等離子弧焊及切割技術

等離子弧焊及切割技術

　　等離子弧工序是一系列采用壓縮電弧進行的熱工序。等離子弧焊工序以水冷卻的銅合金噴嘴來形成壓縮電弧；而等離子切割則是采用氣體或水冷卻形式。此外等離子焊強還另附有一個氣體保護部分。

　　等離子是氣體加熱后變為局部離子化的狀態，故在這狀態下等離子有導電性。氣體的初步離子化通常是利用高壓電的發電機進行，氣體如選用氬，則離子化過程較為容易，因氬是單原子式結構。同樣道理，由于氮是雙原子結構，故難于離子化，因而要采用一個電壓更高的發電機來進行。

　　離子化區或等離子柱含有正電荷離子。相等數目的電子及中性原子或分子。等離子柱的導電性因溫度及離子柱約為銅等離子的0．05％。傳熱性及導效率決定了氣體是否適合用于等離子弧焊或切割工序。

　　氬是一種導熱率較低的氣體，而由于是單原子結構，故傳熱性較差。另一方面，氫由于是雙原子結構，故導熱率較佳，傳熱性質優良，因此很適合用于等離子切割；而在等離子焊接工序中，即可使用氬氣，也可以采用氬氫或氬氮混合氣體作為保護氣體，氣體原子由電源吸收電能量，情形和海綿的吸收情況相同，而發放熱能的情形亦一樣。在雙原子氣體來說，當氬原子或氮原于再次結合成分子時，會進一步放出熱能。

1．壓縮電弧
　　早在五十年代初，人們就發現將電弧導入一個位于電極(陰極)和工件(陽極)之間的水冷卻銅噴嘴內，便可改善鎢極氣體保護焊時開弧的性質。噴嘴不會將電弧散開而是將之壓縮成細小的切面，這動作促進了電弧的電阻加熱，因而弧的溫度及電壓相應提高。氣體通過噴嘴后，形成高速、平行及非常熱的等離子流射出。

　　等離子射流可在傳送狀態下操作，即電源是連接于電極和工件之間或在外傳送狀態下操作，即電源是連接于電極和噴嘴之間。雖然在兩種操作方式中，都有等離子熱流由噴嘴射出，但等離子切割工序通常采用傳送式，因為當電弧與工件有電接觸時，可用輸入熱量才能最有效率地發揮。

　　改變氣體種類、流動速度、電弧電流及噴嘴尺寸便可大幅度改變等離子射流的特性。例如，采用低的氣體流動速度，等離子射流便變成一個熱量高度集中的熱源，是理想的焊接環境。反之，如充分增加氣體流速，則等離子射流會切穿工件，而射流的高速足以將等離子弧切割出來的金屬吹走。

　　等離子弧切割所涉及的溫度比鎢極氣體保護焊接高得多，這稱為“干式電弧壓縮”，而它可能發生的原因是由于高氣體流量在噴嘴鏜孔內形成一層較冷的非離子化邊界層，而容許較高的弧壓縮。將切割氣體打旋，便可進一步增加邊界層的厚度。打旋動作令到非離子化的冷氣體沿經向外移動，形成一個較厚層。有些機械化的等離子切割可將等離子氣體打旋，以便達到最高程度的電弧壓縮。等離子弧焊炬的等離子氣體及保護氣體則通常以層流形式流動。

2．傳統等離子弧焊
　　以傳統“干式電弧壓縮”方法產生出來的等離子射流，可采用或不采用金屬線焊料的情況下將工件焊接。焊接速度是由電弧功率及物料厚度所決定。

3．等離子弧熔焊
　　等離子弧熔焊和傳統鎢極氣體保護焊工序很相似的地方是兩者都采用等離子射流作為熱源，用以熔解需要焊接的物料，可視乎接口要求而決定采用或不采用金屬線焊料作焊珠。

　　微束等離子焊接是一個等離子弧熔解焊接工序。這工序可在非常高速及不使用金屬線焊料的情況下焊接微薄至幾十分之一毫米的物料。以低電流(低于2安培)進行等離子弧焊的優點，電弧穩定性高，點火非常可靠。

　　等離子弧熔焊方法亦適用于較厚的板料作多次動作焊接。工序采用金屬線作為焊料。等離子弧熔焊的焊接速度比傳統的鎢極氣體保護焊接高得多。

4．等離子弧熔孔焊接法(小孔法)
　　等離子弧熔孔焊接是將傳統等離子弧熔焊法和等離子弧切割法結合而成的焊接法。等離子射流滲透需要焊接的工件的整個部分，而當焊炬穿過物料時，熔料流動而形成一個良好的接口。工序采用或不采用金屬線焊料均可。

　　等離子弧熔孔焊接法的主要優點是只要一次動作便能形成方形接口，厚度可達10—12mm。方形接口的生產成本比V形的低，但如要取得可靠的結果便要小心地進行焊接。大致來說，一次過熔孔焊接能經濟地為各種物料提供良好的接口。

    傳統等離子弧焊接法，采用反向極性。傳統的干式電弧壓縮方法所形成的等離子射流可熔解及焊接大部分鋁及鎂合金，采用或不采用焊料均可。焊接速度由電弧功率及物料厚度所決定。當電極是正極時，鋁合金及鎂合金的氧化層分解，因此金屬可以成功地焊接起來。

    和鎢極氣體保護焊接工序比較，上述工序的主要優點是無論物料厚度多少，工序只耗用1／3電流量，因此熱力輸入及變形情況得以減低，而電極受到等離子噴嘴的保護，因此只要工序條件不超過建議的參數，鎢電極破裂的危險便會大大減低。

    變極性等離子弧焊接工序能采用各種特殊的混合氣體，例如氬／氦或氬／氫，因此可提高電弧溫度，減少在包氣燃點時電弧不穩定情況，因此焊料滲填作用較佳。工序以人手或機械化操作均可。

    反向極性熔孔焊接工序可在一次過動作中以連續或脈沖電弧電流焊接厚達6—8mm的鋁及鎂合金。大部分采用反向極性的熔孔焊接工序都采用焊填料來防止焊珠倒扣。反向極性焊接法若使用得當，便會為鋁合金及鎂合金焊接工序帶來經濟利益。