等離子弧焊與自動氬弧焊組合焊接工藝分析

李建平 周正亮 崇鳳嬌 楊冬琴

（天華化工機械及自動化研究設計院有限公司，蘭州 730000）

社會經濟的快速發展，帶動了現代工業的迅猛發展。在工業發展中，不銹鋼和雙相鋼等材料的占比越來越大。焊接技術是這些材料制作設備的主要加工工藝。在規模化的工業生產中，傳統的氬弧焊與電弧焊組合工藝轉變成等離子與自動氬弧相結合為主的焊接工藝[1]。本文著重介紹后兩種焊接工藝及其產生機理和技術要點，并分析二者相結合的焊接工藝。

1 等離子弧焊接工藝原理及設備

1.1 等離子弧的特點及產生原理

一般的焊接電弧為自由電弧，電弧的氣體未被充分電離。當氣體獲得足夠的能量時，會產生電離，將較充分電離的氣體稱之為等離子體。等離子體屬于一種特殊物質。實際使用的等離子體是經過壓縮的電弧，也就是等離子弧[2]。首先，等離子弧溫度高且能量密度大，內部正負離子的濃度幾乎相等，溫度能夠達到1 6000～33 000 K，遠超一般自由電弧的溫度。等離子弧能量密度也要比一般的自由電弧高，且具有較高的導電性。由于它的截面積較小，因此一般的等離子弧噴嘴出口的溫度在20 000 K以上[3]。其次，等離子弧具有較強的穩定性、挺直度以及較寬的調節范圍，根據不同的材質和工藝要求，通過調節電流、噴嘴孔徑、噴嘴形態、氣體種類以及氣體流量，可以得到不同性質的等離子弧，因此調節范圍較寬[4]。此外，等離子弧具有較強的吹力。等離子弧發生裝置內通入常溫的壓縮氣體，由于受到電弧的高溫而膨脹，使氣體壓力增高，通過噴嘴的細孔截面積較小，能量集中。由于氣體的流速極強，因此可形成較強吹力的等離子弧柱[5]。

1.2 等離子弧的焊接方法分類

1.2.1 穿透型焊接法

穿透型焊接法是電弧在溶池前端穿透工件形成小孔的焊接方法，也被稱為小孔效應法。穿透型焊接法主要利用等離子弧高溫和能量集中的特點，迅速將焊縫處的金屬加熱至熔化狀態。當焊接參數選擇適當、電弧挺度適中時，它足以穿透整個焊縫的厚度。穿透型焊接法具有焊接速度快、生產效率高、焊接接頭質量好以及焊接變形小的優點。

1.2.2 熔透型焊接法

熔透型焊接法是指在焊接過程中只熔透焊件但不產生小孔效應的等離子弧焊接法。在使用熔透型焊接法焊接時，電弧壓縮的程度較弱，等離子流噴出的速度較小，電弧的穿透能力較弱。熔透型焊接法與鎢極氬弧焊的焊接方法較為類似，適宜焊接2～3 mm厚度的板材。

1.2.3 微束等離子弧焊

微束等離子弧焊接是利用小電流（通常小于30 A）進行焊接的等離子弧焊。當微束等離子弧焊的焊接電流小于10 A時，會出現電流不穩定的情況，因此往往要采用聯合弧的形式進行焊接。此外，微束等離子弧焊接對電源有一定要求，需采用垂直陡降外特征的直流電源進行焊接。

1.3 等離子弧焊接設備及主要組成部分

等離子氬弧焊接設備的主要結構包含了弧焊電源、等離子弧焊槍、自動控制系統、行走機構以及氣路和水路循環系統，如圖1所示。等離子弧焊接的首要設備是電源。等離子弧焊所采用的電源大部分具有陡降外特性的電源。根據某些工藝和焊接需要，有時會要求使用垂直下降外特性的電源。此外，它還包括等離子弧的引弧裝置、焊接監視系統以及噴嘴。噴嘴的結構尺寸與形狀對等離子弧的壓縮作用及其穩定性具有重要影響，主要分為單孔噴嘴、多孔噴嘴和雙錐度噴嘴。單孔噴嘴是只帶一個中心壓縮孔的噴嘴，適宜中小電流的等離子弧焊接使用；多孔噴嘴是除帶有中心孔以外，在中心孔的兩側還有等距離的噴孔，能夠有效減小焊縫；雙錐度噴嘴（擴散式）是一種新型噴嘴，可以使用更大的電流進行焊接，還能夠擴大等離子弧的穩定參數，如在焊接不銹鋼時，采用雙錐度噴嘴能夠一次穿透14 mm的焊縫。

圖1 等離子+自動氬弧焊接設備

1.4 等離子弧焊工藝優點

等離子弧焊能夠焊接大多數電弧焊所能焊接的材料以及多種難熔金屬，具有極大的優越性。比如，對于一些活性材料，一般的焊接方法是不能完成的，而等離子弧能夠進行焊接。尤其在薄板焊接方面，等離子弧焊工藝解決了氬弧焊不能進行的焊接問題。例如，一般情況下氬弧焊在焊接1 mm的板材時難度很大，而等離子弧焊能夠輕松解決這一問題。但是，等離子弧焊接具有很強的穿透性，一般對于小于8 mm的金屬板材可以不用開坡口而直接拼板焊接，減少了填充金屬的消耗，降低了生產成本。

2 自動氬弧焊的簡要概述

自動氬弧焊是在普通氬弧焊的基礎上增加自動控制系統和自動送絲機構，利用氬氣保護熔池，通過電流使母材熔化成液態熔池，再使母材金屬與焊材相結合的一種焊接技術。在進行氬弧焊接時，要注意焊接參數的調整設定，包括焊接電流、焊接電壓、焊接速度等。焊接時，各項參數必須匹配好，同時要保證焊前各項準備工作的完善以及焊接設備各項性能的完好。

3 等離子與自動氬弧焊組合焊接工藝質量控制及焊接要求

在進行等離子與自動氬弧組合焊接時，以介紹焊接不銹鋼材料為主，主要基于以下幾方面進行控制及焊接。

3.1 焊接環境

以焊接304L、316L和2205雙相鋼為例，在焊接前要清理焊縫兩側的油污，打磨去掉氧化層及其他雜質，同時背面必須有氬氣保護以確保背面成型。因為等離子與自動氬弧焊組合焊接工藝的焊接熱源較集中，熔池溫度高，因此焊接過程速度快、焊縫成型好且焊接缺陷少。實際工業生產中的打底焊縫和蓋面焊縫，分別如圖2所示和圖3所示。由于焊接熔池溫度高，因此不銹鋼等材料在焊接過程中需要注意控制層間溫度，防止接頭組織過熱導致晶粒粗大而影響力學性能和腐蝕性能。此外，焊接過程中要時刻確保接頭部位清潔，防止雜質進入。

圖2 等離子打底焊縫

圖3 氬弧焊蓋面焊縫

3.2 焊接接頭

要合理設計焊接接頭，防止出現指導工藝不當而導致的缺陷，以及出現應力腐蝕和開裂的情況，同時選擇合理的組裝工藝，減少變形度。此外，要規范合適的焊接工藝，設置匹配的焊接參數，確保焊縫成型良好，防止出現咬邊和未熔合等缺陷。焊接過程中還要規范調整及安排焊接參數和焊接順序，以降低焊接殘余應力水平。

3.3 人員與設備

焊接前要確保焊接人員取得相關的操作證書，掌握焊接規范和焊接順序，能夠按照標準規范焊接，且技術水平達標。此外，要提前查驗焊接設備各項性能是否完好，并查看引弧各項參數是否準確，確保在焊接過程中不會由于設備問題而影響焊接質量。

3.4 焊接準備工作和過程控制

以焊接不銹鋼容器為例，焊接前要清理焊縫的兩側，并利用丙酮清洗焊接部位周圍的油污，然后從縱縫開始焊接。焊接過程中必須使用引弧板和收弧板。焊槍要保持垂直狀態，在焊縫背面要加上銅墊板通氣保護和冷卻裝置，防止焊縫高溫氧化，提高保護氣體的效果和焊接接頭的抗腐蝕能力。在縱縫焊接完成后開始焊環縫，此時焊槍要向焊件的方向前移，確保焊接溶池能夠在相對水平的位置上凝固。此外，要將不銹鋼壓力容器筒節與封頭裝配好，利用專用夾具將其固定，確保環縫的焊接質量。焊接過程中還要注意控制送絲角度，防止焊絲送偏而未及時熔化形成缺陷。

3.5 焊接工藝

不銹鋼和雙相鋼等材料對焊接工藝有特殊的要求，包括焊接過程中的溫度控制、時間控制、氣體流量控制、焊接電流控制、焊接速度控制以及焊接電壓控制等。這些參數的協調匹配是影響焊接質量的關鍵因素。

3.5.1 焊接時間

需要精準把控焊接時間，避免焊接時間過長導致燒穿和層間溫度過高，或者時間不足而達不到焊縫成型要求。

3.5.2 焊接電流

焊接電流過大會燒穿焊縫，電流過小則不能擊穿焊縫。

3.5.3 氣體流量

氣體流量過大時，吹力太大，容易焊漏；氣體流量過小，則不利于焊縫焊透而快速成型。

3.5.4 焊接速度

焊接速度過快不易于熔池成型，而速度過慢則容易形成塌陷。

4 結語

隨著我國工業化進程的不斷加快，等離子弧焊的方式在焊接工藝中的優越性愈越發凸顯，是傳統的焊接方法不可比擬的。尤其在不銹鋼等金屬材料的焊接中，它能夠在不開坡口的條件下直接進行焊接，減少了復雜的焊接工序和前期準備工作，提高了生產效率，降低了生產成本。本文對等離子弧焊接展開詳細論述，同時簡要分析等離子與自動氬弧焊組合焊接工藝，提出了等離子弧焊與自動氬弧焊組合焊接的質量控制要點，希望能夠擴大等離子焊接工藝的應用范圍，促進我國的工業化發展。