等离子弧焊原理

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等离子弧焊是一种利用高温等离子弧作为热源，将金属材料局部加热至熔融状态从而实现连接的高能束焊接方法。其核心在于通过特殊构造的焊枪，将普通电弧压缩成为能量密度更高、温度更高、更为稳定的等离子弧。这种电弧形态的改变，使其在工业制造，特别是精密焊接和难熔金属焊接领域，展现出独特的技术优势。

等离子弧的形成是理解该技术的关键。常规的自由电弧，如钨极氩弧焊（TIG）所产生的电弧，未被外部机械力强制约束，其弧柱横截面积较大，能量相对分散。等离子弧焊则通过焊枪中的喷嘴孔道对电弧进行“机械压缩”，同时利用高速流动的冷却气体（工作气体）对电弧进行“热压缩”，此外，电弧自身产生的电磁力使其带电粒子流进一步向弧柱中心集中，形成“电磁压缩”效应。这三种效应的共同作用，将电弧压缩成直径细小、能量高度集中的形态，即等离子弧。其温度可显著高于普通电弧，中心温度极高，能够迅速熔化绝大多数金属材料。

一套完整的等离子弧焊系统通常由以下几个核心部分构成：焊接电源、等离子弧焊枪、控制系统、供气系统以及冷却循环系统。

焊接电源为整个过程提供能量，通常采用直流正接法（电极接负，工件接正），以保持电弧稳定并保证绝大部分热量集中于工件。电源的外特性一般为陡降特性，以确保在弧长发生变化时，焊接电流能保持稳定。

等离子弧焊枪是整个系统的核心部件，其结构精密。它内部装有两股独立的气流路径和两个关键电极。一般采用铈钨或钍钨电极作为发射电弧的阴极，该电极被精密地安装在焊枪中心。围绕电极的是高质量个气体通道，用于输送“等离子气”（或称“离子气”），这是形成等离子弧的工作介质，通常使用高纯度的argon。在等离子气通道外围，是第二个气体通道，用于输送“保护气”，其作用是包围整个等离子弧和熔池，使其与空气隔绝，防止金属在高温下发生氧化和氮化。保护气可以是纯argon，也可以是argon与少量hydrogen或helium的混合气体，以改变热输入和焊缝成形。焊枪最外部的喷嘴由高导热率的紫铜制成，内部有微小孔径，它不仅用于压缩电弧，其内部还设计有冷却水通道，通过强制水冷来防止高温烧损。

控制系统负责协调整个焊接过程的时序，例如控制先导电弧的引燃与转移、离子气和保护气的提前与滞后输送、焊接电流的递增与衰减以及焊后气体的延迟关闭等，所有这些都对保证焊缝起始和结尾的质量至关重要。

供气系统包含为离子气和保护气分别提供的气瓶、减压阀、流量计和电磁气阀，确保两种气体能够按照设定的流量和时序精确输送。

冷却循环系统则通过水泵将去离子水强制循环通过焊枪和焊接电缆，带走由于高温电弧和电阻热产生的大量废热，保证焊枪和电源能够持续稳定工作。

根据焊接时工件是否被熔透，等离子弧焊主要分为两种基本模式：熔透型（小孔型）焊接和熔融型（微束型）焊接。

熔透型等离子弧焊利用高能量密度的等离子弧，迅速将工件完全熔透。电弧力在熔池底部形成一个穿透性的小孔，熔化金属被排向熔池四周并在表面张力的作用下环绕小孔流动。焊枪向前移动时，小孔前方的金属不断被熔化，后方的液态金属则不断冷却凝固形成焊缝。这种“小孔效应”的存在，使得单道焊接就能完成中厚板的对接，且焊缝背面成形良好，实现了单面焊双面成形的效果。这种方法通常用于焊接厚度在一定范围内的不锈钢、钛合金等材料。

熔融型等离子弧焊则使用较低的电流，电弧只熔化工件表面而不产生小孔效应，依靠熔融金属的热传导来完成连接。它非常类似于传统的TIG焊，但由于等离子弧更为稳定和集中，因此特别适合于薄板、精密零件、丝材和膜片的焊接，能有效减少工件变形，提高精度。当焊接电流很小时（通常在较低范围内），普通TIG电弧容易飘移不稳定，而等离子弧因其受到压缩而依然能保持柱状形态，稳定性好，故又被称为“微束等离子弧焊”。

除了基本方法，根据不同的应用需求，还衍生出一些变体工艺。例如，在等离子气中加入其它气体形成混合气体等离子弧，可以改变电弧的热力学特性；脉冲电流等离子弧焊则通过高峰值电流脉冲来熔透金属并形成小孔，基值电流维持电弧并冷却熔池，能更好地控制热输入，适用于全位置焊接和对热敏感材料的焊接。

等离子弧焊工艺的成功实施，依赖于对多个关键参数的精确控制。这些参数相互关联，共同决定了焊缝的最终质量。

焊接电流是最核心的参数，它直接决定了等离子弧的功率和熔透能力。电流增大，热输入增加，熔深和熔宽都会增大。在熔透型焊接中，多元化保证电流足以产生并维持稳定的小孔。

离子气的流量和种类至关重要。流量增大，对电弧的压缩作用增强，使电弧更挺直、能量更集中，熔深增加而熔宽减小。但流量过大，可能导致电弧不稳定甚至产生双弧现象，即除了在电极和工件间的正常主弧外，还在电极-喷嘴-工件之间形成一条并联的异常电弧，这会烧毁喷嘴并破坏焊接过程。除了流量，离子气的种类也影响电弧特性。Argon是最常用的，若加入少量hydrogen可显著提高电弧电压和热效率，加入helium则会增加热输入。

焊接速度决定了热作用时间。速度过快，可能导致熔深不足、小孔塌陷、焊缝未焊透或成形不良；速度过慢，则热输入过大，可能导致焊穿、焊缝晶粒粗大、热影响区过宽等问题。

喷嘴高度，即喷嘴端部与工件表面的距离，也是一个重要参数。高度过小，虽能增加熔深，但易导致喷嘴被飞溅物堵塞或与工件短路；高度过大，会使电弧发散，能量密度下降，熔深变浅，保护效果也会变差。此外，保护气的流量多元化充足且分布均匀，以确保有效的保护效果，防止焊缝金属氧化。

等离子弧焊技术因其独特的性能，在多个工业领域找到了其应用定位。在航空航天工业中，它被用于焊接发动机壳体、各种不锈钢和钛合金压力容器以及导管，其高质量和高可靠性的焊缝满足了该领域的严苛要求。在化工和能源领域，厚壁不锈钢管道、容器以及核电站部分部件的焊接也常采用此法。在精密仪器和电子行业，微束等离子弧焊是连接薄壁零件、金属波纹管、继电器和传感器外壳的首选方法。此外，在刀具制造和表面工程中，等离子弧还可用于堆焊耐磨或耐腐蚀合金层。

任何技术都有其两面性。等离子弧焊的主要优点在于其电弧能量集中、温度高、稳定性好、弧长变化敏感性低，因而能获得深宽比大、热影响区窄、变形小的优质焊缝，且焊接速度较快。其缺点同样明显：设备复杂，一次性投资成本远高于常规电弧焊方法；对操作人员和维护人员的技能要求较高；焊枪结构精密，喷嘴等易损件需要定期更换，增加了维护成本和使用成本；工艺参数较多，调试相对复杂；对装配精度和工件清洁度要求较为严格。

1.等离子弧焊的本质是通过机械压缩、热压缩和电磁压缩效应，将普通电弧转化为能量密度极高、极为稳定的高温等离子弧作为焊接热源。

2.该技术系统复杂，需精确协调电源、焊枪、气路、水路和控制系统，其工艺核心在于对小孔效应（熔透型）或精密熔池（熔融型）的控制。

3.其应用优势体现在对高熔点金属、中厚板高效焊接以及超薄件精密连接等领域，但设备与维护成本高、操作调试复杂是其广泛应用的主要制约因素。