真空等离子焊箱工作原理及常见故障分析

姬向锋

（国核宝钛锆业股份公司合金制造厂 陕西宝鸡）

一、引言

钛、锆属于高活性金属，在高温下会与氧、氮等气体发生剧烈反应，在大气中焊接此类金属会使焊缝完全脆化。必须在非大气的环境下焊接才具有实际意义。目前，国内外焊接钛、锆等高活性金属，主要使用真空等离子焊接和真空电子束焊接。公司经过调研，购置了一台国内自主研发的真空等离子焊箱，经过近两年的设备调试与工艺参数的摸索，现已能够生产出符合要求的5 t大规格核级一次电极，填补国内空白，顺利通过了设备及工艺鉴定。

二、设备工作原理简介

1.设备概况

图1是真空等离子焊箱图。炉室是由内径1700 mm的固定炉室和炉内台架移动小车组成，总长11 mm。小车在炉内可以纵向和横向移动，枪体为定枪式结构。台车上的伺服电机驱动链轮旋转，从而带动料架进行圆周运动，实现焊接环缝的目的。设备真空系统设有滑阀真空泵和罗茨泵，对炉体进行抽空，极限真空可以达到-0.05 Pa。

2.焊接原理简介

图1 真空等离子焊箱

（1）等离子弧焊接和氩弧焊的区别。等离子弧焊是一种压缩气体保护焊接法。这种焊接方法是20世纪60年代出现的技术，是在氩弧焊的基础上发展起来的。等离子弧焊和氩弧焊都属于惰性气体氩气保护焊接，氩弧焊为自由电弧，不经过任何压缩，电弧发散，等离子弧焊接的电弧为压缩电弧，电弧集中，这是等离子弧焊与氩弧焊的主要区别。因此，等离子弧焊接与一般氩弧焊相比，具有生产效率高、焊接质量好与应用面广的特点。

（2）焊枪结构原理简介。图2所示是与焊箱配套的焊枪结构原理图。焊枪的起弧方式为高频引弧，要求电极头与喷嘴之间的间隙为1.5～2 mm，电极头为负极，喷嘴为正极。当电极头加载高频电源时，周围气体被电离与喷嘴之间形成小弧，此时喷嘴断电，电极头为负极，物料为正极，电极头通过喷嘴与物料之间起弧，形成稳定的等离子弧。

图2 焊枪结构原理图

要使等离子弧具有较高的能量，等离子弧都通过了3种压缩效应使自由电弧得到了强迫的压缩。①机械压缩效应。自由电弧通过喷嘴的孔道，强迫弧柱缩小。②热收缩效应。在图2中标Ar处通入高速冷却的气流，形成很薄的冷气流层均匀包围着弧柱，边缘层气体电离的程度急剧降低，迫使带电粒子流往高温和高电离度的弧柱中心区域集中，使弧柱直径变细。③电磁收缩效应。带电粒子流可以被看成无数根通电导体，两根平行且通过同方向电流的导体之间存在相互吸引力，距离越近，吸引力则越大。

要使焊接连续且稳定，必须保证等离子弧能够稳定的燃烧。电弧是电极与工件间的气体介质长时间放电的现象。电弧主要由阴极区、弧区、阳极区3部分组成。其中，阴极区主要由阴极斑点组成。阴极斑点是产生电弧放电的基础，总是快速不间断地游离于阴极表面上。宏观看它是无规律的，实际则有自己的规律性，即总是向阴极表面逸出功最小处转移。根据这一特性，斑点在阴极表面上的游动区间大小将直接影响电弧的稳定性。当电极头部为倒圆锥状时，由于阴阳极间距始终保持中央最小，尖端处电子逸出功最小，斑点集中在尖端附近。阴极斑点游动区间小，所以电弧稳定。相反，如果电极头部呈椭圆状甚至平面状，则斑点会在较大区间甚至整个平面上游动，不易集中，电弧稳定性差。因此，电极头为倒圆锥状，有助于电弧的稳定燃烧。

三、常见故障及原因分析

真空焊箱的核心部件就是焊枪。因此，焊枪是该设备出现故障最多也是最难维护和查找的地方，通过两年多的试运行，设备可能出现的主要问题基本暴露出来。

1.枪体不起弧

若在高频起弧过程中焊枪没有反应，可能由两方面的原因引起。一是焊枪供电电源或高频发生器等电器元件发生故障；二是焊枪的喷嘴与电极头间隙调整不合适。

判断该故障时，主要看控制面板的电压显示值，若面板中电压值不变化且为零，则主要原因应当为电路或高频发生器故障；若高频引弧中电压值瞬间升高至80～90 V，则表明可能由于喷嘴与正极头的相对位置不当引起。设备图纸要求，喷嘴与正极头间隙应保证在1.5～2 mm，调整该间隙问题可以解决。

2.电弧不稳定，且频繁息弧

由上述电弧稳定性原理可知，要使电弧稳定燃烧应使电极头为倒圆锥状，根据电弧向阴极表面逸出功最小处转移的理论，电弧的稳定性较好。但当电极头使用若干炉次后，电极头头部由于种种原因可能引起尖端受损，或物料喷溅到电极头上使斑点可能在较大范围内游动，引起电弧不稳的现象。通常更换新备件或将旧的电极头打磨处理后，能恢复其性能。

3.电弧出现偏弧现象

电弧偏主要原因有：电极头受损，逸出功最小点已偏离中心；导气环堵塞，导致氩气不能在圆周方向均匀喷出；导气环受磨损，导致其对电极头定心精度降低；焊枪加工误差，导致电极头与喷嘴不同心。

4.电弧有“双弧”现象

所谓“双弧”，即除了电极与工件有一个电弧外，由于某种原因，使电流由电极通过喷嘴再到工件，即电极与工件之间产生另一个电弧，这种有两个电弧同时存在的现象就称为“双弧”。双弧原理如图3所示。

（1）电弧电流的影响。当电流增大时，等离子弧柱的直径增大，从而使弧柱与喷嘴内壁的隔热绝缘层厚度减小，从而形成双弧。

（2）氩气流量的影响。当工作气流量减小时，由热收缩效应原理可知减弱了对等离子弧的压缩，也可能出现该现象。

（3）喷嘴孔道比的影响。喷嘴通道的直径越小，在相同电流和工作气量的条件下，绝缘层的厚度就越薄，温度高，形成“双弧”也就越容易。

（4）喷嘴与背母粗糙度的影响。若喷嘴及背母表面粗糙，电弧可能会出喷最后沿路径较短的地方与物料起弧，产生偏弧、双弧现象。

（5）喷嘴冷却效果的影响。当喷嘴冷却较差时，喷嘴外壁的气体温度较高则很容易被电离，从而使喷嘴带电，与物料之间形成“双弧”。

图3 双弧现象原理图