焊 接 作 业 安 全 四 新 技 术主讲人：邢建章 电 话焊接四新技术应用方案随着工业自动化和信息化的快速发展，焊接技术也在迅速进化。近年来，各种新型焊接技术相继出现，这些焊接新技术被统称为“焊接四新技术”。这些新技术的问世，推动了焊接行业向更高、更智能、更节能、更环保的方向发展，有着重大的应用前景。下面，本文将就“焊接四新技术应用方案”进行阐述。一、激光焊接激光焊接是利用激光能量在材料表面产生熔融，并通过熔融池吸收激光能量，使工件熔融，从而实现焊接的一种技术。该技术具有焊缝小、焊接质量高、生产效率高等优势，应用广泛。激光焊接技术应用方案如下。1、汽车工业随着汽车的不断发展，汽车结构不断变化，传统的机械加工已经不能适应汽车轻量化的需求，激光焊接可以实现汽车结构件的高效、高质量焊接。2、航空航天激光焊接技术还可以应用在飞机制造领域，可焊接不同材料及各种复杂形状构件，可以有效地提高飞机的安全性和工作性能。激光焊接 一、激光焊 1．激光焊的基本原理 激光是指激光活性物质或工：隋物质受到激励，产生辐射，通过光放大氘产生一种单色性好、方向性强、光亮度高的光束。经透射或反射镜聚焦后可获得直径小于O．01 mm、功率密度高达 106～1012 W／cm2的能束，可用作焊接、切割及材料表面处理的热源。 激光焊接可以采用连续或脉冲激光束加以实现，激光焊接的原理可分为热传导型焊接和激光深熔焊接。功率密度小于104～105 W／cm2为热传导焊，此时熔深浅、焊接速度慢；功率密度大于105～107 W／cm2 时，金属表面受热作用下凹成“孔穴”，形成深熔焊，具有焊接速度快、深宽比大的特点。其中热传导型激光焊接原理为：激光辐射加热待加工表面．表面热量通过热传导向内部扩散，通过控制激光脉冲的宽度、能量、峰功率和重复频率等激光参数，使工件熔化，形成特定的熔池。图16—2激光焊示意图 2．激光焊的分类及特点 (1)激光焊的分类 按激光对工件的作用方式，激光焊可分为脉冲激光焊和连续激光焊。脉冲激光焊时，输入到工件上的能量是断续的、脉动的，每个激光脉冲在焊接过程中形成一个圆形焊点。连续激光焊在焊接过程中形成一条连续的焊缝。如图16-3(a)所示。 根据实际作用在工件上的功率密度，激光焊可分为传热焊(功率密度小于 105 W／cm2 )和深熔焊(小孔焊，功率密度大于105 W／cm2 )。如图16-3(b)所示。 图16—3 不同功率密度时的加热现象 (a)功率密度小于105 W／cm2 ；(b)功率密度大于105 W／cm2 (2)激光焊的特点 ①能准确聚焦为很小的光束(直径10 μm)，焊缝极为窄小，变形极小，热影响区极窄。 ②功率密度高，加热集中，可获得熔宽比大的焊缝(目前已达12：1)，不开坡口单道焊接钢板的厚度已达50 mm。 ③焊接过程非常快，焊件不易氧化。另外，不论是在真空、保护气体或空气中焊接．效果几乎是相同的，亦即能在任何空间进行焊接。 ④激光焊的不足之处，是设备的一次性投资大，设备较复杂，对高反射率的金属直接进行焊接较困难。 3．激光焊的应用 由于激光焊接具有上述特点，所以它被广泛用于仪器、微型电子工业中的超小型元件、车辆制造、钢铁、能源及特殊材料的焊接，可以焊接同种或异种材料，其中包括铅、铜、银、不锈钢、镍、锆、铌及难熔金属钽、钼、钨等。 近年来，激光焊在实践中证明，采用激光焊，不仅生产率高于传统的焊接方法．而且焊接质量也得到了显著的提高。 多种新型高功率激光器在工业生产中陆续出现，使激光焊接技术给传统焊接工艺带来了巨大的冲击，激光焊接技术也开始朝着更加多样化、实用化及高效化的方向发展．如激光－钎焊、激光－电弧复合焊、激光－压焊等，进一步拓宽了激光焊的应用范围。激光焊的部分应用实例详见表16-3．表16—3激光焊的部分应用实例 应用行业 应用实例航空航天发动机壳体、机翼隔架、膜盒等电子仪表集成电路内引线、显像管电子枪、调速管、仪表游丝等机械制造精密弹簧、针式打印机零件、金属薄壁波纹管、热电偶、电液伺服阀等钢铁冶金焊接厚度O．2.8 mm、宽度0.5～1.8 m的硅钢片、碳素结构钢和不锈钢汽车制造汽车底架、传动装置、齿轮、点火器中轴与拨板组合件等医疗器械心脏起搏器以及心脏起搏器所用的锂碘电池等食品加工食品罐(用激光焊代替传统的锡焊或接触高频焊，具有无毒、焊接速度快、节省材料以及接头美观、性能优良等特点)等其他领域燃气轮器、换热器、干电池锌筒外壳、核反应堆零件等 二、激光焊设备的组成与选用 激光焊设备主要由激光器、光束传输和聚焦系统、焊枪、工作台、电源控制装置、气源、水源、操作盘、数控装置等组成，如图16—4所示。图16—4 激光焊加工设备示意图 (1)激光器 激光器是产生受激辐射光并将其放大的装置，是激光焊接设备的核心部分。根据激光器中工作物质的形态分有固体、液体和气体激光器。焊接与切割用的激光器主要是固体激光器和CO2气体激光器。极有发展前途的高功率半导体二极管激光器，随着其可靠性和使用寿命的提高及价格的降低，在某些焊接领域将替代YAG固体激光器和CO2气体激光器。 (2)光束传输及聚焦系统 光束传输及聚焦系统又称为外部光学系统，用于把激光束传输并聚焦到工件上。如图16-5是两种激光传输及聚焦系统的示意图。反射镜用于改变光束的方向，球面反射镜或透镜用来聚焦。在固体激光器中，常用光学玻璃制造反射镜和透镜。而对于 CO2激光焊设备．由于激光波长较长，常用铜或反射率高的金属制造反射镜，用 GaAs砷化镓或 ZnSe 棱镜 制造透镜。透射式聚焦用于中、小功率的激光加工设备，而反射式聚焦用于大功率激光加工设备。图16—5 光束传输及聚焦系统示意图 (a)投射式聚焦；(b)反射式聚焦l——激光束；2——平面反射镜；3——透镜：4——球面反射镜 （3）光束检测器 光束检测器主要用于检测激光器的输出功率或输出能量，并通过控制系统对功率或能量进行控制。电动机带动旋转反射针高速旋转，当激光束通过反射针的旋转轨迹时，一部分激光(0．4％)被针上的反射面所反射，通过锗透镜衰减后聚焦，落在红外激光探头上，探头将光信号转变为电信号，由信号放大电路放大，通过数字毫伏表读数。由于探头给出的电信号与所检测到的激光能量成正比，因此数字毫伏表的读数与激光功率成正比，它所显示的电压大小与激光功率的大小相对应。 (4)气源和电源 目前的 C02激光器采用 CO2二氧化碳、N2氮、He氦(或Ar氩)混合气体作为工作介质，其体积配比为 7：33：60。He、N2 均为辅助气体，混合后的气体可提高输出功率5～10倍。但 He气体价格昂贵，选用时应考虑其成本。为了保证激光器稳定运行，一般采用快响应、恒稳性高的电子控制电源。 (5)工作台和控制系统 伺服电动机驱动的工作台可供安放工件实现激光焊接或切割。激光焊的控制系统多采用数控系统。 选择或购买激光焊设备时，应根据工件尺寸、形状、材质和设备的特点、技术指标、适用范围以及经济效益等综合考虑。微型件、精密件的焊接可选用小功率焊机；点焊可选用脉冲激光焊机，直径0．5 mm以下金属丝、丝与板或薄膜之间的点焊，特别是微米级细丝、箔膜的点焊等则应选择小功率脉冲激光焊机。随着焊件厚度的增大，应选用功率较大的焊机。激光切割非金属激光切割金属二 、 激光切割 激光切割是利用经聚焦的高功率密度激光束(多采用大功率二氧化碳连续激光)照射工件，同时喷射惰性气体流，光束能量以及活性气体辅助切割过程附加的化学反应热能被材料吸收，由此引起照射点材料温度急剧上升，到达沸点后，材料开始气化，并形成孔洞。 随着光束与工件的相对移动，最终使材料形成切缝。切缝处熔渣被一定压力的辅助气体吹除。 一、激光切割设备 激光切割设备主要由激光器、导光系统、数控运动系统、割炬、操作台、气源、水源及抽烟系统组成。典型的C02激光切割设备的基本构成如图17—3所示。 图17—3 典型的C02激光切割设备的基本构成 1——冷却水装置；2——激光气瓶；3——辅助气体瓶；4——空气干燥器；5——数控装置；6——操作盘；7——伺服电动机；8——切割工作台；9——割炬；10——聚焦透镜；11——丝杆；12——反射镜； 13——激光束；14——反射镜；15——激光振荡器；16——激光电源；17——伺服电动机和割炬驱动装置 激光切割用割炬主要由割炬体、聚焦透镜、反射镜和辅助气体喷嘴等组成，结构如图17—4所示。图17—4 激光割炬示意图I——工件：2——切割喷嘴；3——氧气进气管；4——氧气压力表；5——透镜冷却水套；6——聚焦透镜；7——激光束；8——反射冷却水套；9——反射镜；10——伺服电动机； 11——滚珠丝杆；12——放大控制及驱动电器；13——位置传感器 激光切割时，割炬必须满足下列要求： (1)割炬能够喷射出足够的气流： (2)要求气体喷射的方向和反射镜的光轴是同轴的： (3)切割时金属的蒸气和金属的飞溅不损伤反射镜： (4)焦距便于调节。 激光切割时割炬与工件间的相对移动有三种情况： (1)割炬不动，工件通过工作台作运动，这主要用于尺寸比较小的工件： (2)工件不动，割炬移动： (3)割炬和工作台同时移动。激光切割皮革 二、激光切割的适用范围 激光切割是激光在材料加工中一个新的应用领域，是一种新型的切割方法，与氧乙炔切割相比，激光切割的割缝狭小，切割速度高，母材的热影响区小，材料变形小，因此．可以进行材料的精密切割。除此之外，对氧乙炔焰难以切割的不锈钢、钛、铝、铜、锆及其合金等材料皆可采用激光切割，甚至对木材、纸、布、塑料、橡胶以及岩石、混凝土等非金属材料也能进行切割，而且均有较好的工艺性能。 三、激光切割的安全操作 (1)遵守一般切割机安全操作规程，严格按照激光器启动程序启动激光器。 (2)操作者须经过培训，熟悉设备结构、性能，掌握操作系统有关知识。 (3)按规定穿戴好劳动防护用品，在激光束附近必须佩戴符合规定的防护眼镜、防护面罩、防护手套和防护服。 ①激光防护眼镜。其最重要的部分是滤光片(有时是滤光片组合件)，它能选择性地衰减特定波长的激光，并尽可能通过非防护波段的可见辐射。激光防护眼镜有普通眼镜型、防侧光型和半防侧光型等。 ②激光防护面罩。实际上是带有激光防护眼镜的面盔，主要用于防紫外激光。 ③激光防护手套。工作人员的双手最易受到过量的激光照射，特别是高功率、高能量激光的意外照射对双手的威胁很大。 ④激光防护服。防护服由耐火及耐热材料制成。 (4)在未弄清某一材料是否能用激光照射或加热前，不要对其加工，以免产生烟雾和蒸气的潜在危险。 (5)设备开动时操作人员不得擅自离开岗位或托人待管，如的确需要离开时应停机或切断电源开关。 (6)要将灭火器放在随手可及的地方，不加工时要关掉激光器或光闸，不要在未加防护的激光束附近放置纸张、布或其他易燃物。 (7)在加工过程中发现异常时，应立即停机，及时排除故障或上报主管人员。 (8)保持激光器、床身及周围场地整洁、有序、无油污，工件、板材、废料按规定堆放。 (9)使用气瓶时，应避免压坏焊接电线，以免漏电事故发生。气瓶的使用、运输应遵守气瓶监察规程。禁止气瓶在阳光下暴晒或靠近热源。开启瓶阀时，操作者必须站在瓶嘴侧面。 (10)维修时要遵守高压安全规程。三、 激光对人体健康的危害以及激光的安全与防护 一、激光对人体健康的危害 (1)对眼睛的伤害 眼睛是人体上最为重要也是极为脆弱的器官，最容易受到激光的伤害。一般情况下．眼睛直接受太阳光或电弧之类光照射就会受到伤害，而激光的亮度比太阳、电弧亮度高数十个数量级，它会对眼睛造成严重损伤。 ①受激光直接照射，会由于激光的加热效应引起烧伤，可瞬间使人致盲，危险最大，后果严重。即使是数毫瓦的He氦—Ne氖激光，虽然功率小，但由于人眼的光学聚焦作用，也会引起眼底组织的损伤。 ②激光加工时，由于工件表面对激光的反射，也会造成伤害。强反射的危险程度与直接照射相差无几，而漫反射光会对眼睛造成慢性损伤，造成视力下降的后果。因此在激光加工时，人眼是应该重点保护的对象。 (2)对皮肤的伤害 皮肤受到激光的直射会造成烧伤，特别是聚焦后激光功率密度十分大，伤害力更大．会造成皮肤严重烧伤。长时间受紫外、红外光漫反射的影响，可能导致皮肤老化、炎症和皮肤癌等病变。 (3)其他方面 激光束直接照射或强反射会引起可燃物的燃烧导致火灾。激光焊时．材料受激光加热而蒸发、气化，产生各种有毒的金属烟尘。高功率激光加热时会产生臭氧．对人体健康也有一定危害。长时间在激光环境中工作，会产生疲劳的感觉等。同时激光器中还存在着数千至数万伏特的高压，存在着电击的危险。 二、激光的安全与防护 (1)一般防护 激光安全防护应从激光焊设备做起。 ①在激光加工设备上应设有明显的危险警告标志和信号，如“激光危险”、“高压危险”等．设备应有各种安全保护装置。 ②激光光路系统应尽可能全封闭。例如让激光在金属管中传递，以防止直接照射。激光光路如不能全封闭，则要求激光从人的高度以上通过，使光束避开眼、头等重要器官。激光加工工作台应用玻璃等屏蔽，防止反射光。 ③激光加工场地也应设有安全标志，并采用预防栅栏、隔墙、屏风等，防止无关人员误入危险区。 (2)人身防护 ①激光器现场操作和加工工作人员必须配备激光防护眼镜，穿白色工作服，以减少漫反射的影响。 ②只允许有经验的工作人员对激光器进行操作和进行激光加工。 焊接区应配备有效的通风装置。二、等离子焊接等离子焊接是一种高速、高效、高质量的熔支焊技术，是一种非接触的加热方式，该技术能够快速加热和冷却，提高了工件的耐热性和焊接质量。等离子焊接技术应用方案如下。1、核电领域核电站是重要的能源供应产业，核电管道是核电站管道系统中的核心部分，等离子焊接技术可以应用在核电管道的焊接中，具有极高的安全性、可靠性和稳定性。2、石油化工在石油化工产业中，各种高压、高温的输送管道和设备在使用过程中，要承受较大的压力和温度变化，等离子焊接技术可以减小焊接变形，提高焊接精度，使得产品具有更好的耐高温、耐腐蚀等性能，具有广阔的应用前景。 等离子弧焊与切割第一节 等离子弧的原理、特点及其类型 一、等离子弧的原理和特点 等离子弧的形成原理是自由电弧的物理压缩。自由电通过水冷喷嘴时，喷嘴限制其直径，产生机械压缩；水冷内壁温度较低，紧贴喷嘴内壁的气体温度也极低，形成了一定厚度的冷气膜，冷气膜进一步迫使弧柱截面减小，产生热压缩。弧柱截面的缩小．使电流密度大为提高，增强了磁收缩效应，进一步产生磁压缩。等离子弧焊接与切割 在三种压缩的作用下，等离子弧的能量集中(能量密度可达105～106 W／cm2)，温度高(弧柱中心温度18 000～24 000 K)，焰流速度大(可达300 m／s)。这些特性使得等离子弧广泛应用于焊接、喷涂、堆焊及切割。 等离子弧的特性形成了等离子弧以下特点： (1)等离子弧能量集中、温度高，对于大多数金属在一定厚度范围内都能获得小孔效应，可以得到充分熔透、反面成形均匀的焊缝。 (2)电弧挺度好，等离子弧的扩散角仅5 o左右，基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小。所以，等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。 (3)焊接速度比钨极氩弧焊快。 (4)能够焊接更细、更薄的加工件。 (5)其设备比较复杂、费用较高，工艺参数调节匹配也比较复杂。 二、等离子弧的类型 按电源连接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式．见图15 － l。 图15 － l 等离子弧的类型 (a)非转移型弧； (b)转移型弧； (c)联合型l——钨极；2——喷嘴；3——转移弧；4——非转移弧；5——工件；6 － 冷却水；7——弧焰：8——离子气 (1)非转移型等离于弧 钨极接电源负极，喷嘴接电源正极，等离子弧体产生在钨极和喷嘴之间，在离子气流压送下．弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。 既可用于非金属材料切割，也可用于非转移型弧金属材料切割，但由于工件不接电源。电弧挺度差，故能切割的金属材料厚度较小。非转移型弧 (2)转移型等离子弧 钨极接电源负极，工件接电源正极，等离子弧体产生于钨极与工件之间。转移弧难以直接形成．必须先引燃非转移弧，然后才过渡到转移弧。金属焊接、切割几乎均采用转移型弧。适用于金属材料切割.转移型弧 (3)联合型等离子弧 工作时，非转移型弧和转移弧同时存在，称为联合型等离子弧，主要用于微束等离子弧焊和粉末堆焊等。联合型第二节 等离子弧焊的适用范围 (1)适用的操作方式 等离子弧焊适于手工和自动两种操作，可以焊接连续或断续的焊缝。焊接时可添加或不添加填充金属。 (2)适用的被焊金属 一般TIC能焊接的大多数金属，均可用等离子弧焊接，如碳钢、低合金钢、不锈钢、铜合金、镍及其合金、钛及其合金等。低熔点和沸点的金属如铅、锌等，不适于等离子弧焊。 (3)适用的焊接位置 手工等离子弧焊可全位置焊接，自动等离子弧焊通常是在平焊和横焊位置上进行。 (4)适用的可焊厚度 等离子弧焊很适于焊接薄板，不开坡口，背面不加衬垫，单面焊一次能焊透金属的厚度，如表15—1所列。最薄的可焊0．01 mm 金属薄片。表15 － 1等离子弧焊（小孔枝术）一次焊透的厚度(单位：mm) 超过8 mm厚度的金属，从经济上考虑不宜用等离子弧焊。通常是在质量要求较高的厚板，并要求单面焊反面成形的封底焊缝的焊接时采用等离子弧焊。其余各层焊缝仍宜采用熔敷率更高更经济的焊接方法。第三节 等离子弧焊基本分类方法与设备组成 一、等离子弧焊基本分类方法 1．按焊缝成形原理分类 等离子弧焊有三种基本类型：小孔型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊。 (1)小孔型等离子弧焊。小孔型焊又称穿孔、锁孔或穿透焊。它是利用等离子弧能量密度大和等离子流力强的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的小孔。被熔化的金属在电弧吸力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时，小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。焊接示意图见图15—2。 穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成。板厚增加所需能量密度也增加。由于等离子弧能量密度的提高有一定限制．因此小孔型等离子弧焊只能在有限板厚内进行。 图15—2 小孔型等离子弧焊接(a)焊接过程； (b)焊缝正面； (c)焊缝背面l——等离子弧；2——熔池：3——焊缝金属 (2)熔透型等离子弧焊。当离子气流量较小、弧抗压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应。因焊缝成形原理和钨极氩弧焊类似，此种方法也称熔入型或熔触型等离子弧焊。它主要用于薄板加单面焊双面成形及厚板的多层焊。 (3)微束等离子弧焊。焊接电流在 30 A以下的等离子弧焊称为微束等离子弧焊接。为了保持小电流时电弧的稳定，一般采用小孔经压缩喷嘴(0．6～1．2 m)及联合型电弧。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0．5 A 时仍非常稳定；后者用于熔化工件。 2．按焊接电流范围分类 焊接电流目前尚没有明确划分界线 A为分界，小于它为微束等离子弧焊，大于它通称大电流等离子弧焊。但又有人把使用电流分得更细，分为大、中、小三种类型。 3．其他分类方法 除上述分类外，近来也有按所用电极分类，如非熔化极等离子弧焊和熔化极等离子弧焊；按所用电流类型分类，如直流、交流和脉冲等离子弧焊。铝、镁及其合金的焊接，常用直流反接的等离子弧焊或交流等离子弧焊。脉冲等离子弧焊和脉冲TIC金属相似，可以控制与调节焊接热输入，改善焊缝成形，实现全位置焊接等。 二、等离子弧焊设备组成 和钨极氩弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成，如图15—3所示。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车(或转动夹具)、控制电路、气路及水路等部分组成。图15—3手工等离子弧焊设备l——焊件：2——填充焊丝；3——焊枪；4——控制系统；5——水冷系统； 6——起动开关(常安在焊枪上)；7——焊接电源；8，9——供气系统第四节 等离子弧焊工艺参数与选择 小孔型等离子弧焊接时焊接过程中确保小孔的稳定，是获得优质焊缝的前提。影响小孔稳定性的主要工艺参数有：离子气流量、焊接电流及焊接速度，其次为喷嘴距离和保护气体流量。 (1)离子气流量 离子气流量增加，可使等离子流力和熔透能力增大。在其他条件不变时，为了形成小孔，必须要有足够的离子气流量。但是离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。喷嘴孔径确定后，离子气流量大小视焊接电流和焊接速度而定，即离子气流量、焊接电流和焊接速度三者之间要有适当匹配。 (2)焊接电流 焊接电流增加，等离子弧穿透能力增加 和其他电弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的。电流过小，不能形成小孔；电流过大，将因小孔直径过大而使熔池金属坠落。此外，电流过大还可能引起双弧现象。为此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能被限定在某一个合适的范围内，而且这个范围与离子与的流量有关。 (3)焊接速度 焊接速度也是影响小孔效应的一个重要参数。其他条件一定时，焊速增加，焊缝热输入减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速过低，板材过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定，取决于离子气流量和焊接电流。 (4)焊嘴距离 距离过大，熔透能力降低，因为距离过大时，造成喷嘴被飞溅物粘污，一般取3～8mm距离合适。和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。 (5)保护气体流量 保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例，离子气流量不大而保护气体流量过大时会导致气流的紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15～30 L/min范围内。 熔透型等离子弧焊的工艺参数项目和小孔型等离子弧焊基本相同。工件熔化和焊缝成形过程则和钨极氩弧焊相似。中、小电流(0．2～100 A)熔透型等离子弧焊通常采用联合型弧。由于非转移弧(维弧)的存在，使得主弧在很小电流下(1 A以下)也能稳定燃烧。维弧的阳极斑点位于喷嘴孔壁上，维弧电流过大容易损坏喷嘴，一般选用2～5 A。 小孔型、熔透型等离子弧焊也可以采用脉冲电流焊接，借以控制全位置焊接时的焊缝成形、减小热影响区宽度和焊接变形，脉冲频率在15 Hz以下。脉冲电源结构形式基本上和钨极脉冲氩弧焊的相似。第五节 等离子弧切割工作原理与切割设备组成 一、等离子弧切割工作原理 等离子弧切割是一种常用的金属和非金属材料切割工艺方法：它利用高速、高温和高能的等离子气流来加热和熔化被切割材料，并借助内部的或者外部的高速气流或水流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面而形成割口。 等离子弧坑的温度高，远远超过所有金属以及非金属的熔点，因此等离子弧切割过程不是依靠氧化反应，而是靠熔化来切割材料，因而比氧化切割方法的适用范同大得多．能够切割绝大部分金属和非金属材料。 经过三种压缩效应压缩的等离子弧的能量、能量密度以及等离子气流的速度取决于等离子气体的种类、流量、喷嘴形状参数和所施加给等离子弧的电能。 等离子弧切割方法除一般型外，派生的型式有水再压缩等离子弧切割、空气等离子弧切割或水再压缩空气等离子弧切割方法。 二、等离子弧切割设备组成 (1)切割电源 等离子弧切割与等离子弧焊接一样，一般都采用陡降外特性电源，但切割用电源空载电压一般大于 150 V，水再压缩空气等离子弧切割电源空载电压可高达 600 V。根据采用不同电流等级和工件气体而选定空载电压。电流等级越大，则选用切割电源空载的电压越高。双原子气体和空气作为工件气体以及高压喷射水作为工件介质时，切割电流的空载电压要高一些，才能使引弧可靠和切割电弧稳定。 等离子弧切割采用转移型电弧时，电极与喷嘴之间和电极与工件之间可以共用一套电源．也可以分别采用独立电源。切割起始阶段，为了易于引燃电弧，先送入小流量的非转移弧用的离子主体，引燃电弧后，再送入大流量的切割气体。如果是水再压缩等离子弧切割或空气等离子弧切割，则引燃电弧后，送入的是大流量高压水或压缩空气。 (2)割枪 等离子弧切割割枪基本上与等离子弧焊接的焊枪相同，一般由电极、电极夹头、喷嘴、冷却水套、中间绝缘体、气室、水路、气路和馈电体等组成。割枪中工作气体的通入可以是轴向通入、切线旋转吸入或者是轴向和切线旋转组合吸入。切线旋转吸入或送气对等离子弧的压缩效果更好，是最为常用的两种。割枪的设计要充分考虑水冷却作用和电极容易更换。第六节 等离子弧切割工艺参数的选择 一、气体选择 等离子弧切割工作气体既是等离子弧的导电介质，又能排除切口中的熔融金属，对切割质量和速度有明显影响。等离子弧切割中使用的离子气体有 N2氮气、Ar氩气、N2+H2、N2+Ar，也有用压缩空气、氧气、水蒸气或水作为产生等离子弧的介质。离子气的种类决定切割时的电弧电压，电弧电压越高切割功率越大，切割速度及切割厚度都相应提高。但电弧电压越高，要求切割电源的空载电压越高，否则难以引孤或电弧在切割过程中易熄灭。各种工作气体在等离子弧切割中的适用性见表15—2。表15-2各种工作气体在等离子弧切割中的适用性 气体 主要用途 备注Ar、Ar+H2、Ar+N2、Ar+H2+N2切割不锈钢、有色金属及其合金Ar仅用于切割薄金属N2、N2+H2切割不锈钢、有色金属及其合金N2作为水再压缩等离子弧的工作气体也可用于切割碳素钢O2(或粗氧)、空气切割碳素钢和低合金钢，也用于切割不锈钢和铝重要的铝合金结构件一般不用 用工业纯氩作为切割气体，只需要用较低的空载电压(70～90 V)，但切割厚度在 30mm以下．且由于氩气费用高，不经济，所以一般不常使用。N2、H2、Ar任意两种气体混合使用，比单一气体使用效果好，可互相取长补短，各自发挥其特长。其中以 Ar+H2及N2+H2混合气体切口质量和切割效果最好。切割较大厚度板时，用N2+H2混合气体。 实际生产上由于氮气价格低廉，所以大多用氮气作为切割气体。压缩空气作为切割气时热焓值高，电弧电压 100 V以上，电源电压 200 V以上，切割厚度在 30 mm 以下的材料，有取代氧乙炔火焰切割的趋势。常用等离子弧切割的适用材料和切割厚度见表15—3。切割碳钢或铸铁时，在气流中加入氧气，可以提供额外的切割能量。 表15-3常用等离子弧切割的适用材料和切割厚度 切割方法 适用性 实用切割厚度／mm不锈钢铝及铝合金碳素钢、低合金钢Ar－H2等离子弧好好差(一般不选用)不锈钢：4～150铝及铝合金：5～80 M等离子弧好 一般差(一般不选用)O．5～100N2－水再压缩等离子弧好 好 一般不锈钢、铝合金：l～100 低碳钢：6～50 02－水再压缩等离子弧 一般差(一般不选用) 好 6～25.4空气等离子弧一般一般好低碳钢、低合金钢：O．1～30铝、铜：0.1～5002等离子弧一般一般好低碳钢、低合金钢：0.5～32不锈钢、铝合金：0.5～50注：切割低碳钢以O2等离子弧、02－水再压缩等离子弧切割法最为宜 采用上述气体时应注意的事项： (1)氮气中含有氧气等杂质，随气体纯度的降低，钨极烧损增加，使切割质量降低，氮气的纯度应在99．5％(体积分数)以上。 (2)用氢气作切割气体是使非转移弧在纯 N2或纯 Ar中激发，等到转移弧型激发产生后 3～6s 再开始供应氢气为好，否则非转移型弧不易引燃，影响切割顺利进行。 (3)氢气是易燃气体，与空气混合易爆炸，储存氢气的钢瓶应专用，严禁用装氧气的气瓶来改装。通氢气的管路、接头、阀门等不能漏气。切割结束时，应先关闭氢气。 二、切割电流 切割电流过大，易烧损电极和喷嘴，且易产生双弧，因此相应于一定的电极和喷嘴有一合适的电流。切割电流增大会使弧柱变粗，致使切口变宽，易形成V形割口。表15—4列出等离子弧切割电流与割口宽度的关系。表15－4等离子弧切割电流与割口宽度的关系切割电流／A 20 60 120 250 500割口宽度／mm 1.O 2.0 3.0 4.5 9.0 三、空载电压 空载电压高，易于引弧。切割大厚度板材和采用双原子气体时，空载电压相应要高。空载电压还与割枪结构、喷嘴至工件距离、气体流量等有关。 四、切割速度 切割速度主要取决于材料板厚、切割电流、切割电压、气流种类，及流量、喷嘴结构和合适的后拖量等。 五、气体流量 气体流量要与喷嘴孔径相适应。气体流量大，利于压缩电弧，使等离子弧的能量更为集中．提高了工作电压，有利于提高切割速度和及时吹除熔化金属。但气体流量过大，从电弧中带走过多的热量，降低了切割能力，不利于电弧稳定。 六、喷嘴距工件高度 在电子内缩量一定时(通常2～4 mm)，喷嘴距离工件的高度一般在6～8 mm，空气等离子弧切割和水再压缩等离子弧切割的喷嘴距离工件高度可略小。第七节 等离子弧焊接和切割安全防护技术 (1)防电击 等离子弧焊接和切割用电源的空载电压较高，尤其在手工操作时，有电击的危险。因此．电源在使用时必须可靠接地，焊枪枪体或割枪枪体与手触摸部分必须可靠绝缘。可以采用较低电压引燃非转移弧后再接通较高电压的转移弧回路。如果启动开关装在手把上，必须将外漏开关套上绝缘橡胶套管，避免手直接接触开关。尽可能采用自动操作方法。 (2)防电弧光辐射 电弧光辐射强度大，它主要由紫外线辐射、可见光辐射与红外线辐射组成。等离子弧较其他电弧的光辐射强度更大，尤其是紫外线强度，故对皮肤损伤严重，操作者在焊接或切割时必须戴上质量良好的面罩、手套，最好加上吸收紫外线的镜片。自动操作时，可在操作者与操作区间设置防护屏。等离子弧切割时，可采用水中切割方法，利用水来吸收光辐射。 (3)防灰尘与烟气 等离子弧焊接与切割过程中伴随有大量汽化的金属蒸气、臭氧、氮化物等。尤其切割时，由于气体流量大，致使工作场地上的灰尘大量扬起，这些烟气与灰尘会对操作工人的呼吸道、肺等产生严重影响。为此，切割时，在栅格工作台下方可以安置排风装置，也可以采取水中切割的方法。 (4)防噪声 等离子弧会产生高强度、高频率的噪声，尤其采用大功率等离子弧切割时，其噪声更大．这对操作者的听觉系统和神经系统非常有害。其噪声能量集中在 2 00O～8 000Hz 范围内，要求操作者必须塞耳塞。在可能的条件下，尽量采用自动化切割，使操作者在隔音良好的操作室内工作，也可以采取水中切割方法，利用水来吸收噪声。 （5）防高频 等离子弧焊接和切割采用高频振荡器引弧，高频对人体有一定的危害。引弧频率选择在20 000～60 000HZ较为合适。还要求工件接地可靠，转移弧引燃后．立即可靠地切断高频振荡器电源。三、磁控弧焊接磁控弧焊接是一种利用电弧高温和磁场交互作用而形成的一种焊接方式。它具有高效、高速、高能量密度等优点，是高强度、高密度材料的首选焊接方式。磁控弧焊接技术应用方案如下。1、船舶制造船舶制造涉及各种特殊和复杂的焊接，磁控弧焊接技术是最先进的焊接技术之一，可以很好的解决各种焊接问题，提高焊接质量和效率。2、防爆器材和冶金工业磁控弧焊接技术可以应用在防爆器材和冶金工业中，对于特殊的、极难焊接的金属材料，采用磁控弧焊接，可以实现各种形状、各种厚度的板、管件的焊接。四、激磁压力焊接该技术利用磁场和力场的相互作用作用在材料表面上，加热和变形材料，将材料加压裹接，形成均匀复合材料。激磁压力焊接技术应用方案如下。1、磁控电弧焊接技术及其特点磁控电弧焊技术基于电磁感应的基本原理，利用外部磁场控制焊接过程的每一步，通过改变电弧的形状，控制相关熔滴转移和液态金属的转化过程，从而进一步优化相关焊缝成形，改善相对应的焊缝结构，改进先进的焊接技术。利用外加磁场控制焊接质量，具有相对应的附加设备简单、投资成本低、效率高的特点，这些都在一定程度上引起了国内外焊工的极大兴趣和重视。磁控电弧焊接的主要优点在于能够有效控制实现相关数字化以及自动化，并且通过相关磁控，应用焊接技术的成本能够显著降低，焊接技术系统被简化并且相对应的焊接能源消耗将会被降低，所能够获得的相关经济效益和生态效益就会在一定程度上远远超过传统的焊接技术。施加磁场的过程使得可以有效地控制熔融材料的转变过程和熔融材料的流动，通过进一步改变相关熔融材料中金属材料的流动方向，并在金属材料的结晶过程中起到捏合作用，使得控制元件的形状协调控制可以获得相对更好的结果。磁控技术的使用还可以在一定程度上有效弥补传统焊接技术在焊接过程中的缺陷，从而进一步有效降低焊接零件质量问题的发生频率，从而进一步保证焊接质量。2、磁控电弧焊接技术特点磁控电弧焊是一种有效利用电弧和压力实现相关焊接的特殊焊接工艺。这是一种特殊的压力焊接。它在管道和杆圆棒的焊接中具有一些优点，如焊接和应用中不需要填充焊丝。压力、焊接稳定性相对较好，自动化程度较高。相比之下，磁控电弧焊接使用电弧放电产生的热量来加热焊缝。电弧在外磁场和感应磁场的复杂相互作用下高速旋转加热管。达到熔化状态后，加压连接。旋转摩擦焊接使用零件之间旋转摩擦产生的热量作为热源。工件端部需要通过高速旋转来进行生热，以在焊接过程中有效获得相关摩擦热。这就在一定程度上有效限制了相关焊接产品的结构和尺寸，并使得焊接非旋转组件变得困难。虽然在改进的新摩擦焊接工艺Friex当中不需要组件在两端进行旋转，但中心焊接环的材料、尺寸和旋转速度等等因素都会在一定程度上对接头的性能和形成产生重大影响。由于安装定位精度的原因，可能会存在接头偏心、飞边不闭合等等缺陷。此外，旋转摩擦焊时头部压力相对较高，薄壁管件容易失去相对应的稳定性或是产生相关变形。因此，此类磁弧焊工艺相对来说更加适合粗管件或实心棒材料等等。相比之下，磁弧焊接时，接头两端应当尽可能拧紧固定，电弧在外磁场的作用下绕接头旋转。磁弧焊焊接工艺则不需要进行相关旋转，工件就能准确进行定位找正对齐，从而进一步有效保证相关管件形成椭圆度。焊接磁弧时，电弧应当尽可能继续旋转，焊缝位置应为相对应的封闭结构。因此，磁弧焊接工艺通常用于管状或类似的连接。也可以很好地连接在管状或非对称焊接结构上，最好的焊接方法是对1-16毫米厚的管道进行自动焊接。磁弧焊可以以高达200米/秒的速度移动，高速旋转的电弧在连接处产生相对均匀的热量。电弧焊接使其能够获得变形小和缺陷少的高质量焊接接头。此外，磁弧焊对于焊接不同的材料有相当大的优势，例如焊接汽车稳定器时，如果通过使用常规气焊焊接的球墨铸铁和低碳钢，焊接预热和焊后绝缘是必要的。裂纹缺陷和磁弧焊的使用也可以使得相对稳定和高质量的焊缝成为可能。焊接过程不会产生相关烟灰或混合尘，也不需要进行填充焊接材料，这就在一定程度上使得在焊接不同接头时可以节省大量成本。整个焊接过程完全可以通过自动化设备进行，通过进一步批量生产可以节省大量的人力和物力，从而在一定程度上显著提高生产效率(焊接时间从2秒到10秒)。2、磁控电弧焊接过程及新技术研究磁控电弧焊接过程研究进展2.1低频磁控电弧焊接过程及新技术研究研究进展在相关焊接过程当中电弧等离子体的形状是影响相对应的焊接质量和效率的重要因素。电弧等离子体具有一定的导电性。一般来说在相对应的外磁场影响下，相关电弧的形状、空间位置和特性会在一定程度上根据电弧的作用而发生变化。磁场也可以稳定电弧。电弧在不同类型磁场的影响下产生磁弧、旋转磁弧、磁压缩等现象。CMT焊接技术是当下一种相对较为新颖独特的短路过渡技术。当电弧被引导时，相对应的焊丝在输送机的作用下向熔池移动;当熔滴与熔池进行相关接触时，形成短路，此时焊机会在一定程度上迅速检测到相对应的短路信号，然后将相关控制信号传送给输送机;一旦输送机收到信号，则会采取向相反方向拉动焊丝的作用，并施加相对应的机械拉力。倒置将熔融材料从焊丝上进行分离，并将相关熔融材料带入到相关熔池当中。在CMT焊接过程中，引入相关磁场，可见磁场会在一定程度上影响电弧的形状，这就在一定程度上更加有利于焊接过程。磁场的吸引力也可以在一定程度上影响熔池的流动，从而有效消除相关凸点的出现，改善相关焊缝的形状，消除咬边等等缺陷，从而在一定程度上有效提高相关焊缝的机械性能。磁弧焊接技术允许深熔焊接同时提高相对应的焊接效率。磁控熔化极气体保护焊技术主要是利用电磁力来抑制熔池中湿气和凸起的产生，并改善相对应焊缝的形状。此外，磁场在一定程度上有效消除了焊缝的残余喷口应力，这就在一定程度上有效提高了焊缝质量。通过发现熔池和热影响区外的磁场强度分布与焊缝温度和距焊缝的距离有关。由于熔池表面的电弧中心在外磁作用下偏离焊丝轴线前方的一点，电磁力的峰值将出现在电磁力场中的熔池前方。随着激励电流的增加，附加纵向电磁力的值也会在一定程度上显著增加，磁场作用产生的正电磁力会在一定程度上阻止熔池回流，这也将会是阻碍相关熔池向后流动的主要作用力。2.2高频磁控电弧焊接技术及新技术研究研究进展目前，国内外研究人员针对高频磁弧焊接技术的研究还相对较少。高频脉冲电流所产生的相关径向电磁收缩力，电弧等离子体等等可以产生相对较大的径向收缩。高频磁场会在一定程度上限制相对应的电弧能量密度，并对高效焊接产生重大影响。磁弧进行焊接时，电弧的形状、能量密度、电弧力等等都会发生变化，影响熔池中液态金属的流动和焊缝的形状。高频磁场对焊接过程中电孤行为和焊缝质量的影响将成为高校研究的热点。彭佩基等通过进一步使用相关有限元软件创建了高频电磁焊接模型，以模拟相对应的焊接过程，从而有效实现减少相关测试焊缝的数量。同时，他们还会在一定程度上发现高频电磁感应加热具有加热速度快、易于控制的优点。首先，由于交流电相对应频率很高，工件表面会首先被加热，交变电流频率也会越来越高，集肤效应也会逐渐加重。3、磁控电弧焊接新技术及新技术研究研究进展通过进一步引入相对应的感应磁场的作用是调节相关晶粒，消除在焊接过程当中所出现的各种可能性缺陷，通过进一步有效改善相关焊缝的形成，提高焊缝的力学性能。新的磁控技术也将会随之产生，如磁控电弧增材制造和焊接技术，制造技术也将会被称为“快速成型技术”或“3D打印技术”，它主要是通过采用相关数字模型，以金属粉末或塑料作为原料，逐层打印相关构件。这项技术在一定程度上结合了相关数字建模技术、机电控制信息技术、材料科学和化学，与传统的减少材料制造相比，增材制造的技术不仅能够在一定程度上产生相对紧凑的部件和优异的性能，而且允许无模制造和快速模制大型复杂部件。目前，旋转磁弧焊接技术研究较少。磁旋转电弧焊接技术采用磁旋转电弧运动的原理，在电磁场中，电弧中的带电粒子受到电场或磁场的作用力，运动规律发生变化，通过与其他焊接过程协调产生的磁力引起旋转电弧的运动。新型焊接工艺具有一定的高效、节能、节材等优点。目前磁焊接领域的发展和应用越来越多，同时在世界范围内逐渐出现了更多新的技术，因此迫切需要开发新的相关设备，以适应未来制造业的发展和技术进步。随着现阶段我国科学技术的不断发展，高效优质的焊接已逐渐成为焊接技术领域的新探索;同时，自动化和智能化将成为焊接技术领域的新方向。特别是，高频磁场的加入可以实现有效的焊接并提高其培训质量，这对提高我国制造业的焊接技术水平非常重要，磁焊接领域的应用将具有重要的工程应用价值和推广应用前景。四、激磁压力焊接1、电子制造激磁压力焊接可制造高端通讯设备、集成电路、电子器件等，被广泛应用于电子制造中，具有优异的特性，是一种重要的技术手段。2、航空航天领域激磁压力焊接技术可以很好的解决航空航天工业中高温、高压、或高强度材料的焊接问题。因此，该技术在航空航天制造领域中是一种很重要的技术手段。综上所述，随着焊接四新技术的不断发展，其应用范围和应用领域也在不断扩展，各个新型焊接技术在实际工业生产应用中都有其独特的优势，从而推动了焊接行业的迅速发展。相信在不久的将来，更多的焊接技术将会应用到我们的生产和生活中，让我们的生产更加智能、高效、节能和环保。
建设工程招投标与合同管理 第2版 第6章 建设工程施工合同管理.ppt
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