等離子弧焊接的材料、裝配、工藝與缺陷形式

1、等離子弧焊接的材料、裝配、工藝與缺陷形式焊接材料 (1)母材凡氬弧焊能夠焊接的材料均可用等離子弧焊接，如碳鋼、耐熱鋼、蒙乃力合金、可伐合金、鈦合金、銅合金、鋁合金以及鎂合金等。 除鋁、鎂及其合金外，其余材料均采用直流正接法焊接：鋁、鎂及其合金采用交流或直流反接法焊接。直流正接等離子弧單道可焊材料厚度范圍一般為0.36.4mm。交流變極性等離子弧單道可焊鋁合金厚度可達(dá)12.7mm(小孔法)。 等離子弧焊接的冶金過程與氬弧焊相同，只是由等離子弧具有較小的弧柱直徑，焊接時(shí)母材熔化量少，所以焊縫深寬比大、熱影響區(qū)窄。每一種母材金屬焊接時(shí)對(duì)預(yù)熱、后熱以及氣體保護(hù)等工藝要求與氬弧焊相同。 (2)填充金屬與

2、氬弧焊一樣，等離子弧焊工藝可以使用填充金屬。填充金屬一般制成光焊絲或者光焊條。自動(dòng)焊使用光焊絲作填充金屬，手工焊則用光焊條作填充金屬。填充金屬的主要成分與被焊母材相同。 (3)氣體等離子焊槍有兩層氣體，即從噴嘴流出的離子氣及從保護(hù)氣罩流出的保護(hù)氣。有時(shí)為了增強(qiáng)保護(hù)，還需使用保護(hù)拖罩及通氣的背面墊板以擴(kuò)大保護(hù)氣的保護(hù)范圍。對(duì)鎢極應(yīng)該是惰性的；以免鎢極燒；護(hù)氣對(duì)母材一般是惰性的，但如果類取決于被焊金屬，可供選擇的氣體有： 1)Ar氣Ar氣用于焊接碳鋼、高強(qiáng)度鋼及活性金屬，如鈦、鉭及鋯合金。焊接這些金屬所用的氣體中，即使含有極小量的H，也可能導(dǎo)致焊縫產(chǎn)生氣孔、裂紋或降低力學(xué)性能。 2)Ar-H2混合

3、氣焊接奧氏體不銹鋼、鎳合金及銅鎳合金時(shí)，允許使用Ar-H2混合氣體。 Ar氣中填加H2氣可提高電弧溫度及電弧電場(chǎng)強(qiáng)度，能夠更有效地將電弧熱量傳遞給工件，在給定的電流條件下可以得到較高的焊接速度。同時(shí)，H2具有還原性，使用Ar-H2混合氣體可以獲得更光亮的焊縫外觀。但H2含量過多焊縫易出現(xiàn)氣孔及裂紋，一般(H2)限制在7.5以下。然而，在小孔焊接工藝中，由于氣體以充分逸出，加(H2)范圍為5一15，工件越薄，允許H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不銹鋼時(shí)，加(H2)為5%；而進(jìn)行3.8mm不銹鋼管道高速焊時(shí)，允許加(H2)達(dá)15%?！笔褂肁r-H2混合氣體作離。混合氣體作離子氣時(shí)，由于電弧溫度

4、較高，應(yīng)降低噴嘴孔徑的額定電流。 3)Ar-He混合氣He氣也是種惰性氣體，當(dāng)被焊工件不允許使用Ar-H2混合氣時(shí)，可考慮使用Ar-He混合氣。在Ar-He混合氣體中，甲(He)超過40%以上電弧熱量才能有明顯的變化。(He)超過75%時(shí)，其性能基本與純He相同，通常在Ar氣中加入(He)=5075進(jìn)行鈦、鋁及其合金的小孔焊及在所有金屬材料上熔敷焊道。 4)He氣采用純He作離子氣時(shí)，由于弧柱溫度較高，會(huì)降低噴嘴的熱負(fù)載，會(huì)降低噴嘴的使用壽命及承載電流的能力，另外He氣密度較小，在合理的離子氣流量下難以形成小孔。所以，純He僅用于熔透法焊接，如焊接銅。 5)Ar-C02混合氣由于保護(hù)氣體不與鎢

5、極接觸，在小電流焊接低碳鋼及低合金鋼時(shí)，允許在保護(hù)氣中添加適性氣體，其流量在1015L/min之內(nèi)。如在Ar中加甲(C02)為25作保護(hù)氣焊接鐵心疊片。 典型大電流焊接及小電流焊接條件下的氣體選擇分別見表1及表2。 表1 大電流等離子弧焊接用氣體選擇 表2 小電流等離子弧焊接用氣體選擇焊接工裝 (1)接頭形式用于等離子弧焊接的通用接頭形式為：I形坡口、單面V形和U形坡口以及雙面V形和U形坡口。這些坡口形式用于從一側(cè)或兩側(cè)進(jìn)行對(duì)接接頭的單道焊或多道焊，除對(duì)接接頭外，等離子弧焊也適合于焊接角焊縫和T形接頭，而且具有良好的熔透性。 厚度大于1.6mm但小于表3所列厚度值的工件，可不開坡口，采用小孔法

6、單面一次焊成。 對(duì)于厚度較大的工件，需要開坡口對(duì)接焊時(shí)，與鎢極氬弧焊相比，可采用較大的鈍邊和較小的坡口角度。第一道焊縫采用小孔法焊接，填充焊道則采用熔透法完成。圖1為兩種焊接方法所需V形坡口幾何形狀的比較。圖1 等離子弧焊和鎢極氬弧焊V形坡口形狀的對(duì)比 鎢極氬弧焊 等離子弧焊焊件厚度如果在00516mm之間，通常使用熔透法焊接。常用接頭型式如圖2所示。圖2 薄板焊接接頭形式 a) I形對(duì)接接頭b) 卷邊對(duì)接接頭 d) 卷邊角接接頭 d)端接接頭 t板厚（0.0251mm）h卷邊高度=（25）表3 一次焊透的厚度（單位：mm） （2）裝配與夾緊小電流等離子弧焊對(duì)接頭的裝配要求和鎢極氬弧焊相同。引

7、弧處坡口邊緣必須緊密接觸，間隙不應(yīng)超過金屬厚度的10%，難以保持上述公差時(shí)必須添加填充金屬。對(duì)于厚度不大于0.8mm的金屬，焊接接頭的裝配和夾緊要求如表4、圖3和圖4所示。 表4 厚度0.8mm的薄板對(duì)接接頭裝配要求 背面用Ar或He保護(hù)。 板厚小于0，25mm的對(duì)接接頭推薦采用卷邊焊縫圖4 厚度小于0.8mm的薄板對(duì)接接頭圖5 厚度小于0.8mm的薄板端面接頭裝配要求 a) 間隙 b) 錯(cuò)邊 c) 夾緊距離圖4給出了接頭間隙和錯(cuò)邊的允許偏差、壓板間距以及墊板凹槽等的尺寸。允許偏差與板厚成比例，I形坡口對(duì)接接頭允許的最大間隙為0.2t。圖5給出了端接接頭的裝配和夾緊的允許偏差。端接接頭的允許偏

8、差比對(duì)接接頭大得多。所以端接接頭是金屬箔片較方便的連接接頭。 焊接如壁厚0.10.2mm的金屬薄片時(shí)，焊口附近微小的熱量波動(dòng)都可能使融化焊道分離，以致無法得到連續(xù)的焊縫。因此要求夾具在整個(gè)焊接過程中年工件緊密接觸，利用夾具對(duì)焊件的良好散熱作用穩(wěn)定焊縫成形以及降低焊接變形。如普通夾具壓緊箔件效果不好，司考慮使用氣動(dòng)琴鍵夾具或彈簧琴鍵夾具。圖6是焊接lmm以下不銹鋼對(duì)接接頭的工裝參數(shù)曲線。 焊接夾具一般分為壓板和帶凹槽的墊板(圖6)。當(dāng)采用熔透法焊接時(shí)，墊板與氬弧焊時(shí)相同，開口凹槽的墊板用以支撐熔池，但采用小孔法焊接時(shí)，熔池是由表面張力支撐的，熔化的鐵水不與墊板凹槽相接觸。小孔法焊接用的典型墊板如

9、圖7所示，凹槽通常寬13mm，深19mm，這樣的凹槽不僅能夠容納背面保護(hù)氣，還為等離子射流提供一個(gè)穿出的空間。圖6 小電流焊接不銹鋼對(duì)接接頭的工裝參數(shù)曲線 虛線示例：T=板厚，0.5 mmC=壓板間距，3.5 mmD=墊板槽寬，2.0 mmI=焊接電流，9A 圖7 小孔法等離子弧焊接用的典型墊板 1焊槍2等離子射流3工件4背面保護(hù)氣5墊板(3)焊槍定位與氬弧焊一樣，等離子弧可以進(jìn)行全位置焊接。由于等離子弧指向性強(qiáng)，弧柱直徑小，所以要求焊接時(shí)焊槍能夠更精確地對(duì)準(zhǔn)焊縫，即嚴(yán)格地限制焊槍噴嘴軸線沿焊縫中心線的橫向擺動(dòng)。等離子電弧對(duì)弧長不敏感，所以焊槍噴嘴至工件的距離不像氬弧焊時(shí)要求那么嚴(yán)格。 焊接工

10、藝 (1)熔透法可以選擇手工及自動(dòng)兩種方式進(jìn)行熔透法焊接。 1)手工熔透法手工熔透法焊接的最佳電流范圍是0.150A。當(dāng)電流超過50A，使用于工氬弧焊更為經(jīng)濟(jì)。使用等離子弧焊設(shè)備的過程是先引燃維弧，開始焊接時(shí)再引燃主弧。如段時(shí)間內(nèi)需焊接多段焊縫或多個(gè)焊點(diǎn)，在完成一段焊縫或一個(gè)焊點(diǎn)時(shí)，可以只熄滅主弧，保存維弧。這樣，在下次焊接時(shí)，便可以方便地引燃主弧，而不像氬弧焊那樣反復(fù)地使用高頻引弧。而且，等離子弧長偏差1mm對(duì)焊縫質(zhì)量無影響，所以手工等離子弧特別適合焊接需要反復(fù)引燃主弧，而又無法精確控制弧長的焊接工藝，如焊接絲網(wǎng)。 2)自動(dòng)熔透法自動(dòng)熔透法焊接工藝應(yīng)用廣泛，特別是焊接小型精密元件如醫(yī)療設(shè)備元

11、件、光學(xué)儀器元件、精密儀器元件、絲材、膜盒或波紋管等。 在許多焊接應(yīng)用中，熔透法等離子弧應(yīng)用微程序控制焊接參數(shù)。如控制起弧電流、電流上升、脈沖電流、電流衰減及引弧電流。 由于高頻引弧器僅用來引燃維弧，焊接時(shí)無需再用高頻引弧器便可以順利地在工件與電極之間建立起轉(zhuǎn)移弧。因此，等離子弧設(shè)備工作時(shí)不會(huì)損壞周圍其他的電子設(shè)備。這種特點(diǎn)使等離子弧設(shè)備可以在電子檢測(cè)設(shè)備、機(jī)器人、計(jì)算機(jī)周圍使用而無需對(duì)這些設(shè)備加以隔離或防護(hù)。 熔透型等離子弧焊接工藝參數(shù)參考值見表及6。 (2)小孔法小孔法只能采用自動(dòng)焊。小孔法焊接需要精確地控制起弧與-收弧、離子氣流量、焊接電流、焊接速度等工藝參數(shù)。 1)起弧與收弧板厚小于3

12、mm時(shí)，可以直接在焊件上起弧及收弧。板厚大于3mm時(shí)，對(duì)于縱縫，可以采用引弧板及引出板，將小孔起始區(qū)及收尾區(qū)排除在焊縫之外。環(huán)縫焊接時(shí)，須采用電流及離子氣量遞增的方式形成合適的小孔形成區(qū)，而采用電流及離子氣量遞減的方式獲得小孔收尾區(qū)。圖8是小孔焊時(shí)電流及離子弧氣流量斜率控制曲線。有的等離子弧設(shè)備配備了先進(jìn)的流量控制器，可以在焊接過程中精確地控制離子氣流量。 表熔透型等離子弧焊接工藝參數(shù)參考值表6 微束等離子弧焊接不銹鋼的焊接工藝參數(shù)參考值 注：1保護(hù)氣：95Ar-5H2、流量10Lmin。 2背面保護(hù)氣：Ar，流量5Lmin。 離子氣：Ar。 填充絲：310不銹鋼，砂11mm。 填充絲：310

13、不銹鋼，1.4mm。圖8 厚板環(huán)縫小孔焊時(shí)焊接電流及離子氣流量斜率控制曲線2)離子氣流量離子氣流量增加，可使等離子流力和熔透能力增大，在其他條件不變時(shí)，為了形成小孔，必須要有足夠的離子氣流量，但是離子氣流量過大也不好，會(huì)使小孔直徑過大而不能保證焊縫成形，噴嘴孔徑確定后，離子氣流量大小視焊接電流和焊接速度而定，亦即離子氣流量、焊接電流和焊接速度這三者之間要有適當(dāng)?shù)钠ヅ洹?3)焊接電流焊接電流增加等離子弧穿透能力增加，和其他電弧焊方法一樣，焊接電流總是根據(jù)板厚或熔透要求來選定的，電流過小，不能形成小孔，電流過大，又將因小孔直徑過大而使熔池金屬墜落。此外，電流過大還可能引起雙弧現(xiàn)象。為此，在噴嘴結(jié)構(gòu)

14、確定后，為了獲得穩(wěn)定的小孔焊接過程，焊接電流只能被限定在某一個(gè)合適的范圍內(nèi)，而且這個(gè)范圍與離子氣的流量有關(guān)。圖9a為噴嘴結(jié)構(gòu)、板厚和其他工藝參數(shù)給定時(shí)，用實(shí)驗(yàn)方法在8mm厚不銹鋼板上測(cè)定的小孔型焊接電流和離子氣流量的匹配關(guān)系。圖中1為普通圓柱型噴嘴，2為收斂擴(kuò)散型噴嘴，后者降低了噴嘴壓縮程度，因而擴(kuò)大了電流范圍，即在較高的電流F也不會(huì)出現(xiàn)雙弧。由于電流上限的提高，因此采用這種噴嘴可提高工件厚度和焊接速度。圖9 小孔型焊接工藝參數(shù)匹配4)焊接速度焊接速度也是影響小孔效應(yīng)的一個(gè)重要工藝參數(shù)。其他條件一定時(shí)，焊速增加，焊縫熱輸入減小，小孔直徑亦隨之減小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材過熱，背面焊

15、縫會(huì)出現(xiàn)下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的確定，取決于離子氣流量和焊接電流，這三個(gè)工藝參數(shù)相互匹配關(guān)系見圖9b。由圖可見，為了獲得平滑的小孔焊接焊縫，隨著焊速的提高，必須同時(shí)提高焊接電流，如果焊接電流一定，增大離子氣流量就要增大焊速，若焊速一定時(shí)，增加離子氣流量應(yīng)相應(yīng)減小電流。 5)噴嘴距離距離過大，熔透能力降低：距離過小則造成噴嘴被飛濺物粘污。一般取38mm，和鎢極氬弧焊相比，噴嘴距離變化對(duì)焊接質(zhì)量的影響不太敏感。 6)保護(hù)氣體流量保護(hù)氣體流量應(yīng)與離子氣流量有一個(gè)適當(dāng)?shù)谋壤?，離子氣流量不大而保護(hù)氣體流量太大時(shí)會(huì)導(dǎo)致氣流的紊亂，將影響電弧穩(wěn)定性和保護(hù)效果。小孔型焊接保護(hù)氣體流量一般在1530L

16、min范圍內(nèi)。 常用四類金屬(碳鋼和低合金鋼、不銹鋼、鈦合金、銅和黃銅)小孔型焊接的工藝參考值見表7。 表7 小孔型等離子弧焊接工藝參數(shù)參考值碳鋼和低合金焊接時(shí)噴嘴高度為12mm：焊接其它金屬時(shí)。為48mm采用多孔噴嘴；預(yù)熱到316C焊后加熱至399C：保溫1h；焊縫背面須用保護(hù)氣體保護(hù)。60V形坡口，鈍邊高度48mm：直徑11mm的填充金屬絲，送絲速度152cmmin。要求采用保護(hù)焊縫背面的氣體保護(hù)裝置和帶后拖的氣體保護(hù)裝置：30V形坡口，鈍邊高度95mm：采用一般常用的熔化技術(shù)和石墨支撐襯墊。焊接缺陷 等離子弧焊常見特征缺陷有：咬邊、氣孔等。 (1)咬邊不加填充絲時(shí)最易出現(xiàn)咬邊，產(chǎn)生咬邊的原因?yàn)椋?1)離子氣流量過