文档介绍：等离子弧切割
本章主要介绍等离子弧切割及焊接、接触焊、碳弧气刨及切割等工艺方法的原理、特点、应用,以及部分工艺。同时对几种特种焊接方法,如真空电子束焊、超声波焊、激光焊等焊接方法也作一些简单论述。对于提高焊接生产率的途径,也在本章内作一介绍。
等离子弧切割与焊接
等离子弧切割与焊接是现代科学领域中的一项新技术。它是利用高温(15000~30000°C) 的等离子弧来进行切割和焊接的工艺方法,这种新的工艺方法不仅能切割和焊接常用工艺方法所能加工的材料,而且还能切割或焊接一般工艺方法所难于加工的材料。此外,等离子弧尚可用于多种工艺,如等离子弧喷涂、微弧等离子焊接等,因而它在焊接领域中是一门较有发展前途的先进工艺。
一、等离子弧的产生原理、特点及类型
1. 等离子体我们在第二章中曾经讲述过气体电离的问题,即当气体在获得足够能量的时候,便会使中性的气体分子和原子电离成带正电的离子和带负电的电子。较充分电离了的气体就是等离子体,或称等离子态。它是一种特殊的物质形态,在现代物理学上把它列为物质第四态。由于等离子体具有较好的导电能力,可以承受很大的电流密度,并能受电场和磁场的作用。它还具有极高的温度和导热性,能量又高度集中,因而对于熔化一些难熔豹金属或非金属非常有利。
普通焊接电弧的弧柱中心实际上就是等离子体,等离子切割与焊接所使用的等离子体就是经过"压缩"的电弧,故等离子体又称压缩电弧或
通常所称的等离予弧。
2. 等离子弧产生的原理我们以前所说的电弧,由于未受到外界的约束,故称自由电弧。而在电弧区内的气体是未被充分电离的,能量也不是高度集中的。为了提高弧柱的温度,可以增大电弧电流和电压,但是由于弧柱的直径与电弧电流及电压成正比,则弧柱中的电流密度近乎等于常数,所以电弧的温度也只能被限制在6000~8000°K左右。而如果对自由电弧的弧柱进行强迫"压缩",就能获得导电截面收缩得比较小,从而能量更加集中的电弧—等离子弧。
这种强迫压缩的作用通称"压缩效应"。使弧柱产生"压缩效应"有如下三种形式:
(1)机械压缩效应如图11-1a所示,当在钨极1(负极)和工件3(正极)之间加上一较高的电压,通过激发使气体电离形成电弧2,此时若弧柱在通过具有特殊孔型4的喷嘴,并同时送入一定压力的工作气体时,使弧柱强迫通过细孔道,便受到了机械压缩,使弧柱截面积缩小,这就称机械压缩效应。
(2)热收缩效应当电弧通过水冷却的喷嘴,同时又受到外部不断送来的高速冷却气流(如氮气、氩气等)的冷却作用,弧桂外围受到强烈冷却,使其外围的电离度大大减弱,电弧电流只能从弧柱中心通过,即导电截面进一步缩小,这时电弧的电流密度急剧增加,这种作用就称为热收缩效应,见图11-1b。
(3)磁收缩效应带电粒子在弧柱内的运动,可看成是电流在一束平行的"导线"内移动,由于这些"导线"自身的磁场所产生的电磁力,使这些"导线"相互吸引,因此,产生磁收缩效应。由于前述两种效应使电弧中心的电流密度已经很高,使得上述作用明显增强,从而使电弧更进一步的受到压缩,见图11-1c
机械压缩效应 b)热收缩效应 c)磁收缩效应
1—钨极 2—电弧 3—工件 4—喷嘴
5—冷却水 6—冷却气流
图11 -2等离子弧发生装置原理图
1—钨极 2—进气管 3—出水管 4—进水管
5—喷嘴 6—弧焰 7—割件 8—高频振荡器
在以上三种效应的作用下,弧柱被压缩到很细的范围内,弧柱内的气体也得到了高度的电离,温度也达到极高的程度,逐渐使电弧成为稳定的等离子弧。
等离子弧的产生,在生产实践上是通过如图11-2的发生装置来实现的,即先通过高频振荡器8的激发,使气体电离形成电弧,然后在上述压缩效应作用下,形成等离子弧弧焰6。
3. 等离子弧的特点
(1)能量高度集中由于等离子弧有很高的导电性,能承受很大的电流密度,因而可以通过极大的电流,故具有极高的温度;又因其截面很小,则能量高度集
中。一般等离子弧在喷嘴出口中心温度已达20000°C;而用于切割的等离子弧,在喷嘴附近温度可达30000°C。
(2)极大的温度梯度由于等离子弧的横截面积很小(直径一般小于3毫米),从温度最高的中心到温度低的边沿,温度变化非常大,所以说其温度梯度极大。
(3)具有很强的吹力等离子弧发生装置内通入的常温压缩气体,由于受到电弧的高温而膨胀,使气体压力增高,通过喷嘴细孔的气体流速甚至可超过声速,故等离子体具有较强的冲刷力。
(4)等离子弧呈中性由于等离子弧中正离子和电子等带电粒子所带正、负电荷的数量相等,则整个等离子弧呈中性。
,等离子弧可分为转移型弧和非转移型弧两种,见图11-3。
(1) 转移型弧(直接弧) 钨极接