等离子焊接理论、操作与故障处理

一、等离子弧焊接方法及工艺特点

1.等离子焊接原理

等离子态是除固态、液态、气态之外的第四种物质存在形态。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，受到压缩，从而导致电弧的截面积变小，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/cm

２以下）高，其温度可达18000-24000K，也高于自由电弧（5000-8000K）很多。

因此，等离子电弧挺度比自由电弧好，指向性好，喷射有力，熔透能力强，可比

自由电弧一次焊透更厚的金属。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。等离子焊

接示意图如下图：

等

离子焊接原理示意图

2.等离子电弧的种类

等离子电弧主要分为三种类型：

◆非转移型等离子电弧主要用于非金属材料的焊接。

◆转移型等离子电弧主要用于金属材料的焊接。

◆联合型等离子电弧主要用于微束等离子的焊接。

3.等离子基本焊接方法

按焊缝成型原理，等离子焊接有两种基本的焊接方法：熔透型和小孔型等离子焊接。

◆熔透型等离子焊接

在焊接过程中离子气较小，弧柱的压缩程度较弱，只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子焊接方法。其焊缝成型原理与氩弧焊类似，主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

◆小孔型等离子焊接

利用小孔效应实现等离子弧焊接的方法称为小孔型等离子焊接。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，如下图所示。

小孔效应示意图

小孔效应的优点在于可以单道焊接厚板，一次焊透双面成型。

4.等离子焊接的优点

①穿透能力强，8mm以下板厚无须开坡口，大大减小了焊前准备时间。

②电弧能量集中，焊接热影响区小，焊接变形小。

③焊接速度快，等离子焊接比工氩弧焊减少4-5倍时间。

④卓越的重复生产性。

⑤弧柱刚性大，采用小孔效应，可以实现稳定的单面焊双面成型。

⑥电极缩在喷嘴内，不易污染和烧损，焊逢缺陷少。

⑦焊接质量好，可焊材料多。

⑧等离子具有良好的可控性和调节性等。

5.影响等离子焊接的几点重要因素

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。

等离子焊枪分为两种，分别是HPT400等离子焊枪和HPT500等离子焊枪。（1）HPT400等离子焊枪

HPT400等离子焊枪的结构如下图所示。

HPT400等离子焊枪的性能如下：

◆焊枪暂载率为400A，35%暂载率。

◆适用钨极直径3.2/4.0mm，长度150mm。

◆根据焊接厚度选择2.4/2.8/3.2mm等离子喷嘴。

◆适合于3-8mm厚度的工件一次性穿透焊接。

◆选用等离子保护拖罩可获得更佳的焊逢保护。

（2）HPT500等离子焊枪

HPT500等离子焊枪的结构如下图所示。

HPT500等离子焊枪

HPT500等离子焊枪的性能如下：

◆暂载率高，最大电流可承载500A，35%暂载率。

◆适用钨极直径2.4/3.2/4.0/4.8mm，长150mm。

◆根据焊接厚度可选择2.5/3.2/4.0规格的喷嘴。

◆选择较大口径喷嘴，将钨极伸出，具有TIG焊功能。

◆适用于不锈钢，钛合金，铝合金，锆合金等材料的焊接。

◆具有钨极自定心功能，钨极的装夹和调整方便快捷。

◆良好的枪体水冷结构和水冷式气体保护罩结构设计，焊枪的冷却效果好。

◆内置合理气道结构，确保焊接时压缩和保护效果优异及良好的焊逢正背面成形。

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

不同结构的焊枪配备有不同形式的喷嘴，如下图所示。

HPT400等离子焊枪喷嘴HPT500等离子焊枪喷嘴

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参数。

虽然喷嘴的结构不同，但是其孔径和孔道比的尺寸参数都是一样的，这是由等离子弧的性能所决定。

图3

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与等离子弧电流有个想匹配的关系见表1 喷嘴孔径d（mm）0．8 1．6 2．1 2．5 3．2 4．8

等离子弧电流1-25 20-75 40-100 100-200 150-300 200-500

表1

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