真空等離子焊箱工作原理及常見故障分析

姬向鋒

（國核寶鈦鋯業(yè)股份公司合金制造廠 陜西寶雞）

一、引言

鈦、鋯屬于高活性金屬，在高溫下會與氧、氮等氣體發(fā)生劇烈反應(yīng)，在大氣中焊接此類金屬會使焊縫完全脆化。必須在非大氣的環(huán)境下焊接才具有實際意義。目前，國內(nèi)外焊接鈦、鋯等高活性金屬，主要使用真空等離子焊接和真空電子束焊接。公司經(jīng)過調(diào)研，購置了一臺國內(nèi)自主研發(fā)的真空等離子焊箱，經(jīng)過近兩年的設(shè)備調(diào)試與工藝參數(shù)的摸索，現(xiàn)已能夠生產(chǎn)出符合要求的5 t大規(guī)格核級一次電極，填補國內(nèi)空白，順利通過了設(shè)備及工藝鑒定。

二、設(shè)備工作原理簡介

1.設(shè)備概況

圖1是真空等離子焊箱圖。爐室是由內(nèi)徑1700 mm的固定爐室和爐內(nèi)臺架移動小車組成，總長11 mm。小車在爐內(nèi)可以縱向和橫向移動，槍體為定槍式結(jié)構(gòu)。臺車上的伺服電機驅(qū)動鏈輪旋轉(zhuǎn)，從而帶動料架進行圓周運動，實現(xiàn)焊接環(huán)縫的目的。設(shè)備真空系統(tǒng)設(shè)有滑閥真空泵和羅茨泵，對爐體進行抽空，極限真空可以達(dá)到-0.05 Pa。

2.焊接原理簡介

圖1 真空等離子焊箱

（1）等離子弧焊接和氬弧焊的區(qū)別。等離子弧焊是一種壓縮氣體保護焊接法。這種焊接方法是20世紀(jì)60年代出現(xiàn)的技術(shù)，是在氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。等離子弧焊和氬弧焊都屬于惰性氣體氬氣保護焊接，氬弧焊為自由電弧，不經(jīng)過任何壓縮，電弧發(fā)散，等離子弧焊接的電弧為壓縮電弧，電弧集中，這是等離子弧焊與氬弧焊的主要區(qū)別。因此，等離子弧焊接與一般氬弧焊相比，具有生產(chǎn)效率高、焊接質(zhì)量好與應(yīng)用面廣的特點。

（2）焊槍結(jié)構(gòu)原理簡介。圖2所示是與焊箱配套的焊槍結(jié)構(gòu)原理圖。焊槍的起弧方式為高頻引弧，要求電極頭與噴嘴之間的間隙為1.5～2 mm，電極頭為負(fù)極，噴嘴為正極。當(dāng)電極頭加載高頻電源時，周圍氣體被電離與噴嘴之間形成小弧，此時噴嘴斷電，電極頭為負(fù)極，物料為正極，電極頭通過噴嘴與物料之間起弧，形成穩(wěn)定的等離子弧。

圖2 焊槍結(jié)構(gòu)原理圖

要使等離子弧具有較高的能量，等離子弧都通過了3種壓縮效應(yīng)使自由電弧得到了強迫的壓縮。①機械壓縮效應(yīng)。自由電弧通過噴嘴的孔道，強迫弧柱縮小。②熱收縮效應(yīng)。在圖2中標(biāo)Ar處通入高速冷卻的氣流，形成很薄的冷氣流層均勻包圍著弧柱，邊緣層氣體電離的程度急劇降低，迫使帶電粒子流往高溫和高電離度的弧柱中心區(qū)域集中，使弧柱直徑變細(xì)。③電磁收縮效應(yīng)。帶電粒子流可以被看成無數(shù)根通電導(dǎo)體，兩根平行且通過同方向電流的導(dǎo)體之間存在相互吸引力，距離越近，吸引力則越大。

要使焊接連續(xù)且穩(wěn)定，必須保證等離子弧能夠穩(wěn)定的燃燒。電弧是電極與工件間的氣體介質(zhì)長時間放電的現(xiàn)象。電弧主要由陰極區(qū)、弧區(qū)、陽極區(qū)3部分組成。其中，陰極區(qū)主要由陰極斑點組成。陰極斑點是產(chǎn)生電弧放電的基礎(chǔ)，總是快速不間斷地游離于陰極表面上。宏觀看它是無規(guī)律的，實際則有自己的規(guī)律性，即總是向陰極表面逸出功最小處轉(zhuǎn)移。根據(jù)這一特性，斑點在陰極表面上的游動區(qū)間大小將直接影響電弧的穩(wěn)定性。當(dāng)電極頭部為倒圓錐狀時，由于陰陽極間距始終保持中央最小，尖端處電子逸出功最小，斑點集中在尖端附近。陰極斑點游動區(qū)間小，所以電弧穩(wěn)定。相反，如果電極頭部呈橢圓狀甚至平面狀，則斑點會在較大區(qū)間甚至整個平面上游動，不易集中，電弧穩(wěn)定性差。因此，電極頭為倒圓錐狀，有助于電弧的穩(wěn)定燃燒。

三、常見故障及原因分析

真空焊箱的核心部件就是焊槍。因此，焊槍是該設(shè)備出現(xiàn)故障最多也是最難維護和查找的地方，通過兩年多的試運行，設(shè)備可能出現(xiàn)的主要問題基本暴露出來。

1.槍體不起弧

若在高頻起弧過程中焊槍沒有反應(yīng)，可能由兩方面的原因引起。一是焊槍供電電源或高頻發(fā)生器等電器元件發(fā)生故障；二是焊槍的噴嘴與電極頭間隙調(diào)整不合適。

判斷該故障時，主要看控制面板的電壓顯示值，若面板中電壓值不變化且為零，則主要原因應(yīng)當(dāng)為電路或高頻發(fā)生器故障；若高頻引弧中電壓值瞬間升高至80～90 V，則表明可能由于噴嘴與正極頭的相對位置不當(dāng)引起。設(shè)備圖紙要求，噴嘴與正極頭間隙應(yīng)保證在1.5～2 mm，調(diào)整該間隙問題可以解決。

2.電弧不穩(wěn)定，且頻繁息弧

由上述電弧穩(wěn)定性原理可知，要使電弧穩(wěn)定燃燒應(yīng)使電極頭為倒圓錐狀，根據(jù)電弧向陰極表面逸出功最小處轉(zhuǎn)移的理論，電弧的穩(wěn)定性較好。但當(dāng)電極頭使用若干爐次后，電極頭頭部由于種種原因可能引起尖端受損，或物料噴濺到電極頭上使斑點可能在較大范圍內(nèi)游動，引起電弧不穩(wěn)的現(xiàn)象。通常更換新備件或?qū)⑴f的電極頭打磨處理后，能恢復(fù)其性能。

3.電弧出現(xiàn)偏弧現(xiàn)象

電弧偏主要原因有：電極頭受損，逸出功最小點已偏離中心；導(dǎo)氣環(huán)堵塞，導(dǎo)致氬氣不能在圓周方向均勻噴出；導(dǎo)氣環(huán)受磨損，導(dǎo)致其對電極頭定心精度降低；焊槍加工誤差，導(dǎo)致電極頭與噴嘴不同心。

4.電弧有“雙弧”現(xiàn)象

所謂“雙弧”，即除了電極與工件有一個電弧外，由于某種原因，使電流由電極通過噴嘴再到工件，即電極與工件之間產(chǎn)生另一個電弧，這種有兩個電弧同時存在的現(xiàn)象就稱為“雙弧”。雙弧原理如圖3所示。

（1）電弧電流的影響。當(dāng)電流增大時，等離子弧柱的直徑增大，從而使弧柱與噴嘴內(nèi)壁的隔熱絕緣層厚度減小，從而形成雙弧。

（2）氬氣流量的影響。當(dāng)工作氣流量減小時，由熱收縮效應(yīng)原理可知減弱了對等離子弧的壓縮，也可能出現(xiàn)該現(xiàn)象。

（3）噴嘴孔道比的影響。噴嘴通道的直徑越小，在相同電流和工作氣量的條件下，絕緣層的厚度就越薄，溫度高，形成“雙弧”也就越容易。

（4）噴嘴與背母粗糙度的影響。若噴嘴及背母表面粗糙，電弧可能會出噴最后沿路徑較短的地方與物料起弧，產(chǎn)生偏弧、雙弧現(xiàn)象。

（5）噴嘴冷卻效果的影響。當(dāng)噴嘴冷卻較差時，噴嘴外壁的氣體溫度較高則很容易被電離，從而使噴嘴帶電，與物料之間形成“雙弧”。

圖3 雙弧現(xiàn)象原理圖