浅析等离子焊接的两种基本方法

    等离子弧是利用等离子焊枪将阴极和阳极之间的自由电弧压缩成高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的电弧。等离子弧可用于焊接、喷涂、堆焊及切割。等离子焊枪喷嘴孔径及孔道长度是压缩喷嘴的两个主要尺寸，喷嘴内通的气体称离子气。中性的离子气在喷嘴内电离后使喷嘴内压力增加，所以喷嘴内壁与电极之间的空间称增压室。电离了的离子气从焊枪喷嘴流出时受到孔径限制，使弧柱截面变小，该孔径对弧柱的压缩作用称机械压缩。水冷喷嘴内壁表面有一层冷气膜，电弧经过孔道时，冷气膜一方面使喷嘴与弧柱绝缘，另一方面使弧柱有效截面进一步收缩，这种收缩称热收缩。弧柱电流自身磁场对弧柱的压缩作用称磁收缩。在机械压缩与热收缩的作用下，弧柱电流密度增加，磁收缩随之增强，如电流不变，弧柱电场强度及弧压降都随电流密度增加而增加，所以等离子弧的电弧功率及温度明显高于自由电弧。

    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。

    （一）小孔型等离子弧焊

    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。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：（1）由于电弧穿透能力强，对厚板可实现单道焊接；（2）孔隙率低；（3）不开坡口实现对接焊，焊前对工件坡口加工量减少；（4）由于小孔法产生较为对称的焊缝，焊接横向变形小。

    小孔法的缺点是：（1）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；（2）除铝合金外，大多数小孔焊工艺仍限于平焊位置；（3）焊接可变参数多，规范区间窄；（4）焊枪对焊接质量影响大，喷嘴寿命短。

    （二）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。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。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。

    熔透法等离子弧焊具有优点是：（1）电弧挺直性好，以焊接电流10A为例，等离子弧焊喷嘴高度达6.4mm时，弧柱仍较挺直，而钨极氩弧焊的弧长仅能采用0.6mm。钨极氩弧的扩散角约450，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50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；（2）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；（3）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；（4）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。

    熔缝法的主要缺点是：（1）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；（2）由于电弧直径小，要求焊枪喷嘴轴线更准确地对中焊缝。

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