般 選擇15~30L/min。 學(xué)習(xí)單元三 等離子弧切割 一、等離子弧切割原理及特點(diǎn) 1．等離子弧切割原理 等離子弧切割是利用等離子弧的熱能實(shí)現(xiàn)切割的方法。 國際統(tǒng)稱為PAC （Plasma Arc Cutting)。 等離子弧切割的原理與氧氣的切割原理有著本質(zhì)的不同。 氧氣切割主要是靠氧與部 分金屬的化合燃燒和氧氣流的吹力，使燃燒的金屬氧化物熔渣脫離基體而形成切口的。 因此氧氣切割不能切割熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化物熔點(diǎn)高和粘滯性大的材料。等離子弧 切割過程不是依靠氧化反應(yīng)，而是靠熔化來切割工件的。等離子弧的溫度高（可達(dá) 50000K），目前所有金屬材料及非金屬材料都能被等離子弧熔化，因而它的適用范圍比 氧氣切割要大得多。 等離子弧切割原理見圖6-14，其中圖6-14a采用轉(zhuǎn)移弧，適用于金屬材料切割，圖 6-14b采用非轉(zhuǎn)移弧，既可用于非金屬材料切割，也可用于金屬材料切割，但由于工件 不接電源。電弧挺度差，故能切割的金屬材料厚度較小。
2．等離子弧切割特點(diǎn)
（1）切割速度快，生產(chǎn)率高 它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。
（2）切口質(zhì)量好 等離子弧切割切口窄而平整，產(chǎn)生的熱影響區(qū)和變形都比較小， 特別是切割不銹鋼時能很快通過敏化溫度區(qū)間，故不會降低切口處金屬的耐蝕性能；切 割淬火傾向較大的鋼材時，雖然切口處金屬的硬度也會升高，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋，但由于 淬硬層的深度非常小，通過焊接過程可以消除，所以切割邊可直接用于裝配焊接。
（3） 應(yīng)用面廣 由于等離子弧的溫度高、 能量集中， 所以能切割幾乎各種金屬材料， 如不銹鋼、鑄鐵、鋁、鎂、銅等，在使用非轉(zhuǎn)移性等離子弧時，還能切割非金屬材料， 如石塊、耐火磚、水泥塊等。 三、等離子弧切割工藝 1．切割工藝參數(shù)的選擇 等離子弧切割工藝參數(shù)較多，主要有離子氣種類和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、切 割電流和切割電壓、切割速度和噴嘴高度等。各種參數(shù)對切割過程的穩(wěn)定性和切割質(zhì)量 均有不同程度的影響，切割時必須依據(jù)切割材料種類、工件厚度和具體要求來選擇。
（1）離子氣的種類和流量 等離子弧切割時，氣體的作用是壓縮電弧，防止鎢極氧 化，吹掉割縫中的熔化金屬，保護(hù)噴嘴不被燒壞。離子氣的種類和流量對上述作用有直 接影響，從而影響切割質(zhì)量。一般切割l00mm以下的不銹鋼、鋁等材料時，可以使用純 氮?dú)饣蜻m當(dāng)加些氬氣， 既經(jīng)濟(jì)又能保證切割質(zhì)量； 當(dāng)使用Ar ＋φ 2） （H 35％混合氣體時， 由于H2的熱焓大，熱導(dǎo)率高，對電弧的壓縮作用更強(qiáng)，氣體噴出時速度極高。電弧吹力 大，有利于切口熔化金屬的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的 板材。
（2）噴嘴 噴嘴孔徑的大小應(yīng)根據(jù)切割工件厚度和選用的離子氣種類確定。切割厚 度較大時，要求噴嘴孔徑也要相應(yīng)增大；使用Ar＋H2混合氣體時，噴嘴孔徑可適當(dāng)小一 些，使用N2時應(yīng)大一些。
（3）空載電壓 等離子弧切割要求電源有較高的空載電壓（一般不低于150V），因 空載電壓低將使切割電壓的提高受到限制，不利于厚件的切割。
（4） 切割電流和切割電壓 切割電流和切割電壓是決定切割電弧功率的兩個重要參 數(shù)。選擇切割電流Ｉ應(yīng)根據(jù)選用的噴嘴孔徑d的大小而定，其相互關(guān)系大致為 I＝ （30~100)d。
（5）切割速度 切割速度應(yīng)根據(jù)等離子弧功率、工件厚度和材質(zhì)來確定。在切割功 率相同的情況下，由于鋁的熔點(diǎn)低，切割速度應(yīng)快些；鋼的熔點(diǎn)較高，切割速度應(yīng)較慢； 銅的導(dǎo)熱性好，散熱快，故切割速度應(yīng)更慢些。 （6）噴嘴高度 噴嘴端面至工件表面的距離為噴嘴高度。隨噴嘴高度的增大，等離 子弧的切割電壓提高，功率增大。
2．提高切割質(zhì)量的途徑 良好的切割質(zhì)量應(yīng)該是切口面光潔、切口窄，切口上部呈直角、無熔化圓角，切口 下部無毛刺（熔瘤）。為實(shí)現(xiàn)上述質(zhì)量要求，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：
（1）切口寬度和平直度
（2）切口毛刺的消除
（3）避免產(chǎn)生雙弧 在等離子弧切割過程中，為保證切割質(zhì)量，必須防止產(chǎn)生雙弧 現(xiàn)象。因?yàn)橐坏┊a(chǎn)生雙弧，一方面使主弧電流減小，即主弧功率減小，導(dǎo)致切割參數(shù)不 穩(wěn)，切口質(zhì)量下降；另一方面噴嘴成為導(dǎo)體而易被燒壞，影響切割過程，同樣會降低切 口質(zhì)量，甚至使切割無法進(jìn)行。所以在進(jìn)行等離子弧切割時，必須設(shè)法防止產(chǎn)生雙弧。 避免產(chǎn)生雙弧的措施與等離子弧焊接類似。
（4）大厚度工件的切割 為保證大厚度工件的切口質(zhì)量，應(yīng)采取下列工藝措施：
1）適當(dāng)提高切割功率 2）適當(dāng)增大離子氣流量 3）采用電流遞增或分級轉(zhuǎn)弧 四、其他等離子弧切割
1．空氣等離子弧切割 采用壓縮空氣作為離子氣的等離子弧切割稱空氣等離子弧切割。 一方面由于空氣來 源廣，因而切割成本低，為使等離子弧切割用于普通鋼材開辟了廣闊的前景；另一方面 用空氣作離子氣時，等離子弧能量大，加之在切割過程中氧與被切割金屬發(fā)生氧化反應(yīng) 而放熱，因而切割速度快，生產(chǎn)率高。近年來，空氣等離子弧切割發(fā)展較快，應(yīng)用越來 越廣泛。不僅能用于普通碳鋼與低合金鋼的切割，也可用于切割銅、不銹鋼、鋁及其他 材料?？諝獾入x子弧切割特別適合切割厚度在30mm以下的碳鋼、低合金鋼。
2．水再壓縮等離子弧切割 該方法是在普通的等離子弧外圍再用高速水束進(jìn)行壓縮。切割時，從割槍噴出的除 等離子氣體外，還伴有高速流動的水束，共同迅速地將熔化金屬排開，形成切口。 高速水束有三種作用：①增強(qiáng)噴嘴的冷卻，從而增強(qiáng)等離子弧的熱收縮效應(yīng)；②一 部分壓縮水被蒸發(fā)，分解成氫與氧一起參與構(gòu)成切割氣體；③由于氧的存在，特別在切 割低碳鋼和低合金鋼時，引起劇烈的氧化反應(yīng)，增強(qiáng)了材質(zhì)的燃燒和熔化。圖6-16a、b 分別表示了壓縮水的兩種噴射形式，其中徑向噴水式對電弧的壓縮作用更強(qiáng)烈。
為了獲得高質(zhì)量的焊縫應(yīng)注意以下幾點(diǎn)。
1、焊前要加強(qiáng)對焊件、焊絲的清理，防止氫溶人產(chǎn)生氣孔，還應(yīng)加強(qiáng)對焊縫和焊絲的保護(hù)。
2、交流等離子弧焊的許用等離子氣流量較小，流量稍大，等離子弧的吹力過大，鋁的液態(tài)金屬被向上吹起，形成凸凹不平或不連續(xù)的凸峰狀焊縫。為了加強(qiáng)鎢極的冷卻效果，可以適當(dāng)加大噴嘴孔徑或選用多孔型噴嘴。
3、當(dāng)板厚大于6mm時，要求焊前預(yù)熱100－－200℃。板厚較大時用氦作等離子氣或保護(hù)氣，可增加熔深或提高效率。
4、需用的墊板和壓板最好用導(dǎo)熱性不好的材料制造（如不銹鋼）。墊板上加工出深度lmm、寬度20～40mm的凹槽，以使待焊鋁板坡口近處不與墊板接觸，防止散熱過快。
5、板厚不大于lOmm時，在對接的坡口上海間隔150mm點(diǎn)固焊一點(diǎn)；板厚大于l0mm時，每間隔300mm點(diǎn)固焊一點(diǎn)。點(diǎn)固焊采用與正常焊接相同的電流。
6、進(jìn)行多道焊時，焊完前一道焊道后應(yīng)用鋼絲或銅絲刷清理焊道表面至露出純凈的鋁表面為止。
了解等離子弧焊接和切割的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用范圍； 目標(biāo) 掌握等離子弧焊的基本方法； 能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 教學(xué)活動設(shè)計： 教學(xué)活動設(shè)計：
1 在實(shí)訓(xùn)室中進(jìn)行講練結(jié)合的現(xiàn)場教學(xué)；
2．利用多媒體課件、仿真等輔助教學(xué)； 教學(xué)重點(diǎn)： 教學(xué)重點(diǎn)：條電弧焊的原理、工藝特點(diǎn) 制定焊條電弧焊工藝； 掌握焊條電弧焊操作技術(shù) 教學(xué)難點(diǎn)： 教學(xué)難點(diǎn)：能合理制定等離子弧焊工藝。 了解等離子弧堆焊、噴涂和切割的基本方法。 學(xué)習(xí)單元一 認(rèn)知等離子弧的焊接與切割 認(rèn)知等離子弧的焊接與切割 等離子弧 一、等離子弧的形成 1．等離子弧 目前，焊接領(lǐng)域中應(yīng)用的等離子弧實(shí)際上是一種壓縮電弧，是由鎢極氣體保護(hù)電弧 發(fā)展而來的。鎢極氣體保護(hù)電弧常被稱為自由電弧，它燃燒于惰性氣體保護(hù)下的鎢極與 焊件之間，其周圍沒有約束，當(dāng)電弧電流增大時，弧柱直徑也伴隨增大，二者不能獨(dú)立 地進(jìn)行調(diào)節(jié)，因此自由電弧弧柱的電流密度、溫度和能量密度的增大均受到一定限制。 實(shí)驗(yàn)證明，借助水冷銅噴嘴的外部拘束作用，使弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴(kuò)大 時，就可使電弧的溫度、能量密度和等離子體流速都顯著增大。這種用外部拘束作用使 弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧。
2．等離子弧形成原理 目前廣泛采用的壓縮電弧的方法是將鎢極縮入噴嘴內(nèi)部， 并且在水冷噴嘴中通以一 定壓力和流量的離子氣， 強(qiáng)迫電弧通過噴嘴孔道， 以形成高溫、 高能量密度的等離子弧， 如圖67-1所示。此時電弧受到下述三種壓縮作用： （1）機(jī)械壓縮效應(yīng) 當(dāng)把一個用水冷卻的銅制噴嘴放置在其通道上，強(qiáng)迫這個“自 由電弧” 從細(xì)小的噴嘴孔中通過時， 弧柱直徑受到小孔直徑的機(jī)械約束而不能自由擴(kuò)大， 而使電弧截面受到壓縮。這種作用稱為“機(jī)械壓縮效應(yīng)”。
（2）熱收縮效應(yīng) 水冷銅噴嘴的導(dǎo)熱性很好，緊貼噴嘴孔道壁的“邊界層”氣體溫 度很低，電離度和導(dǎo)電性均降低。這就迫使帶電粒子向溫度更高、導(dǎo)電性更好的弧柱中 心區(qū)集中，相當(dāng)于外圍的冷氣流層迫使弧柱進(jìn)一步收縮。這種作用稱為“熱收縮效應(yīng)”。
（3）電磁收縮效應(yīng) 這是由通電導(dǎo)體間相互吸引力產(chǎn)生的收縮作用?；≈袔щ姷?粒子流可被看成是無數(shù)條相互平行且通以同向電流的導(dǎo)體。在自身磁場作用下，產(chǎn)生相 互吸引力，使導(dǎo)體相互靠近。導(dǎo)體間的距離越小，吸引力越大。這種導(dǎo)體自身磁場引起 的收縮作用使弧柱進(jìn)一步變細(xì)，電流密度與能量密度進(jìn)一步增加。 電弧在三種壓縮效應(yīng)的作用下，直徑變小、溫度升高、氣體的離子化程度提高、能 量密度增大。最后與電弧的熱擴(kuò)散作用相平衡，形成穩(wěn)定的壓縮電弧。這就是工業(yè)中應(yīng) 用的等離子弧。作為熱源，等離子弧獲得了廣泛的應(yīng)用，可進(jìn)行等離子弧焊接、等離子 弧切割、等離子弧堆焊、等離子弧噴涂、等離子弧冶金等。 在上述三種壓縮作用中，噴嘴孔徑的機(jī)械壓縮作用是前提；熱收縮效應(yīng)則是電弧被 壓縮的最主要的原因；電磁收縮效應(yīng)是必然存在的，它對電弧的壓縮也起到一定作用。
3．等離子弧的影響因素 等離子弧是壓縮電弧，其壓縮程度直接影響等離子弧的溫度、能量密度、弧柱挺度 和電弧壓力。影響等離子弧壓縮程度的因素主要有：
（1）等離子弧電流 當(dāng)電流增大時，弧柱直徑也要增大。因電流增大時，電弧溫度 升高，氣體電離程度增大，因而弧柱直徑增大。如果噴嘴孔徑不變，則弧柱被壓縮程度 增大。
（2） 噴嘴孔道形狀和尺寸 噴嘴孔道形狀和尺寸對電弧被壓縮的程度具有較大的影 響，特別是噴嘴孔徑對電弧被壓縮程度的影響更為顯著。在其他條件不變的情況下，隨 噴嘴孔徑的減小，電弧被壓縮程度增大。
（3）離子氣體的種類及流量 離子氣（工作氣體）的作用主要是壓縮電弧強(qiáng)迫通過 噴嘴孔道，保護(hù)鎢極不被氧化等。使用不同成分的氣體作離子氣時，由于氣體的熱導(dǎo)率 和熱焓值不同，對電弧的冷卻作用不同，故電弧被壓縮的程度不同。 改變和調(diào)節(jié)這些因素可以改變等離子弧的特性，使其壓縮程度適應(yīng)于切割、焊接、 堆焊或噴涂等方法的不同要求。例如為了進(jìn)行切割，要求等離子弧有很大的吹力和高度 集中的能量，應(yīng)選擇較小的壓縮噴嘴孔徑、較大的等離子氣流量、較大的電流和導(dǎo)熱性 好的氣體；為進(jìn)行焊接，則要求等離子弧的壓縮程度適中，應(yīng)選擇較切割時稍大的噴嘴 孔徑、較小的等離子氣流量。 二、等離子弧的特性 1．溫度高、能量密度大 普通鎢極氬弧的最高溫度為10000~24000K，能量密度在10 W/cm 以下。等離子弧的 最高溫度可達(dá)24000~50000K，能量密度可達(dá)105~l08W/cm2，且穩(wěn)定性好。等離子弧和鎢極 氬弧的溫度比較如圖6-2所示。
2．等離子弧的能量分布均衡 等離子弧由于弧柱被壓縮，橫截面減小，弧柱電場強(qiáng)度明顯提高，因此等離子弧的 最大壓降是在弧柱區(qū)，加熱金屬時利用的主要是弧柱區(qū)的熱功率，即利用弧柱等離子體 的熱能。所以說，等離子弧幾乎在整個弧長上都具有高溫。這一點(diǎn)和鎢極氬弧是明顯不 同的。
3．等離子弧的挺度好、沖力大 鎢極氬弧的形狀一般為圓錐形，擴(kuò)散角在45°左右；經(jīng)過壓縮后的等離子弧，其形 態(tài)近似于圓柱形，電弧擴(kuò)散角很小，約為5°左右，因此挺度和指向性明顯提高。等離 子弧在三種壓縮作用下，橫截面縮小，溫度升高，噴嘴內(nèi)部的氣體劇烈膨脹，迫使等離 子體高速從噴嘴孔中噴出，因此沖力大，挺直性好。電流越大，等離子弧的沖力也越大， 挺直性也就越好。
4．等離子弧的靜特性曲線仍接近于U形 由于弧柱的橫截面受到限制，等離子弧的電場強(qiáng)度增大，電弧電壓明顯提高，U形 曲線上移且其平直區(qū)域明顯減小，。
5．等離子弧的穩(wěn)定性好 等離子弧的電離度較鎢極氬弧更高，因此穩(wěn)定性好。外界氣流和磁場對等離子弧的 影響較小，不易發(fā)生電弧偏吹和漂移現(xiàn)象。焊接電流在10A以下時，一般的鎢極氬弧很 難穩(wěn)定， 常產(chǎn)生電弧漂移， 指向性也常受到破壞。 而采用微束等離子弧， 當(dāng)電流小至0.1A 時，等離子弧仍可穩(wěn)定燃燒，指向性和挺度均好。這些特性在用小電流焊接極薄焊件時 特別有利。 三、等離子弧的類型及應(yīng)用 等離子弧按接線方式和工作方式不同， 可分為非轉(zhuǎn)移型、 轉(zhuǎn)移型和混合型三種類型， 如圖6-5所示。
1．非轉(zhuǎn)移型等離子弧 4 2 鎢極接電源的負(fù)極，噴嘴接電源的正極，焊件不接電源，電弧是在鎢極與噴嘴孔壁 之間燃燒的，非轉(zhuǎn)移弧主要在等離子弧噴涂、焊接和切割較薄的金屬及非金屬時采用。
2．轉(zhuǎn)移型等離子弧 鎢極接電源的負(fù)極、 焊件接電源的正極， 等離子弧燃燒于鎢極與焊件之間， 如圖6-5b 所示。但這種等離子弧不能直接產(chǎn)生，必須先在鎢極和噴嘴之間接通維弧電源，以引燃 小電流的非轉(zhuǎn)移型?。ㄒ龑?dǎo)弧），然后將非轉(zhuǎn)移型弧通過噴嘴過渡到焊件表面，再引燃 鎢極與焊件之間的轉(zhuǎn)移型等離子弧．（主?。?，并自動切斷維弧電源。采用轉(zhuǎn)移弧工作 時，等離子弧溫度高、能量密度大，焊件上獲得的熱量多，熱的有效利用率高。常用于 等離子弧切割、等離子弧焊接和等離子弧堆焊等工藝方法中。 3．混合型等離子弧 在工作過程中非轉(zhuǎn)移型弧和轉(zhuǎn)移型弧同時存在，則稱之為混合型（或聯(lián)合型）等離 子弧，如圖6-5c所示。兩者可以用兩臺單獨(dú)的焊接電源供電，也可以用一臺焊接電源中 間串接一定電阻后向兩個電弧供電。其中的轉(zhuǎn)移弧主要用來加熱焊件和填充金屬，非轉(zhuǎn) 移弧用來協(xié)助轉(zhuǎn)移弧的穩(wěn)定燃燒（小電流時）和對填充金屬進(jìn)行預(yù)熱（堆焊時）。混合 型等離子弧穩(wěn)定性好，電流很小時也能保持電弧穩(wěn)定，主要用在微束等離子弧焊接和粉 末等離子弧堆焊等工藝方法中。 學(xué)習(xí)單元二 等離子弧焊接 等離子弧焊接一、等離子弧焊的基本方法及應(yīng)用 等離子弧焊是借助水冷噴嘴對電弧的拘束作用， 獲得高能量密度的等離子弧進(jìn)行焊 接的方法，國際統(tǒng)稱為PAW（Plasma Arc Welding）。按焊縫成形原理，等離子弧焊有 下列三種基本方法：穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊。
1．穿 透型等離子弧焊 穿透型焊接法又稱小孔型等離子弧焊。該方法是利用等離子弧直徑小、溫度高、能 量密度大、穿透力強(qiáng)的特點(diǎn)，在適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)條件下實(shí)現(xiàn)的，焊縫斷面呈酒杯狀，如 圖6-7所示。焊接時，采用轉(zhuǎn)移型等離子弧把焊件完全熔透并在等離子流力作用下形成 一個穿透焊件的小孔，并從焊件的背面噴出部分等離子?。ǚQ其為“尾焰”）。熔化金 屬被排擠在小孔周圍，依靠表面張力的承托而不會流失。隨著焊槍向前移動，小孔也跟 著焊槍移動， 熔池中的液態(tài)金屬在電弧吹力、 表面張力作用下沿熔池壁向熔池尾部流動， 并逐漸收口、凝固，形成完全熔透的正反面都有波紋的焊縫，這就是所謂的小孔效應(yīng)。 如圖6-8所示。利用這種小孔效應(yīng)，不用襯墊就可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形。焊接時一般不 加填充金屬， 但如果對焊縫余高有要求的話， 也可加入填充金屬。 目前大電流 （100 ~500A） 等離子弧焊通常采用這種方法進(jìn)行焊接。
2．熔透型等離子弧焊 熔透型等離子弧焊又稱熔入型焊接法，它是采用較小的焊接電流（30~100A）和較 低的離子氣流量，采用混合型等離子弧焊接的方法。在焊接過程中不形成小孔效應(yīng)，焊 件背面無“尾焰”。液態(tài)金屬熔池在弧柱的下面，靠熔池金屬的熱傳導(dǎo)作用熔透母材， 實(shí)現(xiàn)焊透。焊縫斷面形狀呈碗狀，如圖6-9所示。熔透型等離子弧焊基本焊法與鎢極氬 弧焊相似。焊接時可加填充金屬，也可不加填充金屬。主要用于薄板（0.5~2.5mm以下） 的焊接、多層焊封底焊道以后各層的焊接以及角焊縫的焊接。 3．微束等離子弧焊 焊接電流在30A以下的等離子弧通常稱為微束等離子弧焊。有時也把焊接電流稍大 的等離子弧歸為此類。這種方法使用很小的噴嘴孔徑（0.5~1.5mm），得到針狀細(xì)小 的等離子弧，主要用于焊接厚度1mm以下的超薄、超小、精密的焊件。 上述三種等離子弧焊方法均可采用脈沖電流，借以提高焊接過程的穩(wěn)定性，此時稱 為脈沖等離子弧焊。脈沖等離子弧焊易于控制熱輸入和熔池，適于全位置焊接，并且其 焊接熱影響區(qū)和焊接變形都更小。尤其是脈沖微束等離子弧焊，特點(diǎn)更突出，因而應(yīng)用 較廣。 交流等離子弧焊具有陰極清理作用，主要用來焊接鋁、鎂及其合金。熔化極等離子 弧焊實(shí)質(zhì)上是一種等離子弧焊和MIG焊組合在一起的聯(lián)焊方法。 這兩種方法特點(diǎn)不突出， 目前用得尚不多。 二、等離子弧焊工藝
1．等離子弧焊的工藝特點(diǎn) 1）由于等離子弧的溫度高、能量密度大，因此等離子弧焊熔透能力強(qiáng)，可用比鎢 極氬弧焊高得多的焊接速度施焊。這不僅提高了焊接生產(chǎn)率，而且可減小熔寬、增大熔 深，因而可減小熱影響區(qū)寬度和焊接變形。
2）由于等離子弧的形態(tài)近似于圓柱形，挺度好，因此當(dāng)弧長發(fā)生波動時熔池表面 的加熱面積變化不大，對焊縫成形的影響較小，容易得到均勻的焊縫成形。 3）由于等離子弧的穩(wěn)定性好，使用很小的焊接電流也能保證等離子弧的穩(wěn)定，故 可以焊接超薄件。
4）由于鎢極內(nèi)縮在噴嘴里面，焊接時鎢極與焊件不接觸，因此可減少鎢極燒損和 防止焊縫金屬夾鎢。
2．等離子弧焊工藝
（1）接頭形式 用于等離子弧焊接的通用接頭形式為I形對接接頭、開單面V形和雙 面V形坡口的對接接頭以及開單面U形和雙面U形坡口的對接接頭。除此之外，也可用角 接接頭和T型接頭。
（2）焊接參數(shù)的選擇 等離子弧焊焊接時，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊 （包括微束等離子弧焊） 兩種。 在采用穿透型等子弧焊時， 焊接過程中確保小孔的穩(wěn)定， 是獲得優(yōu)質(zhì)焊縫的前提。影響小孔穩(wěn)定性的主要焊接工藝參數(shù)有：
1）噴嘴孔徑 噴嘴孔徑直接決定等離子弧的壓縮程度，是選擇其他參數(shù)的前提。在 焊接生產(chǎn)過程中，當(dāng)焊件厚度增大時，焊接電流也應(yīng)增大，但一定孔徑的噴嘴其許用電 流是有限制的，見表6-2。因此，一般應(yīng)按焊件厚度和所需電流值確定噴嘴孔徑。
2）焊接電流 當(dāng)其他條件不變時，焊接電流增加，等離子弧的熱功率也增加，熔透 能力增強(qiáng)。因此，應(yīng)根據(jù)焊件的材質(zhì)和厚度首先確定焊接電流。
3）離子氣種類及流量 目前應(yīng)用最廣的離子氣是氬氣，適用于所有金屬。為提高焊 接生產(chǎn)效率和改善接頭質(zhì)量，針對不同金屬可在氬氣中加入其他氣體。例如，焊接不銹 鋼和鎳合金時，可在氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為5%~7.5%的氬氣；焊接鈦及鈦合金時，可在 氬氣中加入體積分?jǐn)?shù)為50％~75％的氦氣。 當(dāng)其他條件不變時，離子氣流量增加，等離子弧的沖力和穿透能力都增大。因此， 要實(shí)現(xiàn)穩(wěn)定的穿孔法焊接過程，必須要有足夠的離子氣流量；但離子氣流量太大時，會 使等離子弧的沖力過大將熔池金屬沖掉，同樣無法實(shí)現(xiàn)穿透法焊接。
4）焊接速度 當(dāng)其他條件不變時，提高焊接速度，則輸入到焊縫的熱量減少，在穿 孔法焊接時，小孔直徑將減??；如果焊速太高，則不能形成小孔，故不能實(shí)現(xiàn)穿透法焊 接。焊接速度的確定，取決于焊接電流和離子氣流量。
5）噴嘴高度 噴嘴端面至焊件表面的距離為噴嘴高度。生產(chǎn)實(shí)踐證明噴嘴高度應(yīng)保 持在3 ~8mm較為合適。如果噴嘴高度過大，會增加等離子弧的熱損失，使熔透能力減小， 保護(hù)效果變差；但若噴嘴高度太小，則不便操作，噴嘴也易被飛濺物堵塞，還容易產(chǎn)生 雙弧現(xiàn)象。
6）保護(hù)氣成分及流量 等離子弧焊時，除向焊槍輸入離子氣外，還要輸入保護(hù)氣， 以充分保護(hù)熔池不受大氣污染。大電流等離子弧焊時保護(hù)氣與離子氣成分應(yīng)相同，否則 會影響等離子弧的穩(wěn)定性。小電流等離子弧焊時，離子氣與保護(hù)氣成分可以相同，也可 以不同，因?yàn)榇藭r氣體成分對等離子弧的穩(wěn)定性影響不大。保護(hù)氣一般采用氬氣，焊接 銅、不銹鋼、低合金鋼時，為防止焊縫缺陷，通常在氬氣中加一定量的氦氣、氫氣或二 氧化碳等氣體。保護(hù)氣流量應(yīng)與離子氣流量有一個適當(dāng)?shù)谋壤?。如果保護(hù)氣流量過大， 則會造成氣流紊亂，影響等離子弧穩(wěn)定性和保護(hù)效果。穿透法焊接時，保護(hù)氣流量一般 選擇15~30L/min。 學(xué)習(xí)單元三 等離子弧切割 一、等離子弧切割原理及特點(diǎn) 1．等離子弧切割原理 等離子弧切割是利用等離子弧的熱能實(shí)現(xiàn)切割的方法。 國際統(tǒng)稱為PAC （Plasma Arc Cutting)。 等離子弧切割的原理與氧氣的切割原理有著本質(zhì)的不同。 氧氣切割主要是靠氧與部 分金屬的化合燃燒和氧氣流的吹力，使燃燒的金屬氧化物熔渣脫離基體而形成切口的。 因此氧氣切割不能切割熔點(diǎn)高、導(dǎo)熱性好、氧化物熔點(diǎn)高和粘滯性大的材料。等離子弧 切割過程不是依靠氧化反應(yīng)，而是靠熔化來切割工件的。等離子弧的溫度高（可達(dá) 50000K），目前所有金屬材料及非金屬材料都能被等離子弧熔化，因而它的適用范圍比 氧氣切割要大得多。 等離子弧切割原理見圖6-14，其中圖6-14a采用轉(zhuǎn)移弧，適用于金屬材料切割，圖 6-14b采用非轉(zhuǎn)移弧，既可用于非金屬材料切割，也可用于金屬材料切割，但由于工件 不接電源。電弧挺度差，故能切割的金屬材料厚度較小。
2．等離子弧切割特點(diǎn)
（1）切割速度快，生產(chǎn)率高 它是目前常用的切割方法中切割速度最快的。
（2）切口質(zhì)量好 等離子弧切割切口窄而平整，產(chǎn)生的熱影響區(qū)和變形都比較小， 特別是切割不銹鋼時能很快通過敏化溫度區(qū)間，故不會降低切口處金屬的耐蝕性能；切 割淬火傾向較大的鋼材時，雖然切口處金屬的硬度也會升高，甚至?xí)霈F(xiàn)裂紋，但由于 淬硬層的深度非常小，通過焊接過程可以消除，所以切割邊可直接用于裝配焊接。
（3） 應(yīng)用面廣 由于等離子弧的溫度高、 能量集中， 所以能切割幾乎各種金屬材料， 如不銹鋼、鑄鐵、鋁、鎂、銅等，在使用非轉(zhuǎn)移性等離子弧時，還能切割非金屬材料， 如石塊、耐火磚、水泥塊等。 三、等離子弧切割工藝 1．切割工藝參數(shù)的選擇 等離子弧切割工藝參數(shù)較多，主要有離子氣種類和流量、噴嘴孔徑、空載電壓、切 割電流和切割電壓、切割速度和噴嘴高度等。各種參數(shù)對切割過程的穩(wěn)定性和切割質(zhì)量 均有不同程度的影響，切割時必須依據(jù)切割材料種類、工件厚度和具體要求來選擇。
（1）離子氣的種類和流量 等離子弧切割時，氣體的作用是壓縮電弧，防止鎢極氧 化，吹掉割縫中的熔化金屬，保護(hù)噴嘴不被燒壞。離子氣的種類和流量對上述作用有直 接影響，從而影響切割質(zhì)量。一般切割l00mm以下的不銹鋼、鋁等材料時，可以使用純 氮?dú)饣蜻m當(dāng)加些氬氣， 既經(jīng)濟(jì)又能保證切割質(zhì)量； 當(dāng)使用Ar ＋φ 2） （H 35％混合氣體時， 由于H2的熱焓大，熱導(dǎo)率高，對電弧的壓縮作用更強(qiáng)，氣體噴出時速度極高。電弧吹力 大，有利于切口熔化金屬的去除，所以切割效果更佳，一般用于切割厚度大于l00mm的 板材。
（2）噴嘴 噴嘴孔徑的大小應(yīng)根據(jù)切割工件厚度和選用的離子氣種類確定。切割厚 度較大時，要求噴嘴孔徑也要相應(yīng)增大；使用Ar＋H2混合氣體時，噴嘴孔徑可適當(dāng)小一 些，使用N2時應(yīng)大一些。
（3）空載電壓 等離子弧切割要求電源有較高的空載電壓（一般不低于150V），因 空載電壓低將使切割電壓的提高受到限制，不利于厚件的切割。
（4） 切割電流和切割電壓 切割電流和切割電壓是決定切割電弧功率的兩個重要參 數(shù)。選擇切割電流Ｉ應(yīng)根據(jù)選用的噴嘴孔徑d的大小而定，其相互關(guān)系大致為 I＝ （30~100)d。
（5）切割速度 切割速度應(yīng)根據(jù)等離子弧功率、工件厚度和材質(zhì)來確定。在切割功 率相同的情況下，由于鋁的熔點(diǎn)低，切割速度應(yīng)快些；鋼的熔點(diǎn)較高，切割速度應(yīng)較慢； 銅的導(dǎo)熱性好，散熱快，故切割速度應(yīng)更慢些。 （6）噴嘴高度 噴嘴端面至工件表面的距離為噴嘴高度。隨噴嘴高度的增大，等離 子弧的切割電壓提高，功率增大。
2．提高切割質(zhì)量的途徑 良好的切割質(zhì)量應(yīng)該是切口面光潔、切口窄，切口上部呈直角、無熔化圓角，切口 下部無毛刺（熔瘤）。為實(shí)現(xiàn)上述質(zhì)量要求，應(yīng)注意下面幾點(diǎn)：
（1）切口寬度和平直度
（2）切口毛刺的消除
（3）避免產(chǎn)生雙弧 在等離子弧切割過程中，為保證切割質(zhì)量，必須防止產(chǎn)生雙弧 現(xiàn)象。因?yàn)橐坏┊a(chǎn)生雙弧，一方面使主弧電流減小，即主弧功率減小，導(dǎo)致切割參數(shù)不 穩(wěn)，切口質(zhì)量下降；另一方面噴嘴成為導(dǎo)體而易被燒壞，影響切割過程，同樣會降低切 口質(zhì)量，甚至使切割無法進(jìn)行。所以在進(jìn)行等離子弧切割時，必須設(shè)法防止產(chǎn)生雙弧。 避免產(chǎn)生雙弧的措施與等離子弧焊接類似。
（4）大厚度工件的切割 為保證大厚度工件的切口質(zhì)量，應(yīng)采取下列工藝措施：
1）適當(dāng)提高切割功率 2）適當(dāng)增大離子氣流量 3）采用電流遞增或分級轉(zhuǎn)弧 四、其他等離子弧切割
1．空氣等離子弧切割 采用壓縮空氣作為離子氣的等離子弧切割稱空氣等離子弧切割。 一方面由于空氣來 源廣，因而切割成本低，為使等離子弧切割用于普通鋼材開辟了廣闊的前景；另一方面 用空氣作離子氣時，等離子弧能量大，加之在切割過程中氧與被切割金屬發(fā)生氧化反應(yīng) 而放熱，因而切割速度快，生產(chǎn)率高。近年來，空氣等離子弧切割發(fā)展較快，應(yīng)用越來 越廣泛。不僅能用于普通碳鋼與低合金鋼的切割，也可用于切割銅、不銹鋼、鋁及其他 材料?？諝獾入x子弧切割特別適合切割厚度在30mm以下的碳鋼、低合金鋼。
2．水再壓縮等離子弧切割 該方法是在普通的等離子弧外圍再用高速水束進(jìn)行壓縮。切割時，從割槍噴出的除 等離子氣體外，還伴有高速流動的水束，共同迅速地將熔化金屬排開，形成切口。 高速水束有三種作用：①增強(qiáng)噴嘴的冷卻，從而增強(qiáng)等離子弧的熱收縮效應(yīng)；②一 部分壓縮水被蒸發(fā)，分解成氫與氧一起參與構(gòu)成切割氣體；③由于氧的存在，特別在切 割低碳鋼和低合金鋼時，引起劇烈的氧化反應(yīng)，增強(qiáng)了材質(zhì)的燃燒和熔化。圖6-16a、b 分別表示了壓縮水的兩種噴射形式，其中徑向噴水式對電弧的壓縮作用更強(qiáng)烈。
