等离子切割与焊接工艺 .pdfVIP

等离子切割与焊接工艺

一、等离子弧的产生及特点

1.等离子弧的产生原理

1）等离子体

等离子体是一种特殊的物质，现代物理学中把

它列于物质三态(固态、液态、气态)之后，称物质

第四态。在电弧的产生中提到所有物体的电离问

题，即气体在获得足够能量的时候，便会使中性的

气体分子或原子电离成带正电的离子和带负电的电

子，较充分电离的气体就是等离子体。由于等离子

体具有较好的导电能力、极高的温度

(15000℃~30000℃)和导热性，能量又是高度集

中，因而对于熔化一些难熔的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,

而等离子弧焊接与切割所使用的等离子体是经过压“

缩”的电弧。电弧经过压缩，弧柱横截面缩小，电流

密度增大，电离程度提高，故等离子体又称为压缩“

电弧或通常所称的等离子弧。

2）等离子弧的产生

以前所说的电弧，由于未受到外界的约束，故

称为自由电弧。在电弧区内的气体是未被充分电离

的,能量不能高度集中。为了提高弧柱的温度，可以

增大电弧电流和电压，但是由于弧柱直径与电弧电

流和电压成正比，因而弧柱中的电流密度近乎等于

常数,其温度也就被限制在5000℃~6000℃左右。若

对自由电弧的弧柱进行强迫压缩“”，就能获得导电

截面收缩比较小而能量更加集中的电弧即等离子

孤。这种强迫压缩的作用，称为压缩效应“”，使弧

柱产生压缩效应“”有如下3种形式：

（1）机械压缩效应如图9-1(a)所示,在电极(负

极)和工件(正极)之间加上一个较高电压，通过激发

使气体电离形成电弧。此时，若弧柱通过具有特殊

孔形的喷嘴，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。弧柱便受到了机械压缩,弧

柱截面积缩小，这就称为机械压缩效应。

（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,使弧柱外围受到强烈冷却。其外

围电离度大大减弱，电孤电流只能从弧柱中心通

过，即导电截面进一步缩小，这时电流急剧增加，

这种作用称为热收缩效应，如图91(b)所示。

（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，则产生磁收缩效应。由于前述两种收缩效应

使电弧中心的电流密度已经很高，使得磁收缩效应

明显增强，从而使电弧更进一步受到压缩，如图9-

1(c)所示。

在以上3种效应的共同作用下，弧柱被压缩到

很细的范围内，弧柱内的气体得到了高度的电离，

温度也达到了极高的程度，使电弧成为稳定的等离

子弧。

等离子弧的产生过程由如图9-2所示的发生装

置来实现的，即先通过高频振荡器激发气体电离形

成电弧，然后在上述压缩效应的作用下,形成等离子

弧焰。

2.等离子弧的分类、特点及电极

1）等离子弧的分类

根据电源电极的不同接法和等离子弧产生的形

式不同，等离子弧可分为3种形式，如图9-3所

示。

（1）非转移型弧非转移型弧是钨极接负极，喷

嘴接正极。等离子弧产生在电极和喷嘴之间，然后

由喷嘴喷出，如阁9-3(a)所示，它依靠从喷嘴喷出

的等离子焰流来加热熔化工件。但加热能量和温度

较低,故不宜用于较厚材料的切割，主要用于非金属

材料的切割。

（2）转移型弧当钨极接负极，工件接正极，等

离子弧产生在钨极和工件之间称转移型弧，如图9-

3(b)所示,此接法通常需先在电极和喷嘴间引燃电

弧，然后再转移形成，所以叫转移型等离子弧。转

移后，电极与喷嘴间的电弧就熄灭。由于阳极斑点

直接落在工件上,工件热量很高，所以可用作切割、

焊接和堆焊的热源，尤其是中厚板以上的金属材料

切割时，均采用此种等离子孤。