先进等离子焊接与切割技术研究现状

韩善果 ，杨永强 ，2，闫德俊

（1.广州有色金属研究院，广东 广州 510641；2.华南理工大学 机械与汽车工程学院，广东广州 510641）

0 前言

等离子体的发展可追溯到1928年，美国科学家J.Langmuir首次提出以Plasma来命名等离子体。等离子体较严格的定义是：等离子体是由负离子、正离子和中性粒子组成的，整体上呈电中性的物质集合体[1]。

用于加工领域的等离子弧是由等离子枪的机械压缩、冷气流和水冷喷嘴孔道壁的热收缩、电弧自身的电磁收缩共同作用形成的压缩体[2]。等离子弧被认为是TIG电弧的升级，具有高温度、高能量密度、高电离度和高焰流速度的特点，可用于切割、焊接、喷涂和堆焊等。

等离子弧与激光束、电子束被称为高能束，是材料高质量加工的重要热源。由于激光、电子束设备昂贵、装配精度要求高，限制了其应用。虽然等离子能量密度相对较低，但经过多年的发展，精密等离子加工设备已达到激光加工的下限；其次等离子弧还可用于大厚板的加工，因此等离子加工技术具有广阔的前景[3-4]。在此将重点介绍国内外先进等离子焊接和切割的研究现状。

1 等离子弧焊接

1.1 穿孔型等离子弧焊接

穿孔型等离子弧焊接又称为穿透等离子弧焊接、小孔焊接。利用等离子弧熔透工件，并在等离子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池围绕小孔分布。随着等离子弧的不断移动，新的熔融金属在小孔前端不断形成，并沿熔池壁向后流动，而小孔也随电弧移动，因此这些金属便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊缝，焊缝断面呈“倒喇叭”状。该方法可实现单面焊双面成形，常用于厚板的打底焊[5]。由于穿孔等离子弧焊接的工艺参数可调“窗口”小，因此工艺研究较少[6]，国内外研究者的主要精力集中在对等离子弧、熔池的热场或流场和小孔成型过程的数值模拟与分析。

国外在数值模拟上起步较早，如加州大学伯克利分校的Y.F.Hsu.在1988年便通过对穿孔等离子弧焊接的传热与流体流动进行了数值计算，并建立起二维准稳态有限元数值模型[7]。1993年，R.G.Keanini针对穿孔等离子弧焊接的热场和流场，首次提出三维准稳态有限元模型[8]；1999年，H.G.Fan建立了等离子弧焊接的热传导和流体流动二维瞬态模型[9]。

2002年，哈尔滨工业大学的吴林、董红刚等人针对固定穿孔等离子弧焊接率先建立了等离子弧二维稳态热传导模型，对熔池的电流密度和温度分布模拟，并通过迭代法，计算出焊缝溶深和熔宽，其结果与实验结论一致[10]。2006年，山东大学武传松在分析了等离子弧对熔池的“挖掘”作用和厚度方向等离子弧热流分布后，提出三维瞬态小孔等离子弧焊接热场的有限元模型，模拟的熔池形状和演变规律与实验结果接近，在接近稳态时的端面形状和达到稳态时间也与实测结果一致[11]。2011年，山东大学王小杰、霍玉双、张涛等人在此基础上，通过流体体积函数法对小孔截面的追踪，分别实现了对定点小孔穿孔过程的数值模拟与分析，小孔从形成到穿孔的瞬态演变行为和熔池流场的动态变化得到了更精确的描述[12-14]。

1.2 等离子-MIG复合焊接

等离子-MIG复合焊接是将等离子气体保护钨极电弧焊和气体保护熔化极电弧焊结合起来的一种复合热源焊接工艺。与传统MIG焊接工艺相比，其最大优势在于：焊接速度提高两倍；热输入少、HAZ窄、焊接变形与飞溅小；等离子的小孔效应明显，熔深增加。

1972年，荷兰PHILIPS公司研究中心的W.G.Essers和 A.C.Liefkens首次提出了 Plasma-MIG 焊接方法[15]，并在20世纪80年代开发出设备，且在德国工厂中得到应用。1995年由乌克兰巴顿焊接研究所的工程人员在以色列组建了Plasma Laser Technologies（PLT公司），并经过多年的努力，开发出商品化的Super-MIGR○等离子旁轴复合热源焊接系统[16]。在Plasma-MIG焊接工艺方面，日本的S.Asai和T.Ogawa等人通过确定合理的工艺参数提高了铜-铁异种接头性能[17]；1992 年，德国 R.Draugelates等人成功将Plasma-MIG焊用于铝合金水下焊接[18]；日本的Ono Kohei等人利用机器人辅助Plasma-MIG系统焊接铝合金，提高了铝合金焊缝的外观，并降低焊接时的烟尘与飞溅[19]。PHILIPS公司的H.Ton采用光谱分析仪分析了熔化极等离子弧焊内外温度分布、电导率和电弧组成，发现电弧外部温度高于内弧，大部分元素集中在内弧、自由电子密度小、导电率低，而外弧仅有Ar、自由电子密度大，导电率高，可见电流仅有小部分通过焊丝端部，而大部分依靠等离子体流入工件[20]；巴西的Moises Alvesde Oliveira和JairCarlos Dutra通过对Plasma-MIG复合焊接的作用机理进行了分析，建立起系统电路模型，计算出熔化极电压、等离子弧电压与熔化极电流和等离子弧电流的关系，并在实验中得到了验证[21]。

哈尔滨工业大学的吴林等人建立了双电源同轴复合焊接系统，实现了对铝合金的焊接，并通过LabView对电弧电信号进行测量，发现复合焊接的电流和电压波动小于熔化极气体保护焊；处于内弧的MIG电流波动会影响双弧结构和外弧的电压，但对外弧电流基本保持不变[22]。沈阳工业大学的李德元等人通过设计等离子-MIG同轴复合的枪体和PLC主控单元，成功地将等离子电源和MIG电源结合，并对枪体流场和温度场模拟、熔池形状和温度场形态模拟、起弧过程、熔滴过渡、组织成分进行了深入研究[23]。哈尔滨焊接研究所的周大中、孙军等人提出了单电源Plasma-MIG焊接方法，研究了一种使用一个陡降特性的焊接电源同时为两个电弧供电的单电源Plasma-MIG焊方法，并研究了该方法的电流分配与调节特性、电压与电位关系、熔滴过渡与电弧形态等电弧特性，其实验结果表明，这种法简单易行，有利于实际生产应用[23]。

1.3 激光-等离子复合焊接

在旁轴复合中，激光基本与工件保持垂直，而等离子枪与激光束有45°夹角。英国Conventry大学从1992年至今一直使用400 W的CO2激光器与50 A的等离子弧复合，焊接 0.6～0.8 mm 厚的不锈钢、钛和铝合金等材料，结果表明，与单独激光焊相比，复合焊接速度提高了1～1.5倍，且能够熔透高反射的铝合金材料[24-25]。北京航空制造工程研究院的陈俐研究了YAG激光-等离子复合焊接时的热源光谱特征，发现激光与等离子弧“协同效应”在较小激光功率和较低焊接速度条件下，可以显著增加焊缝熔深和熔宽比。随激光功率增大和焊接速度提高，激光与等离子弧的“协同效应”减弱，复合焊接增大焊缝熔深和熔宽比的效果不明显[26]。清华大学的都东、李志宁等人对激光-等离子复合焊接的传热和流动特性进行了研究，结果表明：表面张力流在复合焊熔池流动中起主要作用，电磁力在复合焊过程中起到了增加熔深的作用。由于电磁力流与上表面张力流方向相反而与下表面张力流方向相同,还具有减小上表面熔宽、增加下表面熔宽的作用[27]。

在同轴复合中，专用复合焊炬设计复杂，Fuerschbach和乌克兰巴顿所Krivtsun Igor是将激光束从空心钨极中间穿过，在工件表面聚焦。Fuerschbach通过激光（25%能量）与等离子（75%能量）复合来焊接6061、6111铝合金薄板和304、17-4PH不锈钢薄板，结果表明：复合焊接可以消除单独激光焊所引起的热裂纹缺陷，而且熔深增加[28]。Krivtsun Igor模拟了激光-等离子复合焊接熔滴过渡过程、焊接熔池动力学、熔池温度分布、熔池形貌和穿孔过程，其结果与实际相符[29]。

2 等离子弧切割

2.1 注水空气等离子切割

注水等离子切割的优点有：新型注水等离子割炬使得部分蒸发的水蒸汽形成等离子体，增加了等离子弧的最高温度，进而增加了等离子体的穿透能力；减少切割金属边缘氮化层，可避免焊接时气孔、裂纹等缺陷的产生；增加切割边缘的垂直度，减小切口表面粗糙度，提高焊接接头的强度；与氧-乙炔切割相比，切割端面热影响区减小2/3，显微硬度降低1/2；切割构件的边缘变形量减小可直接用于焊接。由于注水等离子切割具有上述优点，可省去传统空气等离子切割后机加工的工序，大大提高生产效率，同时焊接接头质量得到改善，该方法已能切割厚度达100 mm的钢板。

目前仅有乌克兰巴顿所开发了系列PLAZERCut等离子切割装备。

2.2 反极性空气等离子切割

反极性空气等离子切割与普通等离子切割相比：小孔吸收热量的能力增加1.5倍，焊接效率提高20%～40%；切割厚度增加2～3倍，极限厚度可达200 mm；切口宽度降低10%～15%。乌克兰巴顿所将电极设计为中空结构，如图1所示。并采用图2所示的层状纳米结构的Cu-Zr-Y-Mo复合材料制造，电极的散热环境得到改善，使用寿命提高。

图1 反极性空气等离子切割割炬Fig.1 Plasma torch for air plasma cutting on the reverse polarity current

图2 割炬电极的层状纳米结构复合材料微观结构Fig.2 Microstructure of layered nano-composite materials of cutting plasma torches electrodes

2.3 水下等离子切割

水下等离子切割的优点是可以有效降低等离子弧切割时的弧光、噪声和烟尘的污染；降低工件切割温度，从而减小变形。从切割枪中不仅喷出等离子气，而且在等离子弧周围喷出高速水流，有助于等离子弧的进一步压缩。乌克兰巴顿所开发的水下等离子切割设备，可在海水下27 mm处切割25 mm厚的钢或有色金属，若将工件置于空气中切割，切割厚度可达80 mm。德国梅塞尔、美国L-TEC、武汉金嘉数控等公司也开发出了相应产品。

3 结论

（1）等离子弧是材料加工的重要热源之一。穿孔等离子弧焊接具有良好的单面焊双面成型能力，常用于厚板的打底焊，近年来针对其热场、流场和小孔成型过程的机理，国内外都有广泛的研究。

（2）等离子弧与MIG、激光的结合，使得两者的优势得到充分发挥。特别是在铝合金、不锈钢焊接中表现出色，其设备和机理的研究也在逐渐完善。

（3）等离子切割相对火焰切割，切口质量高、变形小；而相对于激光切割，切割厚度大幅度增加，且精密等离子切割切口质量已达激光切割下限，因此等离子切割在造船、压力容器、型机械中都有广泛的应用前景。

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