真空等離子焊箱工作原理及常見故障分析

姬向鋒

（國核寶鈦鋯業股份公司合金制造廠 陜西寶雞）

一、引言

鈦、鋯屬于高活性金屬，在高溫下會與氧、氮等氣體發生劇烈反應，在大氣中焊接此類金屬會使焊縫完全脆化。必須在非大氣的環境下焊接才具有實際意義。目前，國內外焊接鈦、鋯等高活性金屬，主要使用真空等離子焊接和真空電子束焊接。公司經過調研，購置了一臺國內自主研發的真空等離子焊箱，經過近兩年的設備調試與工藝參數的摸索，現已能夠生產出符合要求的5 t大規格核級一次電極，填補國內空白，順利通過了設備及工藝鑒定。

二、設備工作原理簡介

1.設備概況

圖1是真空等離子焊箱圖。爐室是由內徑1700 mm的固定爐室和爐內臺架移動小車組成，總長11 mm。小車在爐內可以縱向和橫向移動，槍體為定槍式結構。臺車上的伺服電機驅動鏈輪旋轉，從而帶動料架進行圓周運動，實現焊接環縫的目的。設備真空系統設有滑閥真空泵和羅茨泵，對爐體進行抽空，極限真空可以達到-0.05 Pa。

2.焊接原理簡介

圖1 真空等離子焊箱

（1）等離子弧焊接和氬弧焊的區別。等離子弧焊是一種壓縮氣體保護焊接法。這種焊接方法是20世紀60年代出現的技術，是在氬弧焊的基礎上發展起來的。等離子弧焊和氬弧焊都屬于惰性氣體氬氣保護焊接，氬弧焊為自由電弧，不經過任何壓縮，電弧發散，等離子弧焊接的電弧為壓縮電弧，電弧集中，這是等離子弧焊與氬弧焊的主要區別。因此，等離子弧焊接與一般氬弧焊相比，具有生產效率高、焊接質量好與應用面廣的特點。

（2）焊槍結構原理簡介。圖2所示是與焊箱配套的焊槍結構原理圖。焊槍的起弧方式為高頻引弧，要求電極頭與噴嘴之間的間隙為1.5～2 mm，電極頭為負極，噴嘴為正極。當電極頭加載高頻電源時，周圍氣體被電離與噴嘴之間形成小弧，此時噴嘴斷電，電極頭為負極，物料為正極，電極頭通過噴嘴與物料之間起弧，形成穩定的等離子弧。

圖2 焊槍結構原理圖

要使等離子弧具有較高的能量，等離子弧都通過了3種壓縮效應使自由電弧得到了強迫的壓縮。①機械壓縮效應。自由電弧通過噴嘴的孔道，強迫弧柱縮小。②熱收縮效應。在圖2中標Ar處通入高速冷卻的氣流，形成很薄的冷氣流層均勻包圍著弧柱，邊緣層氣體電離的程度急劇降低，迫使帶電粒子流往高溫和高電離度的弧柱中心區域集中，使弧柱直徑變細。③電磁收縮效應。帶電粒子流可以被看成無數根通電導體，兩根平行且通過同方向電流的導體之間存在相互吸引力，距離越近，吸引力則越大。

要使焊接連續且穩定，必須保證等離子弧能夠穩定的燃燒。電弧是電極與工件間的氣體介質長時間放電的現象。電弧主要由陰極區、弧區、陽極區3部分組成。其中，陰極區主要由陰極斑點組成。陰極斑點是產生電弧放電的基礎，總是快速不間斷地游離于陰極表面上。宏觀看它是無規律的，實際則有自己的規律性，即總是向陰極表面逸出功最小處轉移。根據這一特性，斑點在陰極表面上的游動區間大小將直接影響電弧的穩定性。當電極頭部為倒圓錐狀時，由于陰陽極間距始終保持中央最小，尖端處電子逸出功最小，斑點集中在尖端附近。陰極斑點游動區間小，所以電弧穩定。相反，如果電極頭部呈橢圓狀甚至平面狀，則斑點會在較大區間甚至整個平面上游動，不易集中，電弧穩定性差。因此，電極頭為倒圓錐狀，有助于電弧的穩定燃燒。

三、常見故障及原因分析

真空焊箱的核心部件就是焊槍。因此，焊槍是該設備出現故障最多也是最難維護和查找的地方，通過兩年多的試運行，設備可能出現的主要問題基本暴露出來。

1.槍體不起弧

若在高頻起弧過程中焊槍沒有反應，可能由兩方面的原因引起。一是焊槍供電電源或高頻發生器等電器元件發生故障；二是焊槍的噴嘴與電極頭間隙調整不合適。

判斷該故障時，主要看控制面板的電壓顯示值，若面板中電壓值不變化且為零，則主要原因應當為電路或高頻發生器故障；若高頻引弧中電壓值瞬間升高至80～90 V，則表明可能由于噴嘴與正極頭的相對位置不當引起。設備圖紙要求，噴嘴與正極頭間隙應保證在1.5～2 mm，調整該間隙問題可以解決。

2.電弧不穩定，且頻繁息弧

由上述電弧穩定性原理可知，要使電弧穩定燃燒應使電極頭為倒圓錐狀，根據電弧向陰極表面逸出功最小處轉移的理論，電弧的穩定性較好。但當電極頭使用若干爐次后，電極頭頭部由于種種原因可能引起尖端受損，或物料噴濺到電極頭上使斑點可能在較大范圍內游動，引起電弧不穩的現象。通常更換新備件或將舊的電極頭打磨處理后，能恢復其性能。

3.電弧出現偏弧現象

電弧偏主要原因有：電極頭受損，逸出功最小點已偏離中心；導氣環堵塞，導致氬氣不能在圓周方向均勻噴出；導氣環受磨損，導致其對電極頭定心精度降低；焊槍加工誤差，導致電極頭與噴嘴不同心。

4.電弧有“雙弧”現象

所謂“雙弧”，即除了電極與工件有一個電弧外，由于某種原因，使電流由電極通過噴嘴再到工件，即電極與工件之間產生另一個電弧，這種有兩個電弧同時存在的現象就稱為“雙弧”。雙弧原理如圖3所示。

（1）電弧電流的影響。當電流增大時，等離子弧柱的直徑增大，從而使弧柱與噴嘴內壁的隔熱絕緣層厚度減小，從而形成雙弧。

（2）氬氣流量的影響。當工作氣流量減小時，由熱收縮效應原理可知減弱了對等離子弧的壓縮，也可能出現該現象。

（3）噴嘴孔道比的影響。噴嘴通道的直徑越小，在相同電流和工作氣量的條件下，絕緣層的厚度就越薄，溫度高，形成“雙弧”也就越容易。

（4）噴嘴與背母粗糙度的影響。若噴嘴及背母表面粗糙，電弧可能會出噴最后沿路徑較短的地方與物料起弧，產生偏弧、雙弧現象。

（5）噴嘴冷卻效果的影響。當噴嘴冷卻較差時，噴嘴外壁的氣體溫度較高則很容易被電離，從而使噴嘴帶電，與物料之間形成“雙弧”。

圖3 雙弧現象原理圖