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微束等离子弧焊接薄板环缝时引弧及收弧的控制
顾长石 杨勇
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高能束流焊接是指以激光束、电子束、等离子体为热源对金属、非金属材料进行焊接的精细加工工艺，在日趋小型化、精密化的零件、设备的制造过程中得到了越来越多的应用。在此三种焊接技术中，前两者的设备费用昂贵，操作复杂，大多集中在航空、航天等高科技领域；相比之下，等离子焊接具有设备简单、成本低、效率高的优点。其中之一的微束等离子弧 焊接技术在薄壁零件的精细加工领域正受到越来越多的重视与应用。
在薄壁零件的环缝焊接过程中，收弧和引弧时电流的突然增大和减小都会在焊缝中形成弧坑，影响焊接质量，这也是长时间以来都不能得到满意解决的问题。有资料介绍通过控制引弧和收弧时的电流或工件转速来解决，但实际焊接过程中电流的控制是比较复杂的，而且所需要减小的电流也是小幅度的，增加了控制的难度，使焊接过程更加繁琐，效果也不是十分令 人满意。对此笔者进行了大量的试验，并采取了相应的措施，得到了满意的效果。
1.微束等离子弧焊接的特点
焊接电流在30A以下的等离子弧焊接被称为微束等离子弧焊接，它同样是在机械压缩、热收缩及磁收缩三个效应作用下形成等离子弧，具有以下几个特点：
(1)能量集中，温度高，焊接速度快。
(2)弧柱挺直度好，对弧长的变化不敏感，电弧稳定性好。
(3)焊接质量好，可焊材料多。
(4)等离子弧具有良好的可控性和调节性。
在焊接过程中，焊接电流、速度、离子气流量、焊枪结构、焊前处理等都对焊接质量有较大的影响。焊接结构、焊前处理在焊接过程中不能改变，需要在焊前确定；而焊接电流、速度以及离子气流量可以在焊接过程中进行调节以获得最佳的焊接效果，其中离子气流 量对焊缝成形影响较大。
焊缝的熔宽和熔深取决于熔池受到的电弧吹力，而离子气流量的大小对电弧吹力起决定性的作用。离子气流量越大，电弧吹力越大，焊缝的熔宽及熔深也就越大；反之亦然。离子气流量过大时，容易造成切割效应，且电弧不稳定；流量过小时，等离子弧的穿透能力下降，焊缝表面粗糙，同时增加了引弧难度。图1为不同离子气流量的伏安特性。
在环缝焊接的引弧和收弧控制过程中，焊接电流和离子气流量是两个最主要的因素，其中离子气流量较焊接电流更重要。在引弧和收弧时对离子气流量进行适当的衰减，可以在环缝焊接中得到良好的焊缝过渡，避免形成弧坑。

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2.引弧和收弧时的离子气衰减
(1)试验设备及材料 焊接时使用了意大利生产的BASE81型微束等离子弧焊接电源以及成都电焊机研究所生产的HGT—3精密焊接工作台。焊接材料为不锈钢，厚度为0.8mm。
通常情况下，气体流量都是通过流量计上的调节旋钮来调节，一经调节后只能通过电磁气阀的开、关来控制。这种调节不便进行引弧和收弧时气体流量的衰减调节，因此需应用一种电控气体流量调节阀，在引弧和收弧时能够自动调节离子气流量的大小。为此，试验中选用了进口的电-气比例阀，再配合PLC，很好地解决了离子气流量的自动控制问题。
(2)衰减控制过程 利用可编程控制器可以很方便地把焊接电源、工作台、气体流量衰减器和指令信号按照所需的程序连接起来，组成实用的成套微束等离子弧焊接系统。图2为电-气比例阀应用连接，图3为PLC控制框图。

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合理的衰减波形可以获得良好的焊缝成形，试验过程中共采用了线性型、阶梯型、对数型和指数型四种衰减波形。
试验中发现，阶梯型和对数型的衰减波形效果比较理想，而且因为微束等离子弧焊接的电流 一般较小，采用阶梯型衰减波形可以使控制方法简化。我们在焊接过程中采用了如图5所示 的控制程序。

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3.试验结果
通过离子气衰减后得到了良好的焊缝成形，焊缝没有明显的弧坑，整个焊接过程自动控制，简化了焊接操作。图6是环缝焊接样品的照片，焊接质量良好。

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试验中发现，引弧时的离子气衰减并不是十分重要。引弧时形成的弧坑可以通过焊缝重叠量得到很好的弥补，而且引弧时的较大电流有利于母材的预热，因此没有必要在引弧时进行离子气衰减，这样就使焊接过程控制简单化，提高了工作效率。
4.结语
(1)环缝焊接时可以通过电气比例阀配合PLC编程自动控制引弧及收弧时的离子气衰减，避免在焊缝中产生弧坑，获得满意的焊缝成形。
(2)引弧时形成的弧坑可通过焊缝重叠量来弥补，而引弧时较大的电流对母材预热有利，因此引弧时可不进行离子气衰减，以简化焊接控制过程。
(3)采用阶梯型及对数型的衰减波形容易获得理想的焊缝，采用阶梯型波形会使控制过程简单化。
11/13/2004

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