等离子弧焊及切割技术

等离子弧焊及切割技术

　　等离子弧工序是一系列采用压缩电弧进行的热工序。等离子弧焊工序以水冷却的铜合金喷嘴来形成压缩电弧；而等离子切割则是采用气体或水冷却形式。此外等离子焊强还另附有一个气体保护部分。

　　等离子是气体加热后变为局部离子化的状态，故在这状态下等离子有导电性。气体的初步离子化通常是利用高压电的发电机进行，气体如选用氩，则离子化过程较为容易，因氩是单原子式结构。同样道理，由于氮是双原子结构，故难于离子化，因而要采用一个电压更高的发电机来进行。

　　离子化区或等离子柱含有正电荷离子。相等数目的电子及中性原子或分子。等离子柱的导电性因温度及离子柱约为铜等离子的0．05％。传热性及导效率决定了气体是否适合用于等离子弧焊或切割工序。

　　氩是一种导热率较低的气体，而由于是单原子结构，故传热性较差。另一方面，氢由于是双原子结构，故导热率较佳，传热性质优良，因此很适合用于等离子切割；而在等离子焊接工序中，即可使用氩气，也可以采用氩氢或氩氮混合气体作为保护气体，气体原子由电源吸收电能量，情形和海绵的吸收情况相同，而发放热能的情形亦一样。在双原子气体来说，当氩原子或氮原于再次结合成分子时，会进一步放出热能。

1．压缩电弧
　　早在五十年代初，人们就发现将电弧导入一个位于电极(阴极)和工件(阳极)之间的水冷却铜喷嘴内，便可改善钨极气体保护焊时开弧的性质。喷嘴不会将电弧散开而是将之压缩成细小的切面，这动作促进了电弧的电阻加热，因而弧的温度及电压相应提高。气体通过喷嘴后，形成高速、平行及非常热的等离子流射出。

　　等离子射流可在传送状态下操作，即电源是连接于电极和工件之间或在外传送状态下操作，即电源是连接于电极和喷嘴之间。虽然在两种操作方式中，都有等离子热流由喷嘴射出，但等离子切割工序通常采用传送式，因为当电弧与工件有电接触时，可用输入热量才能最有效率地发挥。

　　改变气体种类、流动速度、电弧电流及喷嘴尺寸便可大幅度改变等离子射流的特性。例如，采用低的气体流动速度，等离子射流便变成一个热量高度集中的热源，是理想的焊接环境。反之，如充分增加气体流速，则等离子射流会切穿工件，而射流的高速足以将等离子弧切割出来的金属吹走。

　　等离子弧切割所涉及的温度比钨极气体保护焊接高得多，这称为“干式电弧压缩”，而它可能发生的原因是由于高气体流量在喷嘴镗孔内形成一层较冷的非离子化边界层，而容许较高的弧压缩。将切割气体打旋，便可进一步增加边界层的厚度。打旋动作令到非离子化的冷气体沿经向外移动，形成一个较厚层。有些机械化的等离子切割可将等离子气体打旋，以便达到最高程度的电弧压缩。等离子弧焊炬的等离子气体及保护气体则通常以层流形式流动。

2．传统等离子弧焊
　　以传统“干式电弧压缩”方法产生出来的等离子射流，可采用或不采用金属线焊料的情况下将工件焊接。焊接速度是由电弧功率及物料厚度所决定。

3．等离子弧熔焊
　　等离子弧熔焊和传统钨极气体保护焊工序很相似的地方是两者都采用等离子射流作为热源，用以熔解需要焊接的物料，可视乎接口要求而决定采用或不采用金属线焊料作焊珠。

　　微束等离子焊接是一个等离子弧熔解焊接工序。这工序可在非常高速及不使用金属线焊料的情况下焊接微薄至几十分之一毫米的物料。以低电流(低于2安培)进行等离子弧焊的优点，电弧稳定性高，点火非常可靠。

　　等离子弧熔焊方法亦适用于较厚的板料作多次动作焊接。工序采用金属线作为焊料。等离子弧熔焊的焊接速度比传统的钨极气体保护焊接高得多。

4．等离子弧熔孔焊接法(小孔法)
　　等离子弧熔孔焊接是将传统等离子弧熔焊法和等离子弧切割法结合而成的焊接法。等离子射流渗透需要焊接的工件的整个部分，而当焊炬穿过物料时，熔料流动而形成一个良好的接口。工序采用或不采用金属线焊料均可。

　　等离子弧熔孔焊接法的主要优点是只要一次动作便能形成方形接口，厚度可达10—12mm。方形接口的生产成本比V形的低，但如要取得可靠的结果便要小心地进行焊接。大致来说，一次过熔孔焊接能经济地为各种物料提供良好的接口。

    传统等离子弧焊接法，采用反向极性。传统的干式电弧压缩方法所形成的等离子射流可熔解及焊接大部分铝及镁合金，采用或不采用焊料均可。焊接速度由电弧功率及物料厚度所决定。当电极是正极时，铝合金及镁合金的氧化层分解，因此金属可以成功地焊接起来。

    和钨极气体保护焊接工序比较，上述工序的主要优点是无论物料厚度多少，工序只耗用1／3电流量，因此热力输入及变形情况得以减低，而电极受到等离子喷嘴的保护，因此只要工序条件不超过建议的参数，钨电极破裂的危险便会大大减低。

    变极性等离子弧焊接工序能采用各种特殊的混合气体，例如氩／氦或氩／氢，因此可提高电弧温度，减少在包气燃点时电弧不稳定情况，因此焊料渗填作用较佳。工序以人手或机械化操作均可。

    反向极性熔孔焊接工序可在一次过动作中以连续或脉冲电弧电流焊接厚达6—8mm的铝及镁合金。大部分采用反向极性的熔孔焊接工序都采用焊填料来防止焊珠倒扣。反向极性焊接法若使用得当，便会为铝合金及镁合金焊接工序带来经济利益。