简介：手工等离子弧焊设备由焊接电源、焊枪、控制系统、气路和水路系统等部分组成

关键词：焊机，焊枪，孔道比

一．设备组成

和TIG焊相似，手工等离子弧焊设备由焊接电源、焊枪、控制系统、气路和水路系统

等部分组成，见图1-1

图1-1

二．焊接电源

通常都采用直流电源。焊接铝、镁及其合金时，采用交流电源，主要是和J用阴极清理(破

碎)作用。采用脉冲直流电源是为了更好地控制焊接工艺参数，其脉冲频率和脉冲宽度可以

调节。

凡具有下降或垂直下降外特性的电源都可供等离子弧焊使用。空载电压视所用等离子气而定，若用纯Ar或Ar H2(φ(H2)<7％)混合气体作等离子气，最好在80V左右或再稍高些，可达120V；若用纯He或其它混合气体，为了可靠地引弧，则空载电压还需更高一些。

通常焊接电流大于30A·以上的等离子弧焊都采用转移型电弧，即先在钨极与喷嘴之间引燃非转移弧，然后再在钨极与工件之间建立转移弧，转移弧形成后随即切除非转移弧，两

个电弧不同时存在。因此，可以合用一个电源，只在电路上非转移弧的电流低一些(通常是串联电阻R)，其焊接主电路见图1-2-a

图1-2

电流在30A以下的微束等离子弧焊都采用联合型弧，非转移型弧和转移型同时存在，故需采用两个独立的电源，其主电路见图1-2-b。当使用的最小焊接电流≥5A时，可以不用维弧电源.

电弧引燃通常采用非接触式，和TIG焊一样，在焊接回路中叠加一个高频荡器或小功率高压脉冲引弧装置；靠高频火花或高压脉冲使钨极与喷嘴之间引燃非转移弧。

三．焊枪

焊枪是等离子弧焊设备中关键组成部分，须通过焊枪产生高能量密度的等离子弧。其结构设计是否合理与完善，安装与使用是否正确，直接影响焊枪的使用性能和寿命，焊接过程稳定性以及焊缝成形质量等。

1．对焊枪的性能要求

1)便于引燃电弧并保证使用过程稳定可靠；

2)钨极和喷嘴的对中要求十分精确，装配、调节和更换喷嘴要简便，具有可靠的绝缘、密封和冷却性能；

3)须有离子气和保护气的单独通道，保证喷出的保护气流具有良好的保护作用；

4)外形尺寸应具有良好的可达性和可见性，以便焊接时能接近焊件并能观察到熔池和焊缝情况。

2．焊枪的结构

(1)组成

等离子弧焊枪的结构大体上是由上枪体、下枪体和喷嘴几个主要部分组成；图1-3-a是大电流(300A)等离子弧焊用的焊枪典型结构。上枪体主要包括上枪体水套、钨极夹持机构、调节螺母、绝缘罩与水电接头等，作用是夹持并冷却钨极，对钨极导电以及调节钨极的对中与内缩长度等；下枪体是由下枪体水套、等离子气室、保护气气室、进气管及水电接头等组成，作用是对下枪体及喷嘴进行冷却、安装喷嘴与保护罩、输送等离子气与保护气以及对喷嘴导电等。由于上、下枪体都接电

且极性不同，故上下枪体之间用一个绝缘柱和绝缘套相联结。

图1-3

图1-3b为微束等离子弧(16A)典型焊枪。与上述大电流焊枪的区别在于喷嘴直接(图中a)或间接(图中b)水冷。大电流焊枪的冷却水从下枪体5进，经上枪体9出。上下枪体之间由绝缘柱7和绝缘套8隔开进出水口，也是水冷电缆的接口，电极夹在电极夹头10中并通过螺母12锁紧，电极夹头从上冷却套(上枪体)插入，并借带绝缘套的压紧螺母12锁紧。离子气和保护气分两路进入下枪体。微束等离子弧焊枪中电极夹头有一压紧弹簧，按下电极夹头顶部可实现接触短路回抽引弧。

(2)压缩喷嘴

简称喷嘴，是等离子弧焊枪的关键零件，它的结构类型和尺寸以及与钨极的相互位置,对等离子弧性能起决定性作用。图1-4表示了钨极、喷嘴与工件的相互位置及主要尺

寸。

图1-4

1)喷嘴孔径dn。 dn的大小决定着等离子弧柱的直径和能量密度，应根据焊接电流和等离子气流量来确定。对于给定的电流和离子气流量，dn愈大压缩作用愈小，若dn过大，则无压缩效果；若过小则会引起双弧现象(详见后述)，破坏了等离子弧的稳定性。表1-5给出了等离子弧电流与喷嘴孔径dn的关系，随着dn的增加，离子气的流量的也相应增加。

表1-5

2)喷嘴孔道长度l孔道直径dn确定后，l的增大对等离子弧的压缩作用增大。常以孔道比(l／dn)表示喷嘴孔道压缩特征，常用的孔道比见表1-6。孔道比超过一定值将导致双弧产生。

表1-6

3)压缩角α α对电弧的压缩有一定影响，口小时，能增强对电弧的压缩作用。但须与钨极末端形状配合。若口小于钨极末端尖锥角，可能在两锥面之间产生打弧现象，使等离子弧不稳定。常用的α约60度～75度。当离子气流量和l／dn较小时，α可在30‘～75’选取。
4)喷嘴结构类型 喷嘴按孔的数量分布有单孔和三孔喷嘴；按孔道的形状分有圆柱形孔、扩散形孔或两者的组合，见图1-7。

图1-7

中、小电流等离子弧焊的焊枪多采用单孔喷嘴。三孔喷嘴是在中心主孔两侧各有一个对称小孔，三孔同时喷出的气流使等离子弧产生的圆形热场变成椭圆形。当椭圆形热场的长轴平行于焊接方向时，可提高焊接速度和减小焊接热影响区的宽度。另外，三孔喷嘴可增大等离子气流量，能加强对钨极末端的冷却作用，故大电流等离子弧焊枪多用这种喷嘴。

孔道为圆柱形的喷嘴应用广泛。扩散形孔道减弱了压缩电弧的作用，但可以采用更大的焊接电流而很少产生双弧现象。故扩散形喷嘴适用于大电流、厚板的焊接。

5)喷嘴材料及冷却 喷嘴材料应导电和导热性能好，一般用纯铜。大电流等离子弧焊的喷嘴必须用水冷，为提高冷却效果，一般壁厚不宜大于2～2．5mm。

(3)电极

1)电极材料 等离子弧焊用的电极与TIG焊相同，国内主要采用钍钨或铈钨电极。

2)电极端部形状 钨电极必须完全是圆柱形并且同心。为便于引弧和提高电弧的稳定性，电极顶端应磨尖锥状，其夹角在20‘～60‘之间，随着电流增大，其尖锥可稍微磨平或变成锥球形、球形等以减慢电极烧损，见图1-8

图1-8

3)同轴度与内缩长度 电极与喷嘴的同轴度是一个很重要的参数，电极偏心使等离子弧偏斜，影响焊缝成形和喷嘴使用寿命，也是造成双弧的一个主要原因。要保证同轴度除焊枪设计与制造保证所要求的形位公差外，对钨电极圆度和直线度也应有要求，对顶端磨尖也应对称。在使用过程中可以通过观测高频引弧的火花在电极四周分布的情况来检查同轴度， 见图1-9。一般高频火花布满四周75%--80%以上，其同轴度才满足要求。
图1-9

钨极的内缩长度l(见图3—6—15a)、对电弧压缩作用有影响。l增大时，压缩作用大,但l过长易引起双弧。一般取l=l0±(0.2—0.5) mm 。

参考书籍：《焊接工程师》 陈祝年编著 机械工业出版社

《等离子弧与焊接》 沈阳机电学院焊接教研组 编著