等离子弧焊

等离子弧焊

一、等离子弧焊的分类、特点和应用

（一）等离子弧焊的分类、特点

在焊接领域中，用等离子弧作热源的工艺方法主要有等离子弧堆焊、等离子弧焊接、等离子弧切割、等离子弧喷涂等。等离子弧焊与钨极氯弧焊很相似，但它的热源是经机械压缩、热收缩、磁收缩的压缩电弧。等离子弧比电弧温度高，能量密度大，因而可高速度低热输入焊接。等离子弧焊有穿透型（小孔型）等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊三种基本方式。小孔型等离子弧焊利用等离子弧能量密度大和等离子流力大的特点，将工件完全熔透并产生一个贯穿的小孔，被熔化的金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力相互作用下保持平衡。焊枪前进时。小孔在电弧后方锁闭，形成完全熔透的焊缝。小孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成，板厚增加，所需能量密度也增加，因此穿透型等离子弧焊的板厚受一定限制，除了钛和钛合金可焊到12mm以外，其余金属只能焊到6～8mm。熔透型等离子弧焊用压缩程度较弱的等离子弧，只熔化工件而不产生小孔效应，与钨极氩弧焊类似，主要用于薄板单面焊背面成形及厚板的多层焊。微束等离子弧焊用小孔径压缩喷嘴，用非转移与转移联合型等离子弧，焊机有两个独立的焊接电源，焊接电流仅有1～30A，但等离子弧稳定性好，可用于焊接箔材和细丝。

等离子弧焊的特点是能量集中温度高，焊接速度快，电弧挺直性和稳定性好，可焊接更细更薄的工件，弧长变化对焊缝成形的影响比较小，而且钨极内缩在喷嘴之内电极不与工件接触，没有焊缝夹钨的问题，焊接热输人小，焊接质量高。但焊接电源、控制系统、焊炬都较复杂，设备费用是钨极氩弧焊的2～5倍，参数的调节匹配较复杂，对喷嘴构造、钨极安装等要求较高而且喷嘴寿命短。

（二）等离子弧焊在承压设备制造和安装中的应用

在锅炉、压力容器和压力管道制造安装中，等离子弧焊广泛用于不锈钢和有色金属的切割。微束等离子弧焊用于波纹管等薄件的焊接。在承压设备制造中，自动等离子弧焊常用于焊接厚度为8mm以下的钛、锆、镍、不锈钢等金属。

在不锈钢有缝管的生产线上，不锈钢带由机器卷制成管状，其纵缝用穿透型等离子弧焊一次熔透焊成。管壁较小时纵缝接口处的缝隙角度不大，可以不填丝焊接。若板厚较大，接口处缝隙较大，则要适当填丝。其焊接速度比钨极氩弧焊快，还减小了不锈钢的过热敏化，提高了耐蚀性。

二、等离子弧焊设备的组成

等离子弧焊接设备主要包括焊接电源、控制系统、焊枪、气路系统、水路系统。根据不同的需要有时还配送丝系统、机械旋转系统、行走系统及装夹系统等。

（一）焊接电源

等离子弧焊的焊接电源由于电弧工作部分是水平或略上升的，为稳定焊接电流，都要求有陡降或垂降特性的（恒流）外特性的弧焊电源。电源最好具有电流递增及衰减等功能，以满足起弧及收弧的工艺要求。电源空载电压根据离子气的种类而定。氩作离子气时，空载电压为60～80V，用氩、氢混合作离子气时，空载电压需要110～120V，微束等离子弧焊接电源空载电压为100～130V。电源种类有直流、交流、脉冲。直流和脉冲正极性可以焊接碳钢、合金钢、镍及镍合金、钛及钛合金、不锈钢等材料。直流和脉冲反极性可以焊接铝镁及其合金或等离子弧堆焊。交流主要焊接铝镁及其合金。

等离子弧焊焊接电源主要有磁放大器式、晶闸管式、场效应管逆变式、IGBT逆变式等弧焊整流电源。如ZXG系列、ZX系列、ZDG系列、WS系列、WSM系列、WSE系列和专用LH系列等。

（二）控制系统

等离子弧焊接工艺的主要控制由控制系统完成。控制系统与电源集成在一起，也可以单独做成一个控制箱。典型的等离子弧焊机的控制系统主要功能包括设定离子气流量、保护气流量、维弧电流、主弧电流等。组成有引弧电路、程序控制电路、水和气体控制电路、送丝和行走，或转动控制与调节电路等。

1.引弧电路

利用高压或高频引弧，使钨极与喷嘴之间的电压达到2500V或更高、频率为100kHz的高频电压，使预先送人的氩气电离，在焊接电源空载电压的同时作用下，建立非转移弧。然后把工件接到焊接电源的一极上，喷出喷嘴孔外的非转移弧使钨极与工件之间的气隙电离，使工件与钨极间的转移弧引燃。转移弧形成后立即切断高频高压和非转移弧，利用建立的转移弧进行焊接。

2.焊接电流递增和递减（衰减）电路

在进行环缝小孔型焊接时，一般要求等离子弧焊的焊接电流在起焊阶段随等离子气体流量一起递增，在收弧阶段两者同步递减。起焊时，等离子弧在初始电流值下引燃，然后缓慢升到工作电流值。收弧时由工作电流值缓慢降到停弧电流值后熄弧。

3.气流控制电路

等离子焊接一般使用等离子气和保护气。保护气有保护罩与喷嘴间保护气、拖尾保护气和背面保护气三种，气流控制电路在适当时候控制电磁阀通断，实现等离子气的递增、递减和保护气的通断。气路由气瓶、减压器、电磁气阀、流量计、焊枪等构成。

4.冷却水控制电路

冷却水路为水泵一水冷导线一焊枪下枪体—喷嘴一焊枪上枪体一水冷导线一水流开关一水箱组成。水路中的水冷导线由塑料管或胶管内穿多芯软铜线组成，管内通水时，导线同时冷却。回流的水带走钨极和喷嘴的热量，使焊枪得到冷却。冷却水控制系统由冷却液存储罐、散热器泵、流量传感器和控制开关组成。为防焊枪烧坏，水泵电动机电源与焊接电源能同时通电，且水压不足或无水流时，电弧不会引燃，不能焊接。

5.送丝、行走或转动调速电路

这些电路控制相应的电动机，实现自动送丝、小车行走、焊速快慢调节。

6.程序控制电路

程序控制电路把上述电路有机地结合在一起，构成程序控制系统。能按照时间顺序完成从送气引弧（开始焊接）到收弧停气（结束焊接）的全部过程序动作。

（三）焊枪

等离子弧焊时产生等离子弧并用以进行焊接的工具称等离子弧焊枪。按其操作方式分为手工焊枪和自动焊枪。焊枪应能固定钨极与喷嘴间的相对位置，并要求钨极与喷嘴孔径同心，能够水冷钨极与喷嘴，20A以下的焊枪可以不水冷钨极，但必须冷却喷嘴。喷嘴要与钨极绝缘，以便在钨极与喷嘴间产生非转移弧。采用单独的气路分别导入离子气与保护气。

1.焊枪结构

如图3-101所示，上下枪体之间由绝缘柱7和绝缘套8隔开，进出水口也是水冷电缆接口。电极夹在电极夹头10中，通过螺母12锁紧，电极夹从上冷却套插入，并借带绝缘套压紧螺母12锁紧。离子气和保护气分两路进入下枪体。图3-101b微束等离子弧焊枪的电极夹头上还有一个压紧弹簧按钮17，按下按钮17可实现接触短路回抽引弧。

2.压缩喷嘴

压缩喷嘴是等离子弧焊枪中产生等离子弧的关键零件之一，它对电弧直径起压缩作用，是一个铜质水冷喷嘴。压缩喷嘴结构、类型和尺寸对等离子弧性能起决定性作用。

如图3-102所示的喷嘴基本结构是等离子弧焊中应用最广泛的类型。扩散型压缩较弱，但稳定性较好，易产生双弧;直孔型适中;圆柱三孔型适用较大离子气的场合、因它将等离子弧产生的圆形温度场改变为椭圆形，当椭圆形温度场的长轴平行于焊接方向时，可以提高焊接速度和减小焊缝热影响区宽度。

喷嘴材料通常为纯铜，导热性好，有效降低喷嘴温度。对于大功率喷嘴必须采用直接水冷方式，为提高冷却效果，喷嘴壁厚应不大于2～2.5mm。

喷嘴孔径将决定等离子弧的直径和能量密度，喷嘴孔径的大小是由电流及离子气流量来决定的。

3.电极

等离子弧电极多采用钍钨或铈钨材料。电极需要进行冷却，当电流过大时，一般选用镶嵌式水冷结构。如图3-103所示。制造时应注意电极位于喷嘴的中心。电极偏心将使等离子弧偏斜，影响焊缝成形并且是促成双弧的一个诱因。同心度可根据电极和喷嘴间的调频火花在电极四周的分布情况来检查，一般焊接时要求高频火花布满圆周75%～80%以上。

三、等离子弧焊的主要工艺参数

1.喷嘴孔径

喷嘴孔径直接决定对等离子弧的压缩程度，是选择其他参数的前提。在焊接生产过程中，当焊件厚度增大时，焊接电流也应增大，但一定孔径的喷嘴其许用电流是有限制的，见表3-39。因此，一般应按焊件厚度和所需电流值确定喷嘴孔径。

一般来说，进行穿透焊时宜选用细小的喷嘴孔径，进行熔透焊时可用较大的喷嘴孔径。表3-36中所列许用电流有较大的范围。这是因为许用电流还受喷嘴冷却效果、钨极内缩大小的影响。一般喷嘴冷却效果好、钨极内缩小，许用电流可较大，反之则较小。

2.焊接电流

焊接电流是根据板厚或熔透要求来选定。当其他条件不变时，焊接电流增大，等离子弧穿透能力增大。当采用穿孔法焊接时，如果电流太小，则形成小孔的直径也小，甚至不能形成小孔，无法实现穿透法焊接。如果电流过大，则形成的小孔直径也过大，熔化金属过多，易造成熔池金属坠落，也无法实现穿透法焊接。同时，电流过大还容易引起双弧现象。

因此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能在某一个合适的范围内选择，而且这个范围与离子气的流量有关。

3.离子气种类及流量

目前应用最广的离子气是氩气，适用于所有金属。氦气等离子弧由于热导率高、熔深大、穿透能力强等优点，特别适用于焊接导热性好的铝、铜等材料。为了提高生产效率和改善接头质量，针对不同金属可在氩气中加入其他气体。例如焊接不锈钢和镍合金时，可在氩气中加入体积分数为5%~7.5%的氢气。焊接钛及钛合金时，可在氩气中加人体积分数为50%~75%的氦气。

离子气流量直接决定了等离子流力和熔透能力。

当其他条件不变时，离子气流量增加，等离子弧的冲力和穿透能力都增大。但等离子气流量过大会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形。因此，应根据喷嘴直径，等离子气的种类，焊接电流及焊接速度选择适当的离子气流量。

利用熔透法焊接时，应适当降低等离子气流量，以减小等离子流力。

4.焊接速度

焊接速度应根据等离子气流量及焊接电流来选择。其他条件一定时，如果焊速增大，焊接热输人减小，小孔直径随之减小，甚至消失;如果焊速太低，母材过热，熔池金属容易坠落。因此，焊接速度、离子气流量及焊接电流这三个工艺参数应相互匹配。

在穿透法焊接过程中，这三个参数匹配的一般规律是∶当焊接电流一定时，若增加离子气流量，则应相应增加焊接速度;当离子气流量一定时，若增加焊接速度，则应相应增加焊接电流;当焊接速度一定时，若增加离子气流量，则应相应减小焊接电流。

5.保护气体种类和流量的选择

等离子弧焊采用的保护气有氩气、氮气、二氧化碳气、氩+氢混合气、氩+二氧化碳混合气、氩+氦混合气等。氩气、氩+氦混合气适应所有金属，且可获得优质的焊接接头。氩+二氧化碳混合气或二氧化碳作保护气可焊接碳钢，降低成本改善焊缝成形克服咬边。氮气或氩+氢混合气作保护气可焊接铜及其合金，提高热效率和熔深。

大电流焊接时保护气和等离子气应用同种气体以提高电弧的稳定性。保护气的流量根据保护效果选取，保护效果与喷嘴高度有关，当离子气流量一定时，喷嘴高度越高保护气的流量越大。但保护气体流量太大会导致气流的紊乱，影响电弧稳定性和保护效果，而保护气流量太小，保护效果也不好。因此，保护气体应与离子气流量保持适当的比例。当增加保护气流量仍不能满足要求时应考虑使用拖尾保护。拖尾保护和背面保护气流量一般在2~5L/min。小孔型焊接保护气体流量一般在15～30Lmin范围内。

6.钨极直径、类型及内缩

等离子弧焊钨极直径的选择与TIG（惰性气体钨极保护焊）相同。根据许用电流选择。钨极端部形状也与TIG 相似。钨极材料的选择在直流正接时多用铈钨或钍钨合金，交流时选用钨锆材料。如果使用中出现引弧困难、电弧不稳定、使用时间过短等现象，应考虑钨极成分是否正确，且质量是否合格、直径是否合适、极性是否合理。

钨极内缩的影响与等离子气流量相似。在穿透焊其他条件不变时内缩增加，相当于电流增加，焊速降低，焊缝将下凹，并有烧穿现象;内缩减小时，母材根部可能未形成小孔产生未焊透。一般钨极内缩长度为喷嘴孔道长±0.2mm为合适，同时保证钨极应与喷嘴同心。

7.喷嘴至工件的距离

距离过大，熔透能力降低，距离过小则造成喷嘴堵塞，一般取3～8mm。与钨极氩弧焊相比，喷嘴距离的变化对焊接质量的影响不太敏感。

8.送丝速度及位置

送丝速度的快慢影响焊缝余高，且过快会产生未熔合。一般焊丝直径为1.0~1.6mm，送丝速度为0.1~2.0m/min。

对不留间隙的Ⅰ型对接接头进行等离子弧焊时一般可不填充焊丝。若要求余高、开坡口或留间隙则填充焊丝。不预热的冷丝，一般从熔池前沿送入，预热的热丝从熔池后沿送入。

四、等离子弧焊操作技术

等离子弧焊的一般操作程序和操作技术是焊前提前送气送水、高频引弧、切断高频、转移弧形成;焊接时调整好各工艺参数、弧柱中心始终对中接缝中心、等离子气递增、行走（送丝）;停焊时完成电流衰减、停丝、熄弧、延迟停气等动作。

引弧及收弧;当板厚小于3mm时，可直接在工件上引弧和收弧。利用穿孔法等离子弧焊焊接厚板时，引弧及收弧处易产生气孔、下凹等缺陷，平直焊缝可增加引弧板及引出板。先在引弧板上形成小孔，然后再过渡到工件上去，焊接结束前将小孔闭合在引出板上;大厚度环缝不便加引弧板和收弧板时，应采取焊接电流和离子气递增、递减的办法在工件上起弧，完成引弧建立小孔并利用电流和离子气流量衰减法收弧闭合小孔。

工件对接利用穿孔法单面焊双面成形工艺要点∶

1）下料时保证工件待焊边缘平直、飞边高度小于0.5mm，并完全露出金属光泽。

2）定位点固时保证对缝间隙不大于0.5mm。错边至最小，且不大于0.5mm，定位焊可采用TIG。用工装夹具装配的，可不定位焊，起焊位置在配合最紧、错边最小的地方（如焊接管纵缝）。

3）能装引弧板、引出板的工件需在引弧板上引弧，引出板上收弧。整个施焊过程始终保持喷嘴至工件的距离2.5mm ±0.5mm，并使弧柱中心始终对中接缝中心。

4）碰到铁磁性材料对接时可采用同时在引弧板、引出板接地线，加长引弧板、引出板长度或降低喷嘴至工件的距离来减少磁偏吹。

5）一般采用穿孔法进行打底层焊接时不添加焊丝，如要求有余高、开坡口或留间隙时应添加焊丝，并选用摆动程序，以确保焊缝表面焊满。

6）环缝对接，当工件水平转动时，焊枪位置在略下坡焊，使熔池冷却时刚好在水平位置，同时要求起焊和停焊位置过程焊接电流、等离子气流量分别递增和衰减。当工件为全位置时采用矩形波脉冲电源，在时钟3点、6点、7点、9点及11点位置设定合适的参数，从6点起焊按顺时针方向焊接，终点在6点附近。

五、等离子弧焊常见缺陷及防止措施

等离子弧焊常见缺陷及防止措施见表3-40。