等离子弧焊接与切割

第十一章等离子弧焊接与切割第一节等离子弧概述一、等离子弧原理等离子弧是自由电弧压缩而成的。

电弧通过水冷喷嘴、限制其直径，称机械压缩。

水冷内壁温度较低，紧贴喷嘴内壁的气体温度也极低，形成了一定厚度的冷气膜，冷气膜进一步迫使弧柱截面减小，称热压缩。

弧柱截面的缩小，使电流密度大为提高，增强了磁收缩效应，称磁压缩。

在三种压缩的作用下，等离子弧的能量集中(能量密度可达105～106W／cm2)，温度高(弧柱中心温度18000～24000K)，焰流速度大(可达300m／s)。

这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂、堆焊及切割。

二、等离子弧的特点由于等离子弧的特性，与钨极氩弧焊相比，有以下特点：(1)等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透、反面成形均匀的焊缝。

(2)电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5°左右，基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小。

所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。

(3)焊接速度比钨极氩弧焊快。

(4)能够焊接更细、更薄加工件。

(5)其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。

三、等离子弧的类型按电源连接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。

(一)联合型等离子弧工作时，非转移型弧和转移弧同时存在，称为联合型等离子弧。

主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等。

(二)非转移型等离子弧钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。

(三)转移型等离子弧钨极接电源负极，工件接电源正极，等离子弧体产生于钨极与工件之间。

转移弧难以直接形成，必须先引燃非转移弧，然后才能过渡到转移弧。

金属焊接、切割几乎均采用转移型弧。

四、适用范围1、操作方式等离子弧焊适于手工和自动两种操作，可以焊接连续或断续的焊缝。

焊接时可添加或不添加填充金属。

2、被焊金属一般TIG能焊的大多数金属，均可用等离子弧焊接，如碳钢、不锈钢、铜合金、镍及其合金、钛及其合金等。

等离子弧焊接及切割的安全操作技术等离子弧焊接及切割是一项常见的金属加工技术，但由于其操作过程中产生的高温、高频电弧以及大量的金属粒子和辐射，需要使用者具备一定的安全操作技术。

以下是等离子弧焊接及切割的安全操作技术：1.穿戴个人防护装备：等离子弧焊接及切割操作过程中会产生大量的红外线、紫外线、光弧和金属粉尘等有害物质，因此操作人员应穿戴防护面罩、手套、防护面具、防护服和防护鞋等个人防护装备，以保护自己的安全。

2.确保工作区域的通风：由于等离子弧焊接及切割的操作过程中会产生大量的热能和废气，因此必须确保工作区域的通风良好，以减少有害气体的积聚和呼吸道感染的风险。

3.确保工作区域的整洁：操作人员必须保持工作区域的整洁，及时清理焊渣和金属粉尘等杂物，以防止它们引发火灾或者触发其他危险。

4.正确选择和使用设备：操作人员应该选择和使用符合标准的等离子弧焊接及切割设备，并严格按照设备的使用说明进行操作。

不得随意更换设备零部件或者使用破损的设备。

5.避免并防止触电：等离子弧焊接及切割设备通常使用高电压，因此操作人员必须小心操作，避免触摸设备的裸露金属部分或者导线，以免触电造成伤害。

6.防护眼睛和皮肤：操作人员必须佩戴适当的防护面罩和手套，以阻挡高频电弧的辐射和火花溅射，防止眼睛和皮肤受伤。

7.避免焊渣溅射伤害：在进行等离子弧焊接和切割操作过程中，会产生大量的火花和焊渣，容易造成皮肤烫伤和眼睛受伤。

因此，操作人员必须注意保持焊接工区的清洁，使用防护手套、面罩和防护眼镜等个人防护装备。

8.防止火灾：等离子弧焊接及切割是高温作业，容易引发火灾。

因此，在进行操作之前，必须清理工作区域的可燃物，并确保有灭火器和紧急处理措施。

9.禁止烟草和饮食：在等离子弧焊接及切割操作过程中，禁止吸烟和饮食，防止火花引起的意外伤害和污染。

10.合理使用装置和工具：等离子弧焊接及切割操作时，操作人员必须使用适当的装置和工具，确保自身的安全。

等离子弧焊与切割及其他焊接技术等离子弧焊与切割及其他焊接技术等离子弧焊原理、设备及材料等离子弧焊接与切割是在钨极氩弧焊的基础上形成的，是焊接领域中较有发展前途的一种先进工艺。

等离子弧焊接利用等离子弧的高温，可以焊接电弧焊所不能焊接的金属材料，甚至解决了氩弧焊所不能解决的极薄金属焊接问题;可以切割氧—乙炔焰不能切割的难熔金属和非金属。

一、等离子弧的形成及类型1.等离子弧的形成焊条电弧焊所形成的电弧（图8—1a）未受到外界的约束，弧柱的直径随电弧电流及电压的变化而变化。

能量不是高度集中，温度限制在5 730～7730℃，故称为自由电弧。

如果对自由电弧的弧柱进行强迫"压缩"，就能将导电截面收缩得比较小，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离。

这样的电弧称为等离子弧。

对自由电弧的弧柱进行强迫压缩作用通称"压缩效应"。

"压缩效应"有如下3 种形式（1）机械压缩效应如图8--1b所示，在钨极（负极）和焊件（正极）之间加上1个较高的电压，通过激发使气体电离形成电弧，此时用一定压力的气体作用于弧柱，强迫其通过水冷喷嘴细孔，弧柱便受到机械压缩，使弧柱截面积缩小，称为机械压缩效应。

（2）热收缩效应如图8—1c 所示，当电弧通过水冷喷嘴，同时又受到不断送给的高速等离子气体流（氩气、氮气、氢气等）的冷却作用，使弧柱外围形成一个低温气流层，电离度急剧下降，迫使弧柱导电截面进一步缩小，电流密度进一步提高，弧柱的这种收缩称为热收缩效应。

（3）磁收缩效应电弧弧柱受到机械压缩和产生热收缩效应后，喷嘴处等离子弧的电流密度大大提高。

若把电弧看成一束平行的同向电流线，则其自身磁场所产生的电磁力，使之相互吸引，由此而产生电磁收缩力，这种磁收缩作用迫使电弧更进一步的受到压缩，如图8—1d所示。

在以上3 种效应的作用下，弧柱被压缩到很细的程度，弧柱内气体也得到了高度的电离，温度高达16000～33000℃，能量密度剧增，而且电弧挺度好，具有很强的机械冲刷力，形成高能束的等离子弧。

第5讲等离子弧焊及切割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、高能量密度及高焰流速度的电弧。

等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊及切割。

本章只介绍焊接及切割。

1 等离子弧工作原理1.1等离子弧的形式等离子枪按用途可分为焊枪及割枪，枪的主要组成部分及术语如图1所示。

切割用枪无保护气体2及保护气罩6。

压缩喷嘴5是等离子枪的关键部件，一般需用水冷。

喷嘴孔径dn及孔道长度l0是压缩喷嘴的两个主要尺寸。

喷嘴内通的气体称离子气。

中性的离子气在喷嘴内电离后使喷嘴内压力增加，所以喷嘴内壁与电极4之间的空间称增压室。

电离了的离子气从喷嘴流出时受到孔径限制，使弧柱截面变小，该孔径对弧柱的压缩作用称机械压缩。

水冷喷嘴内壁表面有一层冷气膜，电弧经过孔道时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面使弧柱有效截面进一步收缩，这种收缩称热收缩。

弧柱电流自身磁场对弧柱的压缩作用称磁收缩。

在机械压缩与热收缩的作用下，弧柱电流密度增加，磁收缩随之增强，如电流不变，弧柱电场强度及弧压降都随电流密度增加而增加，所以等离子弧（也称压缩电弧）的电弧功率及温度明显高于自由电弧。

图2a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％。

由于电离后的离子气仍具有流体的性质，受到压缩从喷嘴孔径喷射出的电弧带电质点的运动速度明显提高（可达300m／s），所以等离子弧具有较小的扩散角及较大的电弧挺度（图2b），这也是等离子弧最突出的优点。

电弧挺度是指电弧沿电极轴线的挺直程度。

等离子弧具有的电弧力、能量密度及电弧挺度等与加工有关的物理性能取决于下列五个参数：1）电流；2）喷嘴孔径的几何尺寸；3）离子气种类；4）离子气流量；5）保护气种类；调整以上五个参数可使等离子弧适应不同的加工工艺。

如在切割工艺中，应选择大电流、小喷嘴孔径、大离子气量及导热好的离子气，以便使等离子弧具有高度集中的热量及高的焰流速度。

等离子弧焊接与切割安全操作规程1.必须穿戴防护设备：进行等离子弧焊接和切割工作时，必须穿戴适当的防护设备，包括防火服、防护眼镜、面具、手套、护腿等。

2.检查设备和工作区：在操作之前，要检查设备是否正常工作，焊割工作区是否干净整洁，没有易燃和易爆物品。

3.确定焊割区域：在进行等离子弧焊接和切割之前，要确保周围没有人员，尤其是在进行高度和危险性较高的焊割作业时。

4.保持工作区通风良好：等离子弧焊接和切割会产生大量烟雾和有毒气体，因此必须保持工作区通风良好，避免吸入有害气体。

5.避免破损电缆：操作时要小心避免电缆被严重破损，以免发生触电和火灾事故。

定期检查电缆，发现问题及时修理或更换。

6.使用合适的电力设备：选择合适的电力设备进行等离子弧焊接和切割，不得超负荷使用设备，以免引发电器故障和安全事故。

7.注意电源和气源：在操作时要注意电源和气源的配备和使用，确保充足的电力和气压供应。

8.清理废渣和剩余物：焊接或切割完成后，要清理焊渣、废弃物和剩余的气体。

焊渣和废弃物应妥善处理，以防止火灾和伤人。

9.避免焊割反弹：在进行等离子弧焊接和切割过程中，要避免焊割反弹对人体和设备造成伤害。

使用防护面罩、护目镜和手套等防护设备。

10.不得与液体接触：在进行等离子弧焊接和切割时，不得与液体接触，以免发生化学反应，对皮肤和眼睛造成损害。

11.定期检查设备：定期检查等离子弧焊接和切割设备，确保其正常工作，发现问题及时修理或更换。

12.接受培训和指导：进行等离子弧焊接和切割作业的人员必须接受相关培训和指导，熟悉操作规程和安全要求。

13.紧急情况处理：在发生事故或紧急情况时，要冷静并立即采取措施，包括关闭电源、报警、灭火等，确保人身安全和设备完整。

总结起来，等离子弧焊接和切割是高温高能量的加工和焊接方法，操作时必须严格遵循安全操作规程，穿戴防护设备，保持工作区通风良好，避免破损电缆和反弹，定期检查设备，并接受培训和指导。

等离子弧焊接和切割等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法。

它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口。

等离子弧焊接和切割：1.1 等离子弧的产生：（1）等离子弧的概念：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。

等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。

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10~10W/cm2，电弧温度可高达24000～50000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在10W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。

（2）等离子弧的产生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。

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。

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。

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。

1.2 等离子弧焊接1.2.1 基本知识用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。

等离子焊接切割一体机工作原理
等离子焊接切割一体机是一种集焊接和切割功能于一体的设备，利用等离子弧作为热源进行焊接和切割。

它的工作原理主要包括等离子弧的产生、焊接和切割过程。

等离子焊接切割一体机通过高频电流产生等离子弧。

当电源通电后，电极之间形成高电压区域，通过电离气体产生等离子体。

等离子体是一种高能量的状态，具有良好的导电性和热传导性。

等离子弧的产生是等离子焊接切割一体机的基础。

等离子焊接是利用等离子弧的高温作用将被焊接的工件加热至熔化或半熔化状态，再通过填充材料的熔化填充和凝固形成焊缝。

等离子焊接具有热输入大、焊缝质量高、焊接速度快等优点。

在等离子焊接过程中，一般需要使用辅助气体，如氩气、氧气等，来对焊接区域进行保护和冷却。

等离子切割是利用等离子弧的高温和高能量将被切割的工件局部加热至熔化或半熔化状态，然后通过等离子弧的冲击力和气体喷射将熔化的材料吹散，从而实现切割目的。

等离子切割具有切割速度快、切口平整等优点，适用于各种金属材料的切割。

等离子焊接切割一体机工作原理是利用等离子弧产生高温和高能量，通过加热和冷却等过程实现焊接和切割功能。

它在实际应用中具有广泛的用途，可以用于焊接和切割各种金属材料，如钢铁、铝合金
等。

与传统的焊接和切割方法相比，等离子焊接切割一体机具有效率高、质量好、操作简便等优点，因此在制造业、建筑业等领域得到了广泛应用。

等离子弧焊接及切割的安全操作技术等离子弧焊接及切割是一种常见的金属加工技术，但由于其操作涉及高温、高能量和有害气体的释放，存在一定的安全风险。

为了保障操作人员的安全，以下是关于等离子弧焊接及切割的安全操作技术。

一、操作区域准备：1. 不可使用与等离子弧焊或切割相关的设备，例如打火机、火柴等。

2. 确保操作区域周围没有易燃物品，并保持干燥清洁。

3. 确保操作区域通风良好，以避免有害气体积聚。

4. 规定严格的工作区域，禁止未经培训的人员进入。

二、个人防护措施：1. 必须佩戴防护面具、防护眼镜，防止灼伤和眼部损伤。

2. 穿戴不易起火的防护服，并配备防火手套、焊接鞋等。

3. 长发必须束起来，避免触及火焰区域。

4. 不得戴金属饰物，以防电流通过产生危险。

三、设备安全检查：1. 在操作前进行设备的全面检查，确保焊接或切割设备完好无损。

2. 检查电缆和气体管道是否破损，以及电源是否接地良好。

3. 检查喷嘴、电极和切割枪等部件是否正确安装，并紧固牢固。

四、焊接/切割操作：1. 在操作前清洁工作面，排除杂物和水分。

2. 使用适合的电流和气体压力进行操作，确保达到理想的焊接/切割效果。

3. 避免直接观察电弧，以防眼睛受伤。

4. 确保设备冷却完全后再修理或移动。

五、火灾及紧急情况处理：1. 在操作区域配备灭火器，并确保所有操作人员对其使用方法进行了培训。

2. 在操作前确保存在明确的紧急情况处理计划，并告知所有操作人员。

3. 在发生火灾等危险情况时，立即停止操作，并采取适当的措施来扑灭火源或报警。

总结：等离子弧焊接及切割技术在金属加工过程中扮演重要角色，但操作过程中存在潜在的安全风险。

为了保障操作人员的安全，必须严格遵守上述安全操作技术，佩戴个人防护装备，确保操作区域安全，并采取紧急情况处理措施。

只有在严格遵守安全操作规程的前提下，才能安全有效地进行等离子弧焊接及切割工作。

等离子弧焊接及切割的安全操作技术1．等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，尤其在乎操作时，有电击妁危险。

因此：(1)电源在使用时必须可靠接地。

(2)焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。

(3)可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回路。

(4)如果起动开关装在手把上，必须对外露开关套上绝缘橡胶管，避免手直接接触开关。

(5)等离子弧焊接和切割用喷嘴及电极的寿命相对较短，要经常更换，更换时要保证电源处于断开状态。

2．防电弧光辐射等离子弧较其他电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重，操作者在焊接和切割时必须戴上良好的面罩、手套，颈部也要保护。

面罩上除具有黑色目镜外，最好加上吸收紫外线的镜片。

自动操作时，可在操作者与操作区之间设置防护屏。

等离子弧切割时，可采用水下切割方法，利用水来吸收光辐射。

3．防高频和射线等离子弧焊接和切割都采用高频振荡器引弧，但高频对人体有一定的危害。

引弧频率选择在20～60kHz较为合适，还要求工件接地可靠，转移弧引弧后，立即可靠地切断高频振荡器电源。

等离子弧焊接和切割采用钍钨极时，同钨极氩弧焊一样，要注意射线的危害。

4．防灰尘和烟气等离子弧焊接和切割过程中伴随有大量气化的金属蒸气、臭氧、氮氧化物等。

尤其切割时，由于气体流量大，致使工作场地上的灰尘大量扬起，这些烟气和灰尘对操作工人的呼吸道、肺等产生严重影响。

因此要求工作场地必须配罩良好的通风设备措施。

切割时，在栅格工作台下方还可安置排风装置，也可以采取水中切割方法。

5．防噪声等离子弧会产生高强度、高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大，这对操作者的听觉系统和神经系统非常有害。

要求操作者必须戴耳塞，或可能的话，尽量采用自动化切割，使操作者在隔音良好的操作室内工作，也可以采取水中切割方法，利用水来吸收噪声。

等离子弧焊接及切割的安全操作技术（二）等离子弧焊接及切割是一种常见的金属加工技术，可以用于焊接和切割不同种类的金属材料。