等离子焊接理论、操作与故障处理

1一、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/cm２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105W/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2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。3③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。4HPT500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。5HPT400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）0．81．62．12．53．24．8等离子弧电流1-2520-7540-100100-200150-300200-500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6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。焊接电流在等离子焊接过程中，和其他电弧焊接一样，焊接电流增加，等离子弧穿透能力增加。焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的，电流过小，不能形成小孔，电流过大又会因为小孔直径过大而使熔池金属坠落。此外，电流过大还可能引起双弧现象。因此，在焊枪及喷嘴结构选定后，电流只能限定在一定的范围之内，而这个范围和其他焊接参数如等离子气流量和焊接速度等参数有关，在其他参数选定之后，焊接电流和另一可变参数的关系为：焊接速度增加，相应的焊接电流也要加大；焊接速度降低，焊接电流要减小。等离子气流量增加，焊接电流要减小；等离子气流量减小，焊接电流要增加。等离子气流量在等离子焊接过程中，等离子气成分及流量是一个重要的焊接参数，因为等离子焊接与TIG焊不同之处在于获得了压缩过的等离子气流，利用电离化气体发射一种能贯穿电弧的气体流，从而产生等离子，所以电弧的穿透力大小与之有着密切关系。等离子气流量增加，可使等离子流力和穿透力增大，在其他条件不变的条件下，为了形成小孔，必须需要足够的离子气流量，但是离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能保证焊缝成型。在喷嘴孔径确定之后，等离子气流量大小视焊接电流和焊接速度而定，三者之间存在适当的匹配关系。焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要参数。在其他条件一定时，焊接速度增加，焊缝的热输入减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材会过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度和焊接电流以及等离子气流量之间是相互影响的，它们之间的关系就不在赘述。不锈钢焊接中厚板等离子焊接工艺如表2板厚（mm）离子气流量（L/min）焊接电流(A)焊接速度(mm/min)33.5-4.5120-150300-40044.0-5.0140-170300-40055.0-6.0170-200200-30065.5-7.0180-220200-30086.5-8.0200-2240150-200表27喷嘴距离喷嘴和工件之间的距离对其它参数的影响与TIG焊相比不是很敏感，因为等离子电弧的挺度好，TIG焊的扩散角是45º，而等离子焊接的为5º，基本上是圆柱形。距离过大，熔透能力降低；距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污，一般取4～8mm。正面保护气流量正面保护气流量应与等离子气流量有一个适当的比例，离子气流量过小而保护气流量太大会导致气流紊乱，将影响电弧的稳定性和保护效果。正面保护气一般取15～30L/min。钨极种类及直径钨极一般选用铈钨极，该钨极具有发射能力强，电弧稳定，载流能力强等特点。等离子焊接时要根据电流大小选择钨极直径和端部形状【2】。等离子焊接电流一般在140～300A之间，200A以下用￠3.2钨极，200A以上用￠4.0钨极。等离子焊接钨极比普通焊要求有更高的直线度和同心度，所以钨极需要用专用机加设备进行外圆磨。钨极的端部形状对电弧的稳定性有影响。如端面凹凸不平时，产生的电弧既不集中也不稳定。因此钨极端部必须磨光且成锥形。焊接电流较小时，可用小直径钨极并将其末端磨成尖锥角，这样电弧容易引燃和稳定。大电流焊接时要求钨极末端磨成钝锥角或带有平顶的锥形，这样可使电弧斑点稳定，钨极不易烧损。最好使用专用的设备来磨削。140A～200A角度在25度左右,200A以上角度在45度左右，并带端部平台，一般在￠0.5～￠0.8mm钨极内缩量大家知道，等离子焊接时钨极是内缩在喷嘴中心孔内，如果不采用专用工具来定位，钨极内缩量就很难保证相同，那么电弧的压缩效果就不一样，就会产生相同的参数焊接出不同的焊缝，给焊接工艺的稳定带来困难。我公司所制定焊接工艺一般为2.8mm内缩量。钨极与喷嘴的同心度钨极必须和喷嘴同心，如果不同心会造成电弧不稳定、偏弧，从而造成焊缝成形缺陷，如咬边等。该同心度有两种方式保证，一种由等离子焊枪内部结构保证，另一种通过微调机构调整钨极的同心度，这两种方式在实际生产中都有应用。同心度的可以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。此外气体的选择也会影响焊接质量。等离子焊接时气体主要有：离子气，正面保护气，背面保护气。Ar：氩气适用于所有等离子弧焊可以焊接的材料，既可以作为离子气，也可以作为保护气体。通常情况下选用氩气作为离子气，而保护气体成分则要根据8被焊接材料选择。He：若选用纯氦气作为离子气，由于弧柱温度较高，会降低喷嘴的使用寿命和承载电流能力，而且氦气密度小，在合理的离子气流量下难以形成小孔。Ar+H2：氩气中添加氢气可提高电弧强度及电场强度，能够更有效地将电弧热量传递给工件，同时，氢气的含量过多，焊逢易出现气孔及裂纹，一般限制在7.5%以内。Ar+H2可做离子气，也可作为保护气体。，但是作为离子气时。由于氢气电离电压很低。引弧比较困难。因此Ar+H2作为保护气较多。He+Ar：在氦氢混合气体中，氦气的含量达到40%以上。等离子弧的热量才有明显的变化，含量超过70%时，其性能基本与纯Ar相同。等离子弧焊接离子气与保护气的选择如表3被焊材料离子气保护气低碳钢ArAr或者75%He+25%Ar低合金钢ArAr或者75%He+25%Ar奥氏体不锈钢ArAr或者Ar+（2%-5%）H2或He镍及镍合金ArAr或者Ar+（2%-5%）H2钛及钛合金ArAr或者75%He+25%Ar铝及铝合金ArAr或者He铜及铜合金ArAr或者75%He+25%Ar表3焊丝选用焊丝选用的一般为等强匹配原则，即焊缝强度与母材相当或略高，成份与母材相近，以下表格列出我们常用的TIG、MAG/MIG/CO2/SAW埋弧焊及焊丝实芯焊丝选用一览表母材材质焊丝牌号母材材质焊丝牌号碳素结构钢如10#、20#H08A/H08MnAER50-6不锈钢304/304L(0Cr18Ni9)ER308L/ER308合金结构钢16Mn、16MnRH08Mn2SiA/H10Mn2ER50-6不锈钢316/316l(0Cr17Ni14Mo2)ER316L/ER316纯铝SAL-3/HS301不锈钢309不锈钢/碳钢ER309L/ER309铝镁防锈铝HS331/ER5356不锈钢321ER347L/ER3479