等離子弧焊接技術(shù)探討

西安工程技術(shù)(技師)學(xué)院 余文革

1.等離子弧焊接的基本概念

用等離子弧作為熱源進(jìn)行焊接的方法稱為等離子弧焊接。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(hù)氣體的氣囊中分離出來，隨后推動(dòng)等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。

2.等離子弧的產(chǎn)生

在鎢極與噴嘴之間或鎢極與工件之間加一較高電壓，經(jīng)高頻振蕩使氣體電離形成自由電弧，該電弧受下列三個(gè)壓縮作用形成等離子弧。

①機(jī)械壓縮效應(yīng)（作用）——電弧經(jīng)過有一定孔徑的水冷噴嘴通道，使電弧截面受到拘束，不能自由擴(kuò)展。

②熱壓縮效應(yīng)——當(dāng)通入一定壓力和流量的氬氣或氮?dú)鈺r(shí)，冷氣流均勻地包圍著電弧，使電弧外圍受到強(qiáng)烈冷卻，迫使帶電粒子流（離子和電子）往弧柱中心集中，弧柱被進(jìn)一步壓縮。

③電磁收縮效應(yīng)——定向運(yùn)動(dòng)的電子、離子流就是相互平行的載流導(dǎo)體，在弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的電磁力使弧柱進(jìn)一步收縮。

電弧經(jīng)過以上三種壓縮效應(yīng)后，能量高度集中在直徑很小的弧柱中，弧柱中的氣體被充分電離成等離子體，故稱為等離子弧。

當(dāng)小直徑噴嘴，大的氣體流量和增大電流時(shí)，等離子焰自噴嘴噴出的速度很高，具有很大的沖擊力，這種等離子弧稱為“剛性弧”，主要用于切割金屬。反之，若將等離子弧調(diào)節(jié)成溫度較低、沖擊力較小時(shí)，該等離子弧稱為“柔性弧”，主要用于焊接。

3.等離子弧形勢(shì)

按電源連接方式的不同，等離子弧有非轉(zhuǎn)移型、轉(zhuǎn)移型和聯(lián)合型三種形式。

（1）非轉(zhuǎn)移型等離子弧

鎢極接電源負(fù)端，焊件接電源正端，等離子弧體產(chǎn)生在鎢極與噴嘴之間，在等離子氣體壓送下，弧柱從噴嘴中噴出，形成等離子焰。

（2）轉(zhuǎn)移型等離子弧

鎢極接電流負(fù)端，焊件接電流正端，等離子弧產(chǎn)生的鎢極和焊件之間。因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧能把更多的熱量傳遞給焊件，所以金屬焊接、切割幾乎都是采用轉(zhuǎn)移型等離子弧。

（3）聯(lián)合型等離子弧工作時(shí)非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧同時(shí)并存，故稱為聯(lián)合型等離子弧。非轉(zhuǎn)移弧起穩(wěn)定電弧和補(bǔ)充加熱的作用，轉(zhuǎn)移弧直接加熱焊件，使之熔化進(jìn)行焊接。主要用于微束等離子弧焊和粉末堆焊。

4.等離子弧焊接分類

通過改變孔的直徑和等離子氣流速度，可以實(shí)現(xiàn)微束等離子(0.1～15A)，中等電流()15～200A)，小孔型等離子(大于100A)三種模式.通過增加焊接電流和等離子氣流速度，利用高速、高溫和高能的等離子氣流來加熱和熔化被切割材料，并借助內(nèi)部的或者外部的高速氣流或水流將熔化材料排開直至等離子氣流束穿透背面而形成割口。

4.1 小孔型等離子弧焊

小孔型焊又稱穿孔、鎖孔或穿透焊。利用等離子弧能量密度大、和等離子流力強(qiáng)的特點(diǎn)，將工件完全熔透并產(chǎn)生一個(gè)貫穿工件小孔。被熔化的金屬在電弧吸力、液體金屬重力與表面張力相互作！用下保持平衡。焊槍前進(jìn)時(shí)，小孔在電弧后方鎖閉，形成完全熔透‘的焊縫。

穿孔效應(yīng)只有在足夠的能量密度條件下才能形成。板厚增加：所需能量密度也增加。由于等離子弧能量密度的提高有一定限制，爵因此小孔型等離子弧焊只能在有限板厚內(nèi)進(jìn)行。

4.2 熔透型等離子弧焊

當(dāng)離子氣流量較小、弧抗壓縮程度較弱時(shí)，這種等離子弧在焊接過程中只熔化工件而不產(chǎn)生小孔效應(yīng)。焊縫成形原理和鎢極氫弧焊類似，此種方法也稱熔入型或熔蝕法等離子弧焊。主要用于薄板加單面焊雙面成形及厚板的多層焊。

4.3 微束等離子弧焊

15至30A以下的熔入型等離子弧焊接通常稱為微束等離子弧焊接。由于噴嘴的拘束作用和維弧電流的同時(shí)存在，使小電流的等離子弧可以十分穩(wěn)定，目前已成為焊接金屬薄箔的有效方法。為保證焊接質(zhì)量，應(yīng)采用精密的裝焊夾具保證裝配質(zhì)量和防止焊接變形。工件表面的清潔程度應(yīng)給予特別重視。為了便于觀察，可采用光學(xué)放大觀察系統(tǒng)。

5.等離子弧焊設(shè)備

5.1 等離子弧焊設(shè)備的組成

和鎢極氫弧焊一樣，按操作方式，等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊和自動(dòng)焊兩類。手工焊設(shè)備由焊接電源、焊槍、控制電路、氣路和水路等部分組成。自動(dòng)焊設(shè)備則由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉(zhuǎn)動(dòng)夾具）、控制電路、氣路及水路等部分組成。

5.2 焊接電源

下降或垂直下降特性的整流電源或弧焊發(fā)電機(jī)均可作為等離子弧焊接電源。用純氫作為離子氣時(shí)，電源空載電壓只需65-80V；用氫、氫混合氣時(shí)，空載電壓需110-1200大電流等離子弧都采用等離子弧，用高頻引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后轉(zhuǎn)移成轉(zhuǎn)移弧。

30A以下的小電流微束等離子弧焊接采用混合型弧，用高頻或接觸短路回抽引弧。由于非轉(zhuǎn)移弧在非常焊接過程中不能切除因此一般要用兩個(gè)獨(dú)立的電源。

5.3 氣路系統(tǒng)

等離子弧焊機(jī)供氣系統(tǒng)應(yīng)能分別供給可調(diào)節(jié)離子氣、保護(hù)氣、背面保護(hù)氣。為保證引弧和熄弧處的焊接質(zhì)量，離子氣可分兩路供給，其中一路可經(jīng)氣閥放空，以實(shí)現(xiàn)離子氣流衰減控制。

5.4 控制系統(tǒng)

手工等離子弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，只要能保證先通離子氣和保護(hù)氣，然后引弧即可。自動(dòng)化等離子弧焊機(jī)控制系統(tǒng)通常由高頻發(fā)生器，小車行走。填充焊口逆進(jìn)拖動(dòng)電路及程控電路組成。程控電路應(yīng)能滿足提前送氣、高頻引弧和轉(zhuǎn)弧、離子氣遞增、延遲行走、電流和氣流衰減熄弧。延遲停氣等控制要求。

國外焊接技術(shù)最新進(jìn)展情況（等離子弧焊）：

一種新開發(fā)的用于等離子弧焊的焊矩系統(tǒng)，采用反極性電極和選用100～200A焊接電流可以經(jīng)濟(jì)有效地焊接鋁制零件，焊接質(zhì)量很好。經(jīng)對(duì)各種鋁鎂合金的焊接試驗(yàn)表明：在焊接2～8mm的板材時(shí)，可以使用熔入和鎖孔式焊接技術(shù)。

使用電極極性可變的鎖孔技術(shù)進(jìn)行等離子弧焊，可用來焊圓周焊縫，如AlMg3管道、法蘭盤以及GK－AlSi7Mg冷鑄合金制造的形狀各異的零件，能夠進(jìn)行8mm壁厚材料的無坡口對(duì)焊連接。使用新開發(fā)的特殊氣體控制系統(tǒng)可以無缺陷地完成圓周焊縫的收尾焊接。由于只在鑄件一側(cè)才會(huì)產(chǎn)生氣孔，因此要確定鑄件熔化金屬的原子氫含量。如果鑄件熔化金屬中的氫含量低于0.3mL／100g，焊縫產(chǎn)生的氣孔就很少。采用此方法要修復(fù)的焊縫總長(zhǎng)度可達(dá)39m，占整個(gè)焊縫長(zhǎng)度的27.2%。

6.與TIG焊接對(duì)比

在研究開發(fā)最現(xiàn)代化的電源和控制技術(shù)條件下，采用等離子弧焊技術(shù)是一種質(zhì)量最佳、經(jīng)濟(jì)有效、重復(fù)性好的連接工藝。另外，通過調(diào)節(jié)電流，確保厚板等離子弧對(duì)接接頭焊接時(shí)產(chǎn)生鎖孔的傳感器系統(tǒng)、導(dǎo)電的熔池支撐與被焊板材絕緣，并通過帶電的車架在等離子弧穿透時(shí)測(cè)量電流，并隨之移動(dòng)。

（1）采用等離子弧焊時(shí)的特定工藝優(yōu)點(diǎn)，不僅主要表現(xiàn)在微型等離子弧焊的板材厚度范圍方面，而且涉及使用鎖孔技術(shù)。

應(yīng)用范圍包括：表面堆焊、噴涂和焊接。通過可調(diào)頻率使用低脈沖焊接電流，等離子弧焊可以更好的方式控制電弧能量的大小，能夠通過現(xiàn)代控制系統(tǒng)可靠地同步監(jiān)測(cè)各種設(shè)定值的執(zhí)行情況。晶體管的焊接電源，如AUTOTIG系列，可以精確地按照技術(shù)規(guī)格的規(guī)定運(yùn)行。

（2）用粉末等離子弧焊焊接薄板和管道時(shí)，具有焊接速度快、熱輸入小和變形小等優(yōu)點(diǎn)。

（3）等離子弧焊接時(shí)，鎖孔技術(shù)的優(yōu)點(diǎn)還清楚地表現(xiàn)在板厚達(dá)10mm的材料焊接方面。在應(yīng)用技術(shù)中，粉末等離子弧焊接具有穩(wěn)固的市場(chǎng)地位。這種新的工藝也將會(huì)在機(jī)器人上得到應(yīng)用。

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