等離子弧焊與自動(dòng)氬弧焊組合焊接工藝分析

李建平 周正亮 崇鳳嬌 楊冬琴

（天華化工機(jī)械及自動(dòng)化研究設(shè)計(jì)院有限公司，蘭州 730000）

社會(huì)經(jīng)濟(jì)的快速發(fā)展，帶動(dòng)了現(xiàn)代工業(yè)的迅猛發(fā)展。在工業(yè)發(fā)展中，不銹鋼和雙相鋼等材料的占比越來越大。焊接技術(shù)是這些材料制作設(shè)備的主要加工工藝。在規(guī)模化的工業(yè)生產(chǎn)中，傳統(tǒng)的氬弧焊與電弧焊組合工藝轉(zhuǎn)變成等離子與自動(dòng)氬弧相結(jié)合為主的焊接工藝[1]。本文著重介紹后兩種焊接工藝及其產(chǎn)生機(jī)理和技術(shù)要點(diǎn)，并分析二者相結(jié)合的焊接工藝。

1 等離子弧焊接工藝原理及設(shè)備

1.1 等離子弧的特點(diǎn)及產(chǎn)生原理

一般的焊接電弧為自由電弧，電弧的氣體未被充分電離。當(dāng)氣體獲得足夠的能量時(shí)，會(huì)產(chǎn)生電離，將較充分電離的氣體稱之為等離子體。等離子體屬于一種特殊物質(zhì)。實(shí)際使用的等離子體是經(jīng)過壓縮的電弧，也就是等離子弧[2]。首先，等離子弧溫度高且能量密度大，內(nèi)部正負(fù)離子的濃度幾乎相等，溫度能夠達(dá)到1 6000～33 000 K，遠(yuǎn)超一般自由電弧的溫度。等離子弧能量密度也要比一般的自由電弧高，且具有較高的導(dǎo)電性。由于它的截面積較小，因此一般的等離子弧噴嘴出口的溫度在20 000 K以上[3]。其次，等離子弧具有較強(qiáng)的穩(wěn)定性、挺直度以及較寬的調(diào)節(jié)范圍，根據(jù)不同的材質(zhì)和工藝要求，通過調(diào)節(jié)電流、噴嘴孔徑、噴嘴形態(tài)、氣體種類以及氣體流量，可以得到不同性質(zhì)的等離子弧，因此調(diào)節(jié)范圍較寬[4]。此外，等離子弧具有較強(qiáng)的吹力。等離子弧發(fā)生裝置內(nèi)通入常溫的壓縮氣體，由于受到電弧的高溫而膨脹，使氣體壓力增高，通過噴嘴的細(xì)孔截面積較小，能量集中。由于氣體的流速極強(qiáng)，因此可形成較強(qiáng)吹力的等離子弧柱[5]。

1.2 等離子弧的焊接方法分類

1.2.1 穿透型焊接法

穿透型焊接法是電弧在溶池前端穿透工件形成小孔的焊接方法，也被稱為小孔效應(yīng)法。穿透型焊接法主要利用等離子弧高溫和能量集中的特點(diǎn)，迅速將焊縫處的金屬加熱至熔化狀態(tài)。當(dāng)焊接參數(shù)選擇適當(dāng)、電弧挺度適中時(shí)，它足以穿透整個(gè)焊縫的厚度。穿透型焊接法具有焊接速度快、生產(chǎn)效率高、焊接接頭質(zhì)量好以及焊接變形小的優(yōu)點(diǎn)。

1.2.2 熔透型焊接法

熔透型焊接法是指在焊接過程中只熔透焊件但不產(chǎn)生小孔效應(yīng)的等離子弧焊接法。在使用熔透型焊接法焊接時(shí)，電弧壓縮的程度較弱，等離子流噴出的速度較小，電弧的穿透能力較弱。熔透型焊接法與鎢極氬弧焊的焊接方法較為類似，適宜焊接2～3 mm厚度的板材。

1.2.3 微束等離子弧焊

微束等離子弧焊接是利用小電流（通常小于30 A）進(jìn)行焊接的等離子弧焊。當(dāng)微束等離子弧焊的焊接電流小于10 A時(shí)，會(huì)出現(xiàn)電流不穩(wěn)定的情況，因此往往要采用聯(lián)合弧的形式進(jìn)行焊接。此外，微束等離子弧焊接對(duì)電源有一定要求，需采用垂直陡降外特征的直流電源進(jìn)行焊接。

1.3 等離子弧焊接設(shè)備及主要組成部分

等離子氬弧焊接設(shè)備的主要結(jié)構(gòu)包含了弧焊電源、等離子弧焊槍、自動(dòng)控制系統(tǒng)、行走機(jī)構(gòu)以及氣路和水路循環(huán)系統(tǒng)，如圖1所示。等離子弧焊接的首要設(shè)備是電源。等離子弧焊所采用的電源大部分具有陡降外特性的電源。根據(jù)某些工藝和焊接需要，有時(shí)會(huì)要求使用垂直下降外特性的電源。此外，它還包括等離子弧的引弧裝置、焊接監(jiān)視系統(tǒng)以及噴嘴。噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸與形狀對(duì)等離子弧的壓縮作用及其穩(wěn)定性具有重要影響，主要分為單孔噴嘴、多孔噴嘴和雙錐度噴嘴。單孔噴嘴是只帶一個(gè)中心壓縮孔的噴嘴，適宜中小電流的等離子弧焊接使用；多孔噴嘴是除帶有中心孔以外，在中心孔的兩側(cè)還有等距離的噴孔，能夠有效減小焊縫；雙錐度噴嘴（擴(kuò)散式）是一種新型噴嘴，可以使用更大的電流進(jìn)行焊接，還能夠擴(kuò)大等離子弧的穩(wěn)定參數(shù)，如在焊接不銹鋼時(shí)，采用雙錐度噴嘴能夠一次穿透14 mm的焊縫。

圖1 等離子+自動(dòng)氬弧焊接設(shè)備

1.4 等離子弧焊工藝優(yōu)點(diǎn)

等離子弧焊能夠焊接大多數(shù)電弧焊所能焊接的材料以及多種難熔金屬，具有極大的優(yōu)越性。比如，對(duì)于一些活性材料，一般的焊接方法是不能完成的，而等離子弧能夠進(jìn)行焊接。尤其在薄板焊接方面，等離子弧焊工藝解決了氬弧焊不能進(jìn)行的焊接問題。例如，一般情況下氬弧焊在焊接1 mm的板材時(shí)難度很大，而等離子弧焊能夠輕松解決這一問題。但是，等離子弧焊接具有很強(qiáng)的穿透性，一般對(duì)于小于8 mm的金屬板材可以不用開坡口而直接拼板焊接，減少了填充金屬的消耗，降低了生產(chǎn)成本。

2 自動(dòng)氬弧焊的簡要概述

自動(dòng)氬弧焊是在普通氬弧焊的基礎(chǔ)上增加自動(dòng)控制系統(tǒng)和自動(dòng)送絲機(jī)構(gòu)，利用氬氣保護(hù)熔池，通過電流使母材熔化成液態(tài)熔池，再使母材金屬與焊材相結(jié)合的一種焊接技術(shù)。在進(jìn)行氬弧焊接時(shí)，要注意焊接參數(shù)的調(diào)整設(shè)定，包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度等。焊接時(shí)，各項(xiàng)參數(shù)必須匹配好，同時(shí)要保證焊前各項(xiàng)準(zhǔn)備工作的完善以及焊接設(shè)備各項(xiàng)性能的完好。

3 等離子與自動(dòng)氬弧焊組合焊接工藝質(zhì)量控制及焊接要求

在進(jìn)行等離子與自動(dòng)氬弧組合焊接時(shí)，以介紹焊接不銹鋼材料為主，主要基于以下幾方面進(jìn)行控制及焊接。

3.1 焊接環(huán)境

以焊接304L、316L和2205雙相鋼為例，在焊接前要清理焊縫兩側(cè)的油污，打磨去掉氧化層及其他雜質(zhì)，同時(shí)背面必須有氬氣保護(hù)以確保背面成型。因?yàn)榈入x子與自動(dòng)氬弧焊組合焊接工藝的焊接熱源較集中，熔池溫度高，因此焊接過程速度快、焊縫成型好且焊接缺陷少。實(shí)際工業(yè)生產(chǎn)中的打底焊縫和蓋面焊縫，分別如圖2所示和圖3所示。由于焊接熔池溫度高，因此不銹鋼等材料在焊接過程中需要注意控制層間溫度，防止接頭組織過熱導(dǎo)致晶粒粗大而影響力學(xué)性能和腐蝕性能。此外，焊接過程中要時(shí)刻確保接頭部位清潔，防止雜質(zhì)進(jìn)入。

圖2 等離子打底焊縫

圖3 氬弧焊蓋面焊縫

3.2 焊接接頭

要合理設(shè)計(jì)焊接接頭，防止出現(xiàn)指導(dǎo)工藝不當(dāng)而導(dǎo)致的缺陷，以及出現(xiàn)應(yīng)力腐蝕和開裂的情況，同時(shí)選擇合理的組裝工藝，減少變形度。此外，要規(guī)范合適的焊接工藝，設(shè)置匹配的焊接參數(shù)，確保焊縫成型良好，防止出現(xiàn)咬邊和未熔合等缺陷。焊接過程中還要規(guī)范調(diào)整及安排焊接參數(shù)和焊接順序，以降低焊接殘余應(yīng)力水平。

3.3 人員與設(shè)備

焊接前要確保焊接人員取得相關(guān)的操作證書，掌握焊接規(guī)范和焊接順序，能夠按照標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范焊接，且技術(shù)水平達(dá)標(biāo)。此外，要提前查驗(yàn)焊接設(shè)備各項(xiàng)性能是否完好，并查看引弧各項(xiàng)參數(shù)是否準(zhǔn)確，確保在焊接過程中不會(huì)由于設(shè)備問題而影響焊接質(zhì)量。

3.4 焊接準(zhǔn)備工作和過程控制

以焊接不銹鋼容器為例，焊接前要清理焊縫的兩側(cè)，并利用丙酮清洗焊接部位周圍的油污，然后從縱縫開始焊接。焊接過程中必須使用引弧板和收弧板。焊槍要保持垂直狀態(tài)，在焊縫背面要加上銅墊板通氣保護(hù)和冷卻裝置，防止焊縫高溫氧化，提高保護(hù)氣體的效果和焊接接頭的抗腐蝕能力。在縱縫焊接完成后開始焊環(huán)縫，此時(shí)焊槍要向焊件的方向前移，確保焊接溶池能夠在相對(duì)水平的位置上凝固。此外，要將不銹鋼壓力容器筒節(jié)與封頭裝配好，利用專用夾具將其固定，確保環(huán)縫的焊接質(zhì)量。焊接過程中還要注意控制送絲角度，防止焊絲送偏而未及時(shí)熔化形成缺陷。

3.5 焊接工藝

不銹鋼和雙相鋼等材料對(duì)焊接工藝有特殊的要求，包括焊接過程中的溫度控制、時(shí)間控制、氣體流量控制、焊接電流控制、焊接速度控制以及焊接電壓控制等。這些參數(shù)的協(xié)調(diào)匹配是影響焊接質(zhì)量的關(guān)鍵因素。

3.5.1 焊接時(shí)間

需要精準(zhǔn)把控焊接時(shí)間，避免焊接時(shí)間過長導(dǎo)致燒穿和層間溫度過高，或者時(shí)間不足而達(dá)不到焊縫成型要求。

3.5.2 焊接電流

焊接電流過大會(huì)燒穿焊縫，電流過小則不能擊穿焊縫。

3.5.3 氣體流量

氣體流量過大時(shí)，吹力太大，容易焊漏；氣體流量過小，則不利于焊縫焊透而快速成型。

3.5.4 焊接速度

焊接速度過快不易于熔池成型，而速度過慢則容易形成塌陷。

4 結(jié)語

隨著我國工業(yè)化進(jìn)程的不斷加快，等離子弧焊的方式在焊接工藝中的優(yōu)越性愈越發(fā)凸顯，是傳統(tǒng)的焊接方法不可比擬的。尤其在不銹鋼等金屬材料的焊接中，它能夠在不開坡口的條件下直接進(jìn)行焊接，減少了復(fù)雜的焊接工序和前期準(zhǔn)備工作，提高了生產(chǎn)效率，降低了生產(chǎn)成本。本文對(duì)等離子弧焊接展開詳細(xì)論述，同時(shí)簡要分析等離子與自動(dòng)氬弧焊組合焊接工藝，提出了等離子弧焊與自動(dòng)氬弧焊組合焊接的質(zhì)量控制要點(diǎn)，希望能夠擴(kuò)大等離子焊接工藝的應(yīng)用范圍，促進(jìn)我國的工業(yè)化發(fā)展。