等离子弧焊接的基本原理和应用

7.4.3.1 等离子弧焊接方法

等离子弧焊是借助水冷喷嘴对电弧的拘束作用，获得高能量密度的等离子弧进行焊接的方法，国际统称为PAW（Plasma Arc Welding）。按焊缝成形原理，等离子弧焊有下列三种基本方法：穿透型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊和微束等离子弧焊，其主要特点列于表7.4-5。典型的等离子弧焊枪结构如图7.4-6所示。

表7.4-5 离子弧焊三种基本方法

图7.4-6 典型等离子弧焊枪结构

1—喷嘴 2—保护套外环 3、4、6—密封圈 5—下枪体 7—绝缘柱 8—绝缘套 9—上枪体 10—电极夹头 11—套管 12—小螺母 13—胶木套 14—钨极

图7.4-7 熔透型等离子弧焊基本方式

a）水冷喷嘴式 b）、c）钨极式

上述三种等离子弧焊方法均可采用脉冲电流，借以提高焊接过程的稳定性，此时称为脉冲等离子弧焊。脉冲等离子弧焊易于控制热输入和熔池，适于全位置焊接，并且其焊接热影响区和焊接变形都更小，尤其是脉冲微束等离子弧焊，特点更突出，因而应用较广。交流等离子弧焊具有阴极清理作用，主要用来焊接铝、镁及其合金。熔化极等离子弧焊实质上是一种等离子弧焊和MIG焊组合在一起的联焊方法。这两种方法特点不突出，目前尚用得不多。

7.4.3.2 等离子弧焊接设备

1.焊接电源

与钨极氩弧焊相比，等离子弧焊用电源的空载电压高。一般采用氢气和氩气混合气体，空载电压为110～120V。转移弧可以采用一套电源，利用串接电阻提供给非转移弧回路，也可以采用两套电源。联合型等离子弧一般采用两套电源分别提供非转移弧和转移弧。图7.4-8所示为国产LH—30等离子弧焊机电路。

2.引弧装置

等离子弧焊的引弧装置与钨极氩弧焊相同。

3.控制系统

与电源相匹配，联合弧时配置两套控制系统，分别负责调节非转移弧和转移弧的电流，有时还需要控制离子气的递增和衰减。

图7.4-8 LH—30等离子弧焊机电路原理图

4.气路和水路

气路较钨极氩弧焊复杂，图7.4-9所示为等离子弧焊混合气体供气系统。采用H₂时，必须保证供气线路不漏气，否则有爆炸危险。在供气系统中，要有气流汇流筒进行均流，均匀分配给各气路，还要有储气筒，对离子气进行缓冲，衰减气阀对结构焊接时的气流进行衰减。水路与钨极氩弧焊相同。

5.焊枪

焊枪中最主要是喷嘴，其次必须保证钨极的对中性，典型的喷嘴结构如图7.4-10所示。喷嘴的重要结构参数是孔道比（孔道长度与孔道直径之比）l/d和压缩角α。表7.4-6列出了l/d和α的推荐值。孔道比越大，对等离子弧压缩作用越大，但也不能使喷嘴孔径过大，这样会失去电弧的压缩作用，d的选择要与焊接电流相匹配，表7.4-7列出了等离子弧电流与喷嘴孔径的关系。喷嘴的孔道数越多，越能压缩电弧，提高电弧的能量密度，但孔道比和孔道直径不匹配，等离子弧的稳定性会受到大的影响。

图7.4-9 等离子弧焊混合气体供气系统

1—气瓶 2—减压表 3—气流汇流筒 4—气阀 5—储气筒 6—调节阀 7—流量计 DF—衰减气阀

图7.4-10 典型喷嘴结构

a）单孔型 b）双孔型 c）多孔型

表7.4-6 喷嘴l/d和α的推荐值

表7.4-7 等离子弧电流与喷嘴孔径的关系

7.4.3.3 等离子弧焊焊接参数

1.等离子弧焊的工艺特点

等离子弧焊的工艺特点见表7.4-8。

表7.4-8 等离子弧焊工艺特点

2.等离子弧焊工艺

（1）接头形式 用于等离子弧焊接的通用接头形式为I形对接接头，开单面V形和双面V形坡口的对接接头，以及开单面U形和双面U形坡口的对接接头。除此之外，也可用角接接头和T形接头。

（2）焊接参数的选择 等离子弧焊焊接时，焊透母材的方式主要有穿透焊和熔透焊（包括微束等离子弧焊）两种。在采用穿透型等子弧焊时，焊接过程中确保小孔的稳定是获得优质焊缝的前提。影响小孔稳定性的主要焊接参数如下：

1）喷嘴孔径。喷嘴孔径直接决定等离子弧的压缩程度，是选择其他参数的前提。在焊接生产过程中，当焊件厚度增大时，焊接电流也应增大，但一定孔径的喷嘴其许用电流是有限制的。因此，一般应按焊件厚度和所需电流值确定喷嘴孔径。

2）焊接电流。当其他条件不变时，焊接电流增加，等离子弧的热功率也增加，熔透能力增强。因此，应根据焊件的材质和厚度首先确定焊接电流。

3）离子气种类及流量。目前应用最广的离子气是氩气，适用于所有金属，为提高焊接生产效率和改善接头质量，针对不同金属可在氩气中加入其他气体。例如，焊接不锈钢和镍合金时，可在氩气中加入体积分数为5%～7.5%的氩气；焊接钛及钛合金时，可在氩气中加入体积分数为50%～75%的氦气。

当其他条件不变时，离子气流量增加，等离子弧的冲力和穿透能力都增大。因此，要实现稳定的穿孔法焊接过程，必须要有足够的离子气流量。但离子气流量太大时，会使等离子弧的冲力过大将熔池金属冲掉，同样无法实现穿透法焊接。(www.xing528.com)

4）焊接速度。当其他条件不变时，提高焊接速度，则输入到焊缝的热量减少，在穿孔法焊接时，小孔直径将减小。如果焊速太高，则不能形成小孔，故不能实现穿透法焊接。焊接速度的确定，取决于焊接电流和离子气流量。

5）喷嘴高度。喷嘴端面至焊件表面的距离为喷嘴高度。生产实践证明，喷嘴高度应保持在3～8mm较为合适。如果喷嘴高度过大，会增加等离子弧的热损失，使熔透能力减小，保护效果变差。但若喷嘴高度太小，则不便操作，喷嘴也易被飞溅物堵塞，还容易产生双弧现象。

6）保护气成分及流量。等离子弧焊时，除向焊枪输入离子气外，还要输入保护气，以充分保护熔池不受大气污染。大电流等离子弧焊时保护气与离子气成分应相同，否则会影响等离子弧的稳定性。小电流等离子弧焊时，离子气与保护气成分可以相同，也可以不同，因为此时气体成分对等离子弧的稳定性影响不大。保护气一般采用氩气，如焊接铜、不锈钢、低合金钢时，为防止焊缝缺陷，通常在氩气中加一定量的氦气、氢气或二氧化碳气体等。保护气流量应与离子气流量有一个适当的比例，如果保护气流量过大，则会造成气流紊乱，影响等离子弧稳定性和保护效果。穿透法焊接时，保护气流量一般选择15～30L/min。表7.4-9列出了常用金属等离子弧焊选用的保护气。

表7.4-9 常用金属等离子弧焊保护气一览表

7.4.3.4 等离子弧焊典型设备

1.国产典型等离子弧焊接设备

Multiplaz 3500是一款荣获世界日内瓦展“特殊荣誉”大奖的便携式多功能等离子弧焊设备，如图7.4-11所示，主要用于熔接、钎焊以及金属与非金属的切割。

通过从水蒸气中获取等离子这样安全、简便、有效且环保的方法对厚度在0.3mm以上的金属进行热加工处理（切割、熔焊、钎焊、淬火、喷涂等），这在金属加工工业史上实属首创。其主要技术参数见表7.4-10。

图7.4-11 Multiplaz 3500等离子弧焊接机

表7.4-10 Multiplaz 3500性能参数

等离子弧焊接设备工作过程的原理是：射枪内部喷嘴（阳极）与电极（阴极）间产生电弧，使其间水蒸气发生电离，此时电离的蒸气受内部产生的压力以等离子射束的形式喷出喷嘴，其温度为8000℃左右，借此对非燃材料进行切割、焊接、熔焊以及其他形式的热处理加工。

（1）应用范围 该产品可用于如下场合：

1）五金加工、建筑装潢、汽车钣金、五金工艺品的制作。

2）机械设备的维修。

3）灯饰行业、制冷设备行业。

4）野外作业。

5）多种金属表面开口、开孔、熔化焊接、淬火等加工工艺。

6）管道维护。

7）小型钢结构制作。

（2）主要优势 该产品具有如下几个方面优势：

1）用水作离子源。用水（或在焊接时加入少量酒精）产生等离子实现焊接切割目的，温度可达到8000℃，该产品不需要任何辅助器材，焊接不需要工业气体作保护气。

2）电源方便、节能。该设备在110～253V的电压都可以正常使用，无电源时4kW·h的发电机即可满足工作需要，每小时耗电量只有3.5kW·h，与变压器式焊接设备相比该产品一年内就可节省近万元的开支。

3）使用安全且环保。使用过程中不产生有害气体，对环境和操作技工没有任何伤害，而且工作时产生的紫外线很弱用5号护目镜即可工作（其他焊接切割设备会产生臭氧及氮氧化物等有害气体，紫外线很强要用8号以上护目镜才可以工作）。

4）多功能性。可以切割或焊接各种金属（如碳素钢、合金钢、铸铁、铜类、铝合金等），还可以实现异种金属的熔焊、钎焊，并且还可以切割绝缘材料，如石英玻璃、陶瓷、水泥、石块等不燃材料。

2.国外典型等离子弧焊设备

国外典型等离子弧焊设备如图7.4-12所示，其技术参数见表7.4-11。

图7.4-12 飞马特ULTIMA150等离子弧焊接机及典型等离子弧焊系统

飞马特高精度等离子焊接系统ULTIMA150具备内置式冷却水箱以及错误电压输入保护，其自容式的装置，只需接入电源和气体，装上焊枪即可。焊接时，电弧穿透性强、挺性好，电极棒超长寿命，具有过热过载保护系统；借助小孔效应正面施焊，背面不用衬垫也可获得良好的反面成形，降低热量的输入及变形量，适用于高重复的焊接。其等离子弧能连续8小时以上的稳定焊接作业，从而提高生产效率。当焊接电流小于1A时仍能稳定燃烧，特别适宜于焊接微型精密零件。其性能参数如表7.4-11所示。

表7.4-11 ULTIMA150等离子弧焊接机性能参数

其主要特征如下：

1）电流0.5～150A可调范围，可获得良好的焊接性能。

2）稳定的直流电弧，重复性好，焊缝质量高。

3）具备引导电弧，可重复起弧，减少焊接缺陷，和返工时间，大大提高生产效率。

4）多种电压输入：200～460V，单相或三相，50或60H。

5）智能逻辑电路功能，保护电源在电压输入错误时免于受损。

6）配有限流器，限制从电源到焊枪的输出电流，避免焊枪受损。

7）电流预设功能：用户无需进行系统设置测试，即可预览焊机真实的电流与电压数值，由此降低焊接操作成本，提高焊接生产效率。

8）保护装置有：离子化冷却液保护功、冷却液流量保护和互锁功能、冷却液温度保护和互锁功能、气体控制模块温度过载检测和互锁功能。

9）操作界面简单，具备自动控制和手动控制两种方式。