等离子弧焊接的材料、装配、工艺与缺陷形式

HEATS

焊接材料

(1)母材凡氩弧焊能够焊接的材料均可用等离子弧焊接，如碳钢、耐热钢、蒙乃力<合金、可伐合金、钛合金、铜合金、铝合金以及镁合金等。

除铝、镁及其合金外，其余材料均采用直流正接法焊接：铝、镁及其合金采用交流或直流反接法焊接。直流正接等离子弧单道可焊材料厚度范围一般为0.3—6.4mm。交流变极性等离子弧单道可焊铝合金厚度可达12.7mm(小孔法)。

等离子弧焊接的冶金过程与氩弧焊相同，只是由等离子弧具有较小的弧柱直径，焊接时母材熔化量少，所以焊缝深宽比大、热影响区窄。每一种母材金属焊接时对预热、后热以及气体保护等工艺要求与氩弧焊相同。

(2)填充金属与氩弧焊一样，等离子弧焊工艺可以使用填充金属。填充金属一般制成光焊丝或者光焊条。自动焊使用光焊丝作填充金属，手工焊则用光焊条作填充金属。填充金属的主要成分与被焊母材相同。

(3)气体等离子焊枪有两层气体，即从喷嘴流出的离子气及从保护气罩流出的保护气。有时为了增强保护，还需使用保护拖罩及通气的背面垫板以扩大保护气的保护范围。对钨极应该是惰性的；以免钨极烧；护气对母材一般是惰性的，但如果类取决于被焊金属，可供选择的气体有：

1)Ar气Ar气用于焊接碳钢、高强度钢及活性金属，如钛、钽及锆合金。焊接这些金属所用的气体中，即使含有极小量的H，也可能导致焊缝产生气孔、裂纹或降低力学性能。

2)Ar-H2混合气焊接奥氏体不锈钢、镍合金及铜镍合金时，允许使用Ar-H2混合气体。

Ar气中填加H2气可提高电弧温度及电弧电场强度，能够更有效地将电弧热量传递给工件，在给定的电流条件下可以得到较高的焊接速度。同时，H2具有还原性，使用Ar-H2混合气体可以获得更光亮的焊缝外观。但H2含量过多焊缝易出现气孔及裂纹，一般φ(H2)限制在7.5％以下。然而，在小孔焊接工艺中，由于气体以充分逸出，加φ(H2)范围为5％一15％，工件越薄，允许H2的比例越大。如小孔法焊6.4mm不锈钢时，加φ(H2)为5%；而进行3.8mm不锈钢管道高速焊时，允许加φ(H2)达15%。”使用Ar-H2混合气体作离。混合气体作离子气时，由于电弧温度较高，应降低喷嘴孔径的额定电流。

3)Ar-He混合气He气也是—种惰性气体，当被焊工件不允许使用Ar-H2混合气时，可考虑使用Ar-He混合气。在Ar-He混合气体中，φ甲(He)超过40%以上电弧热量才能有明显的变化。φ(He)超过75%时，其性能基本与纯He相同，通常在Ar气中加入φ(He)=50％～75％进行钛、铝及其合金的小孔焊及在所有金属材料上熔敷焊道。

4)He气采用纯He作离子气时，由于弧柱温度较高，会降低喷嘴的热负载，会降低喷嘴的使用寿命及承载电流的能力，另外He气密度较小，在合理的离子气流量下难以形成小孔。所以，纯He仅用于熔透法焊接，如焊接铜。

5)Ar-C02混合气由于保护气体不与钨极接触，在小电流焊接低碳钢及低合金钢时，允许在保护气中添加适性气体，其流量在10~15L/min之内。如在Ar中加甲(C02)为25％作保护气焊接铁心叠片。

典型大电流焊接及小电流焊接条件下的气体选择分别见表1及表2。

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表1 大电流等离子弧焊接用气体选择

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表2 小电流等离子弧焊接用气体选择

焊接工装

(1)接头形式用于等离子弧焊接的通用接头形式为：I形坡口、单面V形和U形坡口以及双面V形和U形坡口。这些坡口形式用于从一侧或两侧进行对接接头的单道焊或多道焊，除对接接头外，等离子弧焊也适合于焊接角焊缝和T形接头，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，可不开坡口，采用小孔法单面一次焊成。

对于厚度较大的工件，需要开坡口对接焊时，与钨极氩弧焊相比，可采用较大的钝边和较小的坡口角度。第一道焊缝采用小孔法焊接，填充焊道则采用熔透法完成。图1为两种焊接方法所需V形坡口几何形状的比较。

图1 等离子弧焊和钨极氩弧焊V形坡口形状的对比
……钨极氩弧焊
——等离子弧焊

焊件厚度如果在0．05～1．6mm之间，通常使用熔透法焊接。常用接头型式如图2所示。

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图2 薄板焊接接头形式
a) I形对接接头b) 卷边对接接头 d) 卷边角接接头 d)端接接头
t—板厚（0.025~1mm）h—卷边高度=（2~5）

表3 一次焊透的厚度（单位：mm）

（2）装配与夹紧小电流等离子弧焊对接头的装配要求和钨极氩弧焊相同。引弧处坡口边缘必须紧密接触，间隙不应超过金属厚度的10%，难以保持上述公差时必须添加填充金属。对于厚度不大于0.8mm的金属，焊接接头的装配和夹紧要求如表4、图3和图4所示。

表4 厚度<0.8mm的薄板对接接头装配要求

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①背面用Ar或He保护。
②板厚小于0，25mm的对接接头推荐采用卷边焊缝．

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图4 厚度小于0.8mm的薄板对接接头

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图5 厚度小于0.8mm的薄板端面接头装配要求
a) 间隙 b) 错边 c) 夹紧距离

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图4给出了接头间隙和错边的允许偏差、压板间距以及垫板凹槽等的尺寸。允许偏差与板厚成比例，I形坡口对接接头允许的最大间隙为0.2t。图5给出了端接接头的装配和夹紧的允许偏差。端接接头的允许偏差比对接接头大得多。所以端接接头是金属箔片较方便的连接接头。

焊接如壁厚0.1～0.2mm的金属薄片时，焊口附近微小的热量波动都可能使融化焊道分离，以致无法得到连续的焊缝。因此要求夹具在整个焊接过程中年工件紧密接触，利用夹具对焊件的良好散热作用稳定焊缝成形以及降低焊接变形。如普通夹具压紧箔件效果不好，司考虑使用气动琴键夹具或弹簧琴键夹具。图6是焊接lmm以下不锈钢对接接头的工装参数曲线。

焊接夹具一般分为压板和带凹槽的垫板(图6)。当采用熔透法焊接时，垫板与氩弧焊时相同，开口凹槽的垫板用以支撑熔池，但采用小孔法焊接时，熔池是由表面张力支撑的，熔化的铁水不与垫板凹槽相接触。小孔法焊接用的典型垫板如图7所示，凹槽通常宽13mm，深19mm，这样的凹槽不仅能够容纳背面保护气，还为等离子射流提供一个穿出的空间。

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图6 小电流焊接不锈钢对接接头的工装参数曲线
虚线示例：T=板厚，0.5 mmC=压板间距，3.5 mmD=垫板槽宽，2.0 mmI=焊接电流，9A

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 图7 小孔法等离子弧焊接用的典型垫板
1—焊枪2—等离子射流3—工件4—背面保护气5—垫板

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(3)焊枪定位与氩弧焊一样，等离子弧可以进行全位置焊接。由于等离子弧指向性强，弧柱直径小，所以要求焊接时焊枪能够更精确地对准焊缝，即严格地限制焊枪喷嘴轴线沿焊缝中心线的横向摆动。等离子电弧对弧长不敏感，所以焊枪喷嘴至工件的距离不像氩弧焊时要求那么严格。

焊接工艺

(1)熔透法可以选择手工及自动两种方式进行熔透法焊接。

1)手工熔透法手工熔透法焊接的最佳电流范围是0.1~50A。当电流超过50A，使用于工氩弧焊更为经济。使用等离子弧焊设备的过程是先引燃维弧，开始焊接时再引燃主弧。如—段时间内需焊接多段焊缝或多个焊点，在完成一段焊缝或一个焊点时，可以只熄灭主弧，保存维弧。这样，在下—次焊接时，便可以方便地引燃主弧，而不像氩弧焊那样反复地使用高频引弧。而且，等离子弧长偏差±1mm对焊缝质量无影响，所以手工等离子弧特别适合焊接需要反复引燃主弧，而又无法精确控制弧长的焊接工艺，如焊接丝网。

2)自动熔透法自动熔透法焊接工艺应用广泛，特别是焊接小型精密元件如医疗设备元件、光学仪器元件、精密仪器元件、丝材、膜盒或波纹管等。

在许多焊接应用中，熔透法等离子弧应用微程序控制焊接参数。如控制起弧电流、电流上升、脉冲电流、电流衰减及引弧电流。

由于高频引弧器仅用来引燃维弧，焊接时无需再用高频引弧器便可以顺利地在工件与电极之间建立起转移弧。因此，等离子弧设备工作时不会损坏周围其他的电子设备。这种特点使等离子弧设备可以在电子检测设备、机器人、计算机周围使用而无需对这些设备加以隔离或防护。

熔透型等离子弧焊接工艺参数参考值见表５及6。

(2)小孔法小孔法只能采用自动焊。小孔法焊接需要精确地控制起弧与-收弧、离子气流量、焊接电流、焊接速度等工艺参数。

1)起弧与收弧板厚小于3mm时，可以直接在焊件上起弧及收弧。板厚大于3mm时，对于纵缝，可以采用引弧板及引出板，将小孔起始区及收尾区排除在焊缝之外。环缝焊接时，须采用电流及离子气量递增的方式形成合适的小孔形成区，而采用电流及离子气量递减的方式获得小孔收尾区。图8是小孔焊时电流及离子弧气流量斜率控制曲线。有的等离子弧设备配备了先进的流量控制器，可以在焊接过程中精确地控制离子气流量。

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表５熔透型等离子弧焊接工艺参数参考值

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表6 微束等离子弧焊接不锈钢的焊接工艺参数参考值

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注：1．保护气：95％Ar-5％H2、流量10L／min。
2．背面保护气：Ar，流量5L／min。
①离子气：Ar。
②填充丝：310不锈钢，砂1．1mm。
③填充丝：310不锈钢，φ1.4mm。

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图8 厚板环缝小孔焊时焊接电流及离子气流量斜率控制曲线

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2)离子气流量离子气流量增加，可使等离子流力和熔透能力增大，在其他条件不变时，为了形成小孔，必须要有足够的离子气流量，但是离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能保证焊缝成形，喷嘴孔径确定后，离子气流量大小视焊接电流和焊接速度而定，亦即离子气流量、焊接电流和焊接速度这三者之间—要有适当的匹配。

3)焊接电流焊接电流增加等离子弧穿透能力增加，和其他电弧焊方法一样，焊接电流总是根据板厚或熔透要求来选定的，电流过小，不能形成小孔，电流过大，又将因小孔直径过大而使熔池金属坠落。此外，电流过大还可能引起双弧现象。为此，在喷嘴结构确定后，为了获得稳定的小孔焊接过程，焊接电流只能被限定在某一个合适的范围内，而且这个范围与离子气的流量有关。图9a为喷嘴结构、板厚和其他工艺参数给定时，用实验方法在8mm厚不锈钢板上测定的小孔型焊接电流和离子气流量的匹配关系。图中1为普通圆柱型喷嘴，2为收敛扩散型喷嘴，后者降低了喷嘴压缩程度，因而扩大了电流范围，即在较高的电流—F也不会出现双弧。由于电流上限的提高，因此采用这种喷嘴可提高工件厚度和焊接速度。

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图9 小孔型焊接工艺参数匹配

4)焊接速度焊接速度也是影响小孔效应的一个重要工艺参数。其他条件一定时，焊速增加，焊缝热输入减小，小孔直径亦随之减小，最后消失。反之，如果焊速太低，母材过热，背面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺陷。焊接速度的确定，取决于离子气流量和焊接电流，这三个工艺参数相互匹配关系见图9b。由图可见，为了获得平滑’的小孔焊接焊缝，随着焊速的提高，必须同时提高焊接电流，如果焊接电流一定，增大离子气流量就要增大焊速，若焊速一定时，增加离子气流量应相应减小电流。

5)喷嘴距离距离过大，熔透能力降低：距离过小则造成喷嘴被飞溅物粘污。一般取3—8mm，和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离变化对焊接质量的影响不太敏感。

6)保护气体流量保护气体流量应与离子气流量有一个适当的比例，离子气流量不大而保护气体流．量太大时会导致气流的紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量一般在15~30L／min范围内。

常用四类金属(碳钢和低合金钢、不锈钢、钛合金、铜和黄铜)小孔型焊接的工艺参考值见表7。

表7 小孔型等离子弧焊接工艺参数参考值

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①碳钢和低合金焊接时喷嘴高度为1．2mm：焊接其它金属时。为4．8mm~采用多孔喷嘴；②预热到316~C~焊后加热至399~C：保温1h；③焊缝背面须用保护气体保护。④60°V形坡口，钝边高度4．8mm：⑤直径1．1mm的填充金属丝，送丝速度152cm／min。⑥要求采用保护焊缝背面的气体保护装置和带后拖的气体保护装置：⑦30°V形坡口，钝边高度9．5mm：⑧采用一般常用的熔化技术和石墨支撑衬垫。

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焊接缺陷

等离子弧焊常见特征缺陷有：咬边、气孔等。

(1)咬边不加填充丝时最易出现咬边，产生咬边的原因为：

1)离子气流量过大，电流过大及焊速过高。

2)焊枪向一侧倾斜。

3)装配错边，坡口两侧边缘高低不平，则高位置一边咬边。

4)电极与压缩喷嘴不同心。

5)采用多孔喷嘴时，两侧辅助孔位置偏斜。

6)焊接磁性材料时，电缆连接位置不当，导致磁偏吹，造成单边咬边。

(2)气孔等离子弧焊的气孔常见于焊缝根部，引起气孔的原因是：

1)焊接速度过高，在一定的焊接电流、电压下，焊接速度过高会引起气孔，小孔焊接时甚至产生贯穿焊缝方向的长气孔。

2)其他条件一定，电弧电压过高。

3)填充丝送进速度太快。

4)起弧和收弧处工艺参数配合不当。