等离子弧焊设备

出处：按学科分类—工业技术 河南科学技术出版社《焊接技术手册》第277页（3655字）

等离子弧焊系统的组成，如图6－16所示。由电源、焊枪、控制电路、气路、水路等组成。若是自动焊则还有焊接小车或转动夹具的行走机构和控制电路。

图6－16 等离子弧焊系统示意图

(a)大电流等离子 (b)微束等离子

1－焊接电源 2－高频振荡器 3－等离子气 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 11－维弧电源 KM₁、KM₂－接触器触头

2．焊接电源

具有下降或恒流特性的电源可作为等离子弧焊电源。若离子气用Ar或含少量H₂(7%以下)混合气体时，空载电压要求65～80V。若用He或含H₂大于7%的Ar+H₂混合气体时，为了可靠引弧，空载电压必须提高到110～120V。大电流等离子焊接时，先引燃非转移弧，再引燃转移弧。转移弧引燃后，立即切除非转移弧，非转移弧是短时间存在的。因此非转移弧电源可以由同一焊接电源串一电阻R取得。即转移弧和非转移弧可以共用一个电源，如图6－16a所示。微束等离子弧焊，用联合型，转移弧和非转移弧同时存在，所以转移弧和非转移弧各有自己的独立电源，如图6－16b所示。

3．等离子弧引燃装置

大电流焊接时，在非转移弧电源回路中，并联高频振荡器(如图6－16a)，或高压脉冲发生器，依靠高压引燃非转移弧。在非转移弧的基础上引燃转移电弧。微束等离子焊接时除用上述引弧方式之外，还可以采用接触引弧，即借助焊枪上电极移动机构，向前推进电极，使电极尖端与喷嘴接触，并立即抽回，引燃非转移弧。同样在非转移弧的基础上引燃转移弧。

4．焊枪

等离子焊枪是等离子弧焊的关键装备。它的组成及术语如图6－17所示。

图6－17 等离子焊枪组成示意图

d_n－喷嘴孔径 l_o－喷嘴孔道长度 l_r－钨极内缩长度 l_w－喷嘴至工件距离

1－工件 2－保护气 3－离子气 4－钨极 5－压缩喷嘴 6－保护气罩

(1)压缩喷嘴：喷嘴是焊枪的关键部件。用紫铜制造，直接水冷，为提高水冷效果，喷嘴壁厚度不超过2．5mm。喷嘴孔径和孔道长度是影响等离子焊枪性能的关键尺寸。孔径d_n取决于焊接电流和离子气流量。当焊接电流和离子气流量给定后，d_n增大，等离子弧柱直径增大，能量密度下降，直至失去压缩作用，转变成氩弧，失去了等离子弧特性。但d_n太小时会产生双弧，破坏等离子弧过程。孔道长度l_o，对等离子弧的压缩效应也有显着影响。l_o增长，压缩作用增强。其压缩特性，常用孔道比l_o／d_n表示。l_o／d_n增大，压缩效应增强，但l_o／d_n一旦超过极限值，则产生双弧，破坏焊接过程的正常进行。孔道比l_o／d_n的变化范围见表6－8

表6－8 压缩喷嘴孔道比l_o／d_n及压缩角α的变化范围

压缩喷嘴的类型：是以孔道形貌不同区分的。图6－18A(a)和(b)为圆柱形压缩孔道，在等离子弧焊中得到广泛应用。图6－18A(c)、(d)、(e)为收敛扩散型喷嘴，适用大电流、厚板焊接。图6－18A(b)、(d)、(e)为三孔型，即在主孔道旁边开二个小孔道。将等离子弧压缩成椭圆形，减小了热影响区宽度，可以提高焊接速度30%～50%。

图6－18A 等离子弧常用的喷嘴类型

(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)有压缩段的收敛扩散三孔型

d_n－喷嘴孔道直径 l_o－喷嘴孔道长度 α－压缩角

图6－18B 电极端部形状图

(a)尖锥形 (b)圆台形 (c)圆台尖锥形 (d)锥球形 (e)球形

(2)电极：等离子弧焊电极与氩弧焊使用的电极材料相同。国内主要采用钍钨极、铈钨极，国外还采用锆钨极。钨极直径与许用电流的关系见表6－9。

表6－9 等离子弧钨极直径与许用电流关系

电极端部形状要求如图6－18B所示。电极安装要求：内缩量L_r=L_o±0．2mm，与喷嘴的同心度要求用高频火花法测量，75%～80%的圆上都应分布

(3)国产等离子焊枪结构：见图6－19A、图6－19B。

图6－19A 国产自动等离子弧焊枪结构示意图

1－喷嘴 2－保护套外环 3、4、6－密封垫圈 5－下枪体 7－绝缘柱 8－绝缘套 9－上枪体 10－电极夹头 11－套管 12－小螺母 13－胶木套 14－钨极

图6－19B 国产手工等离子弧焊枪结构示意图

1－绝缘帽 2－离子气进口 3－冷却水出口 4－非转移弧和转移弧导线(接电源负端) 5－非转移弧导线(接电源正端) 6－冷却水进口 7－保护气体进口 8－钨电极 9－保护气罩 10－压缩喷嘴

5．国产等离子弧焊机型号及技术数据

表6－10 大电流等离子弧焊机主要技术数据

表6－11 微束等离子弧焊机技术数据

6．LH－30等离子弧焊机电路原理

LH－30微束等离子焊机配用电源为ZXG2－30型，原理线路如图6－20A所示。它由二个独立电源组成。维弧电源空载电压135V，额定电流2A，由D₇－D₁₂整流，R₂₉降压获可调下降外特性。主电源空载电压70V，额定电流30A。采用并联结构，由D₁₃－D₁₈构成一组三相桥式整流，供给70V空载电压，保证转移弧可靠引燃，R₂₈起这组整流电源的限流作用。D₁－D₆组成内桥反馈式饱和电抗器三相整流器，空载电压较低，用来提供转移弧电流。焊接电流即指此电流，它的大小由饱和电抗器控制绕组QC1、QC2控制，R₁₉用来调定QC1中的控制电流，并通过C₁₄和J₂常开触点实现焊接电流的衰减控制。图6－20B是LH－30微束等离子焊机的控制电路。引弧前，先接通控制电路电源开关K₁，接通冷却水，接通开关K₅接通ZXG2－30电源。通过K₂、K₃调节好离子气和保护气流量。引弧时先按下AN₁，使J₁接通，再按AN₄(在手把上)实现接触引弧。转移弧由开关K₄控制。电流继电器JL用来控制衰减电流终止值，时间继电器JS控制保护气提前送入和滞后停止。

图6－20A LH－30焊机ZXG2－30电源原理图

图6－20B LH－30焊机控制电路原理图

7．等离子弧焊供气系统

等离子弧焊供气系统比较复杂。图6－21是等离子弧焊混合气体供气系统。采用H₂气时，要防止漏气，以免发生爆炸。在供气系统中要有气流汇流筒进行均流，均匀分配给各气路。还要有贮气筒，对离子气进行缓冲。还要衰减气阀对焊接结束时的气流进行衰减。

图6－21 等离子弧焊混合气体供气系统

1－气瓶 2－减压表 3－气流汇流筒 4－气阀 5－贮气筒 6－调节阀 7－流量计 DF－衰减气阀