气体保护焊技术

江河水编译


 



第四章 等离子焊(1)

第一节 概述

等离子焊的发展历史

人们早有让电弧收缩提高功率密度的想法,远在1909年舍内赫尔就曾经在微正压下用切向通入的水得到过在轴向集中的电弧。
但是在1927年以后才由物理学家朗格姆依尔引入了热等离子的概念。在寻求物质的第四种物态时,人们发现了一种可发光并具有一定电学性能的状态,称为等离子。这种热等离子由自由电子、离子和中性粒子(分子和原子)等组成,在高温下为一种强烈的又无序的运动状态。在高温下部分分子分裂,原子被电离。在上述过程中吸收的能量当碰到相对较冷的工件表面时便作为重新结合的热量而释放出来。
每种电弧均由一种热等离子组成。但是在等离子焊接时,通过电弧的弧柱压缩,物质的这种等离子状态的程度要高得多。等离子焊和与它较近似的钨极氩弧焊的情况相比,能量密度将增加许多倍,电弧的温度也要高一些。这种热等离子在焊接技术中首先是在热切割上应用。真正在焊接上应用还是在上世纪六十年代初的事情,故等离子焊还是一门较新的工艺。

等离子焊的原理

等离子焊属于钨极气体保护焊的一种。在德国标准DIN 1910第4部分对等离子焊这个术语作了说明。它的电弧和钨极氩弧焊不同。标准中这样介绍:
“等离子焊的电弧为一种压缩的电弧。对等离子辐射焊来说(简称WPS),电弧在钨极和等离子喷咀内壁间燃烧(非传输电弧);对等离子弧焊来说(简称WPL),电弧则为在钨极和工件间燃烧(传输电弧)。它既可以采用惰性气体如氩气或氦气为保护气体,也可以采用活性气体如氢气,还可以采用由惰性气体和/或活性气体的混合气体为保护气体。等离子辐射—等离子弧焊(简称WPSL)是等离子焊的一种变种,它既有非传输电弧又有传输电弧。”
可以由一般气体制造出这样的等离子,但需要送入足够的能量。可以通过热或辐射或者通过放电得到等离子。放电电弧是一种等离子。
在焊接技术中的所谓等离子是指图4-1这种通过喷咀收缩并作为热源用的电弧。如图4-2所示,由于等离子喷咀的机械压缩作用和剧烈的冷却效果,故等离子弧和自由的钨极氩弧相比,电弧截面明显缩小。
在等离子弧离开喷咀后,当用较高电流密度焊接前,为了限制电弧的扩张,可以用图4-3所示的办法,用一种低温导电性较小的气体(如氦气,氩气加氢气),也可收到类似的效果,也允许用具有高脉冲的等离子气流来附带地压缩弧柱。
这种受压缩的等离子弧比钨极氩弧的电阻大。在同样电流强度和电弧长度的情况下,等离子弧的电压明显大得多。显而易见,通过压缩弧柱和喷入等离子气流,可使工件受到高的能量密度作用。
另一个优点是这种等离子弧的“刚度”比钨极氩弧的高得多。
总而言之,等离子弧的形成依靠以下几点:喷咀孔道的机械压缩作用;冷气流对钨极的热收缩作用,这里的冷气流指等离子气;热收缩作用使弧柱截面变细和电流密度增大而产生的磁收缩作用,使钨极的弧柱特点为电流密度很高,同时温度也很高,能量密度也相当大。

图4-1 等离子焊炬的线路图

1 等离子辐射焊(WPS);2 等离子弧焊(WPL);3 等离子辐射—等离子弧焊(WPSL);4 等离子辐射—等离子弧焊(WPSL)(只适用于铝的焊接)

图4-2 等离子弧和钨极氩弧间的比较


焊炬由等离子气体和保护气体组成

焊炬由等离子气体和保护气体组成。由多孔喷咀喷出等离子气体

焊炬由等离子气体和压缩气体组成,最外层还有保护气体。

图4-3 等离子焊时压缩选弧柱的影响因素

图4-4 等离子辐射焊

等离子焊的工艺特点

目前在不锈钢、钛及钛合金以及薄板与超薄板的焊接中已用等离子焊取代了部分钨极氩弧焊。因等离子焊具有如下特点:

  1. 由于等离子焊的弧柱温度高,能量密度大,对焊接加热集中,熔透力强,故焊接速度比钨极氩弧焊高得多,利于提高劳动生产率。
  2. 焊缝截面形状较窄,深宽比大。焊件变形较小。
  3. 等离子弧工件稳定,可用小电流等离子弧焊接很薄的工件。
  4. 钨极处在喷咀孔道内,不会和工件相碰,故焊缝金属不会出现夹钨现象。

等离子焊的分类

根据电弧特性分类

1 等离子辐射焊(简称WPS)

图4-1 a)是这种等离子辐射焊焊炬的连接示意图。图4-4是其焊炬及其各部分的名称。等离子辐射焊是通过钨极和水冷铜喷咀间的电弧产生的。冷的等离子气体从焊炬上部流过电极,进入充满电弧的空间,并在那里被加热。在此产生的等离子呈一种明亮的狭窄火焰,通过气流从铜喷咀喷出。这种可见的等离子射线不导电,故可以用于任意不导电材料的焊接,不必担心对焊炬内部气体放电的副作用。等离子射线的轴向温度,形状以及长度和电流强度,气体流量,气体种类和喷咀形式等有关系。在电流强度较高时如电弧倾斜,将会引起等离子喷咀的一侧烧牢,并会因局部过热而破坏。可以通过一种特殊的送气方法来避免产生这种现象,送入的等离子气体被迫高速回转。用这种等离子焊炬使用安全,不易被烧坏。等离子辐射焊常用于加热和切割不导电的材料,也用于等离子喷镀和等离子堆焊。
原则上可用这种等离子辐射来引导和稳定导电的等离子电弧(电极接负极)。等离子辐射焊既可以用图4-1的高压脉冲引弧,也可以通过电极和等离子喷咀短时的接触来引弧。

2 等离子弧焊(简称WPL)
焊炬电极和工件间的电弧只受等离子喷咀的压缩(图4-1b和图4-5)。
工件此时作为电极在用,金属工件具有导电性,在电弧热量作用下温度骤升。此时产生一种导电的等离子电弧。能量可高度集中,故能用于等离子焊接。


如图4-1 b)所示,钨极可接负极,也可以接正极。在接负极时可用来焊接钢、镍、铜、钛和锆等材料。接正极时则常用于焊接铝、镁和含铝的青铜,因此时可以清除氧化皮。但钨极接正极时存在着冷却问题,要求采用特殊的焊炬和电极。

图4-5 等离子弧焊

图4-6 等离子辐射—等离子弧焊

图4-7 微束等离子焊和厚板等离子焊适用的电流强度和板厚范围

3 等离子辐射—等离子弧焊(简称WPSL)

前述这两种等离子焊经常也合在一起用,称为等离子辐射—等离子弧焊。
如图4-1 c)和d)所示,这种焊接方法中又有两种不同的接线方法。其中c)的线路中钨极接负极,铜喷咀和工件接正极。引弧可靠,在很小电流强度下电弧也很稳定。
图4-1c)的这种线路也同样利用双电弧。钨极也接负极,铜喷咀接正极,工件接负极。可使钨棒在较小的热负荷焊接铝材。由于钨极接负极,故可以同时用来焊接除铝外的其它材料如钢、钛、镍和铜等。
这种焊接方法存在着两个电源,其中一个在电极和铜喷咀之间,而另一个则在电极和工件之间。现代化的等离子焊机多采用这种电路布置。在工作时多以低电流强度驱动的不导电的电弧为引导电弧。另一个电弧是通过预先电离实现无接触引弧的主要电弧。

根据应用分类

1 等离子连接焊

在等离子连接焊中又可根据适合焊接工件的厚度分为微束等离子焊和厚板等离子焊。两者间的具体区分方法,可参见图4-7。

1)微束等离子焊

采用专用焊机工作,适用电流强度由0.05-50安左右。焊接工件的厚度为0.01-1毫米。尤其是对于电流强度在1安以下的焊机,使用压缩电弧比用钨极氩弧优越得多。电弧在非常小的电流强度下,燃烧依然很稳定。其原因可以从图4-8中看出。钨极氩弧(自由燃烧电弧)的特性曲线和焊机的电源特性曲线间在较小电流强度,由于陡降的特性,仅相切,故没有明确的工作点。而经过压缩的等离子电弧则不一样,在较低电流强度时也依然有精确的工作点。对较大电流强度时则两种方法均不成问题。

图4-8自由燃烧的和压缩的电弧的工作点

图4-9表示一台粉末等离子堆焊焊机的工作原理。

图4-10 热丝等离子堆焊设备

2)厚板等离子焊

对等离子焊而言,所谓厚板指板厚由1-10毫米,即电流强度在40-350安。当然这里的厚板并非指焊接技术上广义的厚板,这里的“厚”只是相对于微束等离子焊的“薄”而言。当然也可以换成另一种表示方法“大电流等离子焊”。从焊接工艺出发,又可把厚板等离子焊进一步细分为电弧压力下压焊接法和穿孔效应焊接法。对此将在焊接工艺一节内作详细的介绍。

2 等离子堆焊

等离子堆焊的方法主要有两种,即粉末等离子堆焊和热丝等离子堆焊。尽管等离子辐射焊不导电电弧也可以用于堆焊,但因没有什么实际意义,在此不予考虑。

1)粉末等离子堆焊

图4-9粉末等离子堆焊工作原理
如图4-9所示,在钨极和水冷等离子气体的铜喷咀间,通过引弧设备而产生一个不导电的电弧,又称辅助电弧。辅助电弧有两个功用,其一是作为引导电弧使主电弧引弧。其二为使通过输送气体送入焊炬的粉末状填充材料局部熔化。粉末的完全熔化是在主电弧中实现的。最后让粉末变成细熔滴状到达工件表面。在此同时主电弧使工件表面熔化很薄的一层,再由熔化的母材和熔成液态的填充材料构成堆焊焊道。在此因为将辅助电弧和主电弧的电流强度分开调节,和可以一定范围中变化粉末的送入量,故这种焊接法允许的熔敷量和混合度的变化范围也较大。

2)热丝等离子堆焊

图4-10是一台热丝等离子堆焊设备的示意图。等离子焊炬应用导电的电弧,在电弧后面送入焊丝状焊接填充材料。两根焊丝由单独的热丝电源将焊丝预热到赤热温度,并在等离子电弧中被最后熔化。焊丝直径一般为1.6毫米。热丝用电阻加热法预热。通过焊炬的摆动,一般可得到30-60毫米宽的焊道。
在此可以单独调节等离子焊炬的电流和加热焊丝的电流,可在很大的范围内变化熔敷量和混合度。

根据焊接电流范围和可焊的焊件厚度

1 大电流等离子弧焊

一般电流大于100安(约为100-500安),工件厚度3-8毫米,可单面焊双面成形。使用导电的等离子弧,用穿孔效应实现单面焊双面成形。常用于焊接碳钢、合金结构钢、不锈钢、钛和钛合金。

2 中电流等离子弧焊

使用15-100安的电流范围,可焊0.5-3毫米焊件厚度。使用等离子辐射—等离子弧焊,焊缝成形多采用熔融焊接法(又称电弧压力下压焊接法)。可用它来代替局部气焊,钨极氩弧焊和二氧化碳气体保护焊。

3 小电流等离子弧焊

这便是前面介绍的微束等离子焊。适用于焊接箔状金属。电流范围为0.05 -50安,焊件厚度为0.01-1毫米