[科普中国]-微束等离子弧焊

微束等离子焊接是一种小电流(通常小于30A)熔入型焊接工艺，为了保持小电流时电弧的稳定，一般采用小孔径压缩喷嘴(0．6～1．2mm)及联合型电弧。

工艺流程微束等离子焊接是一种小电流(通常小于30A)熔入型焊接工艺，为了保持小电流时电弧的稳定，一般采用小孔径压缩喷嘴(0．6～1．2mm)及联合型电弧。即焊接时存在两个电弧，一个是燃烧于电极与喷嘴之间的非转移弧，另一个为燃烧于电极与焊件之间的转移弧，前者起着引弧和维弧作用，使转移弧在电流小至0．5A时仍非常稳定，后者用于熔化工件。微束等离子弧是等离子弧的一种。在产生普通等离子弧的基础上采取提高电弧稳定性措施，进一步加强电弧的压缩作用，减小电流和气流，缩小电弧室的尺寸。这样，就使微小的等离子焊枪喷嘴喷射出小的等离子弧焰流，如同缝纫机针一般细小。1

性能特点与钨极氩弧焊相比，微束等离子弧焊接的优点是：
a．可焊更薄的金属，最小可焊厚度为0．01mm
b．弧长在很大的范围内变化时，也不会断弧，并能保持柱状特征，巳焊接速度快、焊缝窄、热影响区小、焊接变形小。

产生条件获得微束等离子弧，必须满足以下基本条件。
①微束等离子弧发生器是产生微束等离子弧的器件，也称为等离子枪，它是以等离子电弧室为主体组成的。产生微束等离子弧的第一要素是要有一个良好的等离子枪，要求不漏气、不漏水、不漏电，电极对中且调整更换方便，喷嘴耐用又便于更换。电弧室由上下两体构成，中间加以绝缘。上枪体的主要功能是：夹持钨极并使之接人电源负极，以使钨极尖端能产生电弧放电的阴极斑点；将电弧放电产生在钨极区的热量及时排出；钨极应能始终保持对准下枪体的喷嘴孔径中心，且应能调整极尖的高度和更换新钨极，导人惰性压缩气体。这样，上枪体应有电、气、水三个导人孔道和一个水的出口。下枪体上安装经常更换的喷嘴，要接电源的正极，要有进出冷却水的散热系统。有的微束等离子弧焊枪上设有保护气系统，也设置在下枪体上。
②直流电源作为微束等离子弧的电源，除了普通等离子弧的直流电源、下降的伏安特性、电流可以细微调节等要求外，还有一个重要的特殊要求，即高空载电压。一般直流电源的空载电压是80～100V，微束等离子弧的电源空载电压应是120～160V，有时还要高达200V。因为微束等离子弧的电流小。

等离子弧焊等离子弧焊是指利用等离子弧高能量密度束流作为焊接热源的熔焊方法。等离子弧焊接具有能量集中、生产率高、焊接速度快、应力变形小、电孤稳定且适宜焊接薄板和箱材等特点，特别适合于各种难熔、易氧化及热敏感性强的金属材料(如钨、钼、铜、镍、钛等) 的焊接。气体由电弧加热产生离解，在高速通过水冷喷嘴时受到压缩，增大能量密度和离解度，形成等离子弧。它的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因而具有较大的熔透力和焊接速度。形成等离子弧的气体和它周围的保护气体一般用纯氩。根据各种工件的材料性质，也有使用氦、氮、氩或其中两者混合的混合气体的。2

焊接和切割等离子弧的产生：

（1）等离子弧的概念：

自由电弧：未受到外界约束的电弧，如一般电弧焊产生的电弧。

等离子弧：受外部拘束条件的影响使孤柱受到压缩的电弧。

自由电弧弧区内的气体尚未完全电离，能量未高度集中，而等离子弧弧区内的气体完全电离，能量高度集中，能量密度很大，可达10~10W/cm2，电弧温度可高达24000～50000K（一般自由状态的钨极氩弧焊最高温度为10000～20000K，能量密度在10W/cm2以下）能迅速熔化金属材料，可用来焊接和切割。

（2）等离子弧的产生

在钨极与喷嘴之间或钨极与工件之间加一较高电压，经高频振荡使气体电离形成自由电弧，该电弧受下列三个压缩作用形成等离子弧。

①机械压缩效应（作用）——电弧经过有一定孔径的水冷喷嘴通道，使电弧截面受到拘束，不能自由扩展。

②热压缩效应——当通入一定压力和流量的氩气或氮气时，冷气流均匀地包围着电弧，使电弧外围受到强烈冷却，迫使带电粒子流（离子和电子）往弧柱中心集中，弧柱被进一步压缩。

③电磁收缩效应——定向运动的电子、离子流就是相互平行的载流导体，在弧柱电流本身产生的磁场作用下，产生的电磁力使孤柱进一步收缩。

电弧经过以上三种压缩效应后，能量高度集中在直径很小的弧柱中，弧柱中的气体被充分电离成等离子体，故称为等离子弧。

当小直径喷嘴，大的气体流量和增大电流时，等离子焰自喷嘴喷出的速度很高，具有很大的冲击力，这种等离子弧称为“刚性弧”，主要用于切割金属。反之，若将等离子弧调节成温度较低、冲击力较小时，该等离子弧称为“柔性弧”，主要用于焊接。

等离子弧焊接是指用等离子弧作为热源进行焊接的方法称为等离子孤焊接。

焊接时离子气（形成离子弧）和保护气（保护熔池和焊缝不受空气的有害作用）均为纯氩。

等离子弧焊所用电极一般为钨极（与钨极氩弧焊相同，国内主要采用钍钨极和铈钨极，国外还采用锆钨极和锆极），有时还需填充金属（焊丝）。一般均采用直流正接法（钨棒接负极）。故等离子弧焊接实质上是一种具有压缩效应的钨极气体保护焊。

种类等离子弧有两种工作方式。一种是“非转移弧”，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，主要用於等离子喷镀或加热非导电材料。

另一种是“转移弧”，电弧由辅助电极高频引弧后，电弧燃烧在钨极与工件之间，用於焊接。形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式两种。前一种形式的等离子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用于0.8～3mm厚的板材焊接；后一种形式的等离子弧只熔穿板材，形成钥匙孔形的熔池，多用于3～12mm厚的板材焊接。此外，还有小电流的微束等离子弧焊，特别适合於0.02～1.5毫米的薄板焊接。

等离子弧焊接属于高质量焊接方法。焊缝的深/宽比大，热影响区窄，工件变形小，可焊材料种类多。特别是脉冲电流等离子弧焊和熔化极等离子弧焊的发展，更扩大了等离子弧焊的使用范围。

等离子弧焊与TIG焊十分相似，它们的电弧都是在尖头的钨电极和工件之间形成的。但是，通过在焊炬中安置电极，能将等离子弧从保护气体的气囊中分离出来，随后推动等离子通过孔型良好的铜喷管将电弧压缩。通过改变孔的直径和等离子气流速度，可以实现三种操作方式：

1、微束等离子弧焊：30A以下的熔透型等离子弧焊

是指电流在30A以下的熔透型等离子弧焊，通常称为微束等离子弧焊。为了保证小电流等离子弧的稳定，一般采用混合型等离子弧。主要用于超薄件的焊接。

2、熔透型等离子弧焊：15～200A

它是采用较小的焊接电流和较小的离子气流量，等离子弧在焊接过程中只熔化焊件不产生小孔效应，焊接方法与钨极氩弧焊很相似，焊接时可以不添加金属，主要用于薄板（0.5～2.5mm）的焊接。

3、穿透型等离子弧焊：100～300A

又称穿孔型焊接法，通过增加焊接电流和等离子气流速度，可产生强有力的等离子束，利用它温度高、能量密度强、穿透力强的特点，焊接时等离子弧把焊件完全熔透并在等离子流量的作用下形成一个穿透焊件的小孔（小孔背面露出等离子弧），形成正反面都有鱼鳞纹的焊缝，即所谓的“小孔效应”，焊接时一般不加填充金属。适用于3～8mm的不锈钢、12mm以下的钛合金、2～6mm低碳钢低合金钢以及铜、黄铜和镍及镍合金的焊接

本词条内容贡献者为:

石季英 - 副教授 - 天津大学