等離子焊接技術(shù)及其應(yīng)用

1、 等離子焊接技術(shù)及其應(yīng)用0 引言隨著現(xiàn)代工業(yè)的迅速發(fā)展, 不銹鋼由于具有外表華麗、耐蝕性能優(yōu)良和可冷、熱加工的性能, 在食品/醫(yī)療設(shè)備、石化壓力容器、不銹鋼管道、染整設(shè)備、儲運罐箱、特種船舶和航空航天等行業(yè)中倍受青睞。目前中國可年產(chǎn)近 900 萬 t 不銹鋼, 有望成為世界第一大不銹鋼生產(chǎn)、制造大國, 作為產(chǎn)品生產(chǎn)的主要技術(shù)之一的焊接技術(shù)也開始由原來的手工焊接技術(shù)向高效的自動焊接技術(shù)轉(zhuǎn)變, 這其中應(yīng)用最為廣泛就是等離子焊接技術(shù)。在國外, 等離子工藝技術(shù)已在不銹鋼中、薄板制造中得到了大量普及應(yīng)用。1 等離子焊接原理1.1 等離子焊接定義 等離子焊接是通過高度集中的等離子束流獲得必要的熔化母材能量

2、的焊接過程。通常等離子電弧的能量取決于等離子氣體的流量、焊槍噴嘴的壓縮效果和使用電流大小。普通電弧射流速度為 80150 m/s, 等離子電弧的射流速度可以達到 3002 000 m/s, 等離子電弧由于受到壓縮, 能量密度可達 105106W/cm2 而自由狀態(tài)下 TIG 電弧能量密度為 50100W/mm2, 弧柱中心溫度在 24 000 K以上, 而 TIG 電弧弧柱中心溫度在 5 0008 000 K左右1。因此, 等離子電弧焊接與電子束(能量密度105W/mm2)、激光束(能量密度 105W/mm2)焊接同被稱為高能密度焊接。等離子焊接及穿孔示意如圖 1所示。 圖1 等離子焊接及其穿

3、孔示意1.2 等離子電弧的分類 按電源連接方式分類, 等離子電弧分非轉(zhuǎn)移弧、轉(zhuǎn)移弧和聯(lián)合型電弧三種形式1。三種形式都是鎢極接負, 工件或噴嘴接正。非轉(zhuǎn)移型電弧是在鎢極與噴嘴之間形成電弧,在等離子氣流壓送下, 弧焰從噴嘴中噴出, 形成等離子焰1, 主要適合于導熱性較好的材料焊接。但由于電弧能量主要通過噴嘴, 因此噴嘴的使用壽命較短, 能量不宜過大, 不太適合于長時間的焊接, 這種形式較少應(yīng)用在焊接。轉(zhuǎn)移型電弧是在噴嘴與工件之間形成電弧, 由于轉(zhuǎn)移弧難以直接形成, 先在鎢極與噴嘴之間形成小的非轉(zhuǎn)移弧, 然后過渡到轉(zhuǎn)移弧, 形成轉(zhuǎn)移電弧時, 非轉(zhuǎn)移弧同時切斷。由于這種方式能將更多的能量傳遞給工件,

4、因此該形式電弧普遍應(yīng)用到金屬材料焊接和切割中。 混合型電弧是指轉(zhuǎn)移電弧和非轉(zhuǎn)移電弧并存,主要用于微束等離子焊接和粉末堆焊。2 等離子焊接優(yōu)點(1)焊接速度明顯提高(可達手工 TIG 焊的 45倍, 工件厚度在可焊范圍越大, 提高越明顯)。(2)焊縫性能優(yōu)良。(3)在可焊范圍內(nèi)容易得到完整的規(guī)則的全焊透焊縫。(4)滿足 100%射線探傷要求。(5)可以得到與母材化學成分和性能相同的焊縫。(6)電弧集中, 焊縫熱影響區(qū)減小, 且具有較低的氧化。(7)優(yōu)良的外觀成形。(8)不用開坡口, 大大減少焊絲用量和焊前坡口制備。(9)焊接過程電弧挺度好, 電弧容易控制。(10)殘余應(yīng)力和焊接變形小。3 等離子

5、技術(shù)的應(yīng)用行業(yè)由于等離子電弧獨有的特點和優(yōu)越性, 等離子工藝被廣泛運用到金屬材料的焊接中。3.1焊管 不銹鋼焊管主要有連續(xù)成型加工和板材定尺卷型焊接兩種加工方式。在連續(xù)成型線上, 對于114 mm 以下、壁厚 2 mm 以下的小口徑薄壁管道成型, 通常采用 TIG 焊或微束等離子焊接工藝, 這種工藝方法已經(jīng)非常普及。為進一步降低生產(chǎn)成本, 有些廠家采用三把 TIG 焊槍同步連續(xù)焊接的工藝方法, 提高了生產(chǎn)效率, 降低了成本。但這些管道由于承壓能力較低, 通常用于裝飾管和要求較低的供水管。但對于 114325 mm、壁厚 26 mm 的工業(yè)承壓管道, 則需要采用等離子或等離子加 TIG 雙槍的焊

6、接工藝, 這種工藝方法除可以保證較好的焊接質(zhì)量外, 也可獲得較高的焊接效率。這些管道通常用作電廠、化工、造紙等行業(yè)的供水、供氣主輸送管道。但該方法受加工成型機和設(shè)備造價的限制, 焊管直徑不宜加大。較大口徑管道批量需求少, 一般均需要根據(jù)工程要求來定制, 這種多品種少批量的加工形式, 通常采用 UOE 定尺焊管機組的方式來完成。一般焊管長度為 6 m 左右, 焊管直徑 1591220mm。此種方法較為方便地迎合了工程需求, 主要問題是不利于交貨和庫存。國內(nèi)某大型焊管廠現(xiàn)場等離子焊接圖片如圖 2 所示。3.2 特材化工容器 隨著化工裝備需求和化工類容器使用壽命的提高, 對特材如鈦合金、鋯合金、鎳基

7、合金等的應(yīng)用越來越多。而傳統(tǒng)的手工焊接工藝已在一定程度上制約了產(chǎn)品質(zhì)量的提升, 很多人為的手工操作因素也會嚴重影響焊接質(zhì)量, 重復(fù)返修會惡化焊接質(zhì)量甚至造成產(chǎn)品報廢, 導致巨大的經(jīng)濟損失。采用等離子焊接工藝可以獲得一次性連續(xù)穩(wěn)定的焊接質(zhì)量,前期焊接位置的清理和準備必須達到焊接要求。對于易氧化材料的等離子焊接應(yīng)加強焊接熱影響區(qū)的保護, 當然如果能在有散熱設(shè)備的工裝上完成焊接是最為理想的。3.3 制藥設(shè)備 出于制藥生產(chǎn)過程 GMP 認證的要求, 制藥設(shè)備的加工要保證較好的耐腐蝕性能。對于容器筒體的加工, 傳統(tǒng)的工藝方法為手工 TIG 焊, 具有工件變形大、焊縫金屬性能差、效率低的缺點。盡管筒體要求

8、通過拋光處理, 但手工焊接的焊縫其物理化學性能較差。將等離子焊接工藝引進制藥機械設(shè)備加工中, 國外已較為普及, 而國內(nèi)一些企業(yè)通過使用,明顯體現(xiàn)了該工藝方法的優(yōu)勢。等離子焊接圖片如圖 3所示。3.4食品機械 在酒類發(fā)酵設(shè)備、乳品機械和飲料機械中, 不銹鋼儲槽和罐體是整個生產(chǎn)工藝裝備中重要的流體和儲液設(shè)備。筒體規(guī)格眾多, 大量工件厚度在 210mm,非常適合采用等離子焊接工藝。對于直徑大于 5m以上的罐體制造, 一般采用倒裝法, 工件放置于大型地轉(zhuǎn)盤上, 工件旋轉(zhuǎn), 焊槍置于十字操作架上, 筒體縱縫采用等離子立焊工藝, 環(huán)縫采用橫焊等離子工藝, 該工藝與傳統(tǒng)手工工藝相比, 大大節(jié)省了時間和生產(chǎn)成

9、本, 縮短了制造周期。3.5軍工裝備 在軍工裝備制造中, 鋁合金和鈦合金的應(yīng)用較多, TIG 焊接工藝在一定程度上滿足了大量的產(chǎn)品焊接要求, 但對于要求性能更好的焊縫, 等離子焊接則體現(xiàn)了較好的工藝價值。鋁合金等離子立焊工藝已在設(shè)備制造中推廣應(yīng)用。4 結(jié)論 隨著國民經(jīng)濟的高速發(fā)展, 中國的制造業(yè)也得到迅猛發(fā)展, 中國制造業(yè)產(chǎn)品市場的競爭, 已不再是局限于國內(nèi), 而是來源于全球。產(chǎn)品質(zhì)量的優(yōu)劣不僅包括內(nèi)部質(zhì)量, 還包括外在質(zhì)量(如美觀、包裝等), 產(chǎn)品成本僅僅依靠廉價的勞動力成本來體現(xiàn)不是長久之計, 而要靠先進的裝備和工藝來保證, 以期達到高效、高質(zhì)、環(huán)保。因而采用先進的設(shè)備和工藝, 加上先進的

10、管理理念, 來進一步提升本企業(yè)在國內(nèi)、國際知名度, 提高市場的競爭力顯得尤為重要。 中國目前的制造業(yè)針對厚 38 mm 材料的焊接, 仍處于一個發(fā)展不平衡狀態(tài), 75%的企業(yè)設(shè)備及工藝技術(shù)落后, 仍采用傳統(tǒng)的焊條電弧焊或手工 TIG焊工藝, 該工藝存在工作效率低、質(zhì)量不穩(wěn)定、制造成本高、焊后打磨及變形大等缺點, 因而無法參于國際競爭。而 25%或相當少的一部分企業(yè)采用了自動焊工藝, 如自動 TIG、MAG、等離子焊接工藝, 極大地控制了焊接質(zhì)量, 特別是在國內(nèi)不銹鋼焊管行業(yè), 自 20 世紀 80 年代就開始使用等離子焊接工藝, 針對厚 38 mm 不銹鋼可以不開坡口, 一次焊透, 少了多道工序, 節(jié)約了制造成本。因而在國內(nèi)相關(guān)行業(yè)加大推廣新型高效的等離子弧焊工藝及設(shè)備, 具有重要的實用價值。參考文獻：1陳祝年.焊接工程師手冊M.北京: 機械工業(yè)出版社, 2002.2中國機械工程協(xié)會焊接學會.焊接手冊M.北京: 機械工業(yè)出版社, 1995.3林尚揚.我國焊接生產(chǎn)現(xiàn)狀與焊接技術(shù)的發(fā)展J.船舶工程,2005,27:1524.4 馬 余 選 , 王 寶 安 等 . 定 槍 式 雙 槍 等 離 子 焊 箱 的 研 制 J. 稀 有 金 屬 材 料 與 工程,1991,2:6771.5黃政艷.焊接設(shè)備技術(shù)現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢