等離子弧焊

科學知識 9547 570 2014-11-24

等離子弧焊是利用等離子弧作為熱源的焊接方法。氣體由電弧加熱產生離解,在高速通過水冷噴嘴時受到壓縮,增大能量密度和離解度,形成等離子弧。它的穩定性、發熱量和溫度都高於一般電弧,因而具有較大的熔透力和焊接速度。形成等離子弧的氣體和它周圍的保護氣體一般用氬。根據各種工件的材料性質,也有使用氦或氬氦、氬氫等混合氣體的。

等離子弧切割是一種常用的金屬和非金屬材料切割工藝方法。它利用高速、高溫和高能的等離子氣流來加熱和熔化被切割材料,並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。

等離子弧有兩種工作方式。一種是「非轉移弧」,電弧在鎢極與噴嘴之間燃燒,主要用於等離子噴鍍或加熱非導電材料;另一種是「轉移弧」,電弧由輔助電極高頻引弧後,電弧燃燒在鎢極與工件之間,用於焊接。形成焊縫的方式有熔透式和穿孔式兩種。前一種形式的等離子弧只熔透母材,形成焊接熔池,多用於0.8~3毫米厚的板材焊接;後一種形式的等離子弧只熔穿板材,形成鑰匙孔形的熔池,多用於 3~12毫米厚的板材焊接。此外,還有小電流的微束等離子弧焊,特別適合於0.02~1.5毫米的薄板焊接。等離子弧焊接屬於高質量焊接方法。焊縫的深/寬比大,熱影響區窄,工件變形小,可焊材料種類多。特別是脈衝電流等離子弧焊和熔化極等離子弧焊的發展,更擴大了等離子弧焊的使用範圍。

等離子弧工序是一系列採用壓縮電弧進行的熱工序。等離子弧焊工序以水冷卻的銅合金噴嘴來形成壓縮電弧;而等離子切割則是採用氣體或水冷卻形式。此外等離子焊強還另附有一個氣體保護部分。

等離子是氣體加熱後變為局部離子化的狀態,故在這狀態下等離子有導電性。氣體的初步離子化通常是利用高壓電的發電機進行,氣體如選用氬,則離子化過程較為容易,因氬是單原子式結構。同樣道理,由於氮是雙原子結構,故難於離子化,因而要採用一個電壓更高的發電機來進行。

離子化區或等離子柱含有正電荷離子。相等數目的電子及中性原子或分子。等離子柱的導電性因溫度及離子柱約為銅等離子的0、05%。傳熱性及導效率決定了氣體是否適合用於等離子弧焊或切割工序。

氬是一種導熱率較低的氣體,而由於是單原子結構,故傳熱性較差。另一方面,氫由於是雙原子結構,故導熱率較佳,傳熱性質優良,因此很適合用於等離子切割;而在等離子焊接工序中,即可使用氬氣,也可以採用氬氫或氬氮混合氣體作為保護氣體,氣體原子由電源吸收電能量,情形和海綿的吸收情況相同,而發放熱能的情形亦一樣。在雙原子氣體來說,當氬原子或氮原於再次結合成分子時,會進一步放出熱能。

1、壓縮電弧

早在五十年代初,人們就發現將電弧導入一個位於電極(陰極)和工件(陽極)之間的水冷卻銅噴嘴內,便可改善鎢極氣體保護焊時開弧的性質。噴嘴不會將電弧散開而是將之壓縮成細小的切面,這動作促進了電弧的電阻加熱,因而弧的溫度及電壓相應提高。氣體通過噴嘴後,形成高速、平行及非常熱的等離子流射出。

等離子射流可在傳送狀態下操作,即電源是連接於電極和工件之間或在外傳送狀態下操作,即電源是連接於電極和噴嘴之間。雖然在兩種操作方式中,都有等離子熱流由噴嘴射出,但等離子切割工序通常採用傳送式,因為當電弧與工件有電接觸時,可用輸入熱量才能最有效率地發揮。

改變氣體種類、流動速度、電弧電流及噴嘴尺寸便可大幅度改變等離子射流的特性。例如,採用低的氣體流動速度,等離子射流便變成一個熱量高度集中的熱源,是理想的焊接環境。反之,如充分增加氣體流速,則等離子射流會切穿工件,而射流的高速足以將等離子弧切割出來的金屬吹走。

等離子弧切割所涉及的溫度比鎢極氣體保護焊接高得多,這稱為「干式電弧壓縮」,而它可能發生的原因是由於高氣體流量在噴嘴鏜孔內形成一層較冷的非離子化邊界層,而容許較高的弧壓縮。將切割氣體打旋,便可進一步增加邊界層的厚度。打旋動作令到非離子化的冷氣體沿經向外移動,形成一個較厚層。有些機械化的等離子切割可將等離子氣體打旋,以便達到最高程度的電弧壓縮。等離子弧焊炬的等離子氣體及保護氣體則通常以層流形式流動。

2、傳統等離子弧焊

以傳統「干式電弧壓縮」方法產生出來的等離子射流,可採用或不採用金屬線焊料的情況下將工件焊接。焊接速度是由電弧功率及物料厚度所決定。

3、等離子弧熔焊

等離子弧熔焊和傳統鎢極氣體保護焊工序很相似的地方是兩者都採用等離子射流作為熱源,用以熔解需要焊接的物料,可視乎接口要求而決定採用或不採用金屬線焊料作焊珠。

微束等離子焊接是一個等離子弧熔解焊接工序。這工序可在非常高速及不使用金屬線焊料的情況下焊接微薄至幾十分之一毫米的物料。以低電流(低於2安培)進行等離子弧焊的優點,電弧穩定性高,點火非常可靠。

等離子弧熔焊方法亦適用於較厚的板料作多次動作焊接。工序採用金屬線作為焊料。等離子弧熔焊的焊接速度比傳統的鎢極氣體保護焊接高得多。

4、等離子弧熔孔焊接法(小孔法)

等離子弧熔孔焊接是將傳統等離子弧熔焊法和等離子弧切割法結合而成的焊接法。等離子射流滲透需要焊接的工件的整個部分,而當焊炬穿過物料時,熔料流動而形成一個良好的接口。工序採用或不採用金屬線焊料均可。

等離子弧熔孔焊接法的主要優點是只要一次動作便能形成方形接口,厚度可達10—12mm。方形接口的生產成本比V形的低,但如要取得可靠的結果便要小心地進行焊接。大致來說,一次過熔孔焊接能經濟地為各種物料提供良好的接口。

傳統等離子弧焊接法,採用反向極性。傳統的干式電弧壓縮方法所形成的等離子射流可熔解及焊接大部分鋁及鎂合金,採用或不採用焊料均可。焊接速度由電弧功率及物料厚度所決定。當電極是正極時,鋁合金及鎂合金的氧化層分解,因此金屬可以成功地焊接起來。

和鎢極氣體保護焊接工序比較,上述工序的主要優點是無論物料厚度多少,工序只耗用1/3電流量,因此熱力輸入及變形情況得以減低,而電極受到等離子噴嘴的保護,因此只要工序條件不超過建議的參數,鎢電極破裂的危險便會大大減低。

變極性等離子弧焊接工序能採用各種特殊的混合氣體,例如氬/氦或氬/氫,因此可提高電弧溫度,減少在包氣燃點時電弧不穩定情況,因此焊料滲填作用較佳。工序以人手或機械化操作均可。

反向極性熔孔焊接工序可在一次過動作中以連續或脈衝電弧電流焊接厚達6—8mm的鋁及鎂合金。大部分採用反向極性的熔孔焊接工序都採用焊填料來防止焊珠倒扣。反向極性焊接法若使用得當,便會為鋁合金及鎂合金焊接工序帶來經濟利益。

★過程特點

等離子弧焊與TIG焊十分相似,它們的電弧都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,隨後推動等離子通過孔型良好的銅噴管將弧壓縮。通過改變孔的直徑和等離子氣流速度,可以實現三種操作方式:

1、微束等離子:0.1~15A

在很低的焊接電流下,材蓯褂夢6壤胱踴 <詞乖諢〕?浠懷?0mm時,柱狀弧仍能保持穩定。

2、中等電流:15~200A

在較大的15~200A電流下,等離子弧的過程特點與TIG弧相似,但由於等離子被壓縮過,弧更加挺直。雖然可提高等離子氣流速度來增加焊接熔池的度深,但會造成在紊亂的保護氣流中,混入空氣和保護氣體的風險。

3、小孔型等離子:大於100A

通過增加焊接電流和等離子氣流速度,可產生強有力的等離子束,與激光或電子束焊接一樣,它能夠在材料上形成充分的熔深。焊接時,隨著焊接熔池的流動,金屬穿過小孔被切割後在表面張力作用下形成焊道。單道焊時,該過程可用於焊接較厚的材料(厚度不超過10mm的不銹鋼)。

★電源

使用等離子弧焊時,通常採用直流電流和垂降特性電源。由於從特別的焊炬排列方式和各自分離的等離子、保護氣流中獲得了獨特的操作特性,可在等離子控制台上增加一個普通的TIG電源,還可以使用特別組建的等離子系統。採用正弦波交流電時,不容易使等離子弧穩定。當電極和工件間距較長且等離子被壓縮時,等離子弧很難發揮作用,而且,在正半週期內,過熱的電極會使導電嘴變成球形,從而干擾弧的穩定。

可使用專用的直流開關電源。通過調節波形的平衡來減少電極正極的持續時間,使電極得到充分冷卻,以維護尖頭導電嘴形狀,並形成穩定的弧。

★起弧

雖然等離子弧是通過採用高頻產生的,但它首先是在電極和等離子噴嘴之間形成的。該維弧被裝在焊炬中,需要焊接時,再將它轉移到工件上。與在焊縫間保持的維弧相同,維弧系統能確保穩定的起弧,這避免了對產生電子干涉的高頻的需要。

★電極

用於等離子過程使用的是含2%氧化釷的鎢電極和銅的等離子噴嘴。與TIG焊使用的導電嘴不同,在等離子過程中,對電極導電嘴的直徑要求不那麼嚴格,但壓縮角須保持在30°~60°左右。等離子噴嘴孔的直徑是很重要的,在相同的電流強度和等離子氣流速度下,孔直徑太小會導致噴嘴被過度腐蝕甚至熔化。在工作電流下,需要謹慎使用直徑過大的等離子噴嘴。

註:孔的直徑過大,可能會對弧的穩定及孔的維護造成困難。

★等離子和保護氣體

通常等離子氣體的組合氣體是氬氣,並含有2%~5%的氬氣作為保護氣體。氦氣也能用做等離子氣體,但由於它溫度較高,會降低噴嘴的電流上升率。氫氣含量越少,進行小孔型等離子焊接就越困難。

★應用

☆微束離子焊接

微束離子通常用於焊接薄板材(厚度為0.1mm)、焊絲和網孔部分。針型挺直的弧能將弧的偏離和變形減到最小。雖然等效的TIG 弧更擴散,但更新的晶體管化的(TIG)電源能在低電流下產生非常穩定的弧。

☆中等電流焊接

在熔化方式下可選擇該方法進行傳統的



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