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等離子切割機原理
來源:轉載   作者:   發布時間:2019/09/15 15:48:39   瀏覽量:

    等離子切割機原理

    現代工業需要對重型金屬以及合金進行加工:日常活動所必需的工具及運輸載體的製造都離不開金屬。例如,起重機、汽車、摩天大樓、機器人以及懸索橋都是 由精確加工成型的金屬零部件構成的。原因很簡單:金屬材料非常堅固和耐久。 對於大多數製造而言,特別是在滿足大型和/或堅固性方麵,金屬材料自然成為合理的選擇。 有趣的是金屬材料的堅固性同時也是它的缺點:由於金屬非常不容易損壞,那麼要將其加工成特定的形狀就非常困難。當人們需要加工一個大小和強度與飛機機翼一樣的部件時,如何實現精確的切割與成型呢?絕大多數情況下,這都需要求助於等離子切割機。盡管這聽起來像是科幻小說中的東西,但實際上自第二次世界大戰以來,等離子切割機就已有了廣泛的應用。 理論上講,一台等離子切割機的原理非常簡單。它是通過操控現知宇宙中最普遍的物質形態之一進行加工的。本文中, 我們將揭開等離子切割機神秘的麵紗,看看這種最為神奇的工具是如何塑造我們周圍的世界的。 等離子切割機工作時,通過一個狹小的管道送出如 氮氣、氬氣或氧氣的壓縮氣體。管道的中間放置有負電極。在給負電極供電並將噴嘴口接觸金屬時,就形成了導通的回路,電極與金屬之間就會產生高能量的電火花。 隨著惰性氣體流過管道,電火花即對氣體加熱,直至其達到物質的第四種狀態。這一反應過程產生了一束等離子體流,溫度高達約攝氏16,649度,流速高達6,096米/秒,可使金屬迅速變為熔渣。 等離子體本身有電流流過。隻要持續給電極供電並且保持等離子體與金屬接觸,那麼產生電弧的周期就是連續的。為能夠在確保這種接觸的同時避免氧化以及其他等離子體尚不可知的特性引起的損壞,切割機噴嘴裝有另外一組管道。這組管道持續放出保護氣體以保護切割區域。保護氣體的氣壓可以有效的控製柱狀等離子體的半徑。 

    空氣等離子切割機原理 

    一、等離子弧的產生與特點 通常把電弧密度為自然條件下的電弧密度(未經壓縮)的電弧稱為自由弧;自由弧的導電氣體設有完全電離,電弧的溫度在60008000之間。而在氣壓、電壓和磁場的作用下,柱狀的自由弧(柱截麵積正比於功率)可以壓縮成等離子弧,等離子弧的導電截麵小能量集中。弧柱中氣體幾乎可全部達到離子狀態。電弧溫度可高達15000-30000。能使金屬等物體迅速熔化。

    二、等離子切割的原理與應用 切割,一般指的是金屬的切割。等離子弧切割是利用極細而高溫的等離子弧,使局部金屬迅速熔化,再用氣流把熔化的金屬吹走的切割方法。等離子弧切割由於切割效率高、損耗低、適用範圍廣等優點已廣泛應用於各類工程建設、製造等行業。

    三、等離子弧切割電源與氬弧焊電源技術參數比較

    四、等離子切割與氣體切割比較 機型 項目 氬弧焊電源 等離子弧切割電源 輸入電壓 AC220V或AC380V AC220V或AC380V 占空比 85%以上 90%以上 輸出空載電壓 DC50-70V DC200-300V 輸出電流 160-400A 30-160A 使用氣體 氬氣 空氣 機型 項目 等離子切割 氣體切割 能源 電、空氣 氧氣、乙炔 工作方式 人工 人工 損耗 切割速度 切割能力 能切割不鏽鋼、銅 不能切割不鏽鋼、銅、鋁 效率 高 低 等離子弧焊接 等離子焊接時,等離子射流穿過整個焊縫並形成一個小孔(即小孔效應)氣體也隨之穿過。當然,這個小孔隨電弧的前移而閉合。

    等離子焊可焊接比TIG焊更厚的鋼板在操作技術和經濟效益兩方麵都有不容置疑的優點。 根部焊道 手工電弧焊接 手式TIG焊接 等離子焊接(PAW) 板材焊前準備 坡口+鈍邊 坡口+鈍邊 2.5-8mm 無需坡口+鈍邊 裝配 相對困難(間隙) 困難(小間隙) 容易 焊工技術要求 熟練 熟練 一般 焊接速度 非常慢 非常慢 相當快 操作難度 困難 非常困難 較容易 焊後質量 好/但外觀不美 好 極好 特別問題 焊條過熱, 焊工易疲勞 無 質量難以控製, 質量難以控製, 工件變形 工件變形 由於其焊接速度快,焊縫美觀,焊縫質量好,成本低,等離子焊接已廣泛運用於設備製造業中對各種型式的接頭進行焊接、醫療設備、真空裝置、薄板加工、波紋管、儀表、傳感器、汽車部件、化工密封件等。 

    微束等離子焊更是在實際運用中顯露出巨大的優勢,其焊縫質量可與激光焊比肩。微束等離子技術已成功的應用於大多數金屬的焊接,如鋼、不鏽鋼、各種合金鋼、銅、鎳、鈦、鉬、鎢、金、鉑、銠、鈀等各種金屬及其合金材料。典型應用產品有傳感器膜盒,焊接波紋管,微電機定子鐵心,電子產品,不鏽鋼鍋

    ★過程特點 

    等離子焊接與TIG焊十分相似,它們的電弧都是在尖頭的鎢電極和工件之間形成的。但是,通過在焊炬中安置電極,能將等離子弧從保護氣體的氣囊中分離出來,隨後推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過改變孔的直徑和等離子氣流速度,可以實現三種操作方式: 1、微束等離子:0.1~15A 在很低的焊接電流下,也能使用微束等離子弧。即使在弧長變化不超過20mm時,柱狀弧仍能保持穩定。 2、中等電流:15~200A 在較大的15~200A電流下,等離子弧的過程特點與TIG弧相似,但由於等離子被壓縮過,弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深,但會造成在紊亂的保護氣流中,混入空氣和保護氣體的風險。 3、小孔型等離子:大於100A 通過增加焊接電流和等離子氣流速度,可產生強有力的等離子束,與激光或電子束焊接一樣,它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時,隨著焊接熔池的流動,金屬穿過小孔被切割後在表麵張力作用下形成焊道。單道焊時,該過程可用於焊接較厚的材料(厚度不超過10mm的不鏽鋼)。 

    ★電源

    使用等離子弧時,通常采用直流電流和垂降特性電源。由於從特別的焊炬排列方式和各自分離的等離子、保護氣流中獲得了獨特的操作特性,可在等離子控製台上增加一個普通的TIG電源,還可以使用特別組建的等離子係統。采用正弦波交流電時,不容易使等離子弧穩定。當電極和工件間距較長且等離子被壓縮時,等離子弧很難發揮作用,而且,在正半周期內,過熱的電極會使導電嘴變成球形,從而幹擾弧的穩定。 可使用專用的直流開關電源。通過調節波形的平衡來減少電極正極的持續時間,使電極得到充分冷卻,以維護尖頭導電嘴形狀,並形成穩定的弧。 起弧 雖然等離子弧是通過采用高頻產生的,但它首先是在電極和等離子噴嘴之間形成的。該維弧被裝在焊炬中,需要焊接時,再將它轉移到工件上。與在焊縫間保持的維弧相同,維弧係統能確保穩定的起弧,這避免了對產生電子幹涉的高頻的需要。

    ★電極 

    用於等離子過程使用的是含2% 氧化釷的鎢電極和銅的等離子噴嘴。與TIG焊使用的導電嘴不同,在等離子過程中,對電極導電嘴的直徑要求不那麼嚴格,但壓縮角須保持在30°~60°左右。等離子噴嘴孔的直徑是很重要的,在相同的電流強度和等離子氣流速度下,孔直徑太小會導致噴嘴被過度腐蝕甚至熔化。在工作電流下,需要謹慎使用直徑過大的等離子噴嘴。 注: 孔的直徑過大,可能會對弧的穩定及孔的維護造成困難。    等離子和保護氣體 

   通常等離子氣體的組合氣體是氬氣,並含有2%~5%的氬氣作為保護氣體。氦氣也能用做等離子氣體,但由於它溫度較高,會降低噴嘴的電流上升率。氫氣含量越少,進行小孔型等離子焊接就越困難。

   ★應用 

   ☆微束離子焊接 微束離子通常用於焊接薄板材(厚度為0.1mm)、焊絲和網孔部分。針型挺直的弧能將弧的偏離和變形減到最小。雖然等效的TIG 弧更擴散,但更新的晶體管化的(TIG)電源能在低電流下產生非常穩定的弧。 

   ☆中等電流焊接 在熔化方式下可選擇該方法進行傳統的TIG焊。 它的優點是能產生較深的熔深(願於較高的等離子氣流),能容許包括藥皮(焊炬中的焊條)在內的較大的表麵汙染。主要缺點是焊炬笨重,使手工焊接比較困難。在機械化焊接中,應該更加注意焊炬的維護以保證穩定的性能。 

   ☆小孔型焊接 可用的幾點優勢是:熔深較深、焊接速度快。與TIG 弧相比,它能焊透厚度達10mm的板材,但使用單道焊接技術時,通常將板材厚度限製在6mm內。通常的方法是使用有填充物的小孔,以確保焊道斷麵的光滑(無齒邊)。 由於厚度達到了15mm,要使用6mm厚的鈍邊進行V型接頭準備。也可使用雙道焊技術,在熔化方式下通過添加填充焊絲,自動生成第一和第二條焊道。 必須精確地平衡焊接參數、等離子氣流速度和填充焊絲的添加量(填入小孔)以維護孔和焊接熔池的穩定,這一技術隻適用於機械化焊接。雖然通過使用脈衝電流,該技術能用於位置焊接,但它通常是用於對較厚的板材材料(超過3mm)進行高速平焊。進行管道焊接時,必須精確地控製溢出電流和等離子氣流速度以確保小孔關閉。



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