等離子弧焊接技術探討

西安工程技術(技師)學院 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氣體的氣囊中分離出來，隨后推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。

2.等離子弧的產生

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

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

②熱壓縮效應——當通入一定壓力和流量的氬氣或氮氣時，冷氣流均勻地包圍著電弧，使電弧外圍受到強烈冷卻，迫使帶電粒子流（離子和電子）往弧柱中心集中，弧柱被進一步壓縮。

③電磁收縮效應——定向運動的電子、離子流就是相互平行的載流導體，在弧柱電流本身產生的磁場作用下，產生的電磁力使弧柱進一步收縮。

電弧經過以上三種壓縮效應后，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。

當小直徑噴嘴，大的氣體流量和增大電流時，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，若將等離子弧調節成溫度較低、沖擊力較小時，該等離子弧稱為“柔性弧”，主要用于焊接。

3.等離子弧形勢

按電源連接方式的不同，等離子弧有非轉移型、轉移型和聯合型三種形式。

（1）非轉移型等離子弧

鎢極接電源負端，焊件接電源正端，等離子弧體產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）轉移型等離子弧

鎢極接電流負端，焊件接電流正端，等離子弧產生的鎢極和焊件之間。因為轉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移型等離子弧。

（3）聯合型等離子弧工作時非轉移弧和轉移弧同時并存，故稱為聯合型等離子弧。非轉移弧起穩定電弧和補充加熱的作用，轉移弧直接加熱焊件，使之熔化進行焊接。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，可以實現微束等離子(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、和等離子流力強的特點，將工件完全熔透并產生一個貫穿工件小孔。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。焊槍前進時，小孔在電弧后方鎖閉，形成完全熔透‘的焊縫。

穿孔效應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進行。

4.2 熔透型等離子弧焊

當離子氣流量較小、弧抗壓縮程度較弱時，這種等離子弧在焊接過程中只熔化工件而不產生小孔效應。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存在，使小電流的等離子弧可以十分穩定，目前已成為焊接金屬薄箔的有效方法。為保證焊接質量，應采用精密的裝焊夾具保證裝配質量和防止焊接變形。工件表面的清潔程度應給予特別重視。為了便于觀察，可采用光學放大觀察系統。

5.等離子弧焊設備

5.1 等離子弧焊設備的組成

和鎢極氫弧焊一樣，按操作方式，等離子弧焊設備可分為手工焊和自動焊兩類。手工焊設備由焊接電源、焊槍、控制電路、氣路和水路等部分組成。自動焊設備則由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉動夾具）、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電機均可作為等離子弧焊接電源。用純氫作為離子氣時，電源空載電壓只需65-80V；用氫、氫混合氣時，空載電壓需110-1200大電流等離子弧都采用等離子弧，用高頻引燃非轉移弧，然后轉移成轉移弧。

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。由于非轉移弧在非常焊接過程中不能切除因此一般要用兩個獨立的電源。

5.3 氣路系統

等離子弧焊機供氣系統應能分別供給可調節離子氣、保護氣、背面保護氣。為保證引弧和熄弧處的焊接質量，離子氣可分兩路供給，其中一路可經氣閥放空，以實現離子氣流衰減控制。

5.4 控制系統

手工等離子弧焊機的控制系統比較簡單，只要能保證先通離子氣和保護氣，然后引弧即可。自動化等離子弧焊機控制系統通常由高頻發生器，小車行走。填充焊口逆進拖動電路及程控電路組成。程控電路應能滿足提前送氣、高頻引弧和轉弧、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。

國外焊接技術最新進展情況（等離子弧焊）：

一種新開發的用于等離子弧焊的焊矩系統，采用反極性電極和選用100～200A焊接電流可以經濟有效地焊接鋁制零件，焊接質量很好。經對各種鋁鎂合金的焊接試驗表明：在焊接2～8mm的板材時，可以使用熔入和鎖孔式焊接技術。

使用電極極性可變的鎖孔技術進行等離子弧焊，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，能夠進行8mm壁厚材料的無坡口對焊連接。使用新開發的特殊氣體控制系統可以無缺陷地完成圓周焊縫的收尾焊接。由于只在鑄件一側才會產生氣孔，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，焊縫產生的氣孔就很少。采用此方法要修復的焊縫總長度可達39m，占整個焊縫長度的27.2%。

6.與TIG焊接對比

在研究開發最現代化的電源和控制技術條件下，采用等離子弧焊技術是一種質量最佳、經濟有效、重復性好的連接工藝。另外，通過調節電流，確保厚板等離子弧對接接頭焊接時產生鎖孔的傳感器系統、導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測量電流，并隨之移動。

（1）采用等離子弧焊時的特定工藝優點，不僅主要表現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。

應用范圍包括：表面堆焊、噴涂和焊接。通過可調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，能夠通過現代控制系統可靠地同步監測各種設定值的執行情況。晶體管的焊接電源，如AUTOTIG系列，可以精確地按照技術規格的規定運行。

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

（3）等離子弧焊接時，鎖孔技術的優點還清楚地表現在板厚達10mm的材料焊接方面。在應用技術中，粉末等離子弧焊接具有穩固的市場地位。這種新的工藝也將會在機器人上得到應用。

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