等离子操作规程及工艺22

等离子焊接原理

等离子焊接是通过高度集中的等离子束流获得必要的熔化母材能量的这种焊接过程，通常等离子电弧的能量取决于等离子气体的流量，焊枪喷嘴的压缩效果和使用的电流大小。普通电弧射流速度为80～150米/秒，等离子电弧的射流速度可以达到300～2000米/秒，等离子电弧由于受到压缩，能量密度可达105—106W/cm2，而自由状态下TIG电弧能量密度50-100W/mm2，弧柱中心温度在24000K以上，而TIG电弧弧柱中心温度在5000～8000K左右【1】。因此，等离子电弧焊接与电子束（能量密度10 5W/mm2）、激光束（能量密度105W/mm2）焊接一同被称为高能密度焊接。

等离子电弧的分类

按电源的联接方式分类，等离子电弧分非转移弧，转移弧和联合型电弧三种形式。三种形式都是钨极接负，工件或喷嘴接正。

非转移型电弧弧是在钨极与喷嘴之间形成电弧，在等离子气流压送下，弧焰从喷嘴中喷出，形成等离子焰。主要适合于导热较好的材料焊接，但由于电弧的能量主要通过喷嘴，因此喷嘴的使用寿命较短，能量不宜过大，不太适合于长时间的焊接，这种形式较少应用在焊接。

转移型电弧是在喷嘴与工件之间形成电弧，由于转移弧难以直接形成，先在钨极与喷嘴之间形成小的非转移弧，然后过渡到转移弧，形成转移电弧时，非转移弧同时切断。由于这种方式能将更多的能量传递给工件，因此该形式电弧普遍应用到金属材料焊接和切割中。

混合型电弧是指转移电弧和非转移电弧并存，主要用于微束等离子焊接和粉末堆焊。

按电弧形状或成形原理分类，等离子电弧分为微束等离子，熔透型等离子和小孔型等离子三种基本方法。

微束等离子是在小电流，一般在30A以下，通过熔透的方法进行焊接。通常适用于焊接细材，箔件等，在传感器元件，电子器件，电机接头，网筛加工等运用较为普遍。

熔透型等离子是在等离子气流较小，弧柱压缩较弱的情况下焊接，只对工件进行熔透而不形成小孔的这种方法。这种电弧非常类似TIG电弧结构和能量。常用在薄板的单面焊双面成型。

小孔型等离子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工件的小孔的方法。小孔效应只有在能量密度足够的条件下才能形成，被焊板厚增加，能量密度也要增加。但等离子能量密度的提高有一定限制，因此小孔型等离子只能在有限的板厚范围内进行。通常情况下碳钢，不锈钢，镍基合金等在平焊位置一次单面焊双面焊成形小于8mm,钛合金小于10mm.采用特殊喷嘴和气体，不锈钢可提高至10mm,钛合金达12mm.可以实现不开坡口情况下单面焊双面成型。

结合弱弧等离子或TIG的特点，与小孔等离子效应结合，通过采用双枪同时焊接的工艺方法，可以得到更高的效率和质量。这种工艺适合长焊缝、大直径筒体的纵环缝焊接

等离子焊接优点

由于等离子焊接是高能束焊接，具有以下几个特点：

◆焊接速度可以明显提高( 可达手工TIG焊的4～5倍以上，工件厚度在可焊范围越

大，提高越明显)；

◆可以获得性能优良的焊缝；

◆在可焊范围内容易得到完整的规则的全焊透焊缝；

◆满足100% 射线探伤要求；

◆可以得到同母材的化学成分和性能的焊缝；

◆由于电弧集中，焊缝热影响区减小，且具有较低的氧化；

◆优良的外观成形；

◆不用开坡口可以大大减少焊丝的用量和焊前坡口制备；

◆焊接过程由于电弧挺度好，电弧容易控制；

◆残余应力和焊接变形小。

等离子焊接操作

要进行自动等离子焊接时，正确的操作是十分关键的，错误操作可能导致意想不道严重的后果。在一套等离子自动焊接系统中，从开机到最后的关气，有一定的先后顺序：

1.在进行等离子焊接之前，要先磨好钨极，根据电流的大小来选择合适的钨极形状。然后装好钨极，并调节好钨极内缩量及钨极与喷嘴压缩孔同心。

同心度的调节情况要看高频火花的分布情况来决定，一般要看到高频火花均匀的分布在钨极的四周就可。

2.打开各种保护气的调节器。

3.检查等离子水箱中是否有加水，而且加入的水必须为蒸馏水。开水箱，打开焊接电源及控制电源。

4.调节输入合适的工艺参数到控制电源中。

焊接参数包括送气时间、焊接电流、焊接速度、送丝速度、横摆及弧压跟踪等

5.模拟焊接，观察小车的行走方向，是否送丝，调节好各种保护气的流量等。

6.打开维弧，装好工件，调节工件对接缝的中心在成型槽的正上方，并和等离子焰

中心在一条直线上。

7.调节好喷嘴的高度，并保证等离子焰在对接缝中心，将焊枪移到引弧板上。

8.将控制器的开关拨到焊接位置，按下启动开关开始焊接，在焊接的过程中，要观察电弧的中心是否对接缝偏离，如有偏离，用线控器或手动微调。

9.当焊枪焊到收弧板上时，按下停止按钮，收弧，焊枪抬升到一定高度，移走工件。

10.当焊接任务结束后，要先关维弧按钮，关掉维弧，然后关焊接电源，控制电源，最后在通一段离子气和水之后（冷却喷嘴，保护钨极），关气，关水箱，关掉总电源。

影响等离子焊接的几点重要因素

由于等离子焊接可以大大提高焊接质量和生产效率，所以这种高能焊接方法在国内得到迅速发展。了解等离子焊接原理及影响其焊接的因数已经变得非常重要了。本文就等离子焊接的基本原理和影响起焊接的几点重要因数做浅显的介绍。

关键词：等离子焊接喷嘴电流离子气速度

等离子弧产生原理

等离子焊接是从钨级氩弧焊的基础上发展起来的一种高能焊接方法。钨级氩弧焊是自由电弧，而等离子电弧是压缩电弧。等离子弧是离子气被电离产生高温离子化气体，并经过水

冷喷嘴。这样电弧就受到2个压缩效应即喷嘴的机械压缩和离子气冷气流的热收缩。从而导致电弧的截面积小，电流密度增大，电弧温度增高。等离子电弧能量密度可达105-106W/cm2，比自由电弧（约105W/cm2以下）高，其温度可达18000-24000K，也高于自由电弧（5000-8000）很多。等离子电弧焊接原理见图1

影响等离子焊接效果的因素比较多。在等离子焊接过程中主要的参数有焊接电流、等离子气流量、焊接速度、正保气流量和喷嘴的距离，其中最主要的是离子气流量和焊接电流以及焊接速度。

等离子基本焊接方法

按焊逢成型原理，等离子焊接可分为两种基本焊接方法：小孔型等离子弧焊和熔透型等离子弧焊。小孔型等离子弧焊：由于等离子具有能量集中﹑电弧力强的特点，在适当的参数条件下，等离子弧可以直接穿透被焊工件，形成一个贯穿工件厚度方向的小孔，小孔周围的液体金属在电弧力﹑液态金属表面张力以及重力左右下保持平衡，随着等离子弧在焊接方向移动，熔化金属沿着等离子弧周围熔池壁向熔池后方流动，并逐渐凝固形成焊逢，小孔也跟着等离子弧向前移动。熔透型等离子弧焊：当等离子弧受压缩程度较弱时，在焊接过程中只熔化工件，而不产生小孔，其原理与钨极氩弧焊类似。

等离子焊枪

等离子焊接时产生等离子电弧并用以进行焊接的工具称为等离子焊枪。焊枪的冷却能力是衡量等离子焊枪的重要标准，由于等离子弧温度高，冷却效果直接影响到焊接过程中的能量稳定性，从而影响焊接效果。因此焊枪的喷嘴和钨极夹必须得到充分的冷却。等离子焊枪喷嘴的尺寸，孔径大小，结构形式是影响焊接效果的重要因数。下面从喷嘴开始介绍影响等离子焊接的因数。

喷嘴

喷嘴是等离子焊枪中重要的部分，它对电弧直接起到机械压缩的作用，压缩喷嘴的结构，类型和尺寸对等离子性能起决定作用，压缩喷嘴孔径d及孔道长度l是压缩喷嘴的关键尺寸数。

孔径d决定了等离子弧直径大小，即等离子弧受压缩程度，应根据焊接电流和离子气流量确定，对于给定的电流和离子气流量，孔径d越小，则压缩作用越小，而孔径d过小呢

则可能产生双弧，破坏等离子弧的稳定性。

孔径d确定后，孔道长度l 增加，对等离子弧的压缩作用增强，同时也容易引起双弧。等离子弧常用压缩喷嘴结构有单孔，三孔，收敛，扩散型。对于三孔型喷嘴，焊接时等离子弧受到较大直径的中心孔道压缩，部分离子气从中心孔道流出，其他离子气则通过两旁较小的孔道，从这两个孔道喷出的离子气流可将等离子弧产生的圆柱形热场变为椭圆形，当三个孔道中心的连线与焊道垂直时，椭圆形热场。

当孔径d和孔道长度l一定时，钨极的内缩量也会影响电弧的穿透力。当内缩量增大时，电弧角度更小，受压缩效果增强。电弧的能量密度增大从而穿透力增强。反之内缩量减小时，穿透力减弱。当钨极伸出喷嘴时候，电弧则变为自由电弧，无压缩效果和钨极氩弧焊一样。

等离子焊接工艺

离子气流量：离子气是控制电弧穿透力的一个重要因数。其他条件一定时，离子气流量增加，等离子流力和电弧穿透能力增强，为了形成稳定的小孔，必须要有足够的离子气流量，而离子气流量过小有可能引起双弧。

焊接电流：焊接电流是控制输入焊逢能量的重要因数，在其他焊接参数一定时，焊接电流增加。等离子弧穿透能力提高，同其他弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔深要求首先选定的，电流过小，小孔直接减小或根本不能形成穿孔。电流过大又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落，甚至是双弧。

焊接速度：焊接速度是控制输入线能量的因数，其他条件给定时，焊接速度增加，焊逢热输入减少，小孔直径也随之减小甚至小孔消失。反之如果焊接速度过低，背面焊逢会出现下陷