等离子焊接

等离子焊接，用等离子弧作为热源来熔化两金属连接处的一种焊接法。包括交流等离子弧焊接、微束等离子弧焊接、反极性等离子弧焊接、脉冲等离子弧焊接、熔化极等离子弧焊接等。优点是在一定厚度范围内,工件可不开坡口、不留间隙,单面焊双面成形,且电弧稳定、热量集中、热影响区小、变形小、生产率高。可用于焊接难熔、易氧化、热敏感性强的材料,如钼、钨、铍、铬、钽、镍、钛及其合金、不锈钢等,也能焊接一般钢材或有色金属。

按焊缝成形原理，等离子弧有两种基本焊接方法：小孔型等离子弧焊及熔透型等离子弧焊，其中30A以下的熔透型等离子弧焊又可称为微束等离子弧焊。

（1）小孔型等离子弧焊利用小孔效应实现等离子弧焊的方法称小孔型等离子弧焊，亦称穿透性焊接法。

1）小孔法原理在对一定厚度范围内的金属进行焊接时，适当地配合电流、离子气流及焊接速度三个工艺参数，等离子弧将会穿透整个工件厚度，形成一个贯穿工件的小孔，如图5。小孔周围的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力作用下保持平衡。焊枪前进时，在小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并遂渐凝固成焊缝。 小孔法焊接的主要优点在于可以单道焊接厚板，板厚范围：1.6~9mm。小孔法一般仅限于平焊；然而，对于某些种类的材料，采取必要的工艺措施，用小孔法可实现全位置焊接。

2）焊接特点 小孔法焊接所具有的优点是：

a、孔隙率低。

b、由于小孔法产生较为对称的焊缝，焊接横向变形小。

c、由于电弧穿透能力强，对厚板可实现单道焊接。

d、不开坡口实现对接焊，焊前对工件坡口加工量减少。

小孔法的缺点是：

a、焊接可变参数多，规范区间窄。

b、厚板焊接时，对操作者的技术水平要求较高，并且小孔法仅限于自动焊接。

c、焊枪对焊接质量影响大，喷嘴寿命短。

d、除铝合金外，大多数小孔焊工艺仍限于平焊位置。

（2）熔透型等离子弧焊 焊接过程过程中，只熔透工件，但不产生小孔效应的等离子弧焊方法，又称熔透型焊接法。

1）熔透法原理 当离子气流量较小，弧柱受压缩程度较弱时，这种等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生小孔效应，焊缝成形原理与氩弧焊类似。主要用于薄板焊接及厚板多层焊。

2）微束等离子弧焊 微束等离子通常采用联合弧。由于非转移弧的存在，焊接电流小至1A以下电弧仍具有较好的稳定性，能够焊接细丝及箔材。这时的非转移弧又称维弧，而用于焊接的转移弧又称主弧。

3）焊接特点与GTAW焊相比，熔透法等离子弧焊具有优点是：

a、电弧能量集中，因此焊接工艺具有焊接速度快；焊缝深宽比大，截面积小；薄板焊接变形小，厚板焊接缩孔倾向小及热影响区窄等优点。

b、电弧稳定性好。由于微束等离子弧焊接采用联合弧，电流小至0.1A时电弧仍能稳定燃烧，因此可焊超薄件，如厚度0.1mm不锈钢片。

c、电弧挺直性好。以焊接电流10A为例，等离子弧焊喷嘴高度（喷嘴到工件表面的距离）达6.4mm时，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm（弧长大于0.6mm后稳定性变差）。钨极氩弧的扩散角约45°，呈圆锥形，工件上的加热面积与弧长成平方关系，只要电弧长度有很小变化将引起单位面积上输入热量的较大变化。而等离子弧的扩散角仅5°左右基本上是圆柱形，弧长变化对工件上的加热面积和电流密度影响比较小，所以等离子弧焊弧长变化对焊缝成形的影响不明显。

d、由于等离子弧焊的钨极内缩在喷嘴之内，电极不可能与工件相接触，因而没有焊缝夹钨的问题。

与GTAW焊相比，熔缝法的主要缺点是：

a、由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。

b、焊枪结构复杂，加工精度高。焊枪喷嘴对焊接质量有着直接影响，必需定期检查、维修，及时更换。

1、母材凡氩弧焊能够焊接的材料均可用等离子弧焊接，如碳钢、耐热钢、钛合金、铜合金、铝合金以及镁合金等。

除铝、镁及其合金外，其余材料均采用直流正接法焊接：铝、镁及其合金采用交流或直流反接法焊接。直流正接等离子弧单道可焊材料厚度范围一般为0.3—6.4mm。交流变极性等离子弧单道可焊铝合金厚度可达12.7mm(小孔法)。

等离子弧焊接的冶金过程与氩弧焊相同，只是由等离子弧具有较小的弧柱直径，焊接时母材熔化量少，所以焊缝深宽比大、热影响区窄。每一种母材金属焊接时对预热、后热以及气体保护等工艺要求与氩弧焊相同。

2、填充金属与氩弧焊一样，等离子弧焊工艺可以使用填充金属。填充金属一般制成光焊丝或者光焊条。自动焊使用光焊丝作填充金属，手工焊则用光焊条作填充金属。填充金属的主要成分与被焊母材相同。

3、气体等离子焊枪有两层气体，即从喷嘴流出的离子气及从保护气罩流出的保护气。有时为了增强保护，还需使用保护拖罩及通气的背面垫板以扩大保护气的保护范围。对钨极应该是惰性的；以免钨极烧；护气对母材一般是惰性的，但如果类取决于被焊金属，可供选择的气体有：

1)Ar气Ar气用于焊接碳钢、高强度钢及活性金属，如钛、钽及锆合金。焊接这些金属所用的气体中，即使含有极小量的H，也可能导致焊缝产生气孔、裂纹或降低力学性能。

2)Ar-H2混合气焊接奥氏体不锈钢、镍合金及铜镍合金时，允许使用Ar-H2混合气体。

Ar气中填加H2气可提高电弧温度及电弧电场强度，能够更有效地将电弧热量传递给工件，在给定的电流条件下可以得到较高的焊接速度。同时，H2具有还原性，使用Ar-H2混合气体可以获得更光亮的焊缝外观。但H2含量过多焊缝易出现气孔及裂纹，一般φ(H2)限制在7.5%以下。然而，在小孔焊接工艺中，由于气体以充分逸出，加φ(H2)范围为5%一15%，工件越薄，允许H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不锈钢时，加φ(H2)为5%；而进行3.8mm不锈钢管道高速焊时，允许加φ(H2)达15%。”使用Ar-H2混合气体作离。混合气体作离子气时，由于电弧温度较高，应降低喷嘴孔径的额定电流。 3)Ar-He混合气He气也是—种惰性气体，当被焊工件不允许使用Ar-H2混合气时，可考虑使用Ar-He混合气。在Ar-He混合气体中，φ甲(He)超过40%以上电弧热量才能有明显的变化。φ(He)超过75%时，其性能基本与纯He相同，通常在Ar气中加入φ(He)=50%～75%进行钛、铝及其合金的小孔焊及在所有金属材料上熔敷焊道。

4)He气采用纯He作离子气时，由于弧柱温度较高，会降低喷嘴的热负载，会降低喷嘴的使用寿命及承载电流的能力，另外He气密度较小，在合理的离子气流量下难以形成小孔。所以，纯He仅用于熔透法焊接，如焊接铜。

5)Ar-C02混合气由于保护气体不与钨极接触，在小电流焊接低碳钢及低合金钢时，允许在保护气中添加适性气体，其流量在10~15L/min之内。如在Ar中加甲(C02)为25%作保护气焊接铁心叠片。 2100433B

利用等离子弧能量密度和等离子流力大的特点，可在适当参数条件下实现熔化穿孔型焊接。这时等离子弧把工件完全熔透并在等离子流力作用下形成一个穿透工件的小孔，熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧在焊接方向移动.熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动，于是小孔也就跟着等离子弧向前移动。稳定的小孔焊接过程是不采用衬垫面实现单面焊双面一次成形的好方法。

一般大电流(100~300A)等离子弧焊都采用这种方法。应该指出的是，穿孔效应只有在足够的能量密度条件下才能形成，板厚增加时所需能量密度也增加。

选择穿孔型等离子弧焊工艺参数时，一般首先按所需电流确定喷嘴孔径。2100433B