等离子焊接工艺技术应用研究

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等离子焊接工艺技术应用研究

摘要本项目是我司引进纵、环缝等离子自动焊接系统，针对压力容器不锈钢产品液化气车、低温车（罐），实现了纵、环焊缝一次成形，减少了焊前坡口加工和层间清理，保证了产品质量，提高了生产效率。

经过二年多对等离子焊接技术的实践、消化理解，通过焊接产品试板及大量产品焊缝焊接，取得了成熟稳定的工艺参数，焊缝合格率由60%提高至95%以上。使得焊缝质量符合国家、行业相关标准。最终在公司不锈钢产品：标准运输储运罐箱低、温深冷容器和低温车、化工容器等全面应用。期间，开发了《建成产品标识号生成器软件》，应用于筒体、封头等的焊接组对和焊接工艺的信息化管理。

采用等离子焊减少手工操作，减少对焊工操作技术的依赖，改善焊缝的外观质量，提高生产效率，降低生产成本及减轻劳动强度。可为公司创收利润80～100万元/年。

关键词：压力容器 等离子弧焊PAW 小孔效应高新技术 自动焊接系统

1项目用途、意义、技术原理

本项目是我司2007年对国内外市场进行调查及分析，提出增设等离子焊接设备的可行性报告，于2008年底购置纵、环缝等离子自动焊接系统各一套并投入使用。经过二年多对等离子焊接技术的消化理解、反复试验和论证并同时应用于产品的实践中，除了满足了生产之外还由此造就了一批等离子焊接技术骨干（包括技师和高级技师等）为企业培养了人才。等离子自动焊接系统使用至今仍工作稳定，焊接工艺参数成熟。我司是省内首家单位采用先进的PAW自动等离子焊焊接压力容器纵、环缝的企业。利用其能量集中，10mm以下不锈钢不开坡口，单面焊双面成形小孔技术，实现了纵、环焊缝一次成形，减少了焊前坡口加工和层间清理，保证了产品质量，提高了生产效率。该项目实施成为公司主要经济增长点之一。

等离子是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体，在温度谱上可以把其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。等离子是由被激活的带电离子、电子、原子或分子组成。等离子弧是离子气被电弧加热产生离解形成的高温离子化气体，在高速通过水冷喷嘴时受到机械压缩，增大能量密度和离解度，从喷嘴中心小孔穿出而形成等离子电弧，能量密度达105-106W/cm2，比自由电弧(约105W/cm2以下)高，其温度可达18000-24000K，也高于自由电弧(5000-8000K)很多。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧。而等离子弧焊接是在钨极氩弧焊和等离子弧切割技术的基础上发展起来的一种先进焊接工艺。利用等离子弧作为热源的焊接方法，叫等离子弧焊接。

等离子弧焊应用于特种材料化工容器及管道的焊接，随着化工装备需求和化工类容器使用寿命的提高，对特种材料如钛合金、锆合金、镍基合金等的应用越来越多。而传统的手工焊接工艺已在一定程度上制约了产品质量的提升，很多人2 / 10

为的手工操作因素也会严重影响焊接质量，重复返修会恶化焊接质量甚至造成产品报废，导致巨大的经济损失。采用等离子焊接工艺可以获得一次性连续稳定的焊接质量。等离子弧焊作为一种新型高能束焊接方法，焊接质量好，焊接热影响区和焊接变形小，弧柱温度好，能量密度大，对焊件加热集中和熔透能力强，尤其利用其小孔焊接技术，能够实现单面焊双面一次成型。等离子焊接时，等离子射流穿过整个焊缝并形成一个小孔（即小孔效应），气体也随之穿过，小孔随电弧的前移而闭合。等离子弧焊可焊接比TIG焊更厚的钢板，在操作技术和经济效益两方面都有不容置疑的优点。利用此焊接方法的优点，成功应用到低温车（罐）内容器纵、环焊缝的焊接中，相对以往采用的SMAW、SAW和TIG，此项技术的应用明显提高了焊接生产效率和焊接接头性能，且大大降低了焊接成本。

2 主要技术指标及经济技术水平

经过对焊接工艺评定及大量的产品试板进行力学性能试验和弯曲性能试验，其焊接接头的综合力学性能均满足设计和相关标准的要求。而且其冲击功明显高于埋弧自动焊的试验数据，富余量较大，性能指标高，使容器更符合在低温情况下的使用工况。实现了不锈钢6～10mm板厚范围不开坡口不用衬垫条件下实现单面焊双面成形。

利用等离子弧焊小孔效应的单面焊双面成形技术，是焊接薄壁容器的最理想方法之一，具有一定的推广使用价值。主要体现在以下方面：

2.1节约成本

2.1.1省焊剂:焊接时不需要焊剂。

2.1.2省焊丝:焊接板材厚度6㎜以下时不用焊丝。8㎜以上时只用其它形式的1/3左右。

2.1.3省电:由于等离子能量集中和高效相比可节电1/3左右。与一般氩弧焊相比，可省电1/3～1/2,省气1/2～2/3。

2.1.4省时省工:焊接10㎜以下时不用开坡口。

2.2工艺质量好

2.2.1完美的焊缝成形，焊缝的底面外表非常美观。

2.2.2焊缝质量有所提高，很少缺陷。

2.2.3填充焊丝的合金元素烧损大大减少。

2.2.4热影响区小，机械性能提高。

2.3效率高，焊接速度快，提高了生产率。

2.4操作简便

2.4.1只要输入正确数据，就能获得稳定的焊接质量。 3 / 10

2.4.2焊接自动完成，劳动强度低。

2.4.3不用清渣和清焊剂。

2.4.4装夹简单。

3 当前国内外同类先进技术概况

经过对国内外焊机市场的调查了解，目前，国外等离子弧焊机的用量已占了通用弧焊机的1/4，而在我国只占几万分之一，差距之大，令人瞠目。从目前的情况来看，国外的等离子焊机发展得比较成熟，其优势主要体现在数字化上，以及凭借丰富的等离子焊接实际案例而具有的标准化操作优势，毕竟国外比国内早发展的几十年。中国虽然早在二十多年前就生产出等离子焊机，但是一度发展很缓慢，直到这几年才呈现出发展的势头。从目前来说，国产的等离子焊机还不具备数字化的功能，还都停留在模拟化。

国外生产先进等离子焊机的公司非常多，如法国SAF，美国飞马特，日本新日铁，美国爱美特等知名公司。而国内生产等离子焊机的厂家很少，如东莞同成机电，山东泰安中天，江苏润州鑫诚，成焊所，北京三力易胜等，走高端路线厂家的少之又少。

随着焊接工艺、设备及焊缝成形与焊接质量控制等一系列的研究发展，一些高新焊接技术不断研发出来并走向成熟。如等离子弧焊，钛合金微束等离子弧自动焊，激光焊接，焊接机器人及其应用等。

如今等离子弧焊已广泛应用在能源、航空航天、核能、电子、环境、海洋、船舶、汽车、压力容器及其它工业部门中，焊接的材料有不锈钢，钛合金，低碳或低合金结构钢以及铜、黄铜、铝及铝合金、镍及镍合金等材料的对接焊缝。

而国外新开发的用于等离子弧焊的焊矩系统，采用反极性电极，使用熔入和锁孔式焊接技术用于焊接2～8mm铝镁合金。使用电极极性可变的锁孔技术进行等离子弧焊，可用来焊圆周焊缝，如AlMg3管道、法兰盘以及GK－AlSi7Mg冷铸合金制造的形状各异的零件，能够进行8mm壁厚材料的无坡口对焊连接。使用新开发的特殊气体控制系统可以无缺陷地完成圆周焊缝的收尾焊接。

在研究开发最现代化的电源和控制技术条件下，采用等离子弧焊技术是一种质量最佳、经济有效、重复性好的连接工艺。另外，通过调节电流，确保厚板等离子弧对接接头焊接时产生锁孔的传感器系统、导电的熔池支撑与被焊板材绝缘，并通过带电的车架在等离子弧穿透时测量电流，并随之移动。

这种新的工艺与TIG焊接相比具有如下特点：

（1）采用等离子弧焊时的特定工艺优点，不仅主要表现在微型等离子弧焊的板材厚度范围方面，而且涉及使用锁孔技术。 4 / 10

应用范围包括：表面堆焊、喷涂和焊接。通过可调频率使用低脉冲焊接电流，等离子弧焊可以更好的方式控制电弧能量的大小，能够通过现代控制系统可靠地同步监测各种设定值的执行情况。晶体管的焊接电源，如 AUTOTIG系列，可以精确地按照技术规格的规定运行。

（2）用粉末等离子弧焊焊接薄板和管道时，具有焊接速度快、热输入小和变形小等优点。

（3）等离子弧焊接时，锁孔技术的优点还清楚地表现在板厚达10mm的材料焊接方面。在应用技术中，粉末等离子弧焊接具有稳固的市场地位。这种新的工艺也将会在机器人上得到应用。

等离子焊机市场在未来两三年内会有一个较快的发展，格局也会出现较大的变化。国外品牌的等离子焊机凭借技术优势在高端应用方面仍然会占主导，但在整体市场占有率上会因为国产等离子焊机的发展而降低。国产等离子焊枪方面，由于门槛较高，新的厂家进入的可能性不大，因此短期内仍将是北京三力易胜公司一家独大。国产等离子焊机方面，除目前的几家厂商外，还可能会有更多的厂家进入这块市场，整体上是向上发展的。

4 项目采用的技术原理、关键技术及创造点

本项目主要针对不锈钢，利用转移型电弧的穿孔型等离子弧焊方法，实现6～10mm板厚范围不开坡口不用衬垫条件下单面焊双面成形。

4.1技术原理

根据电源的要求，主电路包括2个部分：一是在切割工作模式下为割炬提供0-200 V电压、0-30A电流，或在焊接工作模式下为焊枪提供0-80V电压、0-60V电流的直流电源电路；二是为触发电路和控制电路提供+15V、-15V、+24V 和+5V

电压的直流电源电路。其中第一部分包含变压、整流、滤波、高频引弧、保护回路等几个子电路；在第二部分中包含了变压、整流、滤波、稳压等子电路，其中整流输出主要由7815、7915、7824和7805三端集成稳压器实现主电路工作时，380V三相交流电经过隔离变压器（电源变压器）由2个抽头分别得到切割抽头（148V）和焊接抽头（60V）的交流电，然后经过晶闸管可控桥式整流电路、滤波电路后得到直流电。空载时切割电压为200V，焊接电压为80V；工作时在高频引弧电路中产生250kHz/2500V的高频电压耦合到割炬或焊枪，电离空气，进行切割或焊接。当主机申请响应后输出信号使继电器闭合接通带电，接通高频回路，高频振荡器产生的高频高压信号耦合到割矩或焊枪上，从而击穿空气形成等离子弧。当切割或焊接完毕后，回路电流为零，电流传感器输出0信号，在程序的控5 / 10

制下电路延时几十秒后自动断开气阀；压力控制器触点断开，主接触器断电停止工作，主电路输出电压为零。

利用等离子弧作为焊接热源的焊接方法就是等离子弧焊接。等离子弧是一种特殊形式的电弧，它是借助等离子弧焊枪的喷嘴等外部拘束条件使电弧受到压缩，而形成的高温、高电离度及高能量密度的电弧。在等离子弧焊接中，目前广泛应用的压缩电弧的方法如图1-1所示。等离子弧焊枪中，电极缩入到喷嘴内部，电弧在电极与工件之间产生，电弧通过水冷喷嘴的内腔及其狭小的孔道，而受到强烈的压缩，弧柱截面缩小，电流密度增加，能量密度提高，电弧温度急剧上升，电弧介质的电离度剧增，形成极明亮的细柱状的等离子弧。

等离子弧分为三类：1）非转移型电弧2）转移型电弧3）联合型电弧

转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于焊接较厚的金属。

等离子弧焊基本方法分为三种：1）穿孔型2）熔入型3）微束等离子弧焊

穿孔型等离子弧焊是采用较大的焊接电流及等离子流，使等离子弧具有较大的能量密度及等离子流力，工件完全熔透并在等离子流力的作用下形成一个贯穿工件的小孔，而熔化金属被排挤在小孔周围。随着等离子弧在焊接方向移动，熔化金属沿电弧周围熔池壁向熔池后方移动并结晶成焊缝，而小孔随着等离子弧向前移动。