等离子自动焊在压力容器上的应用

唐纯鑫

（上海姚成轻工机械有限公司，上海 201411）

1 等离子焊接工艺的概念及优势

等离子焊接指的是利用等离子枪将阳极和阴极之间的自由电弧压缩成高温、高能量密度、高电离度及高焰流速度的电弧，使母材熔化形成冶金结合的焊接技术。相比一般的电弧焊接工艺，等离子焊接工艺具有众多的优势：（1）能量密度大，等离子电弧方向性和融透能力均较强，可一次焊透8～10mm的不锈钢钢板，且其焊接速度较快。（2）电弧搅动性好，等离子焊熔池温度高，电弧搅动性好，有助于释放熔池内气体。（3）压缩效应高，等离子焊对焊接电流的要求较低，即使在0．1A的小电流状态下，也能达到稳定的电弧燃烧，因此，其非常适用于微型紧密零件的焊接。（4）小孔效应稳定，等离子电弧可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，仅在正面焊接便可达到双面成型效果。（5）焊接成本低，相比一般的氩弧焊，等离子焊可省1/3～1/2的电和1/2～2/3的气，且在较小的焊接厚度情况下，也不需填丝，从而能降低焊接成本。（6）扩散角小和挺直度好，等离子焊扩散角小、挺直度好，易获得优质的焊接接头，因此，非常适用于压力容器、锅炉等对焊接接头要求较高的产品制造。

2 等离子焊机设备组成、技术参数及主要焊接方法

2.1 等离子焊机设备组成

为了提高上海姚成轻工机械有限公司容器的焊接质量和焊接效率，我公司新购置了一台上海朗志等离子自动焊机，等离子焊机设备主要由等离子焊枪、氩弧焊枪、焊接电源、AVC+OSC焊接控制器、离子视频监控系统、焊接操作机、冷却水箱、HGJ20-C可调式滚轮架等设备组成，工件直径范围为400～4000mm，焊接钢板理论上厚度为3～20mm，最大不可超过20mm，对筒体纵、环缝等焊接均可适用，这些焊缝的可靠性、质量均较高，因此，其对焊接设备的要求也更加严格，不仅能够对焊接电流、脉冲的时间进行精确的控制和调整，且还能对提前送气、滞后送气的时间进行精准的控制和改变，且还需对焊接行程进行精确的控制和改变，使其在完成焊接后能自动衰减。另外，还需确保焊接设备操作灵活、简便，焊接参数稳定、可靠，重复性良好

2.2 焊接工艺评定

压力容器产品焊接前需对等离子自动焊+氩弧焊（P+T）的焊接方法进行焊接工艺评定，首先，根据NB/T 47014-2011《承压设备焊接工艺评定》编制预焊接工艺规程（pWPS），可采用尺寸为400mm×150mm×10mm的单块试板两块进行焊接效果评定，即将焊接引弧板和熄弧板加在试板的两端，然后，按照预焊接工艺规程(pWPS)参数进行试板焊接，完成试板焊接后，需对试板的焊缝外观进行检查，确保内外焊缝成形良好，无明显缺陷，再按照NB/T47013-2015《承压设备无损检测》进行X射线照相，在X射线照相合格部位按NB/T 47014-2011制取试样，拉伸试验按规定的试验方法测定焊接接头的抗拉强度，每个试样的抗拉强度应不低于标准规定的母材抗拉强度，弯曲试验检验结果显示α=180°，且背弯、面弯无裂缝，有冲击试验要求的应按规定制取冲击试样，所有试验合格则可将焊接工艺评定为合格，从而形成焊接工艺评定报告（PQR）。

2.3 等离子焊接工艺的主要焊接方法

等离子焊接工艺的焊接方法主要包含纵缝焊接和环缝焊接两种。（1）纵缝焊接，两端焊接100×50mm的引弧板和熄弧板，由于纵缝的间隙和错边量均较小，采用等离子焊接工艺对其进行焊接，不仅能有效保证组对质量，且还能引出可能产生的焊接缺陷。（2）环缝焊接，起弧和收弧是保证环缝等离子弧焊工艺质量的关键，其中，起弧指的是从引燃等离子弧至形成正常熔池的过程，这一过程不仅会对焊接能否正常进行产生直接的影响，同时还会影响等离子弧焊收弧质量，因此，焊接人员应对起弧部位进行合理的选择，一般选择错边量少、间隙小等环缝组对质量较好的部位起弧，并且，还需采用预热、离子气流量递增的方式起弧，也即先将非转移小弧引燃和热通离子气以对焊件进行预热，然后，将转移大弧引燃和电流加大，同时对离子气进行递增，延时后转动焊件，形成“小孔效应”后进行焊接。

3 等离子自动焊在压力容器上应用

3.1 焊接前的技术要求

在压力容器上应用等离子自动焊主要是采用等离子自动焊打底、氩弧焊自动焊盖面的焊接方法进行，材料厚度和坡口形式不同，设置的坡口角度、钝边P范围也具有一定的差异，如材料厚度≤8mm，坡口形式为I型，不设置间隙；材料厚度为10～12mm，坡口形式为外Y形时，坡口角度设置为70°～75°，钝边P范围为(5±0．5)mm；材料厚度为＞12mm，坡口形式为外Y形时，坡口角度设置为80°～85°，钝边P范围为(5±0．5)mm，这有这样才能确保坡口加工满足焊接要求，从而才能顺利进行焊接。

3.2 等离子自动焊的焊接步骤

（1）操作人员安全防护。焊工面罩（10#或更高的防护玻璃）-防弧光打眼和对脸部的保护；工作服-棉的阻燃防止烧坏衣服或本人；工作鞋-钢头防砸、绝缘；护目镜-防止打砂轮时对眼的伤害。

（2）焊道前准备。首先检查点焊点是否氧化，若有氧化，先用砂轮片打磨干净，再用布砂轮进行光洁处理，防止磨痕内残留物影响工件焊接质量和焊接效果，然后检查是否仍有氧化现象未处理，若处理干净，就用钢丝刷进行最后处理。

（3）焊机准备。①对钨棒进行打磨，打磨的锥形顶端到底部不得少于6毫米，不得有毛刺、裂纹。②装等离子枪火嘴，型号与焊接母材厚度相对应，详细见焊接参数表。③装氩弧焊枪焊磁嘴，选用规则：6mm以下用8#磁嘴，6mm以上用10#磁嘴。④打开中心气体钢瓶，气瓶气压不得低于2MPa，我司选用“氢氩混合气”，比例氩气97%，氢气为3%，选用氢氩混合气可以提高焊接效率，成品率和成型效果；打开焊枪保护气气体钢瓶，气压不得低于3．5MPa，我司选用的是“氢氩混合气”；打开面保和背保气体，我司用保护气为99．99%以上的纯氩，保证两个气瓶内气压足够可供焊接过程之中使用。⑤检查冷却压缩机和水泵是否工作，显示灯是否点亮。⑥焊丝盘装置在架子上。

（4）开始焊接。采用等离子自动焊对纵缝焊接前，焊接人员需让枪头空走一遍，通过焊接枪头和工件水平和垂直偏差调整工件以达到焊接最佳位置；采用等离子自动焊对环缝焊接前，需通过空转对组对质量进行仔细检查，并对错边和间隙大的位置进行标记，在具体操作时合理调整电流和枪头离工件的位置，从而达到良好的焊接效果。

3.3 等离子自动焊常见的问题分析

（1）偏弧。一般因为“火嘴老化”、“钨极损坏”、“钨极打磨偏心”等问题所引起。

（2）等离子外焊道成型咬边。一般因为焊枪安装倾斜度过大、焊接速度过快、焊枪中心磁环破损、钨极打磨偏心、等离子中心气体过大等问题所引起的。

（3）等离子外焊道锯齿状。一般因为火嘴老化、电流过大、环焊焊枪位置摆放过后、钨极损坏、内保气体过大、水路堵塞焊枪温度过高、气体不纯等问题所引起。

（4）等离子内焊道成型过大。一般因为火嘴型号过大、焊接速度过慢、气体比例不正确、焊缝拼接间隙过大、电流过大等问题所引起。

（5）等离子内焊道成型尖锐。一般因为等离子中心气体过大、焊接速度过快、火嘴型号太小等问题所引起。

（6）等离子外焊道高低不平。一般因为母材前处理问题、焊道拼接间隙不均匀、气体不稳定、焊机航道有拖挂等问题所引起。

4 结语

我司通过引进等离子自动焊，它焊接速度快，效率高得到充分发挥，大大提高了本公司容器环、纵缝的焊接效率，一定程度上降低了公司的用工成本，焊接操作人员在不断摸索，不断提高自身的焊接技能，一次探伤通过率达到99．5%，不仅焊接质量得到了保证，并且表面成型效果要比手工焊接美观，客户对产品的焊道质量大为赞赏，因此，相关企业可积极采用该项技术进行压力容器产品的生产和制造。随着等离子自动焊在压力容器行业上及其他行业上广泛应用，会使得焊机更加优化，更加高效，焊接的母材厚度也会越来越厚。