任务描述
1.理解等离子弧焊的原理，了解等离子弧焊的特点。
2.掌握等离子弧焊设备的使用方法，掌握等离子弧焊工艺并会正确选择等离子弧焊焊接参数。
3.掌握微束等离子弧焊技术。
任务分析
本任务主要涉及等离子弧焊的原理及特点、等离子弧焊设备、等离子弧焊工艺等知识，并使学生通过薄板对接微束等离子弧焊的操作训练，加深对这些知识点的理解并掌握微束等离子弧焊的操作技术。
相关知识
一、等离子弧焊的原理及特点
1.等离子弧焊的原理
等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。两者的主要区别是：钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称为自由钨弧，而等离子弧焊使用的热源则是利用等离子弧焊枪将钨极和阳极之间的自由电弧压缩而获得的等离子弧。因此，等离子弧焊是气体在高速通过水冷喷嘴时对电弧产生拘束作用，获得高温、高电离度、高能量密度及高焰流速度的等离子弧进行焊接的一种焊接方法，如图6-6所示。等离子弧的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。
图6-6 等离子弧焊接示意图
2.等离子弧焊的特点
等离子弧焊目前在不锈钢、钛及钛合金和薄板焊中取代了TIG焊。它与TIG焊相比具有以下特点：
1）等离子弧柱温度高，能量密度大，因而对工件加热集中，熔透能力强，一次可焊透的厚度见表6-2。在同样熔深下，其焊接速度比TIG的高，可提高焊接生产率。
表6-2 等离子弧（小孔技术）一次可焊透的厚度
此外，等离子弧对工件的热输入较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大，热影响区窄，其焊接变形量也小。
2）等离子弧呈圆柱形，扩散角小，挺度好，焊接熔池形状和尺寸受弧长波动的影响小，容易获得均匀的焊缝。TIG焊随着弧长的增加，其熔宽增大，而熔深减小。
3）等离子弧的压缩作用及热电离充分，电弧工作稳定，特别是联合型等离子弧在小电流（0.1A）焊时，仍具有较平的静特性，配用恒流电源，能保证焊接过程稳定，可以焊接超薄的工件。
4）由于钨极内缩到喷嘴孔道内，因此可以避免钨极与工件接触，消除了焊缝夹钨的缺陷。同时，焊嘴至工件的距离可以变长，焊丝也容易进入熔池。
5）等离子弧焊设备（如电源、电气控制电路和焊枪等）较复杂，设备费用较高，焊接时对施焊者的操作水平要求不高，但要求其具有更高的焊接设备方面的知识。
离子气是等离子弧的工作气体。离子气的作用主要是压缩电弧，强迫其通过喷嘴孔道，保护钨极不被氧化等。
二、等离子弧焊设备
等离子弧焊设备分为手工等离子弧焊设备及自动等离子弧焊设备。一套完整的手工等离子弧焊设备由焊接电源、焊枪、供气系统、水冷系统和控制系统等部分组成，如图6-7和图6-8所示。
图6-7 等离子弧焊设备
图6-8 等离子弧焊设备示意图
1—工件 2—填充焊丝 3—焊枪 4—控制系统 5—水冷系统 6—起动开关（常安装在焊枪上） 7—焊接电源 8、9—供气系统
1.焊接电源
等离子弧焊设备一般采用具有垂直或陡降外特性的焊接电源，并且最好具有电流递增及电流衰减等功能，以防止焊接电流因弧长的变化而变化，从而获得均匀、稳定的熔深及焊缝外形尺寸，同时满足起弧及收弧的工艺要求。等离子弧焊一般采用直流电源。电源空载电压根据所用等离子气确定，一般空载电压应是等离子弧压的2.5倍以上。与钨极氩弧焊相比，等离子弧焊所需的电源空载电压较高。
当采用氩气作等离子气时，电源空载电压应为60～85V；当采用氩气与氢气组成的混合气体或氩与其他双原子气体组成的混合气体作等离子气时，电源的空载电压应为110～120V。在联合型等离子弧焊时，由于转移弧与非转移弧同时存在，因此需要两套独立的电源供电。在转移型等离子弧焊时，既可以采用一套电源，也可以采用两套电源。
2.焊枪
等离子弧焊时产生等离子弧并用以焊接的工具称为等离子弧焊枪。它是等离子弧焊设备中的关键组成部分，又称为等离子弧发生器。大部分等离子弧焊枪采用圆柱形压缩孔道，而收敛扩散型压缩孔道有利于电弧的稳定。
等离子弧焊枪主要由压缩喷嘴、下枪体、上枪体、电极、电极夹头、中间绝缘体及冷却套等组成，如图6-9所示。要满足能够固定电极与喷嘴之间相对位置，并要求电极与喷嘴孔径同心；能够水冷电极及喷嘴；喷嘴要与电极绝缘，以便在电极与喷嘴间产生非转移弧；离子气和保护气使用不同的气路。
压缩喷嘴和电极是等离子枪的关键部件。
图6-9 等离子弧焊枪示意图
a）大电流等离子弧焊枪 b）微束等离子弧焊枪
1—喷嘴 2—保护套外环 3、4、6—密封垫圈 5—下枪体 7—绝缘柱 8—绝缘套 9—上枪体 10—电极夹头 11—套管 12—小螺母 13—胶木套 14—钨极 15—瓷对中块 16—透气网
（1）喷嘴 压缩喷嘴是一个铜制的水冷喷嘴，对电弧直径起机械压缩作用。压缩孔道按形状的不同可分为圆柱型及收敛扩散型等两种。圆柱形压缩孔道在等离子弧焊中应用最广，而收敛扩散型压缩孔道减弱了对等离子弧的压缩作用，但可以采用更大的焊接电流并且很少产生双弧，适用于大电流、厚板焊接。
喷嘴孔径dn及孔道长度l0是压缩喷嘴的两个主要尺寸。dn决定了等离子弧的直径及能量密度，应根据电流和离子气流量来确定。dn越小，对电弧的机械压缩作用越大，但太小时，可能导致在电极和喷嘴及喷嘴和工件间产生与主弧并列的电弧，也就是双弧现象，使等离子弧的稳定性下降，烧坏喷嘴。在一定的压缩孔径下，喷嘴孔道长度l0越长，对等离子弧的压缩作用就越强，但当l0太大时，也容易出现双弧。通常要求孔道比（l0/dn）在一定的范围之内。
（2）电极 等离子弧的电极主要采用钍钨极或铈钨极，一般内缩到压缩喷嘴之内。喷嘴外表面至钨极尖端的距离称为内缩长度lr。为了保证电弧稳定，不产生双弧，钨极应与喷嘴保持同心，而且钨极的内缩长度lr要合适（lr=l0±0.2mm）。
钨极一般需要进行水冷。小电流时采用间接水冷方式，此时钨极为棒状电极，端头一般磨成尖锥形或尖锥平台形；大电流时，采用直接水冷，此时钨极为镶嵌式结构，棒状电极可磨成球形，以减少烧损。
3.供气系统
等离子弧焊机的供气系统应能分别供给可调节离子气、保护气、背面保护气。等离子弧焊机的供气系统与氩弧焊机或CO2气体保护焊机的相比，较为复杂。为保证引弧和熄弧处的焊接质量，离子气和保护气一般都是由独立的气路进行分开供给的，以确保离子气不被保护气干扰。等离子弧焊机的供气系统如图6-10所示。
图6-10 等离子弧焊机的供气系统
1—工件 2—焊枪 3—电极 4—控制箱 5—离子气瓶 6—保护气体
4.水冷系统
由于等离子弧的温度在10000℃以上，因此必须对电极及喷嘴进行有效的水冷，以防止烧坏喷嘴，并增加对电弧的压缩作用。冷却方式有间接冷却和直接冷却两种。水路中应设有水压开关，当水压达不到要求时，切断供电回路。
5.控制系统
等离子弧焊工艺的控制主要由控制系统完成。控制系统一般包括拖动控制电路、高频引弧电路、程序控制电路和延时电路等部分。控制系统与电源集成在一起，但也可以单独做成一个控制箱。典型的等离子控制系统的主要功能包括：控制保护气体流量，设定离子气流量，以及维弧电流、主弧电流、提前送气、高频引弧和转弧、离子气递增、延迟行走、电流和气流衰减熄弧、延迟停气等的控制。
三、等离子弧焊工艺
1.接头形式和坡口
等离子弧焊的通用接头是对接接头，还有角接接头、T形接头和端接接头，如图6-11所示。其坡口形式为：I形坡口、单面V形和U形坡口以及双面V形和U形坡口。坡口形式是根据工件厚度来选择的。当板厚小于或等于8mm时，采用I形坡口，随着厚度的增加，依次选择单面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。
图6-11 等离子弧焊接头形式
a）I形坡口对接接头 b）卷边对接接头 c）卷边角接接头 d）端接接头
当板厚大于1.6mm但小于表6-2所列厚度时，可以不开坡口，采用小孔法单面一次焊成。对于厚度较大的工件，当需要进行开坡口对接焊时，可采用较大的钝边和较小的坡口角度多层焊，并且为使第一层采用穿透型焊法，填充焊道采用熔透法完成。
2.焊接参数的选择
（1）电源极性及电极 等离子弧焊一般采用直流正接电源，焊接镁、铝薄件时可采用直流反接电源，焊接镁、铝厚件时采用交流电源。等离子弧焊一般采用铈钨极。
（2）焊接电流 根据工件的材质和厚度首先确定焊接电流。随着焊接电流的增大，等离子弧穿透能力增大，因此当工件厚度增大时，焊接电流也应增大，但不能超过喷嘴的最大许用电流。如果焊接电流过大，则可能会焊穿，甚至可能会引起双弧现象；如果焊接电流过小，则可能无法焊透工件，焊接速度慢。
（3）离子气的种类及流量 等离子弧焊的工作气体分为离子气和保护气，目前应用最广的是氩气，适用于所有金属，因为它容易引弧。也可适当加入一些其他气体来提高接头效率和改善接头质量，大多为氦气或氦气与氢气组成的混合气体。随着离子气流量的增加，等离子弧的冲力和穿透力都增大。在大电流等离子弧焊时，保护气应与离子气成分相同，否则会影响电弧稳定性，见表6-3所示；在小电流等离子弧焊时，保护气成分可以不同，一般采用氩气作离子气，采用的保护气只要不会损害接头性能即可，不一定与离子气相同，见表6-4。
主要的焊接参数也有一定的匹配规律：在焊接速度一定的情况下，如果增加离子气流量，相应的焊接电流就要减小；在焊接电流一定的情况下，如果增加离子气流量，相应的焊接速度就要增大；在离子气流量一定的情况下，如果增加焊接速度，相应的焊接电流也要增大。除此之外，还应根据喷嘴直径、等离子气的种类选择适当的离子气流量。
表6-3 大电流等离子弧焊常用的等离子气及保护气体
注：百分数均为体积分数。
表6-4 小电流等离子弧焊常用的保护气体（等离子气为氩气）
注：百分数均为体积分数。
（4）焊接速度 由于焊接速度直接影响焊缝的热输入，因此焊接速度取决于焊接电流和离子气流量。当其他条件一定时，增大焊接速度，热输入就会减小，小孔直径会随着热输入的减小而减小，直至消失。如果焊接速度太小，母材就会出现过热现象，熔池金属容易坠落。
（5）喷嘴距离 喷嘴端面至工件表面的距离称为喷嘴距离。一般喷嘴距离取3～8mm较为合适。如果喷嘴距离过大，则等离子弧的热损失就会增加，熔透能力随之减小，保护效果变差；如果喷嘴距离太小，则操作不便，焊接操作的飞溅物容易堵塞喷嘴，还容易产生双弧现象。
四、等离子弧焊接方法
1.穿透型等离子弧焊
电弧在熔池前穿透工件形成小孔，随着热源移动，在小孔后形成焊道的焊接方法称为穿透型等离子弧焊。穿透型等离子弧焊的原理是：利用等离子弧的高温及能力集中的特点，在对金属进行焊接时，适当地配合焊接电流、离子气流及焊接速度三个焊接参数，迅速将焊缝处的金属加热至熔化状态，等离子弧将穿透整个工件，在工件底部形成一个贯穿的小孔（又称为“小孔效应”），小孔周围熔化的液体金属在电弧吹力、液体金属重力与表面张力的作用下保持平衡，不会从小孔中滴落，随着等离子弧向前移动，小孔前沿的熔化金属沿着等离子弧柱流到小孔后面并冷却结晶，而熔池前缘的工件金属不断被熔化，最后形成正反面都有波纹的焊缝，如图6-12所示。
金属穿透型等离子弧焊焊接参数参见表6-5。
图6-12 穿透型等离子弧焊
表6-5 金属穿透型等离子弧焊焊接参数
（续）
①质量分数。
2.熔透型等离子弧焊
在焊接过程中，只熔透工件，但不产生“小孔效应”的等离子弧焊方法称为熔透型等离子弧焊。熔透型等离子弧焊的原理是：当离子气流量较小，弧柱受压缩程度较弱时，等离子弧在焊接过程中只熔化工件而不产生“小孔效应”。其焊缝成形原理与氩弧焊类似，主要用于薄板焊接及厚板多层焊等。熔透型等离子弧焊焊接参数见表6-6。
表6-6 熔透型等离子弧焊焊接参数
3.微束等离子弧焊
利用小焊接电流（通常小于30A）进行焊接的等离子弧焊称为微束等离子弧焊。微束等离子弧焊的焊接电流可小到0.2A，可以焊接超薄壁件和细丝钢等，焊接奥氏体不锈钢时厚度可达0.01mm。微束等离子弧焊焊接不锈钢时的焊接参数见表6-7。
微束等离子弧焊通常采用联合弧，即两个电弧分别由两个电源供电。主电源向焊件和钨极间产生的等离子弧供电，称为主弧电源；另一电源位于喷嘴与钨极间产生的小电弧，称为维弧电源，在焊接整个过程中，所起作用为持续燃烧，维持气体电离。
表6-7 微束等离子弧焊焊接不锈钢时的焊接参数
任务准备
1.焊前准备
1）工件材料：06Cr18Ni11Ti
2）工件尺寸：300mm×100mm×1mm，两块。
3）焊接材料：H0Cr19Ni9型焊丝，直径为1.0mm。
4）焊接设备：LH-30型等离子弧焊机，氩气瓶，QD-1型单极反作用式减压器，LZB型转子流量计（两套），等离子弧焊枪。
5）铈钨极：直径为1.0mm。
6）辅助工具及量具：绝缘钢丝钳、活扳手、角向磨光机、锤子、钢直尺、纯铜垫板、砂布等。
2.试件装配
1）修磨钝边。
图6-13 工件装配（t为工件板厚）
1—不锈钢压板 2—工件 3—纯铜板
2）先清理坡口及其正反面焊缝两侧20mm范围内的油、水、垢等污物，直至露出金属光泽，再用丙酮清洗该区域。
3）装配时严格控制装配间隙和错边量：一般装配间隙控制在0～0.1mm，错边量小于或等于0.1mm。
4）定位焊时应采用图6-13所示的专用夹具，从工件的中间向两边施焊。定位焊缝相隔20mm，长度为5～6mm。定位焊后需将工件矫正平整。
任务实施
薄板平对接微束等离子弧焊焊件图如图6-14所示。
图6-14 薄板平对接微束等离子弧焊焊件图
1.检查焊机、调试焊枪
1）检查焊机外部接线是否正确，气路、水路、电路系统的接头处连接是否牢靠。
2）将铈钨极端部磨成20°～60°角，顶部为尖状或稍磨平。调整钨极与喷嘴间的同轴度，接通高频振荡回路，高频火花在钨极与喷嘴间产生，呈圆周均匀分布，若占圆弧的75%以上，则同轴度较好。(www.xing528.com)
3）将清理好的工件置于纯铜板垫上夹紧，按图6-13要求装配。
2.确定焊接参数
薄板平对接微束等离子弧焊焊接参数见表6-8。
表6-8 薄板平对接微束等离子弧焊焊接参数
3.焊接操作
（1）引弧
1）打开气路和水路阀门，接通焊接电源，戴好头盔式面罩。
2）使等离子弧焊枪的喷嘴与焊件的夹角呈80°左右，按下起动按钮，接通高频振荡装置及钨极和喷嘴的电源回路，点燃非转移弧。
3）将焊枪移近工件，建立转移弧，主弧电流形成回路，使喷嘴与工件保持3～5mm的距离，即可正常焊接。此时，非转移弧高频电路自动断开。另一种引弧方法是使电极与喷嘴直接接触。当焊接电源、水路、气路都进入工作状态时，按下操作按钮，加上维弧电路空载电压，使电极与喷嘴间产生电弧（即非转移弧），然后使焊枪接近工件，形成等离子转移弧，引弧过程结束。
（2）焊接 等离子弧焊的焊接过程与钨极氩弧焊的类似。焊枪、焊丝与工件的相对位置如图6-15所示。
图6-15 焊枪、焊丝与工件的相对位置
1）采用左焊法：开始焊接时，使等离子弧在起焊处稍加停留，待熔池部位熔化时，迅速填加焊丝。填丝动作和焊枪的运行动作要配合协调，使焊枪平稳地沿焊缝移动，并保持3～5mm的弧长。
2）焊丝的送进是以左手的大拇指、食指、中指以及手掌协调配合完成的。
3）当焊丝用尽或中途停顿需再继续焊接时，要在接头处重新熔化并形成新的熔池后，再填加焊丝，以保证接头处无缺陷，并保证有不少于5mm的重叠区。
（3）收弧 当焊至焊缝结束时，利用焊机电流衰减装置收弧，并适当加入适量熔滴，避免产生弧坑缺陷。
师傅说现场
若焊丝在熔池边缘与工件粘在一起，则不要着急用力去拔焊丝，只要将电弧移向焊丝根部加热，焊丝根部熔化后即可自然脱落。
检查评议
薄板平对接微束等离子弧焊操作评分表见表6-9。
表6-9 薄板平对接微束等离子弧焊操作评分表
问题防治
1.等离子弧焊焊缝处产生单边咬边现象
原因：
1）焊枪向焊缝一侧偏斜。
2）电极与喷嘴不同心。
3）两辅助孔不正。
4）接头错边量过大。
5）焊接电弧产生磁偏吹。
解决措施：
1）改正焊枪对中位置。
2）调整电极与喷嘴的同心度。
3）调整辅助孔位置。
4）多填充焊丝。
5）改变工件接线位置。
2.等离子弧焊时产生气孔
原因：
1）焊前清理不彻底。
2）焊丝不干净。
3）焊接电流太大。
4）电弧电压过高。
5）填充焊丝送进太快。
6）焊接速度过大。
解决措施：
1）彻底清理工件表面的油、水、垢、锈等污物。
2）用砂布将焊丝表面清理干净。
3）减小焊接电流。
4）降低电弧电压。
5）减小送丝速度。
6）减小焊接速度。
3.在等离子弧焊过程中焊缝余高不够或下陷
原因：
1）焊缝金属填充不够量或不及时。
2）焊接电流过大。
3）离子气流量过大。
4）焊接速度过小。
5）装配间隙过大。
解决措施：
1）在焊接过程中，应该及时填充焊丝。
2）减小焊接电流。
3）减小离子气流量。
4）适当增大焊接速度。
5）调整装配间隙。
4.在喷嘴与工件之间出现并列电弧
原因：
1）选择的焊接电流和离子气流量不合适。
2）喷嘴孔道太长。
3）电极和喷嘴对中不好。
4）电极内缩量太大。
5）喷嘴到工件的距离太近。
6）喷嘴及电极冷却效果不好。
7）转弧时电流冲击力过大。
解决措施：
1）正确选择焊接电流和离子气流量。
2）喷嘴孔道要适中，不能太长。
3）电极和喷嘴尽可能对中。
4）减小电极内缩量。
5）适当增大喷嘴到工件的距离。
6）注意对喷嘴和电极的冷却。
7）减小转弧时的冲击电流。
扩展知识
等离子弧焊机常见故障及排除方法见表6-10。
表6-10 等离子弧焊机常见故障及排除方法
考证要点
一、填空题
1.等离子弧焊包括____、____和____三种基本方法。
2.等离子弧焊采用的电极材料一般是____，焊接不锈钢、合金钢时采用直流____接，焊接铝、镁合金时采用直流____接。
3.由于焊接速度直接影响焊缝的热输入，因此焊接速度取决于____和____。
4.熔透型等离子弧焊主要用于____焊接及____多层焊的盖面焊。
5.微束等离子弧焊最大的优点是可以焊接极薄的金属构件，最小厚度可达____。
二、选择题
1.微束等离子弧焊采用（ ）等离子弧。
A.直接型 B.转移型
C.非转移型 D.混合型
2.等离子弧焊在大多数情况下采用（ ）作为电极。
A.纯钨极 B.铈极
C.锆钨极 D.钍钨极
3.等离子弧焊的通用接头是（ ）接头。
A.对接 B.角接
C.T形接 D.搭接
4.板厚为2.4.mm的不锈钢采用穿透型等离子弧焊时的焊接电流为（ ）A，电弧电压为（ ）V。
A.115，45 B.90，55
C.115，30 D.90，45
三、判断题
1.微束等离子弧焊通常采用转移型等离子弧。 （ ）
2.为了保持焊接参数稳定，等离子弧焊应采用具有陡降外特性的直流电源。 （ ）
3.微束等离子弧焊的两个等离子弧分别由两个电弧来供电。 （ ）
4.在穿透型等离子弧焊时，离子气流量主要影响电弧的穿透能力，焊接电流和焊接速度主要影响焊缝的成形。 （ ）
5.在等离子弧焊时，利用“小孔效应”可以有效地获得单面焊双面成形的效果。 （ ）
四、简答题
1.等离子弧焊的工作原理是什么？
2.简述等离子弧焊设备的组成。
3.等离子弧焊的焊接参数有哪些？如何进行正确选择？
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