等离子弧焊接的材料装配工艺与缺陷形式模板.doc

等离子弧焊接材料、装配、工艺和缺点形式(图)
焊接材料

　　（1）母材凡氩弧焊能够焊接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、铝合金和镁合金等。

　　除铝、镁及其合金外，其它材料均采取直流正接法焊接：铝、镁及其合金采取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通常为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）。

　　等离子弧焊接冶金过程和氩弧焊相同，只是由等离子弧含有较小弧柱直径，焊接时母材熔化量少，所以焊缝深宽比大、热影响区窄。每一个母材金属焊接时对预热、后热和气体保护等工艺要求和氩弧焊相同。

　　（2）填充金属和氩弧焊一样，等离子弧焊工艺能够使用填充金属。填充金属通常制成光焊丝或光焊条。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。填充金属关键成份和被焊母材相同。

　　（3）气体等离子焊枪有两层气体，即从喷嘴流出离子气及从保护气罩流出保护气。有时为了增强保护，还需使用保护拖罩及通气后面垫板以扩大保护气保护范围。对钨极应该是惰性；以免钨极烧；护气对母材通常是惰性，但假如类取决于被焊金属，可供选择气体有：

　　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。焊接这些金属所用气体中，即使含有极小量H，也可能造成焊缝产生气孔、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，许可使用Ar-H2混合气体。

　　Ar气中填加H2气可提升电弧温度及电弧电场强度，能够更有效地将电弧热量传输给工件，在给定电流条件下能够得到较高焊接速度。同时，H2含有还原性，使用Ar-H2混合气体能够取得更光亮焊缝外观。但H2含量过多焊
缝易出现气孔及裂纹，通常φ（H2）限制在7.5％以下。然而，在小孔焊接工艺中，因为气体以充足逸出，加φ（H2）范围为5％一15％，工件越薄，许可H2百分比越大。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，许可加φ（H2）达15%。”使用Ar-H2混合气体作离。混合气体作离子气时，因为电弧温度较高，应降低喷嘴孔径额定电流。

　　3）Ar-He混合气He气也是—种惰性气体，当被焊工件不许可使用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）超出40%以上电弧热量才能有显著改变。φ（He）超出75%时，其性能基础和纯He相同，通常在Ar气中加入φ（He）=50％～75％进行钛、铝及其合金小孔焊及在全部金属材料上熔敷焊道。

　　4）He气采取纯He作离子气时，因为弧柱温度较高，会降低喷嘴热负载，会降低喷嘴使用寿命及承载电流能力，另外He气密度较小，在合理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混合气因为保护气体不和钨极接触，在小电流焊接低碳钢及低合金钢时，许可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。

　　经典大电流焊接及小电流焊接条件下气体选择分别见表1及表2。
表1 大电流等离子弧焊接用气体选择

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通用接头形式为：I形坡口、单面V形和U形坡口和双面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，而且含有良好熔透性。

　　厚度大于1.6mm但小于表3所列厚度值工件，可不开坡口，采取小孔法单面一次焊成。

　　对于厚度较大工件，需要开坡口对接焊时，和钨极氩弧焊相比，可采取较大钝边和较小坡口角度。第一道焊缝采取小孔法焊接，填充焊道则采取熔透法完成。图1为两种焊接方法所需V形坡口几何形状比较。

图1 等离子弧焊和钨极氩弧焊V形坡口形状对比

……钨极氩弧焊
——等离子弧焊

　　焊件厚度假如在0.05～1.6mm之间，通常使用熔透法焊接。常见接头型式图2所表示。

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 一次焊透厚度（单位：mm）

（2）装配和夹紧小电流等离子弧焊对接头装配要求和钨极氩弧焊相同。引弧处坡口边缘必需紧密接触，间隙不应超出金属厚度10%，难以保持上述公差时必需添加填充金属。对于厚度小于0.8mm金属，焊接接头装配和夹紧要求如表4、图3和图4所表示。

表4 厚度＜0.8mm薄板对接接头装配要求

①后面用Ar或He保护。
　　②板厚小于0.25mm对接接头推荐采取卷边焊缝。

图4 厚度小于0.8mm薄板对接接头

图5 厚度小于0.8mm薄板端面接头装配要求

a) 间隙 b) 错边 c) 夹紧距离

　　图4给出了接头间隙和错边许可偏差、压板间距和垫板凹槽等尺寸。许可偏差和板厚成百分比，I形坡口对接接头许可最大间隙为0.2t。图5给出了端接接头装配和夹紧许可偏差。端接接头许可偏差比对接接头大得多。所以端接接头是金属箔片较方便连接接头。

　　焊接如壁厚0.1～0.2mm金属薄片时，焊口周围微小热量波动全部可能使融化焊道分离，以致无法得到连续焊缝。所以要求夹具在整个焊接过程中年工件紧密接触，利用夹具对焊件良好散热作用稳定焊缝成形和降低焊接变形。如一般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工装参数曲线。

　　焊接夹具通常分为压板和带凹槽垫板(图6)。当采取熔透法焊接时，垫板和氩弧焊时相同，开口凹槽垫板用以支撑熔池，但采取小孔法焊接时，熔池是由表面张力支撑，熔化铁水不和垫板凹槽相接触。小孔法焊接用经典垫板图7所表示，凹槽通常宽13mm，深19mm，这么凹槽不仅能够容纳后面保护气，还为等离子射流提供一个穿出空间。

图6 小电流焊接不锈钢对接接头工装参数曲线

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

图7 小孔法等离子弧焊接用经典垫板

1—焊枪 2—等离子射流 3—工件 4—后面保护气 5—垫板

　　（3）焊枪定位和氩弧焊一样，等离子弧能够进行全位置焊接。因为等离子弧指向性强，弧柱直径小，所以要求焊接时焊枪能够更正确地对准焊缝，即严格地限制焊枪喷嘴轴线沿焊缝中心线横向摆动。等离子电弧对弧长不敏感，所以焊枪喷嘴至工件距离不像氩弧焊时要求那么严格。

　　焊接工艺

　　（1）熔透法能够选择手工及自动两种方法进行熔透法焊接。

　　1）手工熔透法手工熔透法焊接最好电流范围是0。1~50A。当电流超出50A，使用于工氩弧焊更为经济。使用等离子弧焊设备过程是先引燃维弧，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，能够只熄灭主弧，保留维弧。这么，在下—次焊接时，便能够方便地引燃主弧，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，所以手工等离子弧尤其适合焊接需要反复引燃主弧，而又无法正确控制弧长焊接工艺，如焊接丝网。

　　2）自动熔透法自动熔透法焊接工艺应用广泛，尤其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。

　　在很多焊接应用中，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。

　　因为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能够顺利地在工件和电极之间建立起转移弧。所以，等离子弧设备工作时不会损坏周围其它电子设备。这种特点使等离子弧设备能够在电子检测设备、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取自动焊。小孔法焊接需要正确地控制起弧和-收弧、离子气流量、焊接电流、焊接速度等工艺参数。

　　1）起弧和收弧板厚小于3mm时，能够直接在焊件上起弧及收弧。板厚大于3mm时，对于纵缝，能够采取引弧板及引出板，将小孔起始区及收尾区排除在焊缝之外。环缝焊接时，须采取电流及离子气量递增方法形成适宜小孔形成区，而采取电流及离子气量递减方法取得小孔收尾区。图8是小孔焊时电流及离子弧气流量斜率控制曲线。有等离子弧设备配置了优异流量控制器，能够在焊接过程中正确地控制离子气流量。

表5 熔透型等离子弧焊接工艺参数参考值

表6 微束等离子弧焊接不锈钢焊接工艺参数参考值

注：1．保护气：95％Ar-5％H2、流量10L／min。
　　2．后面保护气：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。

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

　　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，在其它条件不变时，为了形成小孔，必需要有足够离子气流量，不过离子气流量过大也不好，会使小孔直径过大而不能确保焊缝成形，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—要有合适匹配。

　　3）焊接电流焊接电流增加等离子弧穿透能力增加，和其它电弧焊方法一样，焊接电流总是依据板厚或熔透要求来选定，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。另外，电流过大还可能引发双弧现象。为此，在喷嘴结构确定后，为了取得稳定小孔焊接过程，焊接电流只能被限定在某一个适宜范围内，而且这个范围和离子气流量相关。图9a为喷嘴结构、板厚和其它工艺参数给定时，用试验方法在8mm厚不锈钢板上测定小孔型焊接电流和离子气流量匹配关系。图中1为一般圆柱型喷嘴，2为收敛扩散型喷嘴，后者降低了喷嘴压缩程度，所以扩大了电流范围，即在较高电流—F也不会出现双弧。因为电流上限提升，所以采取这种喷嘴可提升工件厚度和焊接速度。

表7 小孔型等离子弧焊接工艺参数参考值

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一个关键工艺参数。其它条件一定时，焊速增加，焊缝热输入减小，小孔直径亦随之减小，最终消失。反之，假如焊速太低，母材过热，后面焊缝会出现下陷甚至熔池泄漏等缺点。焊接速度确实定，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，为了取得平滑’小孔焊接焊缝，伴随焊速提升，必需同时提升焊接电流，假如焊接电流一定，增大离子气流量就要增大焊速，若焊速一定时，增加离子气流量应对应减小电流。

　　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。通常取3—8mm，和钨极氩弧焊相比，喷嘴距离改变对焊接质量影响不太敏感。

　　6）保护气体流量保护气体流量应和离子气流量有一个合适百分比，离子气流量不大而保护气体流．量太大时会造成气流紊乱，将影响电弧稳定性和保护效果。小孔型焊接保护气体流量通常在15~30L／min范围内。

　　常见四类金属(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

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~采取多孔喷嘴；②预热到316~C~焊后加热至399~C：保温1h；③焊缝后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填充金属丝，送丝速度152cm／min。⑥要求采取保护焊缝后面气体保护装置和带后拖气体保护装置：⑦30°V形坡口，钝边高度9.5mm：⑧采取通常常见熔化技术和石墨支撑衬垫。

　　焊接缺点

　　等离子弧焊常见特征缺点有：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）电极和压缩喷嘴不一样心。
　　5）采取多孔喷嘴时，两侧辅助孔位置偏斜。
　　6）焊接磁性材料时，电缆连接位置不妥，造成磁偏吹，造成单边咬边。

　　（2）气孔等离子弧焊气孔常见于焊缝根部，引发气孔原因是：

　　1）焊接速度过高，在一定焊接电流、电压下，焊接速度过高会引发气孔，小孔焊接时甚至产生贯穿焊缝方向长气孔。
　　2）其它条件一定，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妥。
钢,铜,铜合金焊接产生裂纹原因
一、是高导热率影响。铜热导热率比碳钢大7~11倍，当采取工艺参数和焊接同厚度碳钢差不多时，则铜材极难熔化，填充金属和母材也不能很好地熔合。

二、是焊接接头热裂倾向大。焊接时，熔池内铜和其中杂质形成低熔点共晶物，使铜及铜合金含有显著热脆性，产生热裂纹。

三、是产生气孔缺点比碳钢严重得多，和要是氢气孔。

四、是焊接接头性能改变。晶粒粗化，塑性下降，耐蚀性下降等。