等离子弧焊接和切割.pdf

专 题 综 述 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 大 阪 大 学 西 口 公 之 日 摘 要 展 趋 势 关 扭 词 系 统 地 论 述 了 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 的 发 展 过 程 及 其 研 究 方 向 并 从 等 离 子 技 术 学 科 现 状 指 出 了 其 将 来 的 发 等 离 子 弧 转 移 弧 半 转 移 弧 非 转 移 弧 焊 接 切 割 刃 一 吕 介 一 自 从 在 年 发 明 等 离 子 弧 焊 接 方 法 以 来 已 经 过 了 年 公 司 年 用 等 离 子 弧 方 法 切 割 铝 合 金 也 已 过 了 年 在 年 代 采 用 等 离 子 弧 焊 接 火 箭 壳 体 以 前 等 离 子 弧 焊 技 术 并 不 引 人 注 意 年 代 末 随 着 其 在 航 天 工 业 领 域 中 的 应 用 等 离 子 弧 焊 设 备 才 有 了 销 路 等 离 子 弧 焊 技 术 的 研 究 也 由 此 取 得 了 长 足 的 进 展 等 离 子 弧 焊 技 术 当 前 觅 需 解 决 的 主 要 间 题 是 用 于 管 子 全 位 置 焊 接 的 脉 冲 等 离 子 弧 焊 技 术 用 于 薄 板 焊 接 的 微 束 等 离 子 弧 焊 技 术 用 于 各 种 材 料 高 质 量 焊 接 的 关 键 技 术 和 自 动 等 离 子 弧 焊 的 测 控 技 术 近 年 来 等 离 子 弧 被 广 泛 用 于 切 割 不 锈 钢 和 铝 合 金 这 些 材 料 用 氧 一 乙 炔 火 焰 是 难 以 切 割 的 年 代 末 等 离 子 弧 切 割 的 应 用 已 延 伸 到 造 船 工 业 中 普 通 钢 材 的 切 割 领 域 虽 然 小 电 流 等 离 子 弧 切 割 设 备 早 在 年 代 就 出 现 了 但 直 到 年 代 才 推 广 应 用 这 是 因 为 此 时 完 善 改 进 后 的 设 备 小 巧 轻 便 价 廉 已 有 条 件 推 广 到 各 个 领 域 年 代 还 进 行 了 纯 氧 作 离 子 气 的 等 离 子 弧 切 割 设 备 的 推 广 应 用 等 离 子 弧 切 割 领 域 的 需 求 促 进 了 改 善 切 口 包 括 坡 口 倒 角 在 内 的 表 面 质 量 的 试 验 和 提 高 电 极 寿 命 的 研 究 下 文 详 细 介 绍 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 的 发 展 过 程 现 状 和 未 来 的 研 究 方 向 电 极 电 流 通 道 等 离 子 弧 知知 尸 产 尹 刁刁 等 离 子 工 艺 工 作 原 理 在 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 中 热 源 是 高 温 和 高 能 流 密 度 的 等 离 子 束 等 离 子 束 是 由 经 过 铜 喷 嘴 物 理 压 缩 的 等 离 子 弧 构 成 的 通 常 等 离 子 弧 是 直 流 正 极 性 即 电 极 接 负 由 于 电 弧 电 流 通 过 直 径 相 对 小 的 喷 嘴 后 被 压 缩 因 此 电 弧 电 压 大 大 高 于 焊 的 自 由 电 弧 电 压 焊 枪 的 工 作 方 式 等 离 子 弧 有 两 种 工 作 方 式 一 种 方 式 为 非 转 移 弧 图 通 常 称 作 射 流 等 离 子 在 年 为 所 采 用 此 种 方 式 的 电 弧 产 生 于 喷 嘴 里 的 电 极 与 喷 嘴 之 间 离 子 气 以 旋 转 气 流 状 进 给 射 流 等 离 子 并 不 适 用 于 焊 接 和 切 割 它 主 要 用 于 等 离 子 喷 涂 近 年 来 也 开 始 用 于 塑 料 板 的 切 割 等 离 子 弧 另 一 种 工 作 方 式 是 转 移 弧 图 通 常 称 为 等 离 子 弧 它 借 电 极 喷 嘴 间 非 转 移 弧 转 移 弧 图 等 离 子 弧 工 作 的 墓 本 模 式 的 导 引 弧 激 发 了 高 温 工 件 与 缩 于 喷 嘴 里 的 电 极 间 的 传 导 等 离 子 流 产 生 了 等 离 子 弧 离 子 气 可 以 旋 转 状 进 给 也 可 轴 流 状 进 给 转 移 型 等 离 子 弧 热 源 的 能 流 密 度 高 于 射 流 状 等 离 子 弧 其 阳 极 和 阴 极 斑 点 可 获 得 较 高 的 热 能 这 就 是 转 移 型 等 离 子 弧 可 以 用 于 焊 接 和 切 割 的 原 因 由 于 电 弧 电 压 不 可 能 在 电 弧 电 流 降 至 或 以 下 时 仍 随 电 弧 电 流 的 下 降 而 降 低 年 因 此 在 这 种 情 况 下 需 要 压 缩 喷 嘴 与 电 极 间 保 持 一 个 极 小 电 流 以 保 证 转 移 弧 的 稳 定 性 这 种 方 式 称 为 微 束 等 离 子 弧 或 半 转 移 弧 图 列 出 了 种 等 离 子 弧 用 于 焊 接 和 切 割 的 方 法 运 行 条 件 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 虽 然 属 于 不 同 的 工 艺 方 法 但 设 备 十 分 相 似 年 出 现 了 新 型 的 等 离 子 切 割 炬 此 类 割 炬 带 保 护 气 又 称 辅 助 气 切 割 与 焊 接 两 种 工 艺 过 程 之 间 的 差 别 仅 在 于 工 作 时 离 子 气 种 类 和 气 流 量 不 同 导 致 电 弧 电 压 不 同 切 割 时 的 工 作 电 压 为 焊 接 时 工 作 电 压 的 倍 或 倍 等 离 子 切 割 时 空 气 等 皆 可 选 用 为 离 子 气 其 气 流 形 成 的 高 冲 击 状 态 有 利 于 切 割 熔 渣 的 清 除 而 等 离 子 焊 接 时 则 采 用 或 作 离 子 气 十 或 作 保 护 气 年 第 期 专 题 综 述 等 离 子 工 非 转 移 弧 射 流 等 离 子 射 流 等 离 子 切 割 微 束 等 离 子 射 流 切 割 半 转 移 弧 微 束 等 离 子 弧 微 束 等 离 子 弧 焊 接 和 微 束 等 离 子 弧 切 割 川 二 转 移 弧 等 离 子 弧 软 等 离 子 弧 堆 焊 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 接 等 离 子 弧 切 割 近 期 的 进 展 等 离 子 弧 焊 工 艺 近 年 来 直 流 正 极 性 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 技 术 图 得 到 了 快 速 发 展 年 代 末 带 连 续 导 引 弧 的 微 束 等 离 子 弧 焊 使 得 转 移 弧 的 稳 定 性 取 得 了 突 破 性 进 展 年 电 流 脉 冲 频 率 为 一 的 脉 冲 等 离 子 弧 焊 用 于 管 道 全 位 置 焊 接 年 交 流 方 波 变 极 性 等 离 子 弧 焊 用 于 航 天 飞 机 的 铝 合 金 全 燃 料 贮 箱 的 焊 接 电 极 图 等 离 子 工 艺 分 类 乡 城 禅 近 来 两 种 工 艺 方 法 皆 采 用 同 一 种 恒 流 电 源 等 离 子 弧 最 大 的 操 作 电 流 必 须 低 于 临 界 电 弧 电 流 它 受 到 双 弧 现 象 的 限 制 临 界 电 流 由 喷 嘴 直 径 喷 嘴 的 压 缩 长 度 和 压 缩 气 流 量 等 因 素 决 定 通 常 喷 嘴 直 径 的 临 界 值 取 决 于 根 据 焊 接 和 切 割 零 件 板 厚 所 确 定 的 最 高 气 流 量 图 显 示 出 不 同 的 工 艺 规 范 下 各 种 等 离 子 工 艺 工 作 状 态 的 分 布 焊 缝 正 面 焊 缝 反 黝黝 沁 工工 件 场场 电 极 翻 气饰 厂 喷 嘴 图 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 示 意 图 补 年 代 末 大 直 径 喷 嘴 的 软 等 离 子 弧 堆 焊 也 有 了 发 展 它 的 阴 极 斑 点 的 分 布 受 控 于 保 护 气 体 的 组 分 可 以 实 现 堆 焊 的 稀 释 率 小 于 各 种 类 型 的 等 离 子 弧 焊 的 发 展 史 见 图 其 研 究 阶 段 用 虚 线 表 示 实 线 表 示 实 际 应 用 时 期 条 带 说 明 此 种 工 艺 已 进 入 广 泛 应 用 时 期 任 合艇扩冷健 主 电 弧 电 流 图 不 同 的 等 离 子 工 艺 及 其 适 用 的 板 厚 范 围 分 布 图 虚 线 半 转 移 弧 方 式 实 线 转 移 弧 方 式 大 电 流 等 离 子 弧 切 割 喷 嘴 直 径 一 板 厚 一 一 喷 水 中 等 电 流 一 小 电 流 一 一 微 束 微 束 一 一 一 微 束 射 流 等 离 子 切 割 二 二 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 接 一 一 软 等 离 子 堆 焊 一 微 束 等 离 子 弧 焊 接 一 等等等 半半半半半 徽 束 脉 冲 电 弧 挤挤 了 式 枣 徽徽 离离离 转转转转转转 尸尸 气 扁 束束 子子子 移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移 公 等等弧弧弧 弧弧弧弧弧 月 月 口 目目 灭灭 焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊焊 接接接接接接 一 洲洲 恒 流 方 式 户户 归 丫丫丫 转转转转转转 软 等 离 子子 离 扮扮 移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移移 爵爵 姆姆姆 弧弧弧弧弧弧 反 极 性 半 蕊 笔 黔 盔盔 铝 小小 反反反反反反 极 性 禹禹 一 宴 惫惫 形形 瓦瓦瓦瓦瓦瓦瓦 些 魁 丝 了 一一一 二 二 一一一一 常常常常常常常 规 月 户 一 尸 正 极 性 竺 蟹 软 嘱嘱嘱 正 极 性 图 等 离 子 弧 坏 的 发 展 史 航 空 工 艺 技 术 专 题 综 述 等 离 子 切 割 工 艺 等 离 子 切 割 工 艺 的 实 际 应 用 在 年 代 初 就 开 始 了 近 年 来 仅 用 于 切 割 大 厚 度 的 不 锈 钢 及 铝 板 它 以 及 十 作 离 子 气 电 流 可 达 等 离 子 切 割 发 展 到 注 水 式 等 离 子 切 割 以 改 善 切 割 质 量 及 工 作 环 境 镶 错 铜 电 极 尽 管 从 年 就 开 始 研 究 但 直 到 年 代 初 才 应 用 于 空 气 等 离 子 切 割 许 多 造 船 厂 有 了 电 流 为 一 的 数 控 等 离 子 切 割 机 近 年 来 氧 等 离 子 切 割 用 于 切 割 钢 以 防 止 氮 作 离 子 气 切 割 时 对 母 材 表 面 的 污 染 年 代 中 期 一 些 轻 便 廉 价 的 小 电 流 切 割 设 备 开 始 推 向 市 场 小 电 流 设 备 在 各 个 领 域 迅 速 得 到 应 用 特 别 是 当 小 于 的 小 电 流 手 工 等 离 子 切 割 设 备 在 市 场 上 出 现 以 后 等 离 子 切 割 机 才 得 到 广 泛 应 用 图 显 示 了 日 本 各 类 等 离 子 切 割 机 的 分 布 情 况 数 据 以 年 日 本 焊 接 工 程 协 会 公 布 的 调 查 结 果 为 依 据 其 中 电 流 小 于 的 设 备 接 近 使 用 氧 化 性 离 子 气 的 设 备 约 占 此 外 年 开 始 用 微 束 等 离 子 切 割 薄 板 用 小 电 流 射 流 等 离 子 切 割 机 切 割 塑 料 图 示 出 了 等 离 子 切 割 的 发 展 史 非 转 移 弧 半 转 移 弧 射 流 等 离 子 切 割 微 束 等 离 子 切 割 电 源 近 年 来 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 电 源 获 得 了 快 速 发 展 早 期 的 电 源 采 用 饱 和 电 抗 器 控 制 电 弧 电 流 年 代 出 现 了 晶 闸 管 控 制 方 式 年 代 出 现 了 逆 变 方 式 晶 闸 管 电 源 和 高 频 逆 变 电 源 的 构 成 见 图 相 犯 相 框 噩 护 僵 于 任 于 变 压 器 晶 闸 管 电 抗 器 晶 闸 管 电 源 相 瓮 二 极 管 关 功 率 设 备 变 晶 休 管 二 级 管 厂 万 沂 一 一 高 频 逆 变 电 源 图 电 源 的 构 成 他吩 沙 离 子 气 的 图 等 离 子 切 刻 中 各 类 离 子 气 和 各 种 刻 炬 电 流 占 有 的 比 例 等等等 同同 一 组 钊钊钊 一一 州州 塑 料 离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离离 子子子 同同同同同同 曰曰 徽 束 一 弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧弧 切切切切切切切 尸 一 一 一 一 门门门 创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创创 转转转转转 和 产产 反 板板 州州 一 移移移移移移 于于 冲 弧弧弧弧弧弧 一 二 益 逛逛 一一一一一一一一 尸 题题 洲洲 中 等 洲洲 小 电 流流 区 牙 干 兀 了 五 亡 月 一 一 一 一 一一 旧 方 消 工 之 蕊蕊 乏乏乏乏乏乏乏乏乏 粼 图 等 离 子 弧 切 割 的 发 展 史 逆 变 电 源 广 泛 用 于 小 电 流 空 气 等 离 子 切 割 机 或 用 于 脉 冲 等 离 子 焊 接 通 常 电 流 低 于 尽 管 这 种 电 源 价 格 稍 贵 但 最 新 研 制 的 电 源 轻 便 易 操 作 晶 闸 管 电 源 占 有 其 余 的 市 场 而 晶 体 管 变 流 器 现 在 已 几 乎 不 用 用 于 可 变 极 性 等 离 子 弧 焊 的 电 源 最 早 采 用 晶 闸 管 但 现 在 改 为 正 反 两 个 方 向 的 双 向 逆 变 器 研 究 现 状 及 方 向 等 离 子 电 弧 等 离 子 理 论 研 究 开 始 见 报 是 在 年 由 发 表 直 接 与 等 离 子 弧 焊 接 和 切 割 有 关 的 转 移 弧 研 究 开 始 于 年 的 机 械 压 缩 稳 弧 和 年 的 离 子 气 压 缩 稳 弧 的 研 究 年 阐 述 了 磁 压 缩 机 理 同 时 也 解 释 了 双 弧 现 象 限 制 等 离 子 电 弧 的 最 大 电 流 的 原 因 从 年 代 到 年 代 初 人 们 全 力 以 赴 进 行 离 子 弧 温 度 测 量 离 子 气 流 速 和 电 弧 效 率 等 机 理 研 究 以 后 等 离 子 电 弧 特 性 的 研 究 越 来 越 少 但 这 并 不 能 说 明 等 离 子 电 弧 行 为 已 经 完 全 搞 清 楚 了 至 今 我 们 仍 不 能 自 如 地 控 制 等 离 子 电 弧 作 者 所 在 的 实 验 室 采 用 等 离 子 电 弧 行 为 的 数 学 模 型 和 等 离 子 弧 与 工 件 熔 池 前 沿 相 互 影 响 的 应 用 软 件 实 现 了 等 离 子 弧 行 为 影 响 因 素 的 表 述 等 离 子 弧 焊 接 从 小 孔 成 形 焊 接 工 艺 开 始 了 等 离 子 弧 焊 研 究 年 代 末 到 年 代 初 进 行 了 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 接 熔 池 和 焊 接 性 的 试 验 研 究 图 表 示 出 最 大 的 可 平 衡 熔 池 宽 度 年 薄 板 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 的 临 界 宽 不 同 于 一 般 非 小 孔 成 形 的 钨 极 氢 弧 年 第 期 专 题 综 述 焊 因 为 在 薄 板 小 孔 成 形 焊 接 时 产 生 于 弧 坑 两 侧 的 熔 化 金 属 难 以 彼 此 桥 接 故 其 临 界 最 大 熔 池 底 宽 是 很 小 的 一 度 切 口 正 面 的 粗 糙 度 间 题 依 然 存 在 现 在 部 分 存 在 的 间 题 随 着 新 型 氧 等 离 子 弧 切 割 设 备 的 使 用 而 消 失 用 这 种 设 备 可 以 获 得 称 之 为 精 密 切 割 的 高 质 量 切 割 其 质 量 可 以 与 激 光 切 割 相 比 虽 然 这 种 新 型 设 备 现 在 还 只 能 切 割 厚 度 小 于 的 板 材 但 正 在 向 大 厚 度 板 的 精 密 切 割 方 向 发 展 小 电 流 氧 化 性 气 体 等 离 子 弧 切 割 使 用 的 快 速 扩 散 长 寿 命 电 极 的 研 究 已 提 到 日 程 上 来 其 研 究 结 果 见 图 所 示 产 呱 离 子 气 空 气 板 厚 图 最 大 反 面 熔 池 宽 度 与 板 厚 的 关 来 曲 线 一 尸 丫 写 一 八 日日飞汪侧拟理效旧以名杖暇 冀解名训叫彭钾 一 刀 年 代 初 小 孔 成 形 等 离 子 弧 焊 熔 池 形 成 机 理 的 研 究 取 得 进 展 并 开 始 注 意 小 孔 行 为 作 用 和 熔 化 金 属 的 二 次 熔 化 作 用 的 研 究 建 立 了 直 流 正 极 性 这 种 熔 池 形 成 的 主 要 方 法 随 着 水 冷 喷 嘴 电 极 及 大 直 径 钨 极 的 出 现 实 现 了 对 阴 极 斑 点 行 为 的 研 究 此 外 还 进 行 了 半 转 移 弧 条 件 下 的 微 束 等 离 子 弧 焊 的 研 究 年 代 末 脉 冲 等 离 子 弧 焊 变 极 性 等 离 子 弧 焊 研 究 也 取 得 了 进 展 年 证 实 了 钨 极 接 负 尔 后 为 接 正 这 种 变 极 性 等 离 子 弧 焊 适 用 于 铝 合 金 的 焊 接 年 证 实 了 一 脉 一 孔 序 列 脉 冲 等 离 子 弧 焊 方 式 适 宜 于 管 子 的 全 位 置 焊 接 今 后 我 们 将 面 临 几 个 重 要 间 题 即 各 种 材 料 等 离 子 弧 焊 关 键 技 术 的 积 累 等 离 子 弧 焊 工 艺 技 术 的 系 统 化 等 离 子 弧 焊 稳 定 性 的 提 高 以 及 自 动 等 离 子 弧 焊 的 测 控 技 术 等 离 子 弧 切 割 等 离 子 弧 切 割 的 研 究 是 从 离 子 气 种 类 的 选 择 开 始 的 年 影 响 切 割 能 力 的 因 素 和 熔 渣 的 清 除 原 理 解 决 以 后 人 们 对 切 口 的 形 成 机 理 进 行 了 研 究 然 而 至 今 等 离 子 切 割 的 坡 口 坡 一 叮 含 量 图 未 用 衬 用 电 极 对 改 善 电 极 寿 命 的 效 果 年 曲 线 表 示 了 嵌 人 铜 棒 的 耐 用 电 极 材 料 组 分 与 小 电 流 时 的 电 极 寿 命 之 间 的 关 系 并 指 出 这 些 材 料 对 延 长 电 极 寿 命 是 有 利 的 将 来 致 力 于 大 电 流 条 件 下 的 研 究 是 必 要 的 邵 亦 陈 朱 轶 峰 译 责 编 东 日 欢 迎 订 阅 材 料 保 护 月 年 创 刊 公 开 发 行 获 湖 北 省 机 械 部 国 家 科 委 一 等 奖 二 中 文 核 心 期 刊 中 国 科 技 论 文 统 计 用 刊 入 编 中 国 科 学 引 文 数 据 库 世 界 著 名 检 索 系 统 美 化 学 文 摘 收 录 率 达 仁 美 工 程 索 引 收 录 率 达 集 表 面 处 理 技 术 精 萃 笼 全 球 实 用 工 艺 大 全 月 国 际 标 准 开 本 出 版 以 成 本 价 回 报 社 会 航 空 工 艺 技 术 邮 发 代 号 一 订 阅 处 各 地 邮 政 局 所 定 价 邮 局 定 阅 元 册 元 年 本 社 补 定 元 册 元 年 材 料 保 护 杂 志 社 武 汉 市 宝 丰 二 路 号