等離子氣刨在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件制造還能這么用

焊接在工程機(jī)械結(jié)構(gòu)件制造中應(yīng)用廣泛，無論是CO2氣體保護(hù)焊還是混合氣體焊接等焊接方法，總會(huì)出現(xiàn)部分焊接缺陷，如未熔合、未焊透、氣孔、裂紋、夾渣或外觀質(zhì)量問題。根據(jù)焊縫設(shè)計(jì)和質(zhì)量等級(jí)要求有些是不允許存在的，需要采取清根焊補(bǔ)等返修措施確保焊縫質(zhì)量。目前主要采取碳弧氣刨、氧燃料氣刨、打磨和破碎錘等工藝手段進(jìn)行焊接缺陷，清理焊接坡口進(jìn)行焊補(bǔ)確保焊接質(zhì)量，在大多數(shù)工程機(jī)械廠家均采取碳弧氣刨實(shí)施。1.碳弧氣刨技術(shù)應(yīng)用

（1）工作原理

在焊接生產(chǎn)中，碳弧氣刨因其相比其他工藝措施有較大優(yōu)越性，廣泛用來刨槽、消除焊縫缺陷和背面清根。其工藝原理為使用碳棒或石墨棒作電極，與工件間產(chǎn)生電弧，將金屬熔化，并用壓縮空氣將熔化金屬吹除的一種表面加工溝槽的方法。其主要工作原理和設(shè)備如圖1所示。

圖1?碳弧氣刨示意1.電源

2.氣刨槍

3.碳棒4.電纜氣管

5.壓縮空氣

（2）應(yīng)用特點(diǎn)

碳弧氣刨使用過程中對(duì)電流的要求較大，一般采取具有陡降外特性且動(dòng)特性較好的大功率直流電源，交流電源因其電流過零點(diǎn)時(shí)間長會(huì)引起電弧的不穩(wěn)定，其主要應(yīng)用特點(diǎn)為：①手工碳弧氣刨時(shí)，靈活性很大，可進(jìn)行全位置操作，可達(dá)性好，非常簡便。②清除焊縫的缺陷時(shí)，在電弧下可清楚地觀察到缺陷的形狀和深度。③效率高，用自動(dòng)碳弧氣刨時(shí)，具有較高的精度，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。

但碳弧氣刨有明顯的缺點(diǎn)：如碳弧有較大的煙霧、粉塵污染、噪聲較大和弧光輻射，對(duì)操作者的技術(shù)要求高，熱輸入值較高，如圖2所示。此外，操作不當(dāng)容易引起焊道處增碳，對(duì)后續(xù)補(bǔ)焊十分不利，需要砂輪修磨處理，近年來也研制成功交流方波電源，尤其是動(dòng)特性和控制性能優(yōu)良的逆變式交流方波電源，但上述明顯的不足也很難彌補(bǔ)。

圖2

碳弧氣刨現(xiàn)場2.等離子氣刨工藝研究

隨著精細(xì)等離子在焊切領(lǐng)域的應(yīng)用越來越廣泛，它是利用高溫在噴嘴處噴射出來的高速氣流離子化，從而形成導(dǎo)電體。當(dāng)電流通過時(shí)，該氣體即形成高溫等離子電弧，電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借助高速等離子氣流的動(dòng)力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。它利用環(huán)形氣流技術(shù)形成的細(xì)長并穩(wěn)定的等離子電弧，保證了能夠平穩(wěn)且經(jīng)濟(jì)地切割任何導(dǎo)電的金屬，并具有切割精度高，切割速度快的優(yōu)勢。

近年來，越來越多的焊切設(shè)備廠家研究利用高能等離子來清理焊接焊縫缺陷，即等離子氣刨工藝技術(shù)，它只需要70A以上較低的電源，割炬和刨嘴即可實(shí)現(xiàn)等離子氣刨，必要時(shí)采取刨割熱板，采取空氣、氧氣、氮?dú)饣驓鍤?氫氣（H35）實(shí)施，若采取空氣，相比等離子切割只需具有較低的空氣壓力，柔和的、較寬的弧，刨削傾角調(diào)整范圍廣，如圖3所示。

圖3

等離子刨削示意

通過大量的工藝試驗(yàn)，確定在氣體壓力、刨槍距工件工作面距離一定的情況下，對(duì)溝槽形狀、尺寸和效率的影響，具體如表1所示，在30°~60°傾角范圍內(nèi)刨削效率最高。3.等離子氣刨的應(yīng)用及對(duì)比

為了研究等離子刨削的先進(jìn)性，我們分別采取某國際知名品牌的1000A碳弧氣刨機(jī)和150A等離子氣刨機(jī)進(jìn)行對(duì)比試驗(yàn)。試驗(yàn)條件為：碳弧氣刨采取8mm碳棒，等離子氣刨氣體采用普通壓縮空氣，試驗(yàn)材料采用推土機(jī)主機(jī)架關(guān)鍵焊縫如圖4所示，主要材質(zhì)為Q460C低合金高強(qiáng)鋼板。

圖4?試驗(yàn)工件及焊縫位置示意

（1）刨削溝槽質(zhì)量對(duì)比

針對(duì)兩臺(tái)同位置的焊接缺陷采取碳弧氣刨（已修磨）和等離子氣刨后，外觀質(zhì)量如圖5所示，首先本次試驗(yàn)碳弧氣刨速度為0.6~0.8m/min，焊縫刨削質(zhì)量較差，且溝槽較寬對(duì)母材影響較大，刨削速度對(duì)刨槽尺寸和表面質(zhì)量都有一定的影響，刨削速度太快會(huì)造成碳棒與金屬相碰，使碳粘在刨槽的頂端，形成所謂“夾碳”的缺陷，必須經(jīng)過砂輪修磨后的方可進(jìn)行焊接措施。刨槽表面有厚度為0.54~0.72mm的硬化層，硬化層是由于處于高溫的表層金屬被急冷后而造成的，而不是滲碳的結(jié)果，并隨工藝參數(shù)的變化而變化，但最深≤l.0mm。150A等離子弧速度為1.5m/min，刨削溝槽質(zhì)量好，尺寸規(guī)則，且很少或基本上不需要打磨，同時(shí)無碳層，若采取氮?dú)饣驓鍤?氫氣（H35）等介質(zhì)保護(hù)實(shí)施屏蔽了空氣，金屬珠與空氣不發(fā)生反應(yīng)，可以留下一層氮化物，有助于進(jìn)一步焊接。

圖5

刨削焊縫外觀質(zhì)量

（2）煙霧發(fā)塵量對(duì)比

考慮到刨削現(xiàn)場產(chǎn)生強(qiáng)弧光和大量煙塵，要求刨削操作人員必須穿戴防護(hù)，尤其是防護(hù)面罩。然后針對(duì)兩種刨削方式進(jìn)行防護(hù)罩內(nèi)、工作區(qū)以及工作區(qū)外（2m）分別收集發(fā)塵量并進(jìn)行檢測對(duì)比，同時(shí)針對(duì)工作區(qū)刨削溝槽產(chǎn)生區(qū)附近進(jìn)行發(fā)塵量的采集對(duì)比，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6

發(fā)塵量數(shù)據(jù)對(duì)比1

圖7

刨削發(fā)塵量數(shù)據(jù)對(duì)比2

通過刨削煙霧和發(fā)塵量數(shù)據(jù)的收集進(jìn)行分析，可以得出如下結(jié)論：①煙塵量濃度由高到低依次為：工作區(qū)、工作區(qū)外、防護(hù)罩內(nèi)。②刨削產(chǎn)生區(qū)的煙塵量由高到低依次為熔化區(qū)、過渡區(qū)、母材區(qū)。③單位發(fā)塵量：等離子氣刨發(fā)塵量遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于碳弧氣刨。

（3）成本效率對(duì)比

兩種刨削設(shè)備負(fù)載持續(xù)率按分別為等離子40%、碳弧氣刨20%，采取相應(yīng)的刨削速度進(jìn)行多批次工藝試驗(yàn)，得出綜合使用成本如表2所示，可以看出等離子氣刨較碳弧氣刨無需碳棒電極，減少了消耗品損耗，使用綜合成本較碳弧氣刨低約50%；同時(shí)等離子氣刨不劇烈，安全性高，沒有潛在的火災(zāi)危險(xiǎn)，噪聲較小，同時(shí)擁有更快的氣刨速度，節(jié)約勞動(dòng)力成本同時(shí)減少潛在缺陷，不需要專門配置除塵設(shè)備，如表2所示。

通過上述等離子氣刨和碳弧氣刨在三個(gè)方面的對(duì)比試驗(yàn)分析，等離子刨削具有明顯的使用優(yōu)越性，同時(shí)針對(duì)焊接缺陷的工件修復(fù)的溝槽焊道無需進(jìn)行二次打磨，形成的一層氮化物對(duì)后續(xù)的焊接起到了促進(jìn)作用，確保焊縫返修的質(zhì)量效果，如圖8所示。

圖8

工件焊縫修復(fù)效果圖4.等離子刨削技術(shù)應(yīng)用展望

綜上，等離子刨削技術(shù)在公司結(jié)構(gòu)件焊接缺陷的清根處理中表現(xiàn)出了一系列優(yōu)點(diǎn)，例如刨削溝槽質(zhì)量好、形狀規(guī)則、無需二次打磨處理等，同時(shí)使用成本較低，安全性高，尤其刨削弧光弱、噪聲小、煙霧少深受廣大一線操作人員喜愛，更好地保護(hù)了操作者的身心健康。

隨著國家對(duì)環(huán)保的逐步重視和工業(yè)生產(chǎn)面臨的各種嚴(yán)苛的挑戰(zhàn)，越來越多的企業(yè)也開始注重選擇環(huán)保類產(chǎn)品，等離子氣刨作為等離子切割技術(shù)衍生出的一