0 引言
随着现代工业的迅速发展, 不锈钢由于具有外表华丽、耐蚀性能优良和可冷、热加工的性能, 在食品/医疗设备、石化压力容器、不锈钢管道、染整设备、储运罐箱、特种船舶和航空航天等行业中倍受青睐。目前中国可年产近 900 万 t 不锈钢, 有望成为世界第一大不锈钢生产、制造大国, 作为产品生产的主要技术之一的焊接技术也开始由原来的手工焊接技术向高效的自动焊接技术转变, 这其中应用最为广泛就是等离子焊接技术。在国外, 等离子工艺技术已在不锈钢中、薄板制造中得到了大量普及应用。 1 等离子焊接原理
1.1 等离子焊接定义
等离子焊接是通过高度集中的等离子束流获得必要的熔化母材能量的焊接过程。通常等离子电弧的能量取决于等离子气体的流量、焊喷嘴的压缩效果和使用电流大小。普通电弧射流速度为 80～150 m/s, 等离子电弧的射流速度可以达到 300～2 000 m/s, 等离子电弧由于受
到压缩, 能量密度可达 105～106W/cm2 而自由状态下 TIG 电弧能量密度为 50～100W/mm2, 弧柱中心温度在 24 000 K以上, 而 TIG 电弧弧柱中心温度在 5 000～8 000 K
左右[1]。因此, 等离子电弧焊接与电子束(能量密度105W/mm2)、激光束(能量密度 105W/mm2)焊接同被称为高能密度焊接。等离子焊接及穿孔示意如图 1所示。
图1 等离子焊接及其穿孔示意
1.2 等离子电弧的分类
按电源连接方式分类, 等离子电弧分非转移弧、转移弧和联合型电弧三种形式[1]。三种形式都是钨极接负, 工件或喷嘴接正。
非转移型电弧是在钨极与喷嘴之间形成电弧,在等离子气流压送下, 弧焰从喷嘴中喷出, 形成等离子焰[1], 主要适合于导热性较好的材料焊接。但由于电弧能量主要通过喷嘴, 因此喷嘴的使用寿命较短, 能量不宜过大, 不太适合于长时间的焊接, 这种形式较少应用在焊接。
转移型电弧是在喷嘴与工件之间形成电弧, 由于转移弧难以直接形成, 先在钨极与喷嘴之间形成小的非转移弧, 然后过渡到转移弧, 形成转移电弧时, 非转移弧同时切断。由于这种方式能将更多的能量传递给工件, 因此该形式电弧普遍应用到金属材料焊接和切割中。
混合型电弧是指转移电弧和非转移电弧并存,主要用于微束等离子焊接和粉末堆焊。
2 等离子焊接优点
(1)焊接速度明显提高(可达手工 TIG 焊的 4～5倍, 工件厚度在可焊范围越大, 提高越明显)。
(2)焊缝性能优良。
(3)在可焊范围内容易得到完整的规则的全焊透焊缝。
冰醋酸溶液(4)满足 100%射线探伤要求。
(5)可以得到与母材化学成分和性能相同的焊缝。
(6)电弧集中, 焊缝热影响区减小, 且具有较低的氧化。
立体交叉桥(7)优良的外观成形。
(8)不用开坡口, 大大减少焊丝用量和焊前坡口制备。
(9)焊接过程电弧挺度好, 电弧容易控制。
(10)残余应力和焊接变形小。
3 等离子技术的应用行业
由于等离子电弧独有的特点和优越性, 等离子工艺被广泛运用到金属材料的焊接中。
3.1焊管
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按键测试机 不锈钢焊管主要有连续成型加工和板材定尺卷型焊接两种加工方式。在连续成型线上, 对于φ114 mm 以下、壁厚 2 mm 以下的小口径薄壁管道成型, 通常采用 TIG 焊或微束等离子焊接工艺, 这种工艺方法已经非常普及。为进一步降低生产成本, 有些厂家采用三把 TIG 焊同步连续焊接的工艺方法, 提高了生产效率, 降低了成本。但这些管道由于承压能力较低, 通常用于装饰管和要求较低的供水管。但对于 φ114～φ325 mm、壁厚 2～6 mm 的工业承压管道, 则需要采用等离子或等离子加 TIG 双的焊接工艺, 这种工艺方法除可以保证较好的焊接质量外, 也可获得较高的焊接效率。这些管道通常用作电厂、化工、造纸等行业的供水、供气主输送管道。但该方法受加工成型机和设备造价的限制, 焊管直径不宜加大。较大口径管道批量需求少, 一般均需要根据工程要求来定制, 这种多品种少批量的加工形式, 通常采用 UOE 定尺焊管机组的方式来完成。一般焊管长度为 6 m 左右, 焊管直径 φ159～φ1220mm。此种方法较为方便地迎合了工程需求, 主要问题是不利于交货和库存。国内某大型焊管厂现场等离子焊接图片如图 2 所示。
3.2 特材化工容器
随着化工装备需求和化工类容器使用寿命的提高, 对特材如钛合金、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,前期焊接位
置的清理和准备必须达到焊接要求。对于易氧化材料的等离子焊接应加强焊接热影响区的保护, 当然如果能在有散热设备的工装上完成焊接是最为理想的。
3.3 制药设备
出于制药生产过程 GMP 认证的要求, 制药设备的加工要保证较好的耐腐蚀性能。对于容器筒体的加工, 传统的工艺方法为手工 TIG 焊, 具有工件变形大、焊缝金属性能差、效率低的缺点。尽管筒体要求通过抛光处理, 但手工焊接的焊缝其物理化学性能较差。将等离子焊接工艺引进制药机械设备加工中, 国外已较为普及, 而国内一些企业通过使用,明显体现了该工艺方法的优势。等离子焊接图片如图 3所示。
数字调谐器
3.4食品机械
在酒类发酵设备、乳品机械和饮料机械中, 不锈钢储槽和罐体是整个生产工艺装备中重要的流体和储液设备。筒体规格众多, 大量工件厚度在 2～10mm,非常适合采用等离子焊接工艺。对于直径大于 5m以上的罐体制造, 一般采用倒装法, 工件放置于大型地转盘上, 工件旋转, 焊置于十字操作架上, 筒体纵缝采用等离子立焊工艺, 环缝采用横焊等离子工艺, 该工艺与传统手工工艺相比, 大大节省了时间和生产成本, 缩短了制造周期。
3.5军工装备
在军工装备制造中, 铝合金和钛合金的应用较多, TIG 焊接工艺在一定程度上满足了大量的产品焊接要求, 但对于要求性能更好的焊缝, 等离子焊接则体现了较好的工艺价值。铝合金等离子立焊工艺已在设备制造中推广应用。
4 结论
随着国民经济的高速发展, 中国的制造业也得到迅猛发展, 中国制造业产品市场的竞争, 已不再是局限于国内, 而是来源于全球。产品质量的优劣不仅包括内部质量, 还包括外在质
量(如美观、包装等), 产品成本仅仅依靠廉价的劳动力成本来体现不是长久之计, 而要靠先进的装备和工艺来保证, 以期达到高效、高质、环保……。因而采用先进的设备和工艺, 加上先进的管理理念, 来进一步提升本企业在国内、国际知名度, 提高市场的竞争力显得尤为重要。
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