等离子弧焊的组成结构
和钨极氢弧焊一样，按操作方式，等离子弧焊设备可分为手工焊和自动焊两类。手工焊设备由焊接电源、焊枪、控制电路、气路和水路等部分组成。自动焊设备则由焊接电源、焊枪、焊接小车（或转动夹具）、控制电路、气路及水路等部分组成。
焊接电源
下降或垂直下降特性的整流电源或弧焊发电机均可作为等离子弧焊接电源。用纯氢作为离子气时，电源空载电压只需65-80V；用氢、氢混合气时，空载电压需110-120 0
大电流等离子弧都采用等离子弧，用高频引燃非转移弧，然后转移成转移弧。
30A以下的小电流微束等离子弧焊接采用混合型弧，用高频或接触短路回抽引弧。由于非转移弧在非常焊接过程中不能切除因此一般要用两个独立的电源。
气路系统
等离子弧焊机供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气。为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气可分两路供给，其中一路可经气阀放空，以实现离子气流衰减控制。
控制系统
手工等离子弧焊机的控制系统比较简单，只要能保证先通离子气和保护气，然后引弧即可。自动化等离子弧焊机控制系统通常由高频发生器，小车行走。填充焊口逆进拖动电路及程控电路组成。程控电路应能满足提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧。延迟停气等控制要求。
一种新开发的用于等离子弧焊的焊矩系统，采用反极性电极和选用100~200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件，焊接质量很好。经对各种铝镁合金的焊接试验表明：在焊接2~8mm的板材时，可以使用熔入和锁孔式焊接技术。
使用电极极性可变的锁孔技术进行等离子弧焊，可用来焊圆周焊缝，如AlMg3管道、法兰盘以及GK－AlSi7Mg冷铸合金制造的形状各异的零件，能够进行8mm壁厚材料的无坡口对焊连接。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。由于只在铸件一侧才会产生气孔，因此要确定铸件熔化金属的原子氢含量。如果铸件熔化金属中的氢含量低于0.3mL/100g，焊缝产生的气孔就很少。采用此方法要修复的焊缝总长度可达39m，占整个焊缝长度的27.2%。
在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下，采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。另外，通过调节电流，确保厚板等离子弧对接接头焊接时产生锁孔的传感器系统、导电的熔池支撑与被焊板材绝缘，并通过带电的车架在等离子弧穿透时测量电流，并随之移动。
这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点：
（1）采用等离子弧焊时的特定工艺优点，不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面，而且涉及使用锁孔技术。
应用范围包括：表面堆焊、喷涂和焊接。通过可调频率使用低脉冲焊接电流，等离子弧焊可以更好的方式控制电弧能量的大小，能够通过现代控制系统可靠地同步监测各种设定值的执行情况。晶体管的焊接电源，如 AUTOTIG系列，可以精确地按照技术规格的规定运行。
（2）用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时，具有焊接速度快、热输入小和变形小等优点。
（3）等离子弧焊接时，锁孔技术的优点还清楚地在板厚达10mm的材料焊接方面体现。在应用技术中，粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器人上得到应用。
杨怀文
索引：等离子弧焊的几个工艺参数
关键词：焊接电流，焊接速度，喷嘴离工件的距离，等离于气及流量，引弧及收弧，接头形式和装配要求，
(1)焊接电流
焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。焊接电流过小，难于形成小孔效应：焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大，但电流过大会造成熔池金属因小孔直径过大而坠落，难以形成合格焊缝，甚至引起双弧，损伤喷嘴并破坏焊接过程的稳定性。因此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。
(2)焊接速度
焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择。其他条件一定时，如果焊接速度增大，焊接热输入减小，小孔直径随之减小，直至消失，失去小孔效应。如果焊接速度太低，母材过热，小孔扩大，熔池金属容易坠落，甚至造成焊缝凹陷、熔池泄漏现象。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流等这三个工艺参数应相互匹配。
(3)喷嘴离工件的距离
喷嘴离工件的距离过大，熔透能力降低：距离过小，易造成喷嘴被飞溅物堵塞，破坏喷嘴正常工作。喷嘴离工件的距离一般取3～8mm。与钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。
(4)等离于气及流量
等离子气及保护气体通常根据被焊金属及电流大小来选择。大电流等离子弧焊接时，等离子气及保护气体通常采取相同的气体，否则电弧的稳定性将变差。小电流等离子弧焊接通常采用纯氩气作等离子气。这是因为氧气的电离电压较低，可保证电弧引燃容易。
离子气流量决定了等离子流力和熔透能力。等离子气的流量越大，熔透能力越大。但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。因此，应根据喷嘴直径、等离子气的种类、焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。利用熔人法焊接时，应适当降低等离子气流量，以减小等离子流力。
保护气体流量应根据焊接电流及等离子气流量来选择。在一定的离子气流量下，保护气体流量太大，会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果。而保护气体流量太小，保护效果也不好，因此，保护气体流量应与等离子气流量保持适当的比例。
小孔型焊接保护气体流量一般在15～30L/min范围内。采用较小的等离子气流量焊接时，电弧的等离子流力减小，电弧的穿透能力降低，只能熔化工件，形不成小孔，焊缝成形过程与TIG焊相似。这种方法称为熔入型等离子弧焊接，适用于薄板、多层焊的盖面焊及角焊缝的焊接。
(5)引弧及收弧
板厚小于3mm时，可直接在工件上引弧和收弧。利用穿孔法焊接厚板时，引弧及熄弧处容易产生气孔、下凹等缺陷。对于直缝，可采用引弧板及熄弧板来解决这个问题。先在引弧板上形成小孔，然后再过渡到工件上去，最后将小孔闭合在熄弧板上。
大厚度的环缝，不便加引弧板和收弧板时，应采取焊接电流和离子气递增和递减的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量衰减法来收弧闭合小孔。
(6)接头形式和装配要求
工件厚度大于1.6mm时，小于表1-1列举的厚度时，采用I形坡口，用穿孔法单面焊双面成形一次焊透。工件厚度大于表1-1列举的数值时，根据厚度不同，可开V形、U形或双V形、双U形坡口。
工件厚度小于1．6mm，采用微束等离子弧焊时，接头形式有对接、卷边对接、卷边角接、端面接头。当厚度小于0．8mm时，接头装配要求见表1-2。
摘 要：提出了一种基于等离子弧焊的直接金属成形新方法,通过对成形工艺的试验研究,确定了焊接电流、成形速度与成形轨迹宽度之间的对应关系;针对成形轮廓的表面质量问题,实施了根据轮廓矢量进行切向送丝的填充方案;并采用循环水冷的温控措施解决了成形过程的过热问题。
送丝角度对成形轨迹的影响
本文在实验中发现,对零件外轮廓进行扫描时,填充丝材送入的方向同外轮廓切向的夹角对轮廓成形的质量有显著的影响。在直接金属成形系统运动机构的早期设计中, 焊炬和送丝机构固定不动,保持送丝方向在空间上不变, 这样当XY 二维工作台沿着成形轮廓插补运动时, 送丝方向与成形轮廓的运动方向就会形成一定的夹角α,如图3。当夹角α较小时,轨迹成形所受影响不大,但是, 当α增加到一定程度后成形轨迹的表面波纹度开始增大,表面质量明显变差。
图4是不同送丝角度下成形轨迹的形貌。可以看出,送丝角度保持在小角度范围内时,成形轨迹表面质量较好;而随着送丝角度的增加,成形轨迹表面的波浪度增大;当送丝角度进一步增大时,熔化的焊丝不能进入熔池,团成球状凝结于扫描路径外侧,不能形成完整的轨迹。
成形过程不均匀的热场和力场分布,是造成这种现象的主要原因。小角度,特别是切向送丝时,焊丝送入的方向与焊接热场移动的方向相符,焊丝能够得到足够的热量迅速熔化,并与熔池形成搭桥过渡,顺利进入熔池,如图5。固定送丝方向时,随着焊丝与轨迹切向夹角的增大,焊丝吸收的热量减少,难以形成顺利的搭桥过渡,焊丝熔化后团聚成球状,难以送入熔池中心,在自重作用下落于熔池边缘,如图6。
成形件的外轮廓总是由各种形式的曲线构成的,如果在成形曲线的过程中保持送丝的角度不变,势必会引起熔滴过渡的条件时好时坏,容易在曲线轨迹表面形成图7中所示的积瘤、夹丝等缺陷。因此,成形过程中,为了保证成形轨迹轮廓的一致均匀性,应根据成形轮廓切向的变化,不断调整送丝角度,使二者保持一致,如图8。
为了方便送丝角度的动态调整,本文对直接金属成形系统的机构部分进行了改进,将先前固定的焊炬和送丝机构置于回转工作台上,回转工作台通过步进电机在计算机系统的控制下可以随扫描轨迹的走向自适应旋转,以保证送丝机构沿扫描轮廓的切向均匀连续地送丝。图9即为改进后的直接金属成形系统部分实物照片,图10是采用送丝角度调整后成形轮廓的外观情况,通过送丝角度的调整,成形件的外观质量得到了改善。
冷却措施
在成形过程中,成形件要承受电弧热量的连续输入,从而造成其整体温度升高,成形轨迹热影响区变大,熔池金属流动性增强等热效应,这对于控制成形件表面质量极为不利。而焊后引起的整体热变形对成形件的尺寸及形状都有很大的影响。对于具有薄壁特征的成形件,其传热途径更为局限,因此,这种热效应就更为严重(如图11) 。因此,有必要采取可靠的传热措施,控制成形过程中成形件的热量传递。
针对这种现象,本文在实验中采用循环水冷的方法,增强成形过程中成形件的热量传递。具体实施方法如图12所示,将基底放入水槽中进行焊接成形;当成形过程中出现过热效应时,开始通入循环冷却水;并使冷却水的液面始终与当前熔焊层保持3 mm～5 mm的距离,以保持良好的散热效果。这样可以大大改善成形件的热传递过程,同时也可在一定程度上增强保护气体的保护效果。
等离子是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体，在温度谱上可以把其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。等离子是由被激活的高子、电子、原子或分子组成。例如：它可通过自然界中的闪电产生。从1960年以后，等离子这个词获得了新的含义，那就是电弧通过涡流环或喷嘴压缩而形成的高能量状态，此原理被广泛用于钢铁、化工及机械工程工业。
等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧，又称压缩电弧。两者在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。
等离子弧的最大电压降是在弧柱区里，这是由于弧柱被强烈压缩，使电场强度明显增大的缘故。因此，等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属，而自由钨弧是利用两电极区产生的热来加热母材和电极金属。
等离子弧的静特性曲线接近U形(图1-2)。与自由钨弧比较最大区别是电弧电压比自由钨弧高。此外，在小电流时，自由钨弧静特性为陡降(负阻特性)的，易与电源外特性曲线相切，使电弧失稳。而等离子弧则为缓降或平的，易与电源外特性相交建立稳定工作。
表示了等离子弧与自由钨弧的形态区别。等离子弧呈圆柱形，扩散角约5度左右，焊接时，当弧长发生波动时，母材的加热面积不会发生明显变化，而自由钨弧呈圆锥形，其扩散角约45度，对工作距离变化敏感性大。
等离子弧的挺直度非常好。由于等离子弧是自由钨弧经压缩而成，故其挺度比自由钨弧好，焰流速度大，可达300m/s以上，因而指向性好，喷射有力，其熔透能力强。
综述
穿孔型等离子弧焊接最适于焊接厚度3～8mm不锈钢、厚度12mm以下钛合金、板厚2～6mm低碳或低合金结构钢以及铜、黄铜、镍及镍合金的对接焊缝。这一厚度范围内可不开坡口，不加填充金属，不用衬垫的条件下实现单面焊双面成形。厚度大于上述范围时可采用V形坡口多层焊。
高温合金焊接
用等离子弧焊焊接固溶强化和Al、Ti含量较低的时效强化高温合金时，可以填充焊丝也可以不加焊丝，均可以获得良好质量的焊缝。一般厚板采用小孔型等离子弧焊，薄板采用熔透型等离子弧焊，箔材用微束等离子弧焊。焊接电源采用陡降外特性的直流正极性，高频引弧，焊枪的加工和装配要求精度较高，并有很高的同心度。等离子气流和焊接电流均要求能递增和衰减控制。
焊接时，采用氩和氩中加适量氢气作为保护气体和等离子气体，加入氢气可以使电弧功率增加，提高焊接速度。氢气加入量一般在5%左右，要求不大于15%。焊接时是否采用填充焊丝根据需要确定。选用填充焊丝的牌号与钨极惰性气体保护焊的选用原则相同。
高温合金等离子弧焊的工艺参数与焊接奥氏体不锈钢的基本相同，应注意控制焊接热输入。镍基高温合金小孔法自动等离子弧焊的工艺参数见表1-1。在焊接过程中应控制焊接速度，速度过快会产生气孔，还应注意电极与压缩喷嘴的同心度。高温合金等离子弧焊接接头力学性能较高，接头强度系数一般大于90%。
铝及铝合金
等离子弧是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。焊接铝合金时，采用直流反接或交流。铝及铝合金交流等离子弧焊接多采用矩形波交流焊接电源，用氩气作为等离子气和保护气体。对于纯铝、防锈铝，采用等离子弧焊，焊接性良好；硬铝的等离子弧焊接性尚可。
为了获得高质量的焊缝应注意以下几点。
a．焊前要加强对焊件、焊丝的清理，防止氢溶人产生气孔，还应加强对焊缝和焊丝的保护。
b．交流等离子弧焊的许用等离子气流量较小，流量稍大，等离子弧的吹力过大，铝的液态金属被向上吹起，形成凸凹不平或不连续的凸峰状焊缝。为了加强钨极的冷却效果，可以适当加大喷嘴孔径或选用多孔型喷嘴。
c．当板厚大于6mm时，要求焊前预热100--200℃。板厚较大时用氦作等离子气或保护气，可增加熔深或提高效率。
d．需用的垫板和压板最好用导热性不好的材料制造(如不锈钢)。垫板上加工出深度lmm、宽度20～40mm的凹槽，以使待焊铝板坡口近处不与垫板接触，防止散热过快。
e．板厚不大于lOmm时，在对接的坡口上海间隔150mm点固焊一点；板厚大于l0mm时，每间隔300mm点固焊一点。点固焊采用与正常焊接相同的电流。
f．进行多道焊时，焊完前一道焊道后应用钢丝或铜丝刷清理焊道表面至露出纯净的铝表面为止。
表1-2列出纯铝自动交流等离子弧焊接的工艺参数。表1-3列出铝合金直流等离子弧焊接的工艺参数。
钛、钛合金
等离子弧焊能量密度高、线能量大、效率高。厚度2．5～15mm的钛及钛合金板材采用小孔型方法可一次焊透，并可有效地防止产生气孔，熔透型方法适于各种板厚，但一次焊透的厚度较小，3mm以上一般需开坡口。
钛的弹性模量仅相当于铁的1/2，因此在应力相同的条件下，钛及钛合金焊接接头将发生比较显著的变形。等离子弧的能量密度介于钨极氩弧和电子束之间，用等离子弧焊接钛及钛合金时，热影响区较窄，焊接变形也较易控制。微束等离子弧焊已经成功地应用于薄板的焊接。采用3～10A的焊接电流可以焊接厚度为0.08～0.6mm的板材。
由于液态钛的密度较小，表面张力较大，利用等离子弧的小孔效应可以单道焊接厚度较大的钛和钛合金，保证不致发生熔池坍塌，焊缝成形良好。通常单道钨极氩弧焊时工件的最大厚度不超过3mm，并且因为钨极距离熔池较近，可能发生钨极熔蚀，使焊缝渗入钨夹杂物。等离子弧焊接时，不开坡口就可焊透厚度达15mm的接头，不可能出现焊缝渗钨现象。
钛板等离子弧焊接的工艺参数见表1-4。TC4钛合金等离子弧焊和TIG焊接接头的力学性能见表1-5。
焊接航天工程中应用的TC4钛合金高压气瓶的研究结果表明，等离子弧焊接头强度与氩弧焊相当，强度系数均为90%，但塑性指标比氩弧焊接头高，可达到母材的75%。根据30万吨合成氨成套设备的生产经验，用等离子弧焊接厚度10mm的TAl工业纯钛板材，生产率可比钨极氩弧焊提高5～6倍，对操作的熟练程度要求也较低。
纯钛等离子弧焊的气体保护方式与钨极氩弧焊相似，可采用氩弧焊拖罩，但随着板厚的增加、焊速的提高，拖罩要加长，使处于350℃以上的金属得到良好保护。背面垫板上的沟槽尺寸一般宽度和深度各为2.0～3.0mm，同时背面保护气体的流量也要增加。厚度15mm以上的钛板焊接时，开6～8mm钝边的V形或U形坡口，用小孔型等离子弧焊封底，然后用熔透型等离子弧填满坡口。用等离子弧封底可以减少焊道层数，减少填丝量和焊接角变形，提高生产率。熔透型多用于厚度3mm以下薄件的焊接，比钨极氩弧焊容易保证焊接质量。
银与铂
银与铂都属于贵金属，价格昂贵。银与铂可制成板材、带材、线材等常用于微电子,仪器仪表、医药等特殊产品或军工产品。
银与铂电子器件的微束等离子弧接的工艺要点如下：
a．焊前将银与铂的接头处清理干净；
b．将两种金属预热到400～500℃，
c．采用微束脉冲等离子弧，维弧电流为24A；
d．保护气体流量为6L/min，离子气流量为0.5L/min。
银与铂电子器件微束等离子弧焊接的工艺参数见表1-6
成都共益缘
2024-10-22 广告
