材料成形裝備及自動化 教學(xué) ppt 作者 樊自田 課件公開課一等獎省優(yōu)質(zhì)課大賽獲獎?wù)n件

精品課程材料成形裝備及自動化

第四章

（4.2）

華中科技大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院School

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HUST4.2.3CO2氣體保護(hù)電弧焊設(shè)備10/10/2保護(hù)氣體：CO2氣體特點(diǎn)：成本低，高效率、焊接質(zhì)量好應(yīng)用：船舶、車輛、石油化工機(jī)械等鋼結(jié)構(gòu)制造。分類：操作方式：自動焊和半自動焊送絲方式：等速送絲式和變速送絲通常采取半自動焊、細(xì)焊絲（直徑≤1.6mm）、等速送絲系統(tǒng)配以平特征弧焊電源。半自動CO2焊機(jī)組成：焊接電源、送絲機(jī)、焊槍、供氣系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等部分組成，下列圖所表示。第四章10/10/3半自動CO2焊機(jī)4.2.4CO2氣體保護(hù)電弧焊設(shè)備10/10/4圖4-22兩種短路形態(tài)示意圖（a）正常短路（b）瞬時短路

1）焊接電源

CO2焊機(jī)焊接電源主要有抽頭式整流弧焊電源、晶閘管整流弧焊電源和逆變式弧焊電源。圖4-23為一個帶有電子電抗器控制電流波形逆變式CO2焊機(jī)電路原理圖。

10/10/5圖4-23帶有電子電抗器控制逆變式CO2焊機(jī)原理2）控制系統(tǒng)CO2焊機(jī)控制系統(tǒng)：電源控制電路：包含動特征控制步驟送絲控制電路：控制送絲速度程序控制電路：引弧和收弧過程等

10/10/610/10/7

引?。簽榱颂嵘〕晒β?，可采取提升早期短路電流上升速度和慢速送絲辦法，即增大瞬間短路電流值和接觸電阻，讓焊絲快速熔斷引弧，引燃后，馬上恢復(fù)適當(dāng)和正常送絲速度進(jìn)行焊接。

收?。簽榱丝朔栈r缺點(diǎn)，焊接過程結(jié)束時采取減緩送絲速度（即降低焊接電流），同時對應(yīng)降低電弧電壓，首先填弧坑，待弧坑填滿后，切斷送絲電機(jī)兩端電壓，讓電機(jī)慣性運(yùn)行，自動衰減送絲速度，直至停運(yùn)，則焊接電流也隨即衰減到零。此間電弧電壓也同時再降低維持電弧燃燒以到達(dá)去除焊絲端頭熔化金屬小球和防止了焊絲與熔池相粘，最終關(guān)斷電源停頓焊接。整個程序如圖4-24所表示。10/10/8電弧電壓送絲速度(焊接電流)填充弧坑預(yù)防粘絲(去小球)延時斷氣CO2氣體提前送氣圖4-24CO2半自動焊接過程程序控制圖

4.2.4CO2氣體保護(hù)電弧焊設(shè)備（3）供氣系統(tǒng)供氣系統(tǒng)如圖4-25所表示。10/10/9圖4-25CO2焊氣路系統(tǒng)示意圖1-CO2鋼瓶2-預(yù)熱器3-干燥器

4-減壓器5-溶量計6-電磁氣閥10/10/10優(yōu)點(diǎn)：

(1)焊接成本低。CO2氣體是釀造廠和化工廠副產(chǎn)品，價格低、起源廣，其焊接成本約為手弧焊和埋弧焊40％～50％。(2)焊接生產(chǎn)率高。因?yàn)楹附z自動送進(jìn)，焊接時焊接電流密度大，焊絲熔化效率高，所以熔敷速度高。焊接生產(chǎn)率比手弧焊高2～3倍。(3)應(yīng)用范圍廣。能夠焊接薄板、厚板以及全位置焊接等。(4)抗銹能力強(qiáng)。CO2焊對焊件上鐵銹、油污及水分等，不像其它焊接方法那樣敏感，含有很好抗氣孔能力。(5)操作性好，含有手弧焊那樣靈活性。缺點(diǎn)：一.焊接時飛濺較大.焊縫表面成型較差.焊接設(shè)備較復(fù)雜。二.防風(fēng)能力差.不能在有風(fēng)（風(fēng)大于每秒兩米）環(huán)境下使用。

4.2.5鎢極氬弧焊設(shè)備

鎢極氬弧焊（tungsteninertgasarewelding）簡稱TIG焊，以惰性氣體（氬氣、氦氣）作為保護(hù)氣體，使用純鎢或活化鎢（釷鎢、鈰鎢等）作為不熔化電極引燃電弧進(jìn)行焊接一個方法，如圖4-26所表示。10/10/11圖4-26鎢極氬弧焊示意圖1－噴嘴2－鎢極3－電弧4－焊縫5－工件6－熔池7－填充焊絲8－氬氣10/10/12

應(yīng)用：用于飛機(jī)、原子能、化工、紡織等工業(yè)產(chǎn)品制造中，能夠焊接易氧化有色金屬及其合金、不銹鋼等金屬構(gòu)件，尤其是含有陰極霧化作用，能夠輕松地焊接鋁及其合金。分類：按操作方式可分為手工焊和自動焊；按電弧電流形式可分為交流（含正弦波和方波）、脈沖（含低頻、中頻、高頻）和直流氬弧焊；按填絲是否預(yù)熱可分為冷絲和熱絲鎢極氬弧焊。設(shè)備組成：焊接電源、焊槍、焊絲送給裝置及小車行走機(jī)構(gòu)（自動填絲焊）、供氣供水系統(tǒng)和控制系統(tǒng)等。如圖4-27所表示。圖4-27鎢極氬弧焊機(jī)結(jié)構(gòu)圖10/10/131）焊接電源10/10/14

鎢極氬弧焊因?yàn)榭刹扇〗涣麟娀?，脈沖電弧和直流電弧，所以焊接電源也對應(yīng)分交流電源、脈沖電源和直流電源。交流電源中按所用功率器件及電路結(jié)構(gòu)可分：普通弧焊變壓器式、硅二極管（或晶閘管）－電抗器式、逆變式。后二種為方波交流式。脈沖和交流電源有：硅整流式、晶閘管整流式、晶體管整流式、逆變式。鎢極氬弧焊電源外特征采取陡降特征，以確保在弧長波動時引發(fā)焊接電流改變最小。10/10/15（1）鎢極氬弧焊引弧、穩(wěn)弧及交流電源整流現(xiàn)象和隔直方式為了保持鎢極端部形狀，以及預(yù)防鎢極熔化造成焊縫夾鎢，鎢極氬弧焊不采取短路引弧方式，而是采取非接觸式引弧，所以不論哪種形式電源，都設(shè)置有引弧器，交流電源中還設(shè)置有穩(wěn)弧器。①引弧器主要有高頻高壓引弧器和高壓脈沖引弧器。a).高頻高壓引弧器電路原理如圖4-28所表示，也稱高頻振蕩器。第四章

圖4-28高頻振蕩器電路原理圖

T1-升壓變壓器P-火花放電器

C1-振蕩電容器T2-高頻耦合變壓器

C2-旁路電容器10/10/1610/10/17

圖4-29為另一個新型結(jié)構(gòu)高頻振蕩器，它由整流橋VD1～4、限流電阻R、中頻振蕩電容C、穩(wěn)壓管VS、晶閘管VT、二極管VD5、中頻升壓變壓器T1、火花氣體放電器P、高頻振蕩電容Ck、高頻耦合輸出變壓器T2等組成。

圖4-29新型高頻振蕩器電路原理圖10/10/18b).高壓脈沖引弧電路原理如圖4-30所表示圖4-30晶閘管高壓脈沖引弧和穩(wěn)弧電路原理圖

10/10/19②．穩(wěn)弧器在直流鎢極氫弧焊時，因?yàn)殡娏鞑贿^零，電弧一旦引燃后便能確保穩(wěn)定燃燒，所以不需穩(wěn)弧器。那么交流，尤其是工頻正弦交流鎢極氬弧焊時，電流每次由正半波向負(fù)半波過零時會出現(xiàn)斷弧現(xiàn)象，因這時工件（如鋁及其合金）接負(fù)極，其發(fā)射電子能力弱，使電弧再引燃電壓增高。為預(yù)防斷弧，必須在這相位點(diǎn)及時加入一個穩(wěn)弧高壓脈沖。金屬連接成形設(shè)備及自動化

10/10/20③．交流整流現(xiàn)象和隔直方式在焊接鋁、鎂及其合金正弦交流鎢極氬弧焊電源輸出回路中，還串聯(lián)有隔除直流分量元件──大容量無極性電容，如圖4-31所表示。圖4-31串聯(lián)電容消除直流分量

10/10/21

這是因?yàn)橛谜医涣骰『鸽娫春附訒r，兩極熱物理性質(zhì)及幾何尺寸差異懸殊，使得在正半波（工件為正半波）時鎢極為陰極，發(fā)射電子能力強(qiáng)，陰極壓降小，電弧電壓低，電流大。而在負(fù)半波（工件為負(fù)半波）時，工件為陰極發(fā)射電子能力差，陰極壓降大，電弧電壓高，電流小，由此形成了正、負(fù)半波電流波形不對稱。從形式上看，相當(dāng)于在交流電流上疊加了一個由工件指向鎢極直流分量，如圖4-32所表示。第四章圖4-32交流鎢極氬弧焊時電流電壓波形及直流分量形成示意圖

a）電壓波形b）電流波形

U0－電源空載電壓U－電弧電壓I－電弧電流I直－直流分量10/10/2210/10/232）交流方波電源依據(jù)焊接工藝以及改進(jìn)正弦交流電弧引弧和穩(wěn)弧性能要求，當(dāng)前又研究出交流方波弧焊電源或交、直流兩用弧焊電源。這種電源經(jīng)過控制電源主回路功率器件晶閘管，可使正弦交流變?yōu)榉讲ń涣鳎艺?、?fù)半波寬度可調(diào)，如圖4-33所表示。第四章金屬連接成形設(shè)備及自動化

圖4-33交流方波電源主回路及電源原理框圖

a)電源主回路b)電源原理框圖

T1－弧焊變壓器L－直流電抗器VT1~4－晶閘管整流橋10/10/24a)b)10/10/253）脈沖電源為了適應(yīng)于一些熱敏感金屬材料和薄板，超薄板構(gòu)件以及薄壁管子全位置焊接需要，控制焊接過程熱輸入，可采取脈沖鎢極氬弧焊，即在焊接過程中電流幅值按一定規(guī)律周期性地改變，亦叫脈沖電流，如圖4-34所表示脈沖頻率可分為0.1~10Hz低頻，10~1KHz中頻和1~30KHz高頻，它是由脈沖電源產(chǎn)生。第四章金屬連接成形設(shè)備及自動化

圖4-34鎢極脈沖氬弧焊脈沖電流波形示意圖

a）交流脈沖b）直流脈沖c）調(diào)制脈沖電流10/10/2610/10/27（2）焊槍鎢極氬弧焊焊槍作用是夾持鎢極、傳導(dǎo)焊接電流和輸送保護(hù)氣，其結(jié)構(gòu)如圖4-35所表示。

圖4-35鎢極氬弧焊焊槍結(jié)構(gòu)圖1－鎢極2－噴嘴3－銅絲網(wǎng)4－鎢極夾頭5－冷卻水套6－焊槍體7－帽罩10/10/28（3）供氣和供水系統(tǒng)與熔化極氬弧焊供氣、供水系統(tǒng)相同。（4）控制系統(tǒng)主要包含焊接電源控制電路和焊接程序控制電路。鎢極氬弧焊為不熔化極電弧焊，依據(jù)非接觸引弧和氬弧焊工藝需要，其程序有提前送氣和滯后斷氣，高頻引弧和切斷高頻、焊接電流開始緩升和焊接結(jié)束時電流緩降、填弧坑等過程。在自動加填絲焊中，還有行走機(jī)構(gòu)和送絲機(jī)構(gòu)起、?？刂疲瑘D4-36為鎢極氬弧焊程序控制次序圖。圖4-36鎢極氬弧焊程序控制次序示意圖

Uh－高頻或高壓引弧電壓Q－保護(hù)氣流V－焊接速度

Vf－送絲速度t1－提前送氣時間t2－電流上升時間

t3－正常焊接時間t4－電流衰減時間t5－延遲斷氣時間10/10/29UIV、VfUhtQt1t2t3t4t510/10/30優(yōu)點(diǎn)：1.氬氣能有效地隔絕周圍空氣，本身又不溶于金屬，不和金屬反應(yīng)，可成功焊接易氧化、氮化、化學(xué)活潑性強(qiáng)有色金屬、不銹鋼和各種合金。2.鎢極電弧穩(wěn)定，即使在很小焊接電流下仍可穩(wěn)定燃燒，尤其適合用于薄板、超薄板材料焊接。3.熱源和填充焊絲可分別控制，因而熱輸入輕易調(diào)整，可進(jìn)行各種位置焊接，也是實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形理想方法。4.因?yàn)樘畛浜附z熔滴不經(jīng)過電弧，故不會產(chǎn)生飛濺，焊縫成形美觀。缺點(diǎn)：1.焊縫熔深淺，熔覆速度小，生產(chǎn)率較低。2.鎢極承載電流能力較差，過大電流會引發(fā)鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進(jìn)入熔池，造成污染。3.惰性氣體較貴，和其它電弧焊方法相比，成產(chǎn)成本較高。4.2.6等離子弧焊接設(shè)備

等離子弧焊（PlasmaArcWelding）是在鎢極氬弧焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來一個焊接方法，也屬于不熔化極電弧焊。等離子弧是將自由鎢極氬弧經(jīng)壓縮強(qiáng)化后而取得電離度更高電弧等離子體。與鎢極氬弧在物理本質(zhì)上沒有區(qū)分，僅是弧柱中電離程度上不一樣，其能量密度可達(dá)105～106W/cm2，溫度可達(dá)24000～50000k，焰流速度可達(dá)300m/s以上，是一個高能密束流。10/10/31

應(yīng)用：

等離子弧既能夠用于焊接，又能夠用于切割，在工業(yè)生產(chǎn)中得到了廣泛應(yīng)用，能夠焊接鎢極氬弧焊所能焊接金屬材料。因?yàn)槟芰扛?，溫度更高，一次可焊厚度更大，速度更加快；因?yàn)殡娀⊥χ倍群?，小電流時電弧穩(wěn)定，尤其適合于焊接薄板，微型零件，而變形小。10/10/3210/10/33（1）等離子弧類型將鎢極氬弧壓縮成等離子弧，就是依靠等離子槍水冷銅噴嘴拘束作用實(shí)現(xiàn)。因?yàn)閲娮炀惺箽寤∈艿綑C(jī)械壓縮、熱壓縮和電磁壓縮三種壓縮作用，造成弧柱量密度及溫度越來越高，而產(chǎn)生了電離程度很高等離子體電弧。依據(jù)電源連接方式，等離子弧分為非轉(zhuǎn)移型電弧，轉(zhuǎn)移型電弧及聯(lián)合型電弧三種，如圖4-37所表示，它們槍體結(jié)構(gòu)一樣，鎢極都接電源負(fù)極，只是電弧正極接法不一樣。圖4-37等離子弧類型

1－鎢極2－噴嘴3－轉(zhuǎn)移弧4－非轉(zhuǎn)移弧5－工件6－冷卻水7－弧焰8－離子氣10/10/3410/10/351）非轉(zhuǎn)移型電弧正極接在焊槍噴嘴上，電弧在鎢極與噴嘴之間燃燒，如圖4-37a）所表示。依靠高速噴出等離子氣弧焰帶出，噴燒在被焊工件上。這種電弧適合用于焊接或切割較薄金屬及非金屬；2）轉(zhuǎn)移型電弧正極接在工件上，電弧直接在鎢極與工件之間燃燒，如圖4-37b)所表示。焊接時首先引燃鎢極與噴嘴間非轉(zhuǎn)移弧，使其電弧焰流從噴嘴噴出并接觸工件，然后進(jìn)行電路轉(zhuǎn)換，將電源正極從噴嘴轉(zhuǎn)移到工件，轉(zhuǎn)移弧便瞬間產(chǎn)生，同時非轉(zhuǎn)移弧熄滅，這種電弧適合用于焊接較厚金屬工件。

3）聯(lián)合型電弧轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧同時并存電弧稱為聯(lián)合型電弧，如圖4-37c）所表示。此時非轉(zhuǎn)移弧也稱維持電弧，轉(zhuǎn)移弧也稱工件電弧?？梢?，在工作時，噴嘴和工件同時接電源正極，即在電弧轉(zhuǎn)移后噴嘴正極電路不切斷。因?yàn)槁?lián)合型電弧在很小電流下能保持穩(wěn)定燃燒，故尤其適合薄板及超薄板焊接，這種焊接方法稱為微束等離子弧焊。10/10/3610/10/37（2）等離子弧焊分類依據(jù)所適用焊接工藝可分為穿孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊，微束等離弧焊、熔化極等離子弧焊、熱絲等離子弧焊及脈沖等離子弧焊等幾個。

1）穿孔型等離子弧焊又稱小孔型、鎖孔型、穿透型等離子弧焊。焊接時利用離子流沖力大特點(diǎn)，將工件完全熔透穿出一小孔，熔化金屬在電弧吹力、液體金屬重力、表面張力相互作用下保持平衡。小孔隨焊接槍體向前移動而移動，隨即在電弧后方鎖閉，形成完全焊透焊縫。10/10/382）熔透型等離子弧焊又稱為熔入型、熔融型等離子弧焊。焊接時，只熔化工件，不產(chǎn)生穿孔。焊縫成形過程與鎢極氬弧焊相類似。

3）微束等離子弧焊30安培以下熔透型等離子弧焊通常稱為微束等離子弧焊。為了提升等離子弧穩(wěn)定性，采取小孔經(jīng)壓縮噴嘴（直徑為0.6~1.2mm），及聯(lián)合型等離子弧。因?yàn)榧訌?qiáng)了電弧壓縮作用和非轉(zhuǎn)移弧維持作用，使轉(zhuǎn)移弧在電流小至0.5A時仍非常穩(wěn)定。此時等離子弧類似針狀，所以稱為微束或針狀等離子弧，可用來焊接金屬薄箔。10/10/394）熔化極等離子弧焊有兩種基本形式，其焊槍結(jié)構(gòu)也不一樣。圖4-38所表示為水冷噴嘴式熔化極等離子弧焊原理圖，水冷噴嘴在強(qiáng)烈直接水冷條件下，能夠負(fù)擔(dān)較大等離子弧電流。在焊槍體中間送入焊絲作為熔化極。熔化極與工件間接一直流電源，產(chǎn)生熔化極電弧在轉(zhuǎn)移型等離子弧中間燃燒。因?yàn)榈入x子弧起到預(yù)熱熔化焊絲作用，所以熔敷率很高，適合用于堆焊。10/10/40圖4-38水冷噴嘴式熔化極等離子弧焊原理圖10/10/41圖4-39所表示為鎢極式熔化極等離子弧焊，在鎢極與工件之間接有直流電源和高頻引弧器，等離子弧在鎢極與工件之間燃燒。焊絲熔化極與工件之間接直流電源，產(chǎn)生熔化極電弧在等離子弧中間燃燒。為了焊接導(dǎo)熱性強(qiáng)金屬材料時，還能夠在工件和噴嘴之間加一降壓特征直流電源加熱工件。這種方法適合用于厚板深熔焊接或薄板高速焊接。圖4-39鎢極式熔化極等離子弧焊原理圖10/10/42（3）等離子弧焊設(shè)備

等離子弧焊設(shè)備比較復(fù)雜，它由焊接電源、等離子弧焊槍（發(fā)生器）、供氣供水系統(tǒng)，行走機(jī)構(gòu)（自動焊）和送絲機(jī)構(gòu)（熔化極等離子弧焊），和控制系統(tǒng)等組成。

1）焊接電源等離子弧焊電源普通采取陡降外特征直流電源，空載電壓比鎢極氬弧焊電源高。用純氬氣作離子氣時，電源空載電壓需65～80V；用氬氣+氫氣混合氣作離子氣時，電源空載電壓需110～120V。10/10/43

采取轉(zhuǎn)移型電弧焊接時，可用一套電源，也可采取兩套電源，如圖4-40a）所表示。采取聯(lián)合型電弧焊接時，因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧與非轉(zhuǎn)移弧同時存在，所以需要兩套獨(dú)立電源，如圖4-40b）所表示，這時非轉(zhuǎn)移弧電源空載電壓應(yīng)為100～150V，轉(zhuǎn)移弧電源空載電壓在80V左右即可。10/10/442）焊槍等離子焊槍是等離子弧發(fā)生器，對等離子弧性能及焊接過程穩(wěn)定性起著決定性作用。焊槍主要由電極、電極夾頭、壓縮噴嘴、中間絕緣體、上槍體、下槍體及冷卻水套等組成。如圖4-41所表示，最關(guān)鍵部件為噴嘴及電極安裝。

圖4-40經(jīng)典等離子弧焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)示意圖

a）大電流等離子弧焊b）微束等離子弧焊

1－焊接電源2－高頻振蕩器3－離子氣4－冷卻水

5－保護(hù)氣6－保護(hù)氣罩7－鎢極8－等離子弧9－工件

10－噴嘴11－維弧電源KM、KM1、KM2－接觸器觸頭10/10/45

圖4-42等離子弧焊炬結(jié)構(gòu)圖

a）大電流等離子弧焊槍b）微束等離弧焊槍

1－噴嘴2－保護(hù)套外環(huán)3、4、6－密封墊圈5－下槍體7－絕緣體

8－絕緣套9－上槍體10－電極夾頭11－套管12－小螺帽

13－膠本套14－鎢極15－瓷對中塊16－透氣網(wǎng)10/10/4610/10/47①．噴嘴是壓縮電弧關(guān)鍵零件。經(jīng)典噴嘴結(jié)構(gòu)如圖4-42所表示。依據(jù)噴嘴孔道數(shù)量，等離子弧焊槍噴嘴可分為單孔型[圖4-42(a)、(c)]和三孔型[圖4-42(b)、(d)、(e)]兩種。依據(jù)孔道形狀，噴嘴可分為圓柱型[圖4-42(a)、(b)]和收斂擴(kuò)散型[圖4-42(c)、(d)、(e)]兩種。大部分焊槍噴嘴采取圓柱形壓縮孔道，而收斂擴(kuò)散型壓縮孔道有利于電弧穩(wěn)定。②.電極端部形狀和安裝要求電極材料同鎢極氬弧焊相同。為了便于引弧和增加電弧穩(wěn)定性，鎢極端部普通磨成尖錐形，電流較大時可磨成球形，以降低燒損。鎢電極安裝位置對電弧穩(wěn)定性有很大影響。一是應(yīng)與噴嘴保持同軸心；二是內(nèi)縮長度適當(dāng)。直徑大于5mm鎢極通常采取鑲嵌式直接水冷結(jié)構(gòu)。

(a)圓柱單孔型(b)圓柱三孔型(c)收斂擴(kuò)散型

(d)收斂擴(kuò)散三孔型(e)帶壓縮