观摩等离子弧形成过程的任务一

任务描述

1.了解等离子弧的形成原理及特点。

2.了解等离子弧的类型及应用。

3.熟悉等离子弧的形成并认识三种等离子弧。

任务分析

本任务主要涉及等离子弧的形成、特点、类型及应用等知识点，并使学生通过观摩来熟悉等离子弧的形成并认识等离子弧的三种类型。

相关知识

一、等离子弧的形成及特点

1.等离子弧的形成

（1）等离子弧 等离子弧是利用等离子枪将阴极（如钨极）和阳极之间的自由电弧压缩成的具有高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。一般的焊接电弧未受到外界压缩，称为自由电弧。自由电弧中的气体电离不充分，能量不能高度集中。如果对自由电弧的弧柱强迫压缩，则导电截面收缩变小而能量更加集中，使弧柱中的气体几乎达到全部电离状态，便形成具有高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。

（2）等离子弧的形成原理 目前广泛采用的制取等离子弧的方法是将钨极缩入喷嘴内部，在水冷喷嘴中通以中性气体，中性气体在喷嘴内电离后形成离子气，使喷嘴内的压力增加，强迫电弧从喷嘴流出（见图6-1），此时电弧受到下述三种压缩作用：

1）机械压缩作用。电弧从喷嘴流出时受到水冷喷嘴孔限制，使弧柱截面变小，不能自由扩大，这就是机械压缩作用。

图6-1 等离子弧的形成

1—钨极 2—压缩喷嘴 3—保护罩 4—冷却水 5—等离子弧 6—焊缝 7—工件

2）热收缩作用。喷嘴中的冷却水使喷嘴内壁附近形成一层冷气膜，当电弧经过时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面进一步减小弧柱的有效导电面积，这就是热收缩作用。

3）电磁收缩作用。以上两种压缩作用使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩作用明显增强，进而使电弧受到进一步的压缩，这就是电磁压缩作用。提示：

在上述三种压缩作用中，喷嘴孔径的机械压缩作用是形成等离子弧的前提；热收缩作用则是电弧被压缩的最主要的原因；电磁收缩作用是必然存在的，它对电弧的压缩也起到一定作用。影响压缩程度的因素有电流、喷嘴孔道的形状和尺寸、气体的种类及流量。

图6-2 等离子弧和钨极氩弧的温度分布

1—24000～50000K 2—18000～24000K 3—14000～18000K 4—10000～14000K

注：钨极氩弧：200A，15V。等离子弧：200A，30V。压缩孔径为2.4mm。

2.等离子弧的特点

与自由电弧相比较，等离子弧具有以下特点：

（1）温度高，能量高度集中 等离子弧的导电性能好，承受的电流密度大，因此温度极高。普通钨极氩弧的最高温度为18000～24000K，等离子弧弧柱中心温度可达24000～50000K，并且截面很小，能量高度集中。等离子弧和钨极氩弧的温度分布如图6-2所示。

（2）电弧挺度好，燃烧稳定 钨极氩弧的形状一般为圆锥形，扩散角为45°左右。经过压缩后的等离子弧的形态近似于圆柱形，电弧扩散角仅为5°左右。因此，等离子弧挺度好，指向性明显提高。外界气流和磁场对等离子弧的影响较小，不易发生电弧偏吹和漂移现象，燃烧稳定。等离子弧和钨极氩弧的扩散角如图6-3所示。

（3）具有很强的机械冲刷力 喷嘴中的离子气受到电弧高温加热而膨胀，使气体压力大大增加，高压气流通过喷嘴细通道中喷出时，可达到很高的速度甚至可超过声速，所以等离子弧具有很强的机械冲刷力。

形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般为氩气，根据各种工件的材料性质，也有使用氦气或氩氦、氩氢等混合气体的。

图6-3 等离子弧和钨极氩弧的扩散角

二、等离子弧的类型及应用

根据电极接法的不同，等离子弧可分为非转移型、转移型和联合型三种类型，如图6-4所示。其中，非转移型及转移型是基本的等离子弧类型。

图6-4 等离子弧的类型

a）非转移型 b）转移型 c）联合型

1.非转移型等离子弧

电极接电源的负极，喷嘴接电源的正极，工件不接电源，电弧建立在电极与喷嘴之间，在离子气流的作用下，等离子弧从喷嘴中喷出。一般将这种等离子弧称为等离子焰，如图6-4a所示。由于工件不接电源，因此工作时只靠等离子焰加热，电弧温度较低，主要用于焊接或切割较薄的金属及非金属材料。

2.转移型等离子弧

电极接电源的负极，工件接电源的正极，一般首先引燃电极与喷嘴间的非转移弧，在电极与工件间加上一个较高的电压后，再将电弧转移到电极与工件之间，电极与工件之间产生的等离子弧就称为转移型等离子弧，如图6-4c所示。这时电极与喷嘴间的电弧熄灭。在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中，高温的阳极电弧直接作用在工件上，电弧热利用率大为提高，所以可用作中厚板的焊接、切割和堆焊的热源。

3.联合型等离子弧

在工作过程中非转移型等离子弧和转移型等离子弧同时存在，称之为联合型等离子弧，如图6-4c所示。联合型等离子弧中的转移型等离子弧为主弧，非转移型等离子弧起补充加热和稳定电弧的作用，又称为维弧。当等离子弧中断时，维弧可立即使等离子弧复燃。联合型等离子弧在很小的电流下就能保持稳定，因此特别适于微束等离子弧（电流小于30A）焊接和粉末等离子弧堆焊。

任务准备

1）焊机：LH—30型等离子弧焊机。

2）氩气瓶、QD—1型单级反作用式减压器及LZB型转子流量计各两套。

3）微束等离子弧焊枪，其喷嘴孔径为1.2mm。(www.xing528.com)

4）铈钨极：直径为1.0mm。

任务实施

1）熟悉等离子弧的形成过程。

2）掌握机械压缩作用、热收缩作用及磁收缩作用。

检查评议

观摩等离子弧的形成过程评分表见表6-1。

表6-1 观摩等离子弧的形成过程评分表

问题防治

1.混淆等离子弧的三种压缩作用

原因：对等离子弧的三种压缩作用理解得不够，不能进行区别。

防止措施：理解好等离子弧的三种压缩作用，能够进行区别。

2.混淆三种等离子弧

原因：对产生三种等离子弧时电极的接法与电弧产生位置的理解错误，不能进行区别。

防治措施：首先，了解电极接法的不同之处；其次，转移型等离子与非转移型等离子弧同是在电极与喷嘴之间形成，区别就在于非转移型等离子弧的焰流从喷嘴直接喷出，电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，而转移型等离子弧则在电极与工件间高电压的作用下，转移到电极与工件之间，继而燃烧在钨极与工件之间；联合型等离子弧即两种等离子弧同时存在，在理解了以上两种等离子弧后，联合型等离子弧也就迎刃而解了；最后，对于应用场合，根据它们各自的电弧特点区分即可。

扩展知识

等离子弧的双弧现象

在使用转移型等离子弧进行焊接或切割时，等离子弧在钨极与工件之间燃烧。当等离子弧被过度压缩并且冷却不够，使离子气所形成的冷气膜不能隔断喷嘴与弧柱间电的联系时，就会在钨极和喷嘴及喷嘴和工件之间产生与主弧并列的电弧，这种现象称为等离子弧的双弧现象，如图6-5所示。

图6-5 等离子弧的双弧现象

1.双弧的危害性

在等离子弧焊接或切割过程中，一旦产生双弧，就会减小主弧电流，降低主弧功率和焊接时的熔透能力，减少切割时的切割厚度，破坏等离子弧的稳定性，影响焊缝成形和切口质量。另外，由于冷气膜被破坏，喷嘴急剧加热，严重时会烧毁喷嘴，使焊接或切割工作无法进行。

2.防止产生双弧的措施

1）正确选择电流和离子气流量。等离子弧柱的直径会随着焊接电流的增大而增大，从而使冷气膜的厚度变小。当电流增大到一定程度时，冷气膜会被击穿，形成双弧。等离子气的冷却作用越强，气体的流速越大，越不容易形成双弧。

2）正确选择喷嘴。喷嘴孔径太小，孔道太长，电极内缩量太大，都容易引起双弧。

3）保持电极和喷嘴同心。电极和喷嘴同心度越好，冷气膜在等离子弧周围分布就越均匀，从而使冷气膜厚度均匀，不易击穿。这是效避免双弧生成的关键。

4）当喷嘴与工件间的距离小于5mm时，容易产生双弧，因此两者之间的距离一般应保持在5～12mm。

5）加强对喷嘴和电极的冷却，保持喷嘴清洁，降低转弧时的冲击电流，都是防止双弧的有效措施。

考证要点

一、填空题

1.等离子弧又称为____。等离子弧按电源供电方式的不同可分____、____和____。

2.对自由电弧的弧柱进行强迫压缩称为____效应。产生此种效应有____、____和____三种形式。

3.自由电弧在____、____和____的作用下形成等离子弧。

4.为了防止工作时未通冷却水而____的事故，在等离子弧焊接或切割时必须通冷却水，通常需要安装一个水流开关。

二、判断题

1.等离子弧的温度之所以高，是因为使用了较大的焊接电流。（ ）

2.转移型等离子弧的电极接电源正极，工件接电源负极。（ ）

3.等离子弧是压缩电弧。（ ）

4.转移型等离子弧可以直接加热工件，常用于中等厚度以上工件的焊接。（ ）

5.联合型等离子弧就是等离子弧的双弧现象。（ ）

三、简答题

1.等离子弧有哪些特点？

2.等离子弧的三种类型分别是什么？各应用在哪些方面？