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

（1.装甲兵工程学院装备再制造技术国防科技重点实验室，北京 100072；2.海军飞行学院，辽宁 葫芦岛 125100）

一、等离子弧焊接概述

1.产生机理

等离子是指在标准大气压下温度超过3 000℃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，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，那就是电弧通过涡流环或喷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壁附近形成一层冷气膜，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.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，等离子电弧具有以下优点。

（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8～10mm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°，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。

二、应用于再制造生产的几种等离子弧焊接技术

1.微束等离子弧焊接技术

微束等离子弧焊是指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0.6～1.2mm），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。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）仍是稳定的，从而可实现对超薄板金属的焊接。焊接不锈钢时，最小厚度可小到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，具有很高的电弧稳定性和较大的电流使用范围，可满足不同厚度零部件的焊接维修，并将该系统成功应用于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。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，而且硬度接近或优于原材料。从焊缝的金相组织分析可以看出，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。

2.精细等离子弧焊接技术

精细等离子弧焊接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。

由于精细等离子束流集中，焊接飞溅小，产生的焊接烟尘少，噪声低，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中，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.变极性等离子弧焊接技术

变极性等离子弧焊是针对铝合金焊接开发的，能有效破碎Al2O3氧化膜。采用立焊时，能使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在生产和实验研究的基础上提出的，与其他熔化极焊接方法相比，它既能满足交流焊铝的阴极清理作用，又能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：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；反极性的高效清理特性，减少焊前准备工作；焊缝无气孔，减少返修工作量；2～20mm厚接头一次完全焊透，实现单面焊双面成形。

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，很多重要部件（车体、发动机、轮毂、化油器）都采用了铝合金结构，对于这些零部件的再制造及其相关技术的研究已成为热点。

Barnes等分析了汽车工业上铝合金焊接存在的主要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至最小。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度（约5mm）的结构件时。而变极性等离子弧焊接特别是穿孔型变极性等离子弧焊接可很好地解决此问题，因此，变极性等离子弧焊接必然可在汽车再制造中发挥重要作用。

三、结论与展望

随着科技水平的提高，等离子弧焊接技术不断发展，其能量密度大、电弧方向性强、熔透能力强的特点得到了充分发挥，应用领域也越来越广阔。在以高技术手段为基础的再制造工程中，等离子弧焊接技术必然会得到广泛应用。目前，微束等离子、精细等离子以及变极性等离子弧焊接技术都已经或开始应用在汽车等工业领域的再制造中。