先進等離子焊接與切割技術研究現狀

韓善果 ，楊永強 ，2，閆德俊

（1.廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學 機械與汽車工程學院，廣東廣州 510641）

0 前言

等離子體的發展可追溯到1928年，美國科學家J.Langmuir首次提出以Plasma來命名等離子體。等離子體較嚴格的定義是：等離子體是由負離子、正離子和中性粒子組成的，整體上呈電中性的物質集合體[1]。

用于加工領域的等離子弧是由等離子槍的機械壓縮、冷氣流和水冷噴嘴孔道壁的熱收縮、電弧自身的電磁收縮共同作用形成的壓縮體[2]。等離子弧被認為是TIG電弧的升級，具有高溫度、高能量密度、高電離度和高焰流速度的特點，可用于切割、焊接、噴涂和堆焊等。

等離子弧與激光束、電子束被稱為高能束，是材料高質量加工的重要熱源。由于激光、電子束設備昂貴、裝配精度要求高，限制了其應用。雖然等離子能量密度相對較低，但經過多年的發展，精密等離子加工設備已達到激光加工的下限；其次等離子弧還可用于大厚板的加工，因此等離子加工技術具有廣闊的前景[3-4]。在此將重點介紹國內外先進等離子焊接和切割的研究現狀。

1 等離子弧焊接

1.1 穿孔型等離子弧焊接

穿孔型等離子弧焊接又稱為穿透等離子弧焊接、小孔焊接。利用等離子弧熔透工件，并在等離子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池圍繞小孔分布。隨著等離子弧的不斷移動，新的熔融金屬在小孔前端不斷形成，并沿熔池壁向后流動，而小孔也隨電弧移動，因此這些金屬便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊縫，焊縫斷面呈“倒喇叭”狀。該方法可實現單面焊雙面成形，常用于厚板的打底焊[5]。由于穿孔等離子弧焊接的工藝參數可調“窗口”小，因此工藝研究較少[6]，國內外研究者的主要精力集中在對等離子弧、熔池的熱場或流場和小孔成型過程的數值模擬與分析。

國外在數值模擬上起步較早，如加州大學伯克利分校的Y.F.Hsu.在1988年便通過對穿孔等離子弧焊接的傳熱與流體流動進行了數值計算，并建立起二維準穩態有限元數值模型[7]。1993年，R.G.Keanini針對穿孔等離子弧焊接的熱場和流場，首次提出三維準穩態有限元模型[8]；1999年，H.G.Fan建立了等離子弧焊接的熱傳導和流體流動二維瞬態模型[9]。

2002年，哈爾濱工業大學的吳林、董紅剛等人針對固定穿孔等離子弧焊接率先建立了等離子弧二維穩態熱傳導模型，對熔池的電流密度和溫度分布模擬，并通過迭代法，計算出焊縫溶深和熔寬，其結果與實驗結論一致[10]。2006年，山東大學武傳松在分析了等離子弧對熔池的“挖掘”作用和厚度方向等離子弧熱流分布后，提出三維瞬態小孔等離子弧焊接熱場的有限元模型，模擬的熔池形狀和演變規律與實驗結果接近，在接近穩態時的端面形狀和達到穩態時間也與實測結果一致[11]。2011年，山東大學王小杰、霍玉雙、張濤等人在此基礎上，通過流體體積函數法對小孔截面的追蹤，分別實現了對定點小孔穿孔過程的數值模擬與分析，小孔從形成到穿孔的瞬態演變行為和熔池流場的動態變化得到了更精確的描述[12-14]。

1.2 等離子-MIG復合焊接

等離子-MIG復合焊接是將等離子氣體保護鎢極電弧焊和氣體保護熔化極電弧焊結合起來的一種復合熱源焊接工藝。與傳統MIG焊接工藝相比，其最大優勢在于：焊接速度提高兩倍；熱輸入少、HAZ窄、焊接變形與飛濺小；等離子的小孔效應明顯，熔深增加。

1972年，荷蘭PHILIPS公司研究中心的W.G.Essers和 A.C.Liefkens首次提出了 Plasma-MIG 焊接方法[15]，并在20世紀80年代開發出設備，且在德國工廠中得到應用。1995年由烏克蘭巴頓焊接研究所的工程人員在以色列組建了Plasma Laser Technologies（PLT公司），并經過多年的努力，開發出商品化的Super-MIGR○等離子旁軸復合熱源焊接系統[16]。在Plasma-MIG焊接工藝方面，日本的S.Asai和T.Ogawa等人通過確定合理的工藝參數提高了銅-鐵異種接頭性能[17]；1992 年，德國 R.Draugelates等人成功將Plasma-MIG焊用于鋁合金水下焊接[18]；日本的Ono Kohei等人利用機器人輔助Plasma-MIG系統焊接鋁合金，提高了鋁合金焊縫的外觀，并降低焊接時的煙塵與飛濺[19]。PHILIPS公司的H.Ton采用光譜分析儀分析了熔化極等離子弧焊內外溫度分布、電導率和電弧組成，發現電弧外部溫度高于內弧，大部分元素集中在內弧、自由電子密度小、導電率低，而外弧僅有Ar、自由電子密度大，導電率高，可見電流僅有小部分通過焊絲端部，而大部分依靠等離子體流入工件[20]；巴西的Moises Alvesde Oliveira和JairCarlos Dutra通過對Plasma-MIG復合焊接的作用機理進行了分析，建立起系統電路模型，計算出熔化極電壓、等離子弧電壓與熔化極電流和等離子弧電流的關系，并在實驗中得到了驗證[21]。

哈爾濱工業大學的吳林等人建立了雙電源同軸復合焊接系統，實現了對鋁合金的焊接，并通過LabView對電弧電信號進行測量，發現復合焊接的電流和電壓波動小于熔化極氣體保護焊；處于內弧的MIG電流波動會影響雙弧結構和外弧的電壓，但對外弧電流基本保持不變[22]。沈陽工業大學的李德元等人通過設計等離子-MIG同軸復合的槍體和PLC主控單元，成功地將等離子電源和MIG電源結合，并對槍體流場和溫度場模擬、熔池形狀和溫度場形態模擬、起弧過程、熔滴過渡、組織成分進行了深入研究[23]。哈爾濱焊接研究所的周大中、孫軍等人提出了單電源Plasma-MIG焊接方法，研究了一種使用一個陡降特性的焊接電源同時為兩個電弧供電的單電源Plasma-MIG焊方法，并研究了該方法的電流分配與調節特性、電壓與電位關系、熔滴過渡與電弧形態等電弧特性，其實驗結果表明，這種法簡單易行，有利于實際生產應用[23]。

1.3 激光-等離子復合焊接

在旁軸復合中，激光基本與工件保持垂直，而等離子槍與激光束有45°夾角。英國Conventry大學從1992年至今一直使用400 W的CO2激光器與50 A的等離子弧復合，焊接 0.6～0.8 mm 厚的不銹鋼、鈦和鋁合金等材料，結果表明，與單獨激光焊相比，復合焊接速度提高了1～1.5倍，且能夠熔透高反射的鋁合金材料[24-25]。北京航空制造工程研究院的陳俐研究了YAG激光-等離子復合焊接時的熱源光譜特征，發現激光與等離子弧“協同效應”在較小激光功率和較低焊接速度條件下，可以顯著增加焊縫熔深和熔寬比。隨激光功率增大和焊接速度提高，激光與等離子弧的“協同效應”減弱，復合焊接增大焊縫熔深和熔寬比的效果不明顯[26]。清華大學的都東、李志寧等人對激光-等離子復合焊接的傳熱和流動特性進行了研究，結果表明：表面張力流在復合焊熔池流動中起主要作用，電磁力在復合焊過程中起到了增加熔深的作用。由于電磁力流與上表面張力流方向相反而與下表面張力流方向相同,還具有減小上表面熔寬、增加下表面熔寬的作用[27]。

在同軸復合中，專用復合焊炬設計復雜，Fuerschbach和烏克蘭巴頓所Krivtsun Igor是將激光束從空心鎢極中間穿過，在工件表面聚焦。Fuerschbach通過激光（25%能量）與等離子（75%能量）復合來焊接6061、6111鋁合金薄板和304、17-4PH不銹鋼薄板，結果表明：復合焊接可以消除單獨激光焊所引起的熱裂紋缺陷，而且熔深增加[28]。Krivtsun Igor模擬了激光-等離子復合焊接熔滴過渡過程、焊接熔池動力學、熔池溫度分布、熔池形貌和穿孔過程，其結果與實際相符[29]。

2 等離子弧切割

2.1 注水空氣等離子切割

注水等離子切割的優點有：新型注水等離子割炬使得部分蒸發的水蒸汽形成等離子體，增加了等離子弧的最高溫度，進而增加了等離子體的穿透能力；減少切割金屬邊緣氮化層，可避免焊接時氣孔、裂紋等缺陷的產生；增加切割邊緣的垂直度，減小切口表面粗糙度，提高焊接接頭的強度；與氧-乙炔切割相比，切割端面熱影響區減小2/3，顯微硬度降低1/2；切割構件的邊緣變形量減小可直接用于焊接。由于注水等離子切割具有上述優點，可省去傳統空氣等離子切割后機加工的工序，大大提高生產效率，同時焊接接頭質量得到改善，該方法已能切割厚度達100 mm的鋼板。

目前僅有烏克蘭巴頓所開發了系列PLAZERCut等離子切割裝備。

2.2 反極性空氣等離子切割

反極性空氣等離子切割與普通等離子切割相比：小孔吸收熱量的能力增加1.5倍，焊接效率提高20%～40%；切割厚度增加2～3倍，極限厚度可達200 mm；切口寬度降低10%～15%。烏克蘭巴頓所將電極設計為中空結構，如圖1所示。并采用圖2所示的層狀納米結構的Cu-Zr-Y-Mo復合材料制造，電極的散熱環境得到改善，使用壽命提高。

圖1 反極性空氣等離子切割割炬Fig.1 Plasma torch for air plasma cutting on the reverse polarity current

圖2 割炬電極的層狀納米結構復合材料微觀結構Fig.2 Microstructure of layered nano-composite materials of cutting plasma torches electrodes

2.3 水下等離子切割

水下等離子切割的優點是可以有效降低等離子弧切割時的弧光、噪聲和煙塵的污染；降低工件切割溫度，從而減小變形。從切割槍中不僅噴出等離子氣，而且在等離子弧周圍噴出高速水流，有助于等離子弧的進一步壓縮。烏克蘭巴頓所開發的水下等離子切割設備，可在海水下27 mm處切割25 mm厚的鋼或有色金屬，若將工件置于空氣中切割，切割厚度可達80 mm。德國梅塞爾、美國L-TEC、武漢金嘉數控等公司也開發出了相應產品。

3 結論

（1）等離子弧是材料加工的重要熱源之一。穿孔等離子弧焊接具有良好的單面焊雙面成型能力，常用于厚板的打底焊，近年來針對其熱場、流場和小孔成型過程的機理，國內外都有廣泛的研究。

（2）等離子弧與MIG、激光的結合，使得兩者的優勢得到充分發揮。特別是在鋁合金、不銹鋼焊接中表現出色，其設備和機理的研究也在逐漸完善。

（3）等離子切割相對火焰切割，切口質量高、變形小；而相對于激光切割，切割厚度大幅度增加，且精密等離子切割切口質量已達激光切割下限，因此等離子切割在造船、壓力容器、型機械中都有廣泛的應用前景。

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