等離子弧焊

科學知識 9547 498 2015-05-13

含義

        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、發熱量和溫度都高于一般電弧,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后,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;后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。等離子弧焊接屬于高質量焊接方法。焊縫的深/寬比大,熱影響區窄,工件變形小,可焊材料種類多。特別是脈沖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范圍。 

等離子弧焊(PAW)簡介

★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,隨后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??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,但由于等離子被壓縮過,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:大于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后在表面張力作用下形成焊道。單道焊時,該過程可用于焊接較厚的材料(厚度不超過10mm的不銹鋼)。   

★電源   

        使用等離子弧焊時,通常采用直流電流和垂降特性電源。由于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,可在等離子控制臺上增加一個普通的TIG電源,還可以使用特別組建的等離子系統。采用正弦波交流電時,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,在正半周期內,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,并形成穩定的弧。   

★起弧   

        雖然等離子弧是通過采用高頻產生的,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   

        用于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么嚴格,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。   

        注: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,并含有2%~5%的氬氣作為保護氣體。氦氣也能用做等離子氣體,但由于它溫度較高,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   

         微束離子通常用于焊接薄板材(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TIG焊。 它的優點是能產生較深的熔深(愿于較高的等離子氣流),能容許包括藥皮(焊炬中的焊條)在內的較大的表面污染。主要缺點是焊炬笨重,使手工焊接比較困難。在機械化焊接中,應該更加注意焊炬的維護以保證穩定的性能。   

☆小孔型焊接   

         可用的幾點優勢是:熔深較深、焊接速度快。與TIG 弧相比,它能焊透厚度達10mm的板材,但使用單道焊接技術時,通常將板材厚度限制在6mm內。通常的方法是使用有填充物的小孔,以確保焊道斷面的光滑(無齒邊)。由于厚度達到了15mm,要使用6mm厚的鈍邊進行V型接頭準備。也可使用雙道焊技術,在熔化方式下通過添加填充焊絲,自動生成第一和第二條焊道。必須精確地平衡焊接參數、等離子氣流速度和填充焊絲的添加量(填入小孔)以維護孔和焊接熔池的穩定,這一技術只適用于機械化焊接。雖然通過使用脈沖電流,該技術能用于位置焊接,但它通常是用于對較厚的板材材料(超過3mm)進行高速平焊。進行管道焊接時,必須精確地控制溢出電流和等離子氣流速度以確保小孔關閉。

等離子弧焊接和切割

 工作原理   

        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,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。   

等離子弧焊接和切割:   

1.1 等離子弧的產生:   

(1)等離子弧的概念:   

        自由電弧:未受到外界約束的電弧,如一般電弧焊產生的電弧。   

        等離子弧:受外部拘束條件的影響使孤柱受到壓縮的電弧。   

        自由電弧弧區內的氣體尚未完全電離,能量未高度集中,而等離子弧弧區內的氣體完全電離,能量高度集中,能量密度很大,可達105~106W/cm2,電弧溫度可高達24000~5000K(一般自由狀態的鎢極氬弧焊最高溫度為10000~20000K,能量密度在104W/cm2以下)能迅速熔化金屬材料,可用來焊接和切割。   

(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。   

        ?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。   

         ?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。   

        ?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,產生的電磁力使孤柱進一步收縮。   

        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。   

1.2 等離子弧焊接   

1.2.1 基本知識   

        用等離子弧作為熱源進行焊接的方法稱為等離子孤焊接。   

        焊接時離子氣(形成離子弧)和保護氣(保護熔池和焊縫不受空氣的有害作用)均為氬氣。   

        等離子弧焊所用電極一般為鎢極(與鎢極氬弧焊相同,國內主要采用釷鎢極和鈰鎢極,國外還采用鋯鎢極和鋯極),有時還需填充金屬(焊絲)。一般均采用直流正接法(鎢棒接負極)。故等離子弧焊接實質上是一種具有壓縮效應的鎢極氣體保護焊。

1.2.2 等離子弧焊接的分類:   

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的小孔。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。   

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。   

3.微束等離子弧焊   

         15 ^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。   

1.2.3 等離子弧焊接的特點及應用:   

特點:   

(1)微束等離子弧焊可以焊接箔材和薄板。   

(2)具有小孔效應,能較好實現單面焊雙面自由成形。   

(3)等離子弧能量密度大,弧柱溫度高,穿透能力強,10~12mm厚度鋼材可不開坡口,能一次焊透雙面成形,焊接速度快,生產率高,應力變形小。   

(4)設備比較復雜,氣體耗量大,只宜于室內焊接。   

        應用:廣泛用于工業生產,特別是航空航天等軍工和尖端工業技術所用的銅及銅合金、鈦及鈦合金、合金鋼、不銹鋼、鉬等金屬的焊接,如鈦合金的導彈殼體,飛機上的一些薄壁容器等。

各種焊接方法及設備(等離子弧焊)

        試述等離子弧的類型: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見圖23。   

(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。   

        為建立轉移型等離子弧,應將鎢極接電源負極,噴嘴和焊件同時接正極,轉移型弧示意圖見圖24。首先接通鎢極與噴嘴之間的電路,引燃鎢極與噴嘴之間的電弧,接著迅速接通鎢極和焊件之間的電路,使電弧轉移到鎢極和焊件之間直接燃燒,同時切斷鎢極和噴嘴之間的電路,轉移型等離子弧就正式建立。   

         在正常工作狀態下,噴嘴不帶電,在開始引燃時產生的等離子弧,只是作為建立轉移弧的中間媒介。   

       常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊和微束等離子弧焊三種。   

(1)小孔型等離子弧焊 使用較大的焊接電流,通常為50~500A,轉移型弧。施焊時,壓縮的等離子焰流速度較快,電弧細長而有力,為熔池前端穿透焊件而形成一個小孔,焰流穿過母材而噴出,稱為 “小孔效應”,其示意圖見圖25。隨著焊槍的前移,小孔也隨著向前移動,后面的熔化金屬凝固成焊縫。由于等離子弧能量密度的提高有一定限制,因此小孔型等離子弧焊只能在有限厚板內進行焊接,見表2。   表2 小孔型等離子弧焊一次焊透厚度 (mm)   不銹鋼 ?8   鈦及鈦合金 ?12   鎳及鎳合金 ?6   低合金鋼 ?7   低碳鋼 ?8   

(2)熔透型等離子弧焊 當等離子氣流量較小、弧柱壓縮程度較弱時,此種等離子弧在焊接過程中只熔化焊件而不產生小孔效應,焊縫成形原理與鎢極氬弧焊相似,稱為熔透型等離子弧焊,主要用于厚度小于2~3mm的薄板單面焊雙面成形及厚板的多層焊。   

(3)微束等離子弧焊 焊接電流30A以下熔透型焊接稱為微束等離子弧焊。采用小孔徑壓縮噴嘴(?0.6mm~?1.2mm)及聯合型弧,當焊接電流小至1A以下,電弧仍能穩定地燃燒,能夠焊接細絲和箔材。

等離子弧焊設備

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。  

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110-120 0 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。   

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。   

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%。   

         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。   

這種新的工藝與TIG焊接相比具有如下特點:   

(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。

 



,