等離子-MIG焊的研究進展

闕福恒，王振民

（華南理工大學(xué) 機械與汽車工程學(xué)院，廣東 廣州510640）

0 前言

當(dāng)前，各種復(fù)合焊接工藝成為焊接技術(shù)研究與應(yīng)用的熱點，美國焊接學(xué)會將“復(fù)合焊接”定義為：將兩種明顯不同的焊接工藝方法組合為一種焊接工藝方法。等離子-MIG焊(Plasma-MIG welding)是一種針對鋁及其他金屬材料開發(fā)的新型高效復(fù)合焊接工藝方法，綜合了MIG焊和等離子弧焊的優(yōu)點：一方面，MIG焊可以直流反接，焊接鋁、鎂等金屬時有良好的“陰極霧化”作用，可有效去除氧化膜，提高接頭的焊接質(zhì)量；另一方面，等離子-MIG焊有效地利用等離子束流高能量密度、高射流速度、強電弧力的特性，在焊接過程中形成穿孔熔池，實現(xiàn)鋁合金中厚板單面焊雙面成形。由于焊接變形小、生產(chǎn)率高，等離子-MIG焊被看作21世紀(jì)有著廣泛應(yīng)用前景的焊接方法。近幾十年來國內(nèi)已進行相關(guān)研究，取得了一定的成果。目前國內(nèi)尚未完全研制出該工藝方法的焊接設(shè)備，主要是由于等離子弧對焊接工藝和規(guī)范參數(shù)變化比較敏感，獲得良好接頭質(zhì)量的合理規(guī)范參數(shù)范圍窄、裕度小，致使焊縫成形穩(wěn)定性差。等離子-MIG焊速度快，是傳統(tǒng)MIG焊的2～3倍，與常規(guī)MIG相比，熔深更大，焊接熱輸入較低，熱影響區(qū)較窄，不易造成零部件變形，焊接飛濺較少，等離子-MIG焊接質(zhì)量優(yōu)良，可將等離子電源與傳統(tǒng)MIG電源有機組合，統(tǒng)一協(xié)調(diào)控制，使等離子-MIG復(fù)合熱源焊接技術(shù)成為傳統(tǒng)MIG升級改造的方向[1-3]。

1 國內(nèi)外研究動向

1972年4月，荷蘭Philips公司研究實驗中心的W.G.Essers和A.C.Liefken等人首次在Philips Welding Peporter中提出一種新型的高效焊接方法[4]。這種焊接方法采用等離子弧和MIG電弧組合形成的復(fù)合型電弧進行焊接。隨后N.H.Jurgens和J.C.M.Claes對等離子-MIG焊的電弧物理特性進行相關(guān)的研究。通過對等離子-MIG焊的電弧進行光譜分析發(fā)現(xiàn)，當(dāng)電弧內(nèi)部溫度在7 000 K時，光譜中包含了鐵、錳、銅、鈣、氬等元素；當(dāng)電弧外部溫度達13 000 K時，只顯示氬弧譜線[5]。

國內(nèi)625所的范嘉蘇、曹梅蘭等人研究分析等離子-MIG焊的不同焊接工藝規(guī)范，從引導(dǎo)弧的建立、等離子電弧的穩(wěn)定燃燒和噴咀型發(fā)生器中等離子外罩的穩(wěn)定性三方面概述了等離子弧不穩(wěn)定問題，從等離子電弧穩(wěn)定性的影響、可靠的絕緣措施、焊絲校直對中與等速送給、焊絲導(dǎo)電位置固定四個方面解決了焊絲端頭與毗鄰等離子體之間的電位差問題[6]。哈爾濱焊接研究所的周大中、孫軍、黃子平利用一種陡降性的焊接電源為等離子-MIG焊供電，研究在該電源下的電流分配與調(diào)節(jié)關(guān)系、電位關(guān)系與電壓關(guān)系、熔滴過程及電弧形態(tài)等特性，實驗結(jié)果表明該方法簡單可行，有利于等離子-MIG焊的生產(chǎn)應(yīng)用[7]。

沈陽工業(yè)大學(xué)的李德元、張義順等人利用有限元軟件計算鋁合金焊接熔池的形狀和溫度場形態(tài)，根據(jù)實測的熔池形狀和尺寸對計算結(jié)果進行修正和標(biāo)定，解決了等離子弧-MIG焊接過程中雙電弧共同作用的問題。采用Paschen定律計算不同起弧路徑上的擊穿電壓，分析等離子-MIG焊雙電弧起弧過程，研究了擊穿長度和溫度對起弧過程的共同作用，解釋了等離子電弧借助MIG電弧提供的導(dǎo)電通道引燃的過程，實驗結(jié)果表明，在分析各不同起弧路徑上最小擊穿電壓時，除了要考慮擊穿間隙的大小外，還必須考慮溫度分布和保護氣類別[8-9]；白巖、高洪明、吳林、石磊等人通過建立三維仿真模型對等離子-MIG焊電弧溫度場進行分析，考慮等離子弧和MIG電弧之間的反應(yīng)，對10 mm 5A06鋁合金進行仿真和試驗焊接，仿真結(jié)果和實際所測得的最高溫度之差低于20℃[10]。

目前，這種新型的高效焊接方法主要運用于有色金屬的焊接，尤其是鋁及其合金方面，具有其他焊接方法無法比擬的優(yōu)點[11]。

2 等離子-MIG焊原理

等離子弧焊接是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體在電弧加熱下發(fā)生離解，高速通過水冷噴嘴時受到壓縮，能量密度和離解度增大，形成等離子弧。等離子弧焊接的穩(wěn)定性、發(fā)熱量和溫度都高于一般電弧，因此具有較大的熔透力、較快的焊接速度、較窄的熱影響區(qū)域和較小的工件變形。等離子弧焊接屬于高質(zhì)量焊接方法。一般用氬形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體，根據(jù)各種工件的材料性質(zhì)，也可以使用氦或氬氦、氬氫等混合氣體。等離子弧有兩種工作方式:一種是“非轉(zhuǎn)移弧”，電弧在鎢極與噴嘴之間燃燒，主要用于等離子噴鍍或加熱非導(dǎo)電材料；另一種是“轉(zhuǎn)移弧”，電弧由輔助電極高頻引弧后，在鎢極與工件之間燃燒。形成焊縫的方式有熔透式和穿孔式：前一種形式的等離子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用于厚0.8～3 mm的板材焊接；后一種形式的等離子弧只熔穿板材，形成鑰匙孔形的熔池，多用于厚3～12 mm的板材焊接；此外，還有小電流的微束等離子弧焊，特別適合0.02～1.5 mm 的薄板焊接[12]。

熔化極惰性氣體保護焊又稱MIG焊，利用氬氣或富氬氣體作為保護介質(zhì)，采用連續(xù)送進可熔化的焊絲和燃燒于焊絲與工件間的電弧作為熱源。這種方法焊接質(zhì)量穩(wěn)定可靠，既適用于焊接鋁、銅、鈦等有色金屬中厚板，也適用于焊接不銹鋼、耐熱鋼和低合金鋼。由于焊絲的載流能力大，因此焊接生產(chǎn)率高。熔化極氬弧焊的電弧是明弧，焊接過程參數(shù)穩(wěn)定，易于檢測和控制[13-14]。

等離子-MIG焊是將兩種成熟的標(biāo)準(zhǔn)焊接工藝整合在一起的復(fù)合熱源焊接技術(shù)。等離子-MIG焊接過程中，在等離子弧和MIG電弧的作用下，焊絲加熱并熔化，形成金屬熔滴，進入熔池。等離子弧為負(fù)極，MIG電弧為正極，電流通過兩個電極相互作用下產(chǎn)生電磁力F（見圖1），電磁力F牽引等離子弧向焊接熔池前方移動，而且等離子弧在高速焊接過程中尾隨焊槍軸線[15]。

通常情況下，等離子-MIG焊接過程中需要軸向送進的焊絲和MIG電弧都被等離子氣包圍。

圖1 等離子-MIG焊原理示意

3 等離子-MIG焊特點

等離子弧是壓縮電弧，具有能量密度高，電弧剛度大等特性，保證了焊接熔深。該壓縮電弧有一定的清理和輔助攪拌作用，不僅保證焊縫中產(chǎn)生的氣體有足夠的時間逸出，而且在焊接過程中產(chǎn)生的氧化物及其他雜質(zhì)都被“陰極霧化”除去，這樣焊縫比較干凈，也有效地防止了焊縫缺陷的產(chǎn)生。與等離子弧并存的MIG電弧，有較強的焊縫填充金屬能力，保證了焊接高效的進行[16]。

與傳統(tǒng)的MIG焊比較，等離子-MIG焊具有以下優(yōu)勢：焊縫質(zhì)量顯著提高，特別是在鋁合金焊接領(lǐng)域，焊縫區(qū)的晶粒細(xì)小，氣孔率較低；焊接電弧的穩(wěn)定性和熔滴過渡的可控性顯著提高，熔化極電流調(diào)節(jié)范圍可從零安調(diào)至上百安，而且焊接時沒有飛濺；熔敷效率大大提升，可達到500 g/min；可以實現(xiàn)高速焊接薄板，是傳統(tǒng)MIG焊的幾倍[17]；焊接熱輸入較低，能量更集中、熱影響區(qū)域較小，不易造成零部件變形[15]。傳統(tǒng)MIG焊和等離子-MIG焊的工藝對比如圖2所示。

等離子-MIG焊也存在不足：焊接過程中，等離子弧和MIG電弧同時在焊槍內(nèi)燃燒，對焊槍的設(shè)計要求較高；焊接過程中的參數(shù)多，工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)較為復(fù)雜。

4 等離子-MIG焊接設(shè)備介紹

1980年，西德的國際原子公司在焊接由32個直徑為165 cm鋁制管所組成的管簇結(jié)構(gòu)的鋁管時，考慮到其結(jié)構(gòu)具有一定的特殊性，該公司采用了Plasma-MIG焊進行焊接，實驗結(jié)果表明，在X射線檢驗下，焊縫質(zhì)量明顯提高。

圖2 MIG和等離子-MIG焊工藝對比

1981年，荷蘭PHILIPS公司采用等離子-MIG焊接工藝，建立了一整套機械裝置，把蓋板焊接到鋁合金制管角，這一整套機械裝置成功運用在原子反應(yīng)堆用件上[18]。

1983年2月，西德的Muller公司購買PHILIPS公司生產(chǎn)的Plasma-MIG焊接設(shè)備來焊接車用液罐，實驗數(shù)據(jù)表明，其焊接速度是傳統(tǒng)MIG焊接的兩倍以上[19]。

20世紀(jì)90年代，跨國公司IFS對于復(fù)合焊接方法在工業(yè)鋁焊接方面做了相應(yīng)的研究，主要是等離子-MIG焊接方法的發(fā)展現(xiàn)狀及前景研究[20]。

德國EEW公司采用大功率HD-等離子-MIG焊槍，完成大型船板對焊接，焊接速度比MIG焊快一倍以上。

美國Babcock Power公司采用等離子-MIG焊替代了原有的TIG焊，在保證焊接質(zhì)量的同時，管子對接焊的效率提高了10倍。采用等離子-MIG堆焊系統(tǒng)可以將常規(guī)立式電弧堆焊效率提高1倍以上，堆焊速度達30磅/h。

大功率的等離子-MIG焊配合專門用于角焊縫的T型焊槍，廣泛運用于20～50 mm厚鋼板的焊接。尤其在在風(fēng)力發(fā)電的塔柱焊接、大型船舶焊接、大型輸氣輸油管道焊接等方面，大功率的等離子-MIG焊體現(xiàn)出更加高效優(yōu)質(zhì)的技術(shù)優(yōu)勢。

20世紀(jì)80年代后，我國的相關(guān)機構(gòu)和人員對等離子-MIG焊接方法做過一些研究，截至目前，較少有報道其在現(xiàn)實生產(chǎn)中的應(yīng)用。沈陽工業(yè)大學(xué)李德元教授對等離子-MIG焊的起弧過程，焊接鋁合金的規(guī)范優(yōu)化和組織分析進行探索研究，其研制的等離子-MIG焊接設(shè)備成功地應(yīng)用于三峽電站大型開關(guān)斷路器的焊接。

1995 年，Plasma Laser Technologies（簡稱 PLT公司）在以色列成立，主要成員來自前蘇聯(lián)烏克蘭基輔巴頓電焊研究所，該公司成功的研發(fā)出等離子-MIG焊系統(tǒng)。以PLT公司生產(chǎn)的SUPER-MIG機器人焊接系統(tǒng)為例，對等離子-MIG焊設(shè)備結(jié)構(gòu)進行介紹。SUPER-MIG機器人焊接系統(tǒng)主要包括：一體化焊槍、控制主機（包括等離子電源）、常規(guī)MIG電源和送絲裝置、焊槍自動清理裝置和焊接機器人。等離子-MIG焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)框架如圖3所示。

圖3 等離子-MIG焊接設(shè)備結(jié)構(gòu)框架

等離子-MIG焊接設(shè)備由兩個獨立的電源為焊槍供電，各自產(chǎn)生MIG電弧和等離子弧。由于需要同時產(chǎn)生兩種電弧，因此焊接參數(shù)的協(xié)調(diào)和穩(wěn)定十分重要[21]。控制主機需要完成以下功能：兩個獨立電源的隔離；焊接參數(shù)的規(guī)范調(diào)節(jié)；工件和槍體的運動的控制；氣體流量和水溫的控制；起弧和收弧的控制。

等離子-MIG焊槍是整個設(shè)備的核心關(guān)鍵組件，是MIG焊槍與等離子焊槍的一體化設(shè)計，不僅需要同時產(chǎn)生等離子弧和MIG電弧，而且還得保證這兩種電弧的穩(wěn)定性。MIG電弧是產(chǎn)生于焊槍中心的焊絲與工件之間，總是位于焊槍的中心位置；等離子弧通常產(chǎn)生于環(huán)形噴嘴上[22]。

等離子-MIG焊槍的結(jié)構(gòu)主要分為兩種：偏置式和同軸式（見圖4、圖5）。偏置式等離子-MIG焊槍的等離子弧產(chǎn)生于鎢極和工件之間，而同軸式等離子-MIG焊槍的等離子弧產(chǎn)生于噴嘴表面和工件之間。與偏置式等離子-MIG焊槍比較，同軸式等離子-MIG焊槍的優(yōu)點是：機構(gòu)簡單、易損件使用壽命高、電流承載能力大。

圖4 偏置式等離子-MIG焊槍結(jié)構(gòu)

圖5 同軸式等離子-MIG焊槍結(jié)構(gòu)

5 結(jié)論

等離子-MIG焊作為一種高效復(fù)合焊接方法，可以很方便地實現(xiàn)半自動手工焊和全自動焊，與此同時，這種焊接方法在鋁合金、低碳鋼、不銹鋼以及銅的焊接和堆焊上得到了成功的應(yīng)用。在此概述了等離子-MIG焊的原理、特點、設(shè)備結(jié)構(gòu)，復(fù)合焊接將是今后焊接發(fā)展的一個重要方向。

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