不銹鋼等離子弧焊焊接技術及其應用

  浙江至德鋼業有限公司介紹了不銹鋼等離子弧焊接的原理和特點，與TIG焊相比所具有的優勢。結合工藝，介紹了等離子焊接技術在不銹鋼儲運罐箱、化工容器、管道制造、食品機械、不銹鋼染整設備、封頭制造、波紋管焊接等方面的具體應用。等離子弧焊(PAW)是20世紀50年代在鎢極氬弧焊(TIG)的基礎上發展起來的，它是以難熔化的鎢(如釷鎢)作為電極，以等離子弧為熱源的一種熔焊加工方法。TIG焊接所使用的熱源是常壓狀態下的自由電弧，而PAW焊所用的熱源則是壓縮電弧，又稱等離子弧。壓縮電弧是將自由電弧進行壓縮強化后而獲得的，二者在物理本質方面沒有什么區別，只是弧柱中電離程度不同，壓縮電弧的電離度更高。經壓縮后的等離子弧其溫度更高，能量密度更加集中，因此等離子弧焊屬于高能束流焊接。

  奧氏體不銹鋼在加工制造中常常需要進行焊接，傳統的焊接方法主要采用二氧化碳氣體保護焊、埋弧焊(SAW焊)、鎢極氬弧焊(TIG焊)等，上述焊接方法在實際生產中都存在一定的局限:二氧化碳焊飛濺大，產品合格率低，焊接質量難以保證；SAW焊的熱輸入大、晶粒易長大粗化，工件性能下降；TIG焊雖然具有焊縫表面成型好、生產成本低等優點，但由于奧氏體不銹鋼的線膨脹系數大，導熱系數小，在焊接中厚板工件時，焊接道次會增多，焊接生產效率下降。隨著焊接技術發展和焊接裝備的不斷進步，等離子焊(PAW)因其具有能量集中的電弧，穿透能力強、焊接熔深大，熱影響區窄等優點，在工業生產中逐漸被推廣應用。等離子弧焊能一次焊透更厚的材料，且實現單面焊雙面成型，在同樣熔深下等離子的焊接速度比TIG焊快，生產效率高。

一、等離子弧焊的技術

1. 等離子弧焊

  等離子弧焊(簡寫PAW，ISO標準代號15)是利用惰性氣體(如氬氣)作為離子工作氣和焊接保護氣，再采用能量密度高的等離子弧作為熱源來加熱熔化母材金屬，使之形成焊接接頭的一種熔焊方法。

2. 等離子弧的形成

  在溫度譜上等離子可以把其看作為繼液態、固態、氣態之后的第四種物質狀態。傳統的電弧焊方法(如CO2焊、TIG焊)采用自由狀態的電弧，自由電弧燃燒于工件與電極之間，周圍不受任何拘束。焊接領域中應用的等離子弧實際上是一種壓縮電弧，即借助外部拘束作用，使電弧弧柱的橫截面受到限制而不能自由擴大，從而使電弧的能量密度、電離度、溫度都明顯增大。這種借助于外部拘束作用使弧柱受到壓縮的電弧就是通常所稱的等離子弧，如圖所示。

  壓縮電弧的獲取方法通常是將不熔化電極(如釷鎢)縮入水冷噴嘴內部，在水冷噴嘴中通以一定流量和壓力的離子氣，強迫電弧通過水冷噴嘴孔道，從而形成了能量密度集中的等離子弧，如圖所示。此過程中電弧主要受到機械壓縮效應、熱收縮效應、電磁收縮效應三種壓縮作用。等離子弧按接線方式和工作方式不同，可分為非轉移型、轉移型和混合型三種類型。非轉移型等離子弧中噴嘴接電源正極，鎢極接電源負極，工件不接電源，電弧先是在鎢極與噴嘴壁之間燃燒，然后在離子氣的作用下再從噴嘴孔噴出，如圖所示。轉移型等離子弧中工件接電源正極，鎢極接電源負極，等離子弧產生于鎢極和工件之間，如圖所示?；旌闲偷入x子弧也稱聯合型等離子弧，是指焊接過程中非轉移型弧和轉移型弧兩者同時存在，如圖所示。

3. 等離子弧焊的基本形式

   等離子弧焊按照焊縫成型的原理，主要有穿透型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊、微束等離子弧焊三種基本方法。穿透型焊接法又常稱為小孔型等離子弧焊。該方法在較大的焊接電流(100～500A)情況下，采用轉移型等離子弧把工件完全焊透并在等離子流力的作用下形成一個小孔，利用這種小孔效應，在無襯墊情況下就可實現單面焊雙面成型。

  微束等離子弧焊的焊接電流在30A以下，常采用混合型等離子弧。這種方法使用孔徑很小(0.5～1.5mm)的噴嘴，得到細小針狀的等離子弧。微束等離子弧焊主要用于焊接厚度小于1mm的精密、超薄工件。熔透型等離子弧焊在較低的離子氣流量和較小的焊接電流(30～100A)情況下，采用混合型等離子弧焊接的一種方法。在焊接時無小孔效應，焊件背面無焊接“尾焰”形成。

4. 等離子弧焊的工藝特點

  等離子弧的能量密度集中，溫度高，穿透能力強，產生的小孔效應可實現單面焊雙面成型，焊接生產率明顯提高。由于等離子弧的形態近似于圓柱形，挺度好，沖擊力大，加熱面積變化小，熱影響區窄、焊件變形小，焊縫成型均勻美觀。

  等離子弧使用很小的電流就能保證等離子弧的穩定，故可用微束等離子孤焊接超薄件。鎢極內縮在水冷噴嘴里面，焊接時與焊件不接觸，因此有效地防止了焊縫金屬夾鎢缺陷的產生。8毫米以下金屬焊件，可不開坡口，一次焊透，填充金屬也減少。完美的小孔功能確保正面和背面焊縫的質量?？煽康囊C制(非轉移弧一直保留)避免了頻繁引弧帶來的高頻干擾。

二、等離子弧焊的應用

  由于等離子弧焊能夠提供更高的焊接效率、質量更佳的焊縫，目前已被廣泛用于工業生產，涉及行業包括不銹鋼儲運罐箱、容器制造業(鍋爐、低溫瓶等)、管道制造和管線預制、不銹鋼染整機械、食品機械、封頭制作、波紋管的焊接等。

1. 不銹鋼儲運罐箱

  儲運罐箱主要用于儲存液體或氣體的鋼制密封容器，如裝運酒類、油類、化學藥品等液體貨物。由于316L不銹鋼具有出色的耐化學腐蝕性能和良好的抗拉強度，且又容易清洗干凈，因此罐體內膽大多采用316不銹鋼制造。大多儲運罐筒體直徑1500～2800mm之間，長度5000～7000mm左右，厚度3～8mm。儲運罐體的制作過去常采用TIG或MAG等方法，效率較低。目前多采用等離子焊接，筒體環縫和縱縫等離子焊接如圖所示。

2. 容器制造業

  壓力容器的用途極為廣泛，在石油化學工業領城，壓力容器主要用于傳熱、完成反應等工藝過程，以及運輸、貯存有壓力的氣體或液化氣體?；と萜饔娩摱酁椴讳P鋼，筒體直徑大多在1000～2500mm之間，壁厚3～40mm。為提高生產效率，3～8mm厚的不銹鋼筒體多采用等離子焊焊接。筒體上環縫和縱縫等離子焊接如圖4所示。

3. 管道制造

   不銹鋼焊管應用于化工、食品、石化、造紙等眾多行業。由于焊管的壁厚通常在4～14mm，采用等離子焊接工藝，3～8mm厚的材料可不開坡口，一次焊透，實現單面焊雙面成型。對于8mm以上壁厚管子可采用開坡口留鈍邊的方式，用等離子焊打底，TIG焊蓋面。不銹鋼焊管如圖所示。

4. 工業食品機械

  鋼制貯奶罐是儲存各種液體(或氣體)原料及成品的專用設備，其材質多為不銹鋼，厚度在2～10mm。對于直徑很大的罐體制造，通常采用倒裝法，工件放在大型地轉盤上，工件旋轉，焊槍置于十字操作架上，筒體縱縫采用等離子立向下焊工藝，環縫采用橫焊等離子工藝，該工藝節省了時間，降低了生產成本，質量明顯提高。制作現場如圖所示。

5. 不銹鋼染整機械

  染整機械的設備就是染色、印花、整理的設備，是把本色布加工成染色布或印花布的設備。其中高溫高壓染色機設備的材質為不銹鋼316L，染色機的筒體直徑≤3200mm，長度≤6500mm，焊縫形式多為對接縱縫和環縫，通常采用等離子或P+T縱環縫焊接方式。如圖7所示。

6. 封頭制造

  封頭是工業中常見的一種配件，其作用是在高壓設備中，阻擋熱氣蒸發或其他物質的流失。這種配件通過二片或三片板料拼裝焊成圓片，通過焊接工藝做出來的封頭結實耐用。通常板厚為2～8mm，下料直徑≤5000m。封頭拼接成圓片時多采用單等離子或P+T自動化焊接系統，如圖所示。

7. 波紋管

  焊接波紋管是近年來國內外興起的一種新型元件，它一般用來做敏感元件、隔離介質、密封元件及溫度補償器等。焊接波紋管膜片的材料通常是不銹鋼，厚度一般為0.05～0.3mm。為了保證獲得優質焊縫，常采用微束等離子焊接。

8. 等離子弧焊接存在的問題

   隨著焊接技術的發展，等離子弧焊接的應用領域也越來越廣泛，但在現實的焊接過程中，也存在下列問題:焊前工件裝配精度要求較高，裝配間隙要小，否則容易引起燒穿缺陷。設備昂貴，投資較大;目前市場上的等離子弧焊機，多以進口品牌為主，而國產的等離子弧焊機，雖然價格上有優勢，但性能上差距較大。由于離子氣與保護氣需分別獨立供給，因而等離子弧焊機的電源及電氣控制線路較繁瑣，工藝參數的調節匹配較復雜。等離子弧焊接的質量會受室外氣候的影響，如風沙等因素，因此不適合野外作業。

  隨著中國的制造業的迅猛發展，等離子弧焊這種焊接方法將越來越顯示出它的優越性。特別是航空航天和尖端工業技術所用的不銹鋼、鈦及鈦合金、鋯及其合金、鎳及鎳合金等金屬材料，對厚度3～8mm板材進行焊接，可以在不開坡口情況下，一次焊透且完成單面焊雙面成型，施焊過程少了多道工序，降低了制造成本，提高了生產效率。因而在國內相關行業加大推廣新型高效的等離子弧焊技術，具有重要的實用價值。