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等离子堆焊使用说明书
编辑:上海多木实业有限公司   时间:2019-07-03

等离子自动堆焊机说明书

一、整机组成及用途

二、等离子工艺系统特点

三、焊枪结构及维护

四、故障分析及排除

五、工艺原理及特点

六、劳动保护及注意事项

第1章  整机简介

1.1  组成

整机由以下单元组成:

(1)等离子电控柜

(2)等离子堆焊枪

(3)等离子电源

(4)送粉器系统

(5)冷却循环水箱

1.2  用途

本机主要用于合金粉末作填充料,等离子弧作热源,堆焊钴基、镍基、铁基合金粉末。

第2章  焊接系统

焊接系统是等离子弧堆焊的热源系统,产生等离子弧,并控制熔化合金粉末和传递给工件的热量。

2.1  组成

焊接系统由非弧电源、转弧电源、焊枪等部分组成,由焊接电缆连成主电路。

2.2  电源

电源是供给等离子弧的能源装置。等离子弧电源的特性同氩弧焊电源,为直流陡降外特性。

本机配置的电源为先进的IGBT逆变式弧焊电源。该型式电源突出的特点是,焊机外特性为恒流特性,在正常电弧电压下,焊接电流不随弧长变化,保证焊接规范稳定。

 

2.3 焊接主回路

从电源—焊枪—工件,焊接电流流过的回路为焊接主回路。本机焊接主回路的通断采用电源控制的形式,即通过电源本身对输出的控制来控制电源的通断。由于非转移弧电源本身带有高频引弧装置,因而在焊接主回路里没有设置高频引弧装置。

2.4  焊接电流的控制

2.4.1  非转移弧电流的控制

非转移弧主要起过渡引燃转移弧的作用,在堆焊过程中一般切断非转移弧。非转移弧电流只要保证能顺利引燃转移弧,规范偏小为好,而且一般不随工件的变化而变化。因而非转移电流规范的调节仍采用面板调节方式,在焊机面板上有电流调节旋钮。

2.4.2  转移弧电流的控制

转移弧电流的大小决定了熔化合金粉末和传递给工件的热量的大小,是关键工艺参数。转移弧电流要能精确设定,保持稳定性,本机对转移弧电源采用数字化调流系统。

 

第3章  焊枪

3.1  结构

3.1.1  枪体

焊枪的枪体结构为上下枪体式,中间为绝缘体,通过绝缘体联接上下枪体水路,为内走水式。

上枪体的进水接管,通过水电缆联接等离子弧电源负极并引进冷却水。进气接管引进离子气,通过绝缘体进入腔室。上枪体安装固定钨极夹头。弹性的钨极夹头夹住钨极,通过上盖帽将夹头锁紧。进入上枪体的冷却水冷却电极夹头,电极夹头再间冷钨极。送粉管为两根不锈钢管,从上枪体顶部对称方向插入,直至下枪体喷嘴密封端面。送粉管和上枪体通过聚四氟套管绝缘。

下枪体固定喷嘴(用螺丝紧固),进入上枪体的冷却水,通过绝缘体进入下枪体,再通过进水孔进入喷嘴冷却环槽,而后经出水孔回到下枪体,由下枪体的出水接管引出。出水接管通过水电缆联接非转移弧电源正极。下枪体进气管引入保护气,进入保护气罩的内腔,保护气罩通过螺纹固定在下枪体上。

绝缘体联接上下枪体并将上下枪体绝缘。

3.1.2  喷嘴

喷嘴是焊枪的关键零件,该型焊枪的喷嘴结构为一体式直冷喷嘴。喷嘴通过螺钉和下枪体联接紧固。冷却水的密封为平面密封式,两只“O”型密封圈在一个平面上,大大提高了密封的可靠性,解决了以往采用高低两个台阶密封难以保证尺寸精度,冷却水易出现渗漏的弊端,而且使焊枪结构更紧凑,易于更换喷嘴。

喷嘴的送粉孔道为对称双孔喷射式,位于焊枪前进方向的两侧,粉末进入电弧弧柱后的落点在熔池的高温区域。

3.1.3  粉道

对称两孔喷射式外送粉,采用直通式送粉通道,形成对称交叉式喷射状粉流进入弧柱,按设计落点进入熔池,使粉末受热充分,有效地提高了粉末利用率。突出的优点是可以采用细粉堆焊而不会“结珠”。对于高温合金和难熔合金堆焊来说,采用细粉有突出的优越性。

3.1.4  电极夹头

电级夹头起着固紧钨电极的作用。电极夹头内孔分两段,下端为和钨棒配合段,上端为夹紧钨棒段。配合段起着保证钨极和喷嘴同心的作用。夹紧段开槽而具有弹性,通过上枪体压盖帽压紧夹头顶部的锥面,将钨棒夹紧。

3.2  接管

3.2.1  接管排列

接管排列包括两个水电缆接头,两个气管接头,一个送粉管。

3.2.2  焊枪接头

焊枪接头有两个,上枪体为离子气接管,下枪体为保护气接管。

3.2.3  粉管

对称式双送粉管采用不锈钢管,直接插入枪体,由上枪体经绝缘体,插进下枪体,直至喷嘴上端面的粉孔。

3.3  工作条件

为保证焊枪正常运行,避免产生工艺故障和损坏焊枪,以及延长使用寿命,必须满足以下工作条件。

3.3.1  冷却水

供给焊枪的冷却水是由循环供水箱供给,须满足以下条件:

(1)供给焊枪的冷却水应是纯净的软水,最好是采用蒸馏水循环使用,避免在焊枪过流壁面上产生水垢,影响冷却效果。冷却水进水必须经过过滤,避免杂质流过焊枪,堵塞孔道。

(2)供水必须达到一定的压力和流量。供水压力必须≥0.3MPa,供水容量≥20L/min。

3.3.2  工作气

工作气是指离子气,送粉气和保护气,要求是:

(1)采用高纯氩气,纯度为99.99%(即“四个9”)

(2)工作气由瓶装氩气供给,须经减压和稳压控制,进气压力一般调整到0.5MPa。

(3)工作气流量应可以调节和在运行过程中保持稳定,避免在工作过程中流量脉动和缓慢变化。

3.4  检查与调整

焊枪初次使用和使用一段时间后,都应更换打磨调整钨棒,以及检查水、气密封等必须的安装,检查和调整工作,主要内容和方法如下:

3.4.1  喷嘴拆装与检查

停止供水,使焊枪处于便于拆装喷嘴的位置,拧下保护气罩,用专用起子松开紧固喷嘴的三只螺钉,卸下喷嘴。检查喷嘴压缩孔道及压缩锥角的烧损情况。如出现严重烧损,破坏了孔型,应更换喷嘴,如只有轻微烧损,可用细砂纸(布)适度打磨,使孔道和压缩锥角重新处于光洁状态。

检查下枪体密封后,重新安装喷嘴时,应对好喷嘴的位置(对准送粉孔位置),嵌入下枪体定位止口,旋入紧固螺钉,依次逐个均匀拧紧。

3.4.2  检查下枪体密封及内衬瓷管

在重新拆装喷嘴时,同时检查下枪体的“O”型密封圈及内衬瓷管,如“O”型圈损伤或压扁,失去弹性密封性时,应予以更换。如果内衬瓷管损坏也应予以更换。

3.4.3  电极夹头拆装与检查

要检查和打磨钨棒,必须拆装电极夹头。松开钨棒盖帽,电极夹头松开了钨棒,可以将钨棒从夹头中抽出。检查夹头有无损坏,夹头内孔的配合段与钨棒滑配合情况,如果间隙过大,则会影响同心度,应更换夹头。

3.4.4  打磨钨极

拆下喷嘴后,检查钨极尖端烧损情况,如尖端烧秃,应拆下钨棒,重新打磨尖端。拆卸钨棒方法是:拧下钨极保护罩(盖帽),松开钨棒后再轻轻旋动夹头取出钨棒。

无论采用机械或手工打磨钨极尖端,都应使钨极尖端同心。在打磨钨极尖端时,同时用砂纸(布)去掉钨电极头部的氧化物。

3.4.5  钨极内缩的调整

重新安装喷嘴和钨电极后,应重新调整钨极内缩,钨极内缩距离应与喷嘴压缩孔道长度基本一致。

3.4.6  喷嘴冷却水密封性检查

在喷嘴安装完毕后,应检查冷却水密封状况。在未安装保护气罩前,接通冷却水,检查喷嘴有无外漏和内漏。如冷却水从喷嘴和下枪体贴合面往外渗漏,则为外漏。当冷却水接通几分钟后,用掌心对准喷嘴孔道,再开启离子气,观察有无冷却水滴从喷嘴喷出的现象,以检查有无内漏。无论出现内漏和外漏,都要重新拆卸喷嘴,检查密封部位的完好性,重新安装。当喷嘴密封面不平整光滑或划伤,将影响密封性,应在平板上用细砂纸研磨或更换喷嘴。

3.5  工作参数及电弧形貌

焊枪的工作参数主要指工作气参数及电弧电流。选择适宜的工作参数有利于建立压缩性适宜的稳定电弧,使焊枪处于最佳运行状态。

3.5.1离子气流量

离子气流量的选择与电弧稳定性有直接关系。离子气流量偏小,影响产生冷气壁效应,不利于电弧的压缩和稳定。过大的离子气流量,也会使电弧太“刚”,加大基材熔深。因此要根据压缩孔道直径选择适宜的流量。

3.5.2  非转移弧

通过非转移弧过渡引燃转移弧,是非转移弧的主要功能,为此非转移弧的形貌很重要。非转移弧的弧焰呈笔尖状,伸出喷嘴,弧焰尖端应能接触工件。在非转移电流为20A左右时,有好的电弧形貌,表明对电弧有良好的压缩。如弧焰不能喷出孔道则要调整参数,甚至要重新调整钨极。

在一般情况下,偏大的非转移弧电流不利于焊枪的冷却,对堆焊过程的稳定性不利,因此,在满足顺利引燃电弧和保持稳定的情况下,应尽可能降低非弧电流规范,一般应在30A以下。

3.5.3  送粉气及送粉量

为了建立起喷射状送粉形态和避免对电弧的干扰,应选择适宜的送粉气流量和送粉量,送粉气流量在满足粉末输送及形成粉末射流的情况下,不宜偏大,否则会造成粉末飘散和对电弧干扰。

该枪的送粉结构适宜堆焊粉末粒度范围在100~270目范围内的粉末均可堆焊。

3.5.4  转移弧

转移弧额定堆焊电流,要视喷嘴压缩孔径而定。转移弧电压除受喷嘴压缩孔道长度影响外,焊枪高度是重要参数,焊枪高度一般在5-10mm范围内。

可以通过观察转移弧的形貌来判定转移弧是否正常。在正常状态下,转移弧是挺直的,略有扩张,有清晰的轮廊。

第四章  故障分析及排除

4.1.1  非转移弧不正常

非转移弧通过伸出喷嘴的弧焰,形成钨极与工件间的导电通道,从而过渡引燃转移弧。因此观察非弧弧焰的外貌,判定非弧是否正常。在正常情况下,非弧弧焰伸出喷嘴,外貌形同毛笔状,尖端触及工件表面,此时最易引燃转移弧。不正常时,弧焰不伸出喷嘴,或弧焰偏斜。此时要首先检查离子气流量是否正常,适当加大离子气流量和加大非弧电流,看是否转入正常。如果仍不能改变不正常状态,就要停弧检查。依次检查:

(1)钨极尖端是否烧秃。

(2)钨极尖端与喷嘴压缩孔道的同心度;

(3)钨极内缩量。

(4)内衬瓷管是否破损。

(5)喷嘴孔道是否光洁。

通过修整使钨极、喷嘴及安装处在正常状态,离子气流正常,非弧弧焰应恢复正常。

4.1.2  转移弧不正常

处于稳定、正常状态的转移弧是取得良好堆焊效果的必要条件。在正常状态下,转移弧是挺直的,有清晰的轮廊,对熔池有适度的穿透力。如果弧柱清晰的轮廊变得模糊,在弧柱的周围有分叉的弧须,甚至产生与弧柱并列的双弧,或弧柱偏斜,弧柱发散,变得“软弱无力”,这都是转移弧不正常的现象,要检查分析原因予以排除。

转移弧出现不正常的情况,说明对电弧进行压缩的三大效应中出现了问题。对电弧压缩效应中,热收缩效应是主要的,首先要检查这方面的原因。产生的原因有以下:

(1)离子气流量不足;

(2)喷嘴冷却效果不好。

(3)钨极严重偏心或已烧秃。

(4)喷嘴孔道壁面积有金属熔粒或有氧化物的积垢。

(5)喷嘴出口处烧蚀严重。

4.1.3 堵粉

粉末在喷嘴送粉孔道或在送粉管内聚集堵塞的现象为“堵粉”。堵粉是因粉流不畅而造成的,排除的方法主要是:

(1)送粉气流量偏小或送粉气流有泄漏情况。

(2)喷嘴送粉孔有堵塞现象(特别是出口处堵塞)或喷嘴送粉孔相对送粉量来说偏小。

(3)粉末中有杂物或很粗的颗粒。

(4)送粉孔道内有水份或潮气。

(5)粉末未烘干。

(6)粉末固态流动性很不好。

(7)送粉管过长,有隆起的现象。

(8)送粉器出口三通未固定好,粉末分流不均匀。

4.1.4  结珠

合金粉末熔化后,粘附在喷嘴送粉孔道出口处或孔道壁面上,结成较大的熔粒,沿着孔道壁面往下滴淌的现象,通常叫“结珠”或“滴珠”。产生结珠后破坏了堆焊过程的稳定性。采用两孔喷射式外送粉,克服了产生结珠故障的主要原因。

4.1.5  爬弧

爬弧现象是针对非转移弧而言。在引燃非转移弧时,如果发现非转移弧弧焰不能喷出,阴极区不是在喷嘴孔道上,而内缩在喷嘴的锥面上,甚至在枪体内产生电弧,这就是所谓“爬弧”现象。焊枪在结构上由于加了内衬瓷管,从根本上避免了产生爬弧现象的产生,如果出现了爬弧现象,依次检查:

(1)内衬瓷管是否破损。

(2)钨极是否内缩过多。

(3)离子气流量是否过小。

(4)钨极是否严重不同心。

第五章  等离子工艺原理及特点

  等离子弧热源及特点

 等离子弧热源

电弧是气体在电场作用下,维持持续的强烈的电离,形成弧光放电的状态。气体弧光放电的状态是物质第四态—等离子体态。气体形成电弧后,被加热成高温状态,高温态的电弧作为热源被应用于焊接、切割、熔炼等。

通常进行的手工电弧焊或氩弧焊,在电极和工件间产生的电弧,没有受到任何外界的约束,通常把这种电弧叫作“自由电弧”或“敞开电弧”。在自由电弧弧柱区的中心部位也是处于等离子体,但自由电弧弧柱较粗,气体电离度较低,即电弧区的气体尚未完全电离。因此,电弧温度较低,能量分散,流过弧柱的电流密度趋近于常数,弧柱的温度只是通过增加电弧功率的方法来提高,所以电弧温度就被限制在6000—100000K。这样敞开电弧的应用就受到一定限制。

利用等离子弧焊枪(或喷枪),在阴极和水冷紫铜喷嘴之间,或阴极和工件之间,使气体电离形成电弧,此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道,弧柱的直径受到限制,使弧柱受到强行压缩,这种电弧通常叫作“压缩电弧”。电弧被压缩后,和自由电弧相比会产生很大的变化,突出的是弧柱直径变细,促使弧柱电流密度显著提高。流经喷嘴孔道的气体,受到剧烈的碰撞和热作用,使气体能充分电离,产生正负离子相等的等离子体弧柱,因此把这种压缩电弧称作等离子弧。

电弧通过喷嘴压缩孔道,受到强行压缩,产生稳定的等离子弧,主要是水冷紫铜喷嘴和气流(等离子工作气体)这两个外因条件,促使电弧内部热电离过程的变化而实现的。外因对电弧的作用主要通过以下三方面的效应。

(1)热收缩效应

紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性,由于受到水冷,使孔道壁面温度较低。气体连续地流过孔道,靠近壁面的气流受到冷却,形成很薄的冷气流层(所谓“冷水壁”)。由于这一冷气壁温度低,电离度很低几乎不能通过电流,迫使电弧电流往电离度高的中心部位流过,即电弧向中心部位压缩。显然,对于孔道壁面的冷却效果,气流量的大小及通过方式(旋流或直流)等,将影响热收缩效应的强弱。

(2)机械压缩效应

在等离子弧弧柱周围的冷气壁,是依附在喷嘴孔道壁面上的。因此,喷嘴孔径大小就基本上确定了环形冷气壁的直径,也就相应确定了等离子弧弧柱的粗细。喷嘴孔径及其几何形状,除流通热收缩效应实现对电弧不同程度的压宿外,还起到对电弧机械压缩的作用。

(3)自磁压缩效应

电弧电流有一定的流向,弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体,每根通电导体都在它周围产生磁场,在磁场作用下,每根导体受到的电磁力都是指向这一束导体的中心。这种自身磁场产生的电磁力作用的结果,使弧柱受到一个指向弧柱轴心的压缩力,从而使电弧受到压缩。热压缩和机械压缩效应使弧柱变细,而弧柱变细后,自磁压缩效应更强。

以上三个效应对电弧作用的结果,使电弧受到强行压缩而产生等离子弧。这三个效应是互为依存,共同作用的。热收宿效应和机械压缩效应是外因的作用,是人为可以控制的。而自磁压缩效应是电弧本身具有的现象,是内在因素。但在没有机械压缩和热收缩的条件下,由于弧柱较粗,自磁压缩力很弱,在小电流时,甚至可以忽略。对这三个效应的分析表明,喷嘴压缩孔道的形状和几何尺寸,孔道壁面的冷却效果,工作气流量的大小和气流结构,是影响电弧压缩效果的主要因素,直接影响到电弧特性和电弧稳定性。

等离子弧的形式有三种:

(1)非转移型弧(间接弧),喷嘴接正级,钨极接负极,电弧建立在钨极与喷嘴内表面之间,高温的等离子焰流从喷嘴内喷出。

(2)转移型弧(直接弧),工件接正级,钨极接负极,电弧建立在钨极与工件之间,其温度较非转移弧高,能量集中。转移型等离子弧是等离子弧堆焊的主要热源。

(3)联合型弧,非转移弧和转移弧并存时叫联合型等离子弧。在采用联合弧时,一般非转移弧是作为辅助热源。

等离子弧特点

等离子弧和自由电弧相比。显著的不同是弧柱细,电流密度大,气体电离很充分,因而具有以下主要特点:

(1)温度高,能量集中。弧柱相当于一段通电导体,由于等离子弧具有很高的导电性,能承受的电流密度大大高于自由电弧,因而弧柱的热功率密度大大高于自由电弧,等离子弧的温度可达10000—500000K,这样高的温度,用其它方法是很难达到的,氧乙炔火焰高温核心只有32000K左右;手工焊电弧只有5000—60000K左右;氩弧焊也只有9000——100000K。

(2)稳定性好。等离子弧弧柱挺直,在整个弧长内弧柱直径变化不大。在弧柱较长时仍能保持稳定燃烧,没有自由电弧易于飘动的缺点。

(3)可控性好。通过气体的选择和改变压缩效应的外因条件。容易获得所需要的气氛、刚度和弧参数,这是自由电弧难以实现的。

  原理

等离子喷粉堆焊是采用氩气等离子弧作高温热源,采用合金粉末作填充金属的一种表面堆焊合金强化的工艺方法。在采用联合型等离子弧堆焊时,一般采用独立的直流弧焊作电源,分别供给非转移弧和转移弧。两个电源的负极并联在一起,通过水电缆接至焊枪的钨电级(阴极)。非弧电源的正极通过水电缆接至焊枪的喷嘴。转弧电源的正极接至工件。循环冷却水通过水电缆引至焊枪,冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和转子流量计进入焊枪。非弧电源接通后,借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后,借助非转移弧在钨极和工件间造成的导电通道,引燃转移弧。转移弧引燃后,可保留或切断非转移弧。在等离子焊枪的阴极(钨电极)和阳极工件间建立起转移型等离子弧后,电能转化成热能,弧柱有很高的温度。等离子弧的热量流向,一是通过等离子弧流把热量过渡到阳极(工件),用于加热工件;二是传给堆焊的填充料,加热熔化合金粉末;三是传给了周围的冷气流,其中一部分被近壁面的冷气流带走,一部分传给了喷嘴,一部分以热和光辐射的形式散失。传递到工件的热量,在工件表面产生熔池,该熔池主要是熔化了填充料(合金),也熔进了一部分基材。熔池受到电弧加热,促成局部的冶金过程,熔池中的金属合金化,产生的气体和低熔点的熔渣浮在熔池表面。随着填充料的连续加入和工件的移动,产生连续熔池,离开电弧的熔池逐渐冷凝后形成堆焊层。

 特点

等离子喷粉堆焊,由于采用了热量集中,可控性好的等离子弧作热源,采用了易于熔化,特别是自熔性好的合金粉末作填充金属,从而与其它表面堆焊方法相比,具有以下优点:

(1)适于易制成粉末而难于制成丝材的高合金或复合材料堆焊。

(2)合金粉末及其熔池对电弧有缓冲作用,能有效控制熔深,母材冲淡率低。

(3)熔池在等离子弧高温加热及氩气保护气氛下进行冶金反应,合金化过程充分,因而堆焊层组织均一,硬度均匀,易于避免质量缺陷。

(4)焊道成形平整、美观,尺寸可调整的范围宽,因而适应不同类型工件对堆焊层成形尺寸的不同要求。

(5)采用细粉易于熔化的优点,实现精细堆焊。

(6)堆焊过程连续,易于实现自动化堆焊。

第六章 劳动保护及注意事项

1、光辐射及遮蔽

等离子弧温度高,热量集中,形成一个强烈的光源,产生强度较高的光辐射。在无防护的情况下,弧光对人体的危害表现在眼晴灼伤和皮肤损伤。眼晴直接受到弧光的照射。一般经过数日后恢复良好,不会造成永久性损伤。为避免伤眼晴,在操作过程中须持焊接面罩观察电弧及熔池。

强烈的弧光也会使裸露的皮肤受到损伤,主要是弧光中的红外线对人体组织的热作用和紫外线对人体组织的光学作用。裸露的皮肤受到强烈的弧光照射后,一般是发红,严重的会脱皮,如同强烈太阳光照射一样。防护方法很简单,操作者穿长袖衣,避免裸露皮肤。


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