等離子焊接在再制造工程中的應(yīng)用前景*

姜 祎，徐濱士，呂耀輝，向永華，劉存龍，夏 丹

（1.裝甲兵工程學(xué)院裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室，北京 100072；2.海軍飛行學(xué)院，遼寧 葫蘆島 125100）

一、等離子弧焊接概述

1.產(chǎn)生機理

等離子是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下溫度超過3 000℃的氣體，在溫度譜上可以把其看作為繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的第四種物質(zhì)狀態(tài)。等離子是由被激活的離子、電子、原子或分子組成，它可通過自然界中的閃電產(chǎn)生。從1960年以后，等離子這個詞獲得新的含義，那就是電弧通過渦流環(huán)或噴嘴壓縮而形成的高能量狀態(tài)，等離子弧是一種被壓縮的鎢極氬弧，具有很高的能量密度及溫度。等離子弧的壓縮是依靠水冷銅噴嘴的拘束作用實現(xiàn)的，等離子弧通過水冷銅噴嘴時受到下列三種壓縮作用。

（1）機械壓縮。水冷銅噴嘴孔徑限制了弧柱截面積的自由擴大，這種拘束作用就是機械壓縮。

（2）熱壓縮。噴嘴中的冷卻水使噴嘴內(nèi)壁附近形成一層冷氣膜，進(jìn)一步減小了弧柱的有效導(dǎo)電面積，從而進(jìn)一步提高了電弧弧柱的能量密度及溫度，這種依靠水冷使弧柱溫度及能量密度進(jìn)一步提高的作用就是熱壓縮。

（3）電磁壓縮。由于以上兩種壓縮效應(yīng)，使得電弧電流密度增大，電弧電流自身磁場產(chǎn)生的電磁收縮力增大，使電弧又受到進(jìn)一步的壓縮，這就是電磁壓縮。

2.等離子弧焊接的應(yīng)用特點

由于等離子電弧具有較高的能量密度、溫度及剛直性，因此與一般電弧焊相比，等離子電弧具有以下優(yōu)點。

（1）能量密度大、電弧方向性強、熔透能力強，在不開坡口、不加填充焊絲的情況下可一次焊透厚度8～10mm的不銹鋼板。與鎢極氬弧焊相比，在相同的焊縫熔深情況下，等離子弧焊接速度要快得多。

（2）焊縫質(zhì)量對弧長的變化不敏感，這是由于等離子弧的形態(tài)接近圓柱形，發(fā)散角很小，約5°，且挺直度好，弧長變化時對加熱斑點的面積影響很小，易獲得均勻的焊縫形狀。工件上受熱區(qū)域小，熱影響區(qū)窄，因而薄板焊接時變形小。

（3）鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不可能與工件接觸，因此可避免焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象。電弧攪動性好，熔池溫度高，有利于熔池內(nèi)氣體的釋放。

（4）等離子電弧由于壓縮效應(yīng)及熱電離度較高，電流較小時仍很穩(wěn)定。配用新型電子電源，焊接電流可以小到0.1A，這樣小的電流也能達(dá)到電弧穩(wěn)定燃燒，特別適合于焊接微型精密零件。

（5）可產(chǎn)生穩(wěn)定的小孔效應(yīng)，通過小孔效應(yīng)，正面施焊時可獲得良好的單面焊雙面成形。

二、應(yīng)用于再制造生產(chǎn)的幾種等離子弧焊接技術(shù)

1.微束等離子弧焊接技術(shù)

微束等離子弧焊是指30A以下的熔透型等離子弧焊。為了提高等離子弧的穩(wěn)定性，采用小孔徑壓縮噴嘴（直徑0.6～1.2mm），聯(lián)合型等離子弧，采用相應(yīng)措施后，焊接電流小于1A仍能獲得穩(wěn)定的焊接電弧和焊接過程。小電流的鎢極氬弧焊接時，電弧的穩(wěn)定性較差，而且電流密度小，很難保證焊接質(zhì)量。微束等離子弧利用不同的保護氣體成為高度集中的電弧熱源。而微束等離子弧特別適合于薄板和超薄板材料的加工，焊接過程中采用維持電弧保證焊接過程的穩(wěn)定性，電流很小時（甚至0.1A）仍是穩(wěn)定的，從而可實現(xiàn)對超薄板金屬的焊接。焊接不銹鋼時，最小厚度可小到0.025mm。由于微束等離子焊接的這些優(yōu)點，在傳統(tǒng)方法無法實現(xiàn)的超薄零部件的再制造中必然能夠得到廣泛應(yīng)用。

裝備再制造技術(shù)國防科技重點實驗室研發(fā)了新型微束等離子系統(tǒng)，具有很高的電弧穩(wěn)定性和較大的電流使用范圍，可滿足不同厚度零部件的焊接維修，并將該系統(tǒng)成功應(yīng)用于斯太爾發(fā)動機氣門的再制造上，采用堆焊形式修復(fù)氣門磨損面。發(fā)動機排氣門的再制造要求氣門基體變形很小，堆焊層與基體實現(xiàn)冶金結(jié)合，而且硬度接近或優(yōu)于原材料。從焊縫的金相組織分析可以看出，焊接的熔合區(qū)、熱影響區(qū)很小，焊縫組織致密均勻。這是由于微束等離子焊接時電流小，而能量集中，焊接過程對基體的影響很小，因此堆焊層的質(zhì)量很高，且與基體結(jié)合緊密。

2.精細(xì)等離子弧焊接技術(shù)

精細(xì)等離子弧焊接是一種利用磁場效用來收縮等離子弧并旋轉(zhuǎn)的焊接方法。其通過磁場產(chǎn)生的洛侖茲力使電弧收縮并旋轉(zhuǎn)，從而提高電弧的穩(wěn)定性并延長電極壽命。

由于精細(xì)等離子束流集中，焊接飛濺小，產(chǎn)生的焊接煙塵少，噪聲低，因此，通常都被用在過去采用激光焊接的領(lǐng)域中，而精細(xì)等離子焊接較之激光焊接的優(yōu)勢在于能量利用率和焊接效率上。因此，其在再制造產(chǎn)業(yè)中的應(yīng)用前景必然十分廣闊。它可作為點焊方法應(yīng)用在汽車車體再制造過程中，即可手工操作也可以實現(xiàn)自動化控制，而且焊接質(zhì)量高，變形小，焊點抗拉強度優(yōu)于普通的電阻點焊。

3.變極性等離子弧焊接技術(shù)

變極性等離子弧焊是針對鋁合金焊接開發(fā)的，能有效破碎Al2O3氧化膜。采用立焊時，能使熔池中形成的氣孔充分逸出，焊接質(zhì)量比一般氣體保護焊要好。鋁合金變極性穿孔等離子弧焊接的方法和工藝是在生產(chǎn)和實驗研究的基礎(chǔ)上提出的，與其他熔化極焊接方法相比，它既能滿足交流焊鋁的陰極清理作用，又能將鎢極的燒損減少到最低。穿孔型等離子弧焊接壓縮電弧能量集中，穿透力很強。

鋁合金變極性小孔等離子弧焊接有以下優(yōu)點：正極性的高加熱能力，熱量輸入較大，改善接頭的性能，減少焊接變形；反極性的高效清理特性，減少焊前準(zhǔn)備工作；焊縫無氣孔，減少返修工作量；2～20mm厚接頭一次完全焊透，實現(xiàn)單面焊雙面成形。

受能源和原材料價格上漲等因素的影響，作為再制造工程中最主要的應(yīng)用工業(yè)領(lǐng)域之一的汽車工業(yè)，近年來采用鋁合金的比例越來越大，很多重要部件（車體、發(fā)動機、輪轂、化油器）都采用了鋁合金結(jié)構(gòu)，對于這些零部件的再制造及其相關(guān)技術(shù)的研究已成為熱點。

Barnes等分析了汽車工業(yè)上鋁合金焊接存在的主要問題有焊接裂紋傾向、熱變形、焊后熱處理以及環(huán)境污染，環(huán)境污染的危害可以通過相關(guān)措施降至最小。對于傳統(tǒng)的鎢極氬弧焊和熔化極氣體保護焊接，焊縫裂紋傾向和熱變形很難避免，尤其是焊接具有一定厚度（約5mm）的結(jié)構(gòu)件時。而變極性等離子弧焊接特別是穿孔型變極性等離子弧焊接可很好地解決此問題，因此，變極性等離子弧焊接必然可在汽車再制造中發(fā)揮重要作用。

三、結(jié)論與展望

隨著科技水平的提高，等離子弧焊接技術(shù)不斷發(fā)展，其能量密度大、電弧方向性強、熔透能力強的特點得到了充分發(fā)揮，應(yīng)用領(lǐng)域也越來越廣闊。在以高技術(shù)手段為基礎(chǔ)的再制造工程中，等離子弧焊接技術(shù)必然會得到廣泛應(yīng)用。目前，微束等離子、精細(xì)等離子以及變極性等離子弧焊接技術(shù)都已經(jīng)或開始應(yīng)用在汽車等工業(yè)領(lǐng)域的再制造中。