等离子弧焊技术研究进展与应用

等离子弧焊技术研究进展与应用

（08材控邢钧魁20080607131）

摘要：本文对国内外等离子弧焊技术的最新进展、应用等方面进行了综述，希望对等离子弧焊技术研究进展与应用有一个比较全面的了解。

关键词：等离子弧焊技术；进展；应用

等离子弧焊是在钨极氩弧焊基础上发展起来的一种焊接方法，它是以钨极作为电极，等离子弧为热源的熔焊方法。等离子弧能量密度可达10000～1000002

/cm

W以下）高，其温度可达18000～24000K，/cm

W，比自由钨弧（100002

也高于自由钨弧（5000～8000K）很多。按电源联接方式，等离子弧有非转移型、转移型和联合型三种形式。等离子弧焊接属于高质量焊接方法，焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展，更扩大了等离子弧焊的使用范围。

1国内外等离子弧焊技术最新进展

1.1等离子弧焊技术

一种新开发的用于等离子弧焊的焊炬系统，采用反极性电极和选用100～200A焊接电流可以经济有效地焊接铝制零件，焊接质量很好。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下,采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点：

1.1.1采用等离子弧焊时的特定工艺优点，不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面，而且涉及使用锁孔技术。应用范围包括：表面堆焊、喷涂和焊接。

1.1.2用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时，具有焊接速度快、热输入量小和变形小等优点。

1.1.3等离子弧焊接时，锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接方面。在应用技术中，粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器人上得到应用[1]。

等离子弧焊直接金属成形技术的工艺研究。采用等离子弧焊作为加热能量束，侧向填充金属丝的低成本工艺方案。其成形方法是：采用弧焊热源熔化金属基体和填充材料，按照所要成形零件的几何特征，逐层堆积金属材料，实现零件的成形，成形件的尺寸精度可根据使用要求，通过焊接工艺控制与数控切削相结合来保证[2]。

1.2先进的粉末等离子弧堆焊技术

粉末等离子弧堆焊技术是现代工业生产中能适应各种高合金高性能材料堆焊要求的一种焊接方法，而且稀释率可控制在5﹪～15﹪之间。但如果使用常规的粉末等离子弧堆焊技术，希望得到小于5﹪稀释率时，所能获得的熔敷速度均在6kg/h以下。随着现代工业的发展，特别是对大面积高性能耐磨堆焊的需求，国内外开展了先进的高效、低稀释率粉末等离子弧堆焊技术研究。

高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规粉末等离子弧堆焊技术相比，在相同的焊接电流下，它具有低稀释率的同时，还具有比常规方法高2～5倍的熔敷速度，而且最大堆焊高度可达6～8mm，较易实现一次堆焊成功,减少堆焊层数量，降低产生缺陷的可能性。

70年代美国曾研究了“高能等离子弧堆焊技术”，其功率达80kW，后捷克又发展了一种液稳等离子弧堆焊设备，熔敷速度达56kg/h。但稀释率仍在20﹪

以上，90年代德国成功地研制了熔敷速度高达70kg/h，稀释率能控制在10﹪以下的粉末等离子弧堆焊技术；国内90年代中期也开始研究该技术，并已取得熔敷速度达15kg/h，稀释率能控制在l﹪以下的可喜成果。

目前，先进的粉末等离子弧堆焊技术在国外已用于生产，如德国已将熔敷速度20kg/h，稀释率<2﹪的技术成功地用于汽车、化工、煤炭、核电等领域，尤其在大面积堆焊中更具特色。熔敷速度30kg/h，稀释率<2﹪的技术也已成熟。国内该技术已研究达到熔敷速度15kg/h，稀释率<1﹪，目前正在向更高的熔敷速度和生产应用方向努力。新研制的粉末等离子弧表面堆焊装置，主要用于矿山铲斗预切削刀具的表面硬化，使用不同的消耗材料和焊接参数进行表面硬化层堆焊。1.3微束等离子弧焊接技术

人们通常将焊接电流在30A以下的等离子弧焊，称为微束等离子弧焊。与钨极氩弧焊相比，微束等离子弧焊的优点是：a．可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0.01mm；b．弧长在很大的范围内变化时，也不会断弧，并能保持柱状特征，焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小[3]。

微束等离子弧焊用于焊接波纹管。微束等离子弧焊在口腔修复领域的应用前景明显优于其他熔化焊接方法，应作为首选应用方向。微束等离子弧焊的焊接电流在小至1A以下电弧仍具有较好的稳定性，能够焊接细丝及箔材，最小可焊厚度为0.01mm。微束等离子弧焊具有效率高、成本低的优点,在批量生产时，其优越性更为突出。目前国内微束等离子弧焊尚未普及，尤其在航天航空领域，对于薄壁件的焊接，绝大多数还是采用氩弧焊，不仅变形大，质量也得不到保证；或采用真空电子束焊接，存在焊接成本过高的问题。因此，微束等离子弧焊在我国具有广阔的应用前景。

1.4变极性等离子弧焊技术

变极性等离子弧焊（Variable polarity plasma arc welding，简称VPPAW）即不对称方波交流等离子弧焊，是一种针对铝及其合金开发的新型高效焊接工艺方法。它综合了变极性TIG焊和等离子弧焊的优点，一方面，它的特征参数电流频率、电流幅值及正负半波导通时间比例可根据工艺要求灵活、独立调节，合理分配电弧热量，在满足工件熔化和自动去除工件表面氧化膜的同时，最大限度地降低钨电极的烧损；另一方面，有效利用等离子束流所具有的高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面一次焊双面自由成形。由于焊接变形小、生产率高，与其它高能束流焊接工艺（电子束焊和激光焊）相比，设备简单，成本低且气孔、夹渣等缺陷少，在国外被称为“零缺陷”焊接方法，已成功应用于航天飞机外储箱等产品的焊接生产上，同时被看作在21世纪有着广泛应用前景的焊接方法。国内近年来虽然也进行过相关方面的研究并取得了一些成果，但目前尚未将该工艺方法真正用于产品焊接上[4]。

1.5穿孔等离子弧焊技术

穿孔等离子弧焊是在非熔化极气体保护焊基础上发展起来的一种电弧焊方法。长期以来，采用穿孔等离子弧焊技术焊接更厚的材料，以及提高焊接过程稳定性一直是焊接研究人员积极致力的研究目标。近年来，国内外不断涌现关于等离子弧焊新工艺、新技术的研究报道。如：

1.5.1等离子弧点焊

英国考文垂大学先进连接中心研究人员与美洲虎汽车厂的专家，联合开发研制了一种新型等离子弧点焊系统，用于焊接轿车底盘，焊点位置比较特殊，常规