等离子-MIG焊的研究进展

阙福恒，王振民

（华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东 广州510640）

0 前言

当前，各种复合焊接工艺成为焊接技术研究与应用的热点，美国焊接学会将“复合焊接”定义为：将两种明显不同的焊接工艺方法组合为一种焊接工艺方法。等离子-MIG焊(Plasma-MIG welding)是一种针对铝及其他金属材料开发的新型高效复合焊接工艺方法，综合了MIG焊和等离子弧焊的优点：一方面，MIG焊可以直流反接，焊接铝、镁等金属时有良好的“阴极雾化”作用，可有效去除氧化膜，提高接头的焊接质量；另一方面，等离子-MIG焊有效地利用等离子束流高能量密度、高射流速度、强电弧力的特性，在焊接过程中形成穿孔熔池，实现铝合金中厚板单面焊双面成形。由于焊接变形小、生产率高，等离子-MIG焊被看作21世纪有着广泛应用前景的焊接方法。近几十年来国内已进行相关研究，取得了一定的成果。目前国内尚未完全研制出该工艺方法的焊接设备，主要是由于等离子弧对焊接工艺和规范参数变化比较敏感，获得良好接头质量的合理规范参数范围窄、裕度小，致使焊缝成形稳定性差。等离子-MIG焊速度快，是传统MIG焊的2～3倍，与常规MIG相比，熔深更大，焊接热输入较低，热影响区较窄，不易造成零部件变形，焊接飞溅较少，等离子-MIG焊接质量优良，可将等离子电源与传统MIG电源有机组合，统一协调控制，使等离子-MIG复合热源焊接技术成为传统MIG升级改造的方向[1-3]。

1 国内外研究动向

1972年4月，荷兰Philips公司研究实验中心的W.G.Essers和A.C.Liefken等人首次在Philips Welding Peporter中提出一种新型的高效焊接方法[4]。这种焊接方法采用等离子弧和MIG电弧组合形成的复合型电弧进行焊接。随后N.H.Jurgens和J.C.M.Claes对等离子-MIG焊的电弧物理特性进行相关的研究。通过对等离子-MIG焊的电弧进行光谱分析发现，当电弧内部温度在7 000 K时，光谱中包含了铁、锰、铜、钙、氩等元素；当电弧外部温度达13 000 K时，只显示氩弧谱线[5]。

国内625所的范嘉苏、曹梅兰等人研究分析等离子-MIG焊的不同焊接工艺规范，从引导弧的建立、等离子电弧的稳定燃烧和喷咀型发生器中等离子外罩的稳定性三方面概述了等离子弧不稳定问题，从等离子电弧稳定性的影响、可靠的绝缘措施、焊丝校直对中与等速送给、焊丝导电位置固定四个方面解决了焊丝端头与毗邻等离子体之间的电位差问题[6]。哈尔滨焊接研究所的周大中、孙军、黄子平利用一种陡降性的焊接电源为等离子-MIG焊供电，研究在该电源下的电流分配与调节关系、电位关系与电压关系、熔滴过程及电弧形态等特性，实验结果表明该方法简单可行，有利于等离子-MIG焊的生产应用[7]。

沈阳工业大学的李德元、张义顺等人利用有限元软件计算铝合金焊接熔池的形状和温度场形态，根据实测的熔池形状和尺寸对计算结果进行修正和标定，解决了等离子弧-MIG焊接过程中双电弧共同作用的问题。采用Paschen定律计算不同起弧路径上的击穿电压，分析等离子-MIG焊双电弧起弧过程，研究了击穿长度和温度对起弧过程的共同作用，解释了等离子电弧借助MIG电弧提供的导电通道引燃的过程，实验结果表明，在分析各不同起弧路径上最小击穿电压时，除了要考虑击穿间隙的大小外，还必须考虑温度分布和保护气类别[8-9]；白岩、高洪明、吴林、石磊等人通过建立三维仿真模型对等离子-MIG焊电弧温度场进行分析，考虑等离子弧和MIG电弧之间的反应，对10 mm 5A06铝合金进行仿真和试验焊接，仿真结果和实际所测得的最高温度之差低于20℃[10]。

目前，这种新型的高效焊接方法主要运用于有色金属的焊接，尤其是铝及其合金方面，具有其他焊接方法无法比拟的优点[11]。

2 等离子-MIG焊原理

等离子弧焊接是利用等离子弧作为热源的焊接方法。气体在电弧加热下发生离解，高速通过水冷喷嘴时受到压缩，能量密度和离解度增大，形成等离子弧。等离子弧焊接的稳定性、发热量和温度都高于一般电弧，因此具有较大的熔透力、较快的焊接速度、较窄的热影响区域和较小的工件变形。等离子弧焊接属于高质量焊接方法。一般用氩形成等离子弧的气体和它周围的保护气体，根据各种工件的材料性质，也可以使用氦或氩氦、氩氢等混合气体。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，主要用于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，在钨极与工件之间燃烧。形成焊缝的方式有熔透式和穿孔式：前一种形式的等离子弧只熔透母材，形成焊接熔池，多用于厚0.8～3 mm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，多用于厚3～12 mm的板材焊接；此外，还有小电流的微束等离子弧焊，特别适合0.02～1.5 mm 的薄板焊接[12]。

熔化极惰性气体保护焊又称MIG焊，利用氩气或富氩气体作为保护介质，采用连续送进可熔化的焊丝和燃烧于焊丝与工件间的电弧作为热源。这种方法焊接质量稳定可靠，既适用于焊接铝、铜、钛等有色金属中厚板，也适用于焊接不锈钢、耐热钢和低合金钢。由于焊丝的载流能力大，因此焊接生产率高。熔化极氩弧焊的电弧是明弧，焊接过程参数稳定，易于检测和控制[13-14]。

等离子-MIG焊是将两种成熟的标准焊接工艺整合在一起的复合热源焊接技术。等离子-MIG焊接过程中，在等离子弧和MIG电弧的作用下，焊丝加热并熔化，形成金属熔滴，进入熔池。等离子弧为负极，MIG电弧为正极，电流通过两个电极相互作用下产生电磁力F（见图1），电磁力F牵引等离子弧向焊接熔池前方移动，而且等离子弧在高速焊接过程中尾随焊枪轴线[15]。

通常情况下，等离子-MIG焊接过程中需要轴向送进的焊丝和MIG电弧都被等离子气包围。

图1 等离子-MIG焊原理示意

3 等离子-MIG焊特点

等离子弧是压缩电弧，具有能量密度高，电弧刚度大等特性，保证了焊接熔深。该压缩电弧有一定的清理和辅助搅拌作用，不仅保证焊缝中产生的气体有足够的时间逸出，而且在焊接过程中产生的氧化物及其他杂质都被“阴极雾化”除去，这样焊缝比较干净，也有效地防止了焊缝缺陷的产生。与等离子弧并存的MIG电弧，有较强的焊缝填充金属能力，保证了焊接高效的进行[16]。

与传统的MIG焊比较，等离子-MIG焊具有以下优势：焊缝质量显著提高，特别是在铝合金焊接领域，焊缝区的晶粒细小，气孔率较低；焊接电弧的稳定性和熔滴过渡的可控性显著提高，熔化极电流调节范围可从零安调至上百安，而且焊接时没有飞溅；熔敷效率大大提升，可达到500 g/min；可以实现高速焊接薄板，是传统MIG焊的几倍[17]；焊接热输入较低，能量更集中、热影响区域较小，不易造成零部件变形[15]。传统MIG焊和等离子-MIG焊的工艺对比如图2所示。

等离子-MIG焊也存在不足：焊接过程中，等离子弧和MIG电弧同时在焊枪内燃烧，对焊枪的设计要求较高；焊接过程中的参数多，工艺参数的调节较为复杂。

4 等离子-MIG焊接设备介绍

1980年，西德的国际原子公司在焊接由32个直径为165 cm铝制管所组成的管簇结构的铝管时，考虑到其结构具有一定的特殊性，该公司采用了Plasma-MIG焊进行焊接，实验结果表明，在X射线检验下，焊缝质量明显提高。

图2 MIG和等离子-MIG焊工艺对比

1981年，荷兰PHILIPS公司采用等离子-MIG焊接工艺，建立了一整套机械装置，把盖板焊接到铝合金制管角，这一整套机械装置成功运用在原子反应堆用件上[18]。

1983年2月，西德的Muller公司购买PHILIPS公司生产的Plasma-MIG焊接设备来焊接车用液罐，实验数据表明，其焊接速度是传统MIG焊接的两倍以上[19]。

20世纪90年代，跨国公司IFS对于复合焊接方法在工业铝焊接方面做了相应的研究，主要是等离子-MIG焊接方法的发展现状及前景研究[20]。

德国EEW公司采用大功率HD-等离子-MIG焊枪，完成大型船板对焊接，焊接速度比MIG焊快一倍以上。

美国Babcock Power公司采用等离子-MIG焊替代了原有的TIG焊，在保证焊接质量的同时，管子对接焊的效率提高了10倍。采用等离子-MIG堆焊系统可以将常规立式电弧堆焊效率提高1倍以上，堆焊速度达30磅/h。

大功率的等离子-MIG焊配合专门用于角焊缝的T型焊枪，广泛运用于20～50 mm厚钢板的焊接。尤其在在风力发电的塔柱焊接、大型船舶焊接、大型输气输油管道焊接等方面，大功率的等离子-MIG焊体现出更加高效优质的技术优势。

20世纪80年代后，我国的相关机构和人员对等离子-MIG焊接方法做过一些研究，截至目前，较少有报道其在现实生产中的应用。沈阳工业大学李德元教授对等离子-MIG焊的起弧过程，焊接铝合金的规范优化和组织分析进行探索研究，其研制的等离子-MIG焊接设备成功地应用于三峡电站大型开关断路器的焊接。

1995 年，Plasma Laser Technologies（简称 PLT公司）在以色列成立，主要成员来自前苏联乌克兰基辅巴顿电焊研究所，该公司成功的研发出等离子-MIG焊系统。以PLT公司生产的SUPER-MIG机器人焊接系统为例，对等离子-MIG焊设备结构进行介绍。SUPER-MIG机器人焊接系统主要包括：一体化焊枪、控制主机（包括等离子电源）、常规MIG电源和送丝装置、焊枪自动清理装置和焊接机器人。等离子-MIG焊接设备结构框架如图3所示。

图3 等离子-MIG焊接设备结构框架

等离子-MIG焊接设备由两个独立的电源为焊枪供电，各自产生MIG电弧和等离子弧。由于需要同时产生两种电弧，因此焊接参数的协调和稳定十分重要[21]。控制主机需要完成以下功能：两个独立电源的隔离；焊接参数的规范调节；工件和枪体的运动的控制；气体流量和水温的控制；起弧和收弧的控制。

等离子-MIG焊枪是整个设备的核心关键组件，是MIG焊枪与等离子焊枪的一体化设计，不仅需要同时产生等离子弧和MIG电弧，而且还得保证这两种电弧的稳定性。MIG电弧是产生于焊枪中心的焊丝与工件之间，总是位于焊枪的中心位置；等离子弧通常产生于环形喷嘴上[22]。

等离子-MIG焊枪的结构主要分为两种：偏置式和同轴式（见图4、图5）。偏置式等离子-MIG焊枪的等离子弧产生于钨极和工件之间，而同轴式等离子-MIG焊枪的等离子弧产生于喷嘴表面和工件之间。与偏置式等离子-MIG焊枪比较，同轴式等离子-MIG焊枪的优点是：机构简单、易损件使用寿命高、电流承载能力大。

图4 偏置式等离子-MIG焊枪结构

图5 同轴式等离子-MIG焊枪结构

5 结论

等离子-MIG焊作为一种高效复合焊接方法，可以很方便地实现半自动手工焊和全自动焊，与此同时，这种焊接方法在铝合金、低碳钢、不锈钢以及铜的焊接和堆焊上得到了成功的应用。在此概述了等离子-MIG焊的原理、特点、设备结构，复合焊接将是今后焊接发展的一个重要方向。

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