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7.2.1.2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高频发生器控制电路、送丝电机拖动电路、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、焊件预热时间、电流衰减熄弧、延迟停气等。
7.2.1.3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作等离子气时,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3.7.3为采用混合气体作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3.7.3采用混合气体作等离子气时等离子弧焊接的气路系统图
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
等离子气及保护气体通常根据被焊金属来选择。
大电流等离子弧焊接时,等离子气及保护气体通常采用相同的气体,否则电弧的稳定性将变差。
表3.7.1列出了大电流等离子弧焊焊接各种金属时所采用的典型气体。
小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。
这是因为氩气的电离电压较低,可保证电弧引燃容易。
表3.7.2列出了小电流等离子弧焊常用保护气体。
表3.7.1大电流等离子弧焊常用等离子气及保护气体
金属
厚度/mm
焊接技术
穿孔法
熔透法
碳钢
(铝镇静钢)
<
3.2
Ar
>
25%Ar+75%He
低合金钢
不锈钢
Ar或92.5%Ar+7.5%H2
Ar或95%Ar+5%H2
铜
2.4
He或25%Ar+75%He
不推荐1)
He
镍合金
活性金属
6.4
Ar+(50%~70%)He
1)由于底部焊道成形不良,这种技术只能用于铜锌合金
7.2.1.4水路系统
由于等离子弧的温度在10000︒C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。
7.2.1.5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3.7.4所示。
根据喷嘴孔道的数量,等离子焊喷嘴可分为单孔型(图3.7.4a、c)和三孔型(图3.7.4b、d、e)两种。
根据孔道的形状,喷嘴可分为圆柱型(图3.7.4a、b)及收敛扩散型(图3.7.4c、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。
三孔型喷嘴出来中心主孔外,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,可显著提高焊接速度,减小焊接热影响区的宽度。
最重要的喷嘴形状参数为压缩孔径及压缩孔道长度。
(1)喷嘴孔径dd决定了等离子弧的直径及能量密度,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3.7.3列出了各种直径的喷嘴所许用的电流。
(2)喷嘴孔道长度l0在一定的压缩孔径下,l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l/d在一定的范围之内,如表3.7.4所示。
(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。
表3.7.2小电流等离子弧焊时常采用的保护气体(等离子气为氩气)
焊接工艺
铝
1.6
不推荐
Ar或He
Ar或75%Ar+25%He
Ar或25%Ar+75%He
Ar,He或Ar+(1%~5%)H2
或Ar+(1%~5%)H2
所有厚度
Ar,25%Ar+75%He
75%Ar+25%He
或He或75%H2+25%Ar
Ar,He或25%Ar+75%He
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。
表3.7.5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。
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lg要合适(lg=l0±
0.2mm)。
7.2.2等离子弧焊设备的分类
根据操作方式,等离子弧焊设备可分为手工及自动两种。
根据所适用的焊接工艺可分为强流式(大电流)等离子弧焊机、微束等离子弧焊机、熔化极等离子弧焊机及脉冲等离子焊机等几种。
图3.7.4等离子弧焊接喷嘴的形状
(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
表3.7.3各种直径的喷嘴所许用的电流
直径/mm
0.6
0.8
1.2
1.4
2.0
2.5
2.8
3.0
3.5
许用电流/A
≤5
1~25
20~60
30~70
40~100
~140
~180
~210
~240
~300
表3.7.4喷嘴的孔道比及压缩角
喷嘴孔径d/mm
孔径比l/d
压缩角α
等离子弧类型
0.6~1.2
2.0~6.0
25~45
联合型电弧
1.6~3.5
1.0~1.2
60~90
转移型电弧
表3.7.5不同直径棒状电极的许用电流
电极直径/mm
电流范围/A
0.25
15
150~250
0.50
5~20
250~400
1.0
15~80
4.0
400~500
70~150
5.0~9.0
500~1000
7.3强流(大电流)等离子弧焊机
7.3.1强流等离子焊的工艺特点
强流等离子焊机通常采用穿孔法焊接工艺进行焊接。
通过选择较大的焊接电流及等离子流,焊接工件被完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个贯穿工件的小孔,熔化金属被排挤在小孔周围。
随着等离子弧在焊接方向移动,熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动并结晶成焊缝,而小孔随着等离子弧向前移动。
这种小孔焊接工艺是特别适用于单面焊双面成形;
焊接1~8mm厚的不锈钢、1~7mm厚的碳钢以及1~10mm厚的钛合金时,可不开坡口、不加垫板、不加填充金属,一次实现双面成形。
强流等离子焊机也可采用熔入法焊接工艺进行焊接,这种焊接工艺与TIG焊相似。
7.3.2强流等离子焊机的技术参数
表3.7.6为几种强流等离子焊机的技术参数。
7.3.3穿孔型等离子焊的焊接规范的选择
穿孔型等离子弧焊接的工艺参数主要有:
等离子气种类及流量、保护气种类及流量、焊接电流、电弧电压、焊接速度等。
焊接时总是根据板厚或熔透要求首先选定焊接电流。
为了形成稳定的穿孔效应,等离子气应有足够的流量,并且要与焊接电流、焊接速度适当匹配。
可参照表3.5.7选择穿孔型等离子弧焊焊接规范。
表3.7.6几种强流等离子焊机的技术参数
型号
LH-30
LHG-300
Plasmaweld202
Plasmaweld502
Plasmaweld255AC/DC
AWS-2000
产品名称
自动等离子弧焊机
可控硅整流式等离子弧焊机
逆变式等离子弧焊机
微机控制的等离子弧焊机
弧焊电源输入电压/V
380
230/400/500
400
208~240
空载电压/V
70
70~90
工作电压/V
25~40
25(80%额定电流下)
控制箱输入电压/V
220
电流调节范围/A
60~300
40~360
5~220
6~400
5~250
2~300
额定电流/A
300
250
负载持续率/%
60
35
50
100
2~4.5
5.5
填充焊丝直径/mm
0.8~1.2
焊接速度/(m⋅h-1)
8~100
6~120
可通过计算机程序进行控制;
该系统匹配机械式焊枪摆动装置、多轴行走连动系统、数据采集系统、保护气/等离子气流量控制器等
送丝速度/(m⋅h-1)
20~180
25~200
保护气预通时间/s
2~4
保护气滞后时间/s
8~16
3~30
离子气流衰减时间/s
1~15
等离子气流量/(L⋅min-1)
6.67
保护气体流量/(L⋅min-1)
26.67
冷却水流量/(L⋅min-1)
~3
4
外形尺寸
/mm
电源
650⨯455⨯933
465⨯680⨯870-
950⨯520⨯870
1060⨯620⨯885
510⨯295⨯555
659⨯583⨯1824
控制箱
650⨯440⨯1280
700⨯480⨯1610
表3.7.7穿孔型等离子弧焊焊接规范
焊件材料
板厚/mm
焊接速度/(mm⋅min-1)
电流/A
电压/V
气体流量/(l⋅h-1)
坡口形式
种类
离子气
保护气
低碳钢
3.175
304
185
28
364
1680
I
4.168
254
200
29
336
6.35
354
275
33
420
2.46
608
115
30
Ar+5%H2
168
980
712
145
32
280
4.218
358
165
36
1260
240
38
504
1400
12.7
270
320
26
钛合金
21
224
329
175
25
10.0
225
75%He+Ar
896
50%He+Ar
756
14.2
178
39
840
V
180
黄铜
508
140
27
镍
1200
锆
195
228
1320
7.4微束等离子弧焊机
7.4.1微束等离子弧焊的特点
微束等离子焊接是一种小电流(通常小于30A)熔入型焊接工艺,为了保持小电流时电弧的稳定,通常采用联合型电弧,即焊接时存在两个电弧,一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧,另一个为燃烧于电极与焊件间的转移弧。
前者起着引弧和维弧作用,使转移弧在电流小至0.5A时仍非常稳定;
后者用于熔化工件。
与钨极氩弧焊相比,微束等离子焊的优点是:
1)可焊更薄的金属,最小可焊厚度为0.01mm;
2)弧长在很大的范围内变化时,也不会断弧,并能保持柱状特征;
3)焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。
7.4.2微束等离子弧焊机的技术参数
典型的国产微束等离子弧焊机的技术参数见表3.7.8。
7.4.3微束等离子弧焊的焊接工艺参数的选择
常用的微束等离子弧焊焊接工艺参数见表3.7.9。
表3.7.8典型国产微束等离子焊机的技术参数
LH6
WLH-10
LH-16A
LH-20
LH3-16
电源输入电压/V
焊接
176
90
120
75
维弧
90(直流),100(交流)
95
135
0.5~6
0.5~10
0.2~16
0.1~20
1~30
脉冲电流:
0.2~18A基值电流:
0.2~18A
脉冲频率:
1~20Hz占空比:
25%~75%
1.8
1.5~2
1.5
3
2
额定焊接电流/A
6
10
16
20
电源容量/kVA
1.1
2.82
焊接厚度/mm
0.08~0.3
0.05~1.1
0.1~1
0.1~0.2
0.05~5
工件转速/(r⋅min-1)
1.25~6.7
0.3~2.5
0.4~4
保护气体预通时间/s
1
保护气体滞后时间/s
5
电流衰减时间/s
1~6
0~7
0.1~0.5
保护气流量/(L⋅min-1)
Ar:
0.2~4,H2:
0.5
1500⨯650⨯1600
1150⨯520⨯1150
600⨯400⨯500
640⨯460⨯780
390⨯360⨯225
工作台
1100⨯560⨯1300
540⨯340⨯1060
质量/kg
150
85
44
表3.7.9典型的微束等离子弧焊的焊接规范
等离子气流量(氩气)
/(L⋅min-1)
保护气流量
喷嘴孔径/mm
备注
流量
0.025
127
0.3
0.2
Ar+1%H2
8
卷边焊
0.075
153
0.75
0.125
375
0.28
Ar+0.5%H2
7
0.175
775
Ar+4%H2
9.5
0.4
对接焊
(铜衬垫)
4.3
0.1
370
3.3
24
0.15
6.5
2.7
11
125
13
0.42
Ar+8%H2
46
0.47
12
1.3
手工对接
0.7
2.2
22
0.56
150~200
4~6
0.71
5~7
0.91
125~175
6~8
0.33
125~150
10~12
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