等离子弧焊设备的组成

出处：按学科分类—工业技术 河北科学技术出版社《实用焊接技术手册》第223页（3376字）

等离子弧焊接设备由焊接电源、等离子弧发生器(焊枪)、控制电路、供气回路及供水回路等组成。自动等离子弧焊接设备还包括焊接小车或其他自动工装。图1－7－2为典型手工等离子弧焊接设备的组成图。

图1－7－2 典型等离子弧焊接设备的组成图^［3］

(a)强流等离子弧焊接系统示意图

1．焊接电源 2．高频振荡器 3．离子气 4．冷却水 5．保护气 6．保护气罩 7．钨极 8．等离子弧 9．工件 10．喷嘴 KM₁、KM₂．接触器触头

(b)微束等离子弧焊接系统示意图

1．焊接电源 2．维弧电源 3．钨极 4．离子气 5．冷却水 6．保护气 7．喷嘴 8．保护气罩 9．等离子弧 10．工件 KM．接触器触头

1．弧焊电源

等离子弧焊接设备一般采用具有垂直外特性或陡降外特性的电源，以防止焊接电流因弧长的变化而变化，获得均匀稳定的熔深及焊缝外形尺寸。一般不采用交流电源，只采用直流电源，并采用正极性接法。与钨极氩弧焊相比，等离子焊所需的电源空载电压较高。

采用氩气做等离子气时，电源空载电压应为60～85V；当采用Ar+H₂或氩与其他双原子的混合气体做等离子气时，电源的空载电压应为110～120V。采用联合型电弧焊接时，由于转移弧与非转移弧同时存在，因此，需要两套独立的电源供电。利用转移型电弧焊接时，可以采用一套电源，也可以采用两套电源。

一般采用高频震荡器引弧，当使用混合气体做等离子气时，应先利用纯氩引弧，然后再将等离子气转变为混合气体，这样可降低对电源的空载电压要求。

2．控制系统

控制系统的作用是控制焊接设备的各个部分按照预定的程序进入、退出工作状态。整个设备的控制电路通常由衰减控制电路、焊接小车或专用工装控制电路以及程控电路等组成。程控电路控制等离子气预通时间、等离子气流递增时间、保护气预通时间、高频引弧及电弧转移、电流衰减熄弧、延迟停气等。

3．供气系统

等离子弧焊接设备的气路系统较复杂。由等离子气路、正面保护气路及反面保护气路等组成，而等离子气路还必须能够进行衰减控制。为此，等离子气路一般采用两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现等离子气的衰减控制。采用氩气与氢气的混合气体做等离子气时，气路中最好设有专门的引弧气路，以降低对电源空载电压的要求。图1－7－3为采用混合气体做等离子气时等离子弧焊接的气路系统图。引弧时，打开气阀DF₂，向等离子弧发生器中通以纯氩气，电弧引燃后，再打开电磁气阀DF₁，使氢气也进入贮气筒中，此时等离子气为Ar+H₂，通过针阀6及电磁气阀DF₆可实现等离子气衰减。当焊接终了时，DF₆打开，等离子气路中的气体经过针阀6及DF₆部分向大气中排放，通过调节针阀b可调节衰减速度。

图1－7－3 采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图^［4］

1．气瓶 2．减压阀 3．气体汇流筒 4．调节阀 5．贮气筒 6．针阀 7．流量计DF₁～DF₆．气阀

4．水路系统

由于等离子弧的温度在10000℃以上，为了防止烧坏喷嘴并增加对电弧的压缩作用，必须对电极及喷嘴进行有效的水冷却。冷却水的流量不得小于3L·min^－1，水压不小于0．15～0．2MPa。水路中应设有水压开关，在水压达不到要求时，切断供电回路。

5．焊枪

等离子弧焊枪是等离子弧发生器，对等离子弧的性能及焊接过程的稳定性起着决定性作用。主要由电极、电极夹头、压缩喷嘴、中间绝缘体、上枪体、下枪体及冷却套等组成。最关键的部件为喷嘴及电极。

(1)喷嘴 等离子弧焊设备的典型喷嘴结构如图1－7－4所示。根据喷嘴孔道的数量，等离子焊喷嘴可分为单孔型(图1－7－4a、c)和三孔型(图1－7－4b、d、e)两种。根据孔道的形状，喷嘴可分为圆柱型(图1－7－4a、b)及收敛扩散型(图1－7－4c、d、e)等两种。大部分焊枪采用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。三孔型喷嘴除了中心主孔外，主孔左右还有两个小孔。从这两个小孔中喷出的等离子气对等离子弧有一附加压缩作用，使等离子弧的截面变为椭圆形。当椭圆的长轴平行于焊接方向时，可显着提高焊接速度，减小焊接热影响区的宽度。

图1－7－4 等离子弧焊接喷嘴的形状^［4］

(a)圆柱单孔型 (b)圆柱三孔型 (c)收敛扩散单孔型 (d)收敛扩散三孔型 (e)带压缩段的收敛扩散三孔型最重要的喷嘴形状参数为喷嘴孔径及喷嘴孔道长度。

①喷嘴孔径d_n d_n决定了等离子弧的直径及能量密度，如图1－7－5所示。通常应根据焊接电流大小及等离子气种类及流量来选择。直径越小，对电弧的压缩作用越大，但太小时，等离子弧的稳定性下降，甚至导致双弧现象，烧坏喷嘴。表1－7－1列出了不同直径喷嘴的许用电流。

图1－7－5 钨极的内缩^［2］

d_n．喷嘴孔径 l₀．喷嘴孔道长度 l_r．钨极内缩长度 l_w．喷嘴至工件的距离 1．工件 2，保护气 3．等离子气 4．钨极 5．喷嘴 6．气罩

表1－7－1 不同直径喷嘴的许用电流^［5］

②喷嘴孔道长度l₀ 在一定的喷嘴孔径下，l₀越长，对等离子弧的压缩作用越强，但l₀太大时，等离子弧不稳定。通常要求孔道比l₀／d_n在一定的范围之内，如表1－7－2所示。

表1－7－2 喷嘴的孔道比及压缩角^［2］

③锥角α 对等离子弧的压缩角影响不大，30°～180°范围内均可，但最好与电极的端部形状配合，保证将阳极斑点稳定在电极的顶端。

(2)电极 等离子弧焊接一般采用钍钨极或铈钨极，有时也采用锆钨极或锆电极。钨极一般需要进行水冷，小电流时采用间接水冷方式，钨极为棒状电极；大电流时，采用直接水冷，钨极为镶嵌式结构。

棒状电极端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形，电流较大时还可磨成球形，以减少烧损，如图1－7－6所示。表1－7－3给出了棒状电极的许用电流。镶嵌式电极的端部一般磨成平面形。

图1－7－6 电极的端部形状^［5］

(a)尖锥形 (b)圆台形 (c)圆台尖锥形 (d)锥球形 (e)球形

表1－7－3 不同直径棒状电极的许用电流^［2］

与TIG焊不同，等离子焊时，钨极一般内缩到压缩喷嘴之内，从喷嘴外表面至钨极尖端的距离被称为内缩长度l_r，如图1－7－5所示。为了保证电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心，而且钨极的内缩长度l_r要合适(l_r=l₀±0．2mm)。