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等离子焊接在再制造工程中的应用前景姜祎 徐滨士 吕耀辉 向永华 刘存龙 夏丹（国家产学研设备工程开发推广中心 北京 100072）摘要：等离子弧焊接是一种高效的焊接方法，随着如微束等离子弧焊接、精细等离子弧焊接、大功率变极性等离子弧焊接等新技术的出现，已经使等离子焊接技术在工业的各个领域得到了广泛应用。再制造工程主要依靠各种高新技术来实现，随着等离子焊接技术的发展，等离子焊接必然会在再制造工程中得到越来越广泛的应用。本文对等离子焊接的机理、应用特点进行了综述，并分析了微束等离子、精细等离子以及变极性等离焊接的技术特点以及上述技术在再制造工程中的应用及前景。关键词：等离子 焊接 再制造工程 微束等离子 精细等离子 变极性等离子APPLICATION PROSPECTS OF PLASMA WELDINGWITHIN REMANUFACTURING ENGINEERINGYi Jiang, Binshi Xu, Yaohui Lu, Yonghua Xiang, Cunlong Liu, Dan Xia(National Key Laboratory for Remanufacturing, Beijing, 100072, China)Keywords: plasma arc welding, remanufacturing engineering, micro-plasma, fine plasma, variable polarity plasmaAbstract: Plasma arc welding (PAW) is one of high performance welding methods. Nowadays PAW has been widely applied to industry process, especially with the application of new welding techniques including micro-plasma arc welding(MPAW), fine plasma arc welding(FPAW), high power variable polarity plasma arc welding(VPPAW) and so on. Different kinds of high technologies are relied on for remanufacturing engineering. With the rapid development of PAW, PAW must be more and more widely applied to the remanufacturing engineering. In this paper, the mechanism and application advantages of PAW are summarized, then, technical advantages of MPAW, FPAW and VPPAW are analyzed, and application prospects in remanufacturing engineering are remarked.1 引言等离子弧焊（Plasma Arc Welding, PAW）是在钨极氩弧焊（Gas tungsten arc welding, GTAW）的基础上发展起来的一种焊接方法。等离子弧焊用的热源是将自由钨弧压缩强化之后获得电离度更高的电弧等离子体，称为等离子弧，又称压缩电弧。等离子弧与钨极氩弧焊的自由电弧在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。等离子弧具有能量集中（能量密度可达105106 W/cm2）、温度高（弧柱中心可达1800024000K 以上）、焰流速度大（可达300m/s 以上）、刚直性好等特点1。制造业发展的大量消耗了矿产资源和能源，同时造成了严重的环境污染。同时，大量的废旧机械产品威胁人类健康，污染自然环境，并占用大量土地，构成了安全隐患。再制造工程以先进技术和产业化生产为手段，修复和改造废旧机电设备，使之恢复性能甚至获取新的性能，并对保护环境贡献显著。废旧产品的再制造工程是通过各种高新技术来实现的，再制造工程先进技术所包含的机电种类十分广泛，作为一种先进的加工技术之一的等离子弧焊接技术，也必然会在再制造过程中发挥更大的作用。2 等离子弧焊接概述2.1 产生机理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离子、电子、原子或分子组成。例如：它可通过自然界中的闪电产生。从1960 年以后，等离子这个词获得新的含义，那就是电通过涡流环或啧嘴压缩而形成的高能量状态，等离子弧是一种被压缩的钨极氩弧，具有很高的能量密度及温度。等离子弧的压缩是依靠水冷铜喷嘴的拘束作用实现的，等离子弧通过水冷铜喷嘴时受到下列三种压缩作用：（1）机械压缩 水冷铜喷嘴孔径限制了弧柱截面积的自由扩大，这种拘束作用就是机械压缩；（2）热压缩 喷嘴中的冷却水使喷嘴内近形成一层冷气膜，进一步减小了弧柱的有效导电面积，从而进一步提高了电弧弧柱的能量密度及温度，这种依靠水冷使弧柱温度及能量密度进一步提高的作用就是热压缩；（3）电磁压缩 由于以上两种压缩效应，使得电弧电流密度增大，电弧电流自身磁场产生的电磁收缩力增大，使电弧又受到进一步的压缩，这就是电磁压缩。2.2 等离子弧焊接的应用特点由于等离子电弧具有较高的能量密度、温度及刚直性，因此与一般电弧焊相比，等离子电弧具有下列优点：（1）能量密度大、电弧方向性强、熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透厚度810mm 的不锈钢板。与钨极氩弧焊相比，在相同的焊缝熔深情况下，等离子弧焊接速度要快得多。（2）焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于等离子弧的形态接近圆柱形，发散角很小，约5度，且挺直度好，弧长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状。工件上受热区域小，热影响区窄，因而薄板焊接时变形小。（3）钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象。电弧搅动性好，熔池温度高，有利于熔池内气体的释放。（4）等离子电弧由于压缩效应及热电离度较高，电流较小时仍很稳定。配用新型的电子电源，焊接电流可以小到0.1A，这样小的电流也能达到电弧稳定燃烧，特别适合于焊接微型精密零件。（5）可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。3 应用于再制造生产的几种等离子弧焊接技术3.1 微束等离子弧焊接技术微束等离子弧焊（Micro-plasma arc welding）是指30A 以下的熔透型等离子弧焊。为了提高等离子弧的稳定性， 采用小孔径压缩喷嘴（ 直径0.61.2mm），联合型等离子弧，采用相应措施后，焊接电流小于1A 仍能获得稳定的焊接电弧和焊接过程5。小电流的钨极氩弧焊接时电弧的稳定性较差，而且电流密度小，很难保证焊接质量。微束等离子弧利用不同的保护气体成为高度集中的电弧热源。而微束等离子弧特别适合于薄板和超薄板材料的加工，焊接过程中采用维持电弧保证焊接过程的稳定性，电流很小时（甚至0.1A 时）仍是稳定的，从而可实现对超薄板金属的焊接。焊接不锈钢壁附时，最小厚度可以小到0.025mm。由于微束等离子焊接的这些优点，在传统方法无法实现的超薄零部件的再制造中必然能够得到广泛的应用。装备再制造技术国防科技重点实验室研发了新型微束等离子系统（图1），具有很高的电弧稳定性和较大的电流使用范围，可以满足不同厚度零部件的焊接维修。并将该系统成功应用在了斯太尔发动机气门的再制造上，采用堆焊形式修复气门磨损面（图2）。发动机排气门的再制造要求气门基体变形很小，堆焊层与基体实现冶金结合，而且硬度接近或者优于原材料。从焊缝的金相组织（图3）分析可以看出，焊接的熔合区、热影响区很小，焊缝组织致密均匀。这是由于微束等离子焊接时电流小，而能量集中，焊接过程对基体的影响很小，因此堆焊层的质量很高，且与基体结合紧密。图1 Plasma-120A 微束等离子系统及其电源驱动波形表1一些金属和合金的微束等离子弧焊接参数成分焊接设备运用的气体（升/分钟）电流焊接速度材料厚度（）电极直径（）喷嘴直径（）等离子弧气氩气附加气体L/minAcm/min氩气氢气氦气不锈钢0.0610.80.1595504/6265康铜0.1010.80.1595504/6350铁/镍0.80095505/71545白铜0.50095505/71060铜，银0.3000010074560钛，钽，锆0.200010072570金0.2110.1595504/6540 图3 排气门堆焊层不同区域的金相照片a） 焊缝上部b）焊缝中部c）熔合区d）热影响区3.2 精细等离子弧焊接技术精细等离子弧焊接（Fine plasma arc welding,FPAW）是一种利用磁场效用来收缩等离子弧并旋转的焊接方法。其通过磁场产生的洛仑兹力可以使电弧收缩并旋转，从而提高电弧的稳定性并延长电极寿命。图4 精细等离子弧焊接原理示图由于精细等离子束流集中，焊接飞溅小，产生的焊接烟尘少，噪音低，因此，通常都被用在过去采用激光焊接的领域中，而精细等离子焊接较之激光焊接的优势在于能量利用率和焊接效率上。因此，其在再制造产业中的应用前景必然十分广阔。它可作为点焊方法应用在汽车车体再制造过程，即可手工操作也可以实现自动化控制，而且焊接质量高，变形小，焊点抗拉强度优于普通的电阻点焊。3.3 变极性等离子焊接技术变极性等离子弧焊（Variable polarity plasma arc welding, VPPAW）是针对铝合金焊接开发的，能够有效破碎Al2O3 氧化膜。采用立焊时，能够让熔池中形成的气孔充分逸出，焊接质量比一般气体保护焊要好。铝合金变极性穿孔等离子弧焊接的方法和工艺是人们在生产和实验研究的基础上提出的，与其它的熔化极焊接方法相比，它既能够满足交流焊铝的阴极清理作用，又能够将钨极的烧损减少到最低。穿孔型等离子弧焊接压缩电弧能量集中，穿透力很强。铝合金变极性小孔等离子弧焊接有以下优点：（1)正极性的高加热能力，热量输入较大，改善接头的性能，减少焊接变形；（2)反极性的高效清理特性，减少焊前准备工作；（3)焊缝无气孔，减少返修工作量；（4)2-20mm 厚接头一次完全焊透，实现单面焊双面成形。图4 变极性小孔等离子弧焊接示意图及其焊接电流波形受能源和原材料价格上涨等因素的影响，作为再制造工程中最主要的应用工业领域之一的汽车工业，近年来采用铝合金的比例越来越大9。很多重要部件都采用了铝合金结构（图5），对于这些零部件的再制造及其相关技术的研究已经成为热点。 （a）Audi AL2 的铝合金车体 (b)铝合金发动机 （c）铝合金轮毂 （c）铝合金轮毂(d)铝合金化油器图5 铝合金在汽车上的应用Barnes10等分析了汽车工业上铝合金焊接的主要存在的问题有焊接裂纹倾向、热变形、焊后热处理以及环境污染，环境污染的危害可以通过相关措施降低到最小。对于传统的钨极氩弧焊和熔化极气体保护焊接，焊缝裂纹倾向和热变形很难避免，尤其是焊接具有一定厚（5mm 左右）的结构件时。而变极性等离子焊接特别是穿孔型变极性等离子焊接可以很好的解决这个问题，因此，变极性等离子焊接必然可以在汽车再制造中发挥重要的作用。4 结论与展望1）再制造工程处理废品的高科技维修工业，科技的进步，如等离子弧焊的高能量密度，高温，使其发展很快并且应用在很多领域。等离子焊接，作为一种先进的制造技术，将在制造行业中得到广泛的应用。2），等离子焊接技术在近几年发展很快，微束等离子、精细等离子以及变极性等离子焊接技术是在等离子焊接技术基础上发展起来的先进焊接技术。微束等离子弧焊用于薄板的焊接，精细等离子弧焊早被用于激光焊或点焊。变极性等离子焊接技术用于铝及铝合金的焊接，随着铝的应用增加，尤其在汽车等工业领域的再制造中，等离子焊接技术必然会在再制造领域中得到更广泛的应用。参考文献1 Chinese welding society. 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