韓善果 ，楊永強(qiáng) ，2，閆德俊

（1.廣州有色金屬研究院，廣東 廣州 510641；2.華南理工大學(xué) 機(jī)械與汽車工程學(xué)院，廣東廣州 510641）

0 前言

等離子體的發(fā)展可追溯到1928年，美國(guó)科學(xué)家J.Langmuir首次提出以Plasma來(lái)命名等離子體。等離子體較嚴(yán)格的定義是：等離子體是由負(fù)離子、正離子和中性粒子組成的，整體上呈電中性的物質(zhì)集合體[1]。

用于加工領(lǐng)域的等離子弧是由等離子槍的機(jī)械壓縮、冷氣流和水冷噴嘴孔道壁的熱收縮、電弧自身的電磁收縮共同作用形成的壓縮體[2]。等離子弧被認(rèn)為是TIG電弧的升級(jí)，具有高溫度、高能量密度、高電離度和高焰流速度的特點(diǎn)，可用于切割、焊接、噴涂和堆焊等。

等離子弧與激光束、電子束被稱為高能束，是材料高質(zhì)量加工的重要熱源。由于激光、電子束設(shè)備昂貴、裝配精度要求高，限制了其應(yīng)用。雖然等離子能量密度相對(duì)較低，但經(jīng)過(guò)多年的發(fā)展，精密等離子加工設(shè)備已達(dá)到激光加工的下限；其次等離子弧還可用于大厚板的加工，因此等離子加工技術(shù)具有廣闊的前景[3-4]。在此將重點(diǎn)介紹國(guó)內(nèi)外先進(jìn)等離子焊接和切割的研究現(xiàn)狀。

1 等離子弧焊接

1.1 穿孔型等離子弧焊接

穿孔型等離子弧焊接又稱為穿透等離子弧焊接、小孔焊接。利用等離子弧熔透工件，并在等離子流力作用下，形成穿透工件的小孔，熔池圍繞小孔分布。隨著等離子弧的不斷移動(dòng)，新的熔融金屬在小孔前端不斷形成，并沿熔池壁向后流動(dòng)，而小孔也隨電弧移動(dòng)，因此這些金屬便填充小孔原先的位置，冷凝后便形成焊縫，焊縫斷面呈“倒喇叭”狀。該方法可實(shí)現(xiàn)單面焊雙面成形，常用于厚板的打底焊[5]。由于穿孔等離子弧焊接的工藝參數(shù)可調(diào)“窗口”小，因此工藝研究較少[6]，國(guó)內(nèi)外研究者的主要精力集中在對(duì)等離子弧、熔池的熱場(chǎng)或流場(chǎng)和小孔成型過(guò)程的數(shù)值模擬與分析。

國(guó)外在數(shù)值模擬上起步較早，如加州大學(xué)伯克利分校的Y.F.Hsu.在1988年便通過(guò)對(duì)穿孔等離子弧焊接的傳熱與流體流動(dòng)進(jìn)行了數(shù)值計(jì)算，并建立起二維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)有限元數(shù)值模型[7]。1993年，R.G.Keanini針對(duì)穿孔等離子弧焊接的熱場(chǎng)和流場(chǎng)，首次提出三維準(zhǔn)穩(wěn)態(tài)有限元模型[8]；1999年，H.G.Fan建立了等離子弧焊接的熱傳導(dǎo)和流體流動(dòng)二維瞬態(tài)模型[9]。

2002年，哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳林、董紅剛等人針對(duì)固定穿孔等離子弧焊接率先建立了等離子弧二維穩(wěn)態(tài)熱傳導(dǎo)模型，對(duì)熔池的電流密度和溫度分布模擬，并通過(guò)迭代法，計(jì)算出焊縫溶深和熔寬，其結(jié)果與實(shí)驗(yàn)結(jié)論一致[10]。2006年，山東大學(xué)武傳松在分析了等離子弧對(duì)熔池的“挖掘”作用和厚度方向等離子弧熱流分布后，提出三維瞬態(tài)小孔等離子弧焊接熱場(chǎng)的有限元模型，模擬的熔池形狀和演變規(guī)律與實(shí)驗(yàn)結(jié)果接近，在接近穩(wěn)態(tài)時(shí)的端面形狀和達(dá)到穩(wěn)態(tài)時(shí)間也與實(shí)測(cè)結(jié)果一致[11]。2011年，山東大學(xué)王小杰、霍玉雙、張濤等人在此基礎(chǔ)上，通過(guò)流體體積函數(shù)法對(duì)小孔截面的追蹤，分別實(shí)現(xiàn)了對(duì)定點(diǎn)小孔穿孔過(guò)程的數(shù)值模擬與分析，小孔從形成到穿孔的瞬態(tài)演變行為和熔池流場(chǎng)的動(dòng)態(tài)變化得到了更精確的描述[12-14]。

1.2 等離子-MIG復(fù)合焊接

等離子-MIG復(fù)合焊接是將等離子氣體保護(hù)鎢極電弧焊和氣體保護(hù)熔化極電弧焊結(jié)合起來(lái)的一種復(fù)合熱源焊接工藝。與傳統(tǒng)MIG焊接工藝相比，其最大優(yōu)勢(shì)在于：焊接速度提高兩倍；熱輸入少、HAZ窄、焊接變形與飛濺小；等離子的小孔效應(yīng)明顯，熔深增加。

1972年，荷蘭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世紀(jì)80年代開發(fā)出設(shè)備，且在德國(guó)工廠中得到應(yīng)用。1995年由烏克蘭巴頓焊接研究所的工程人員在以色列組建了Plasma Laser Technologies（PLT公司），并經(jīng)過(guò)多年的努力，開發(fā)出商品化的Super-MIGR○等離子旁軸復(fù)合熱源焊接系統(tǒng)[16]。在Plasma-MIG焊接工藝方面，日本的S.Asai和T.Ogawa等人通過(guò)確定合理的工藝參數(shù)提高了銅-鐵異種接頭性能[17]；1992 年，德國(guó) R.Draugelates等人成功將Plasma-MIG焊用于鋁合金水下焊接[18]；日本的Ono Kohei等人利用機(jī)器人輔助Plasma-MIG系統(tǒng)焊接鋁合金，提高了鋁合金焊縫的外觀，并降低焊接時(shí)的煙塵與飛濺[19]。PHILIPS公司的H.Ton采用光譜分析儀分析了熔化極等離子弧焊內(nèi)外溫度分布、電導(dǎo)率和電弧組成，發(fā)現(xiàn)電弧外部溫度高于內(nèi)弧，大部分元素集中在內(nèi)弧、自由電子密度小、導(dǎo)電率低，而外弧僅有Ar、自由電子密度大，導(dǎo)電率高，可見電流僅有小部分通過(guò)焊絲端部，而大部分依靠等離子體流入工件[20]；巴西的Moises Alvesde Oliveira和JairCarlos Dutra通過(guò)對(duì)Plasma-MIG復(fù)合焊接的作用機(jī)理進(jìn)行了分析，建立起系統(tǒng)電路模型，計(jì)算出熔化極電壓、等離子弧電壓與熔化極電流和等離子弧電流的關(guān)系，并在實(shí)驗(yàn)中得到了驗(yàn)證[21]。

哈爾濱工業(yè)大學(xué)的吳林等人建立了雙電源同軸復(fù)合焊接系統(tǒng)，實(shí)現(xiàn)了對(duì)鋁合金的焊接，并通過(guò)LabView對(duì)電弧電信號(hào)進(jìn)行測(cè)量，發(fā)現(xiàn)復(fù)合焊接的電流和電壓波動(dòng)小于熔化極氣體保護(hù)焊；處于內(nèi)弧的MIG電流波動(dòng)會(huì)影響雙弧結(jié)構(gòu)和外弧的電壓，但對(duì)外弧電流基本保持不變[22]。沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)的李德元等人通過(guò)設(shè)計(jì)等離子-MIG同軸復(fù)合的槍體和PLC主控單元，成功地將等離子電源和MIG電源結(jié)合，并對(duì)槍體流場(chǎng)和溫度場(chǎng)模擬、熔池形狀和溫度場(chǎng)形態(tài)模擬、起弧過(guò)程、熔滴過(guò)渡、組織成分進(jìn)行了深入研究[23]。哈爾濱焊接研究所的周大中、孫軍等人提出了單電源Plasma-MIG焊接方法，研究了一種使用一個(gè)陡降特性的焊接電源同時(shí)為兩個(gè)電弧供電的單電源Plasma-MIG焊方法，并研究了該方法的電流分配與調(diào)節(jié)特性、電壓與電位關(guān)系、熔滴過(guò)渡與電弧形態(tài)等電弧特性，其實(shí)驗(yàn)結(jié)果表明，這種法簡(jiǎn)單易行，有利于實(shí)際生產(chǎn)應(yīng)用[23]。

1.3 激光-等離子復(fù)合焊接

在旁軸復(fù)合中，激光基本與工件保持垂直，而等離子槍與激光束有45°夾角。英國(guó)Conventry大學(xué)從1992年至今一直使用400 W的CO2激光器與50 A的等離子弧復(fù)合，焊接 0.6～0.8 mm 厚的不銹鋼、鈦和鋁合金等材料，結(jié)果表明，與單獨(dú)激光焊相比，復(fù)合焊接速度提高了1～1.5倍，且能夠熔透高反射的鋁合金材料[24-25]。北京航空制造工程研究院的陳俐研究了YAG激光-等離子復(fù)合焊接時(shí)的熱源光譜特征，發(fā)現(xiàn)激光與等離子弧“協(xié)同效應(yīng)”在較小激光功率和較低焊接速度條件下，可以顯著增加焊縫熔深和熔寬比。隨激光功率增大和焊接速度提高，激光與等離子弧的“協(xié)同效應(yīng)”減弱，復(fù)合焊接增大焊縫熔深和熔寬比的效果不明顯[26]。清華大學(xué)的都東、李志寧等人對(duì)激光-等離子復(fù)合焊接的傳熱和流動(dòng)特性進(jìn)行了研究，結(jié)果表明：表面張力流在復(fù)合焊熔池流動(dòng)中起主要作用，電磁力在復(fù)合焊過(guò)程中起到了增加熔深的作用。由于電磁力流與上表面張力流方向相反而與下表面張力流方向相同,還具有減小上表面熔寬、增加下表面熔寬的作用[27]。

在同軸復(fù)合中，專用復(fù)合焊炬設(shè)計(jì)復(fù)雜，F(xiàn)uerschbach和烏克蘭巴頓所Krivtsun Igor是將激光束從空心鎢極中間穿過(guò)，在工件表面聚焦。Fuerschbach通過(guò)激光（25%能量）與等離子（75%能量）復(fù)合來(lái)焊接6061、6111鋁合金薄板和304、17-4PH不銹鋼薄板，結(jié)果表明：復(fù)合焊接可以消除單獨(dú)激光焊所引起的熱裂紋缺陷，而且熔深增加[28]。Krivtsun Igor模擬了激光-等離子復(fù)合焊接熔滴過(guò)渡過(guò)程、焊接熔池動(dòng)力學(xué)、熔池溫度分布、熔池形貌和穿孔過(guò)程，其結(jié)果與實(shí)際相符[29]。

2 等離子弧切割

2.1 注水空氣等離子切割

注水等離子切割的優(yōu)點(diǎn)有：新型注水等離子割炬使得部分蒸發(fā)的水蒸汽形成等離子體，增加了等離子弧的最高溫度，進(jìn)而增加了等離子體的穿透能力；減少切割金屬邊緣氮化層，可避免焊接時(shí)氣孔、裂紋等缺陷的產(chǎn)生；增加切割邊緣的垂直度，減小切口表面粗糙度，提高焊接接頭的強(qiáng)度；與氧-乙炔切割相比，切割端面熱影響區(qū)減小2/3，顯微硬度降低1/2；切割構(gòu)件的邊緣變形量減小可直接用于焊接。由于注水等離子切割具有上述優(yōu)點(diǎn)，可省去傳統(tǒng)空氣等離子切割后機(jī)加工的工序，大大提高生產(chǎn)效率，同時(shí)焊接接頭質(zhì)量得到改善，該方法已能切割厚度達(dá)100 mm的鋼板。

目前僅有烏克蘭巴頓所開發(fā)了系列PLAZERCut等離子切割裝備。

2.2 反極性空氣等離子切割

反極性空氣等離子切割與普通等離子切割相比：小孔吸收熱量的能力增加1.5倍，焊接效率提高20%～40%；切割厚度增加2～3倍，極限厚度可達(dá)200 mm；切口寬度降低10%～15%。烏克蘭巴頓所將電極設(shè)計(jì)為中空結(jié)構(gòu)，如圖1所示。并采用圖2所示的層狀納米結(jié)構(gòu)的Cu-Zr-Y-Mo復(fù)合材料制造，電極的散熱環(huán)境得到改善，使用壽命提高。

圖1 反極性空氣等離子切割割炬Fig.1 Plasma torch for air plasma cutting on the reverse polarity current

圖2 割炬電極的層狀納米結(jié)構(gòu)復(fù)合材料微觀結(jié)構(gòu)Fig.2 Microstructure of layered nano-composite materials of cutting plasma torches electrodes

2.3 水下等離子切割

水下等離子切割的優(yōu)點(diǎn)是可以有效降低等離子弧切割時(shí)的弧光、噪聲和煙塵的污染；降低工件切割溫度，從而減小變形。從切割槍中不僅噴出等離子氣，而且在等離子弧周圍噴出高速水流，有助于等離子弧的進(jìn)一步壓縮。烏克蘭巴頓所開發(fā)的水下等離子切割設(shè)備，可在海水下27 mm處切割25 mm厚的鋼或有色金屬，若將工件置于空氣中切割，切割厚度可達(dá)80 mm。德國(guó)梅塞爾、美國(guó)L-TEC、武漢金嘉數(shù)控等公司也開發(fā)出了相應(yīng)產(chǎn)品。

3 結(jié)論

（1）等離子弧是材料加工的重要熱源之一。穿孔等離子弧焊接具有良好的單面焊雙面成型能力，常用于厚板的打底焊，近年來(lái)針對(duì)其熱場(chǎng)、流場(chǎng)和小孔成型過(guò)程的機(jī)理，國(guó)內(nèi)外都有廣泛的研究。

（2）等離子弧與MIG、激光的結(jié)合，使得兩者的優(yōu)勢(shì)得到充分發(fā)揮。特別是在鋁合金、不銹鋼焊接中表現(xiàn)出色，其設(shè)備和機(jī)理的研究也在逐漸完善。

（3）等離子切割相對(duì)火焰切割，切口質(zhì)量高、變形小；而相對(duì)于激光切割，切割厚度大幅度增加，且精密等離子切割切口質(zhì)量已達(dá)激光切割下限，因此等離子切割在造船、壓力容器、型機(jī)械中都有廣泛的應(yīng)用前景。

[1]陳 熙.熱等離子體傳熱與流動(dòng)[M].北京：科學(xué)出版社，2009.

[2]沈陽(yáng)機(jī)電學(xué)院焊接研究室.等離子弧與焊接[M].北京：科學(xué)出版社，1978.

[3]周 銓.等離子切割與激光切割工藝及成本分析[J].電力機(jī)車與城軌車輛，2011，34(4)：72-73.

[4]武傳松，賈傳寶，劉祖明.穿孔等離子弧焊接過(guò)程的檢測(cè)與控制[J].航空制造技術(shù)，2011（3）：33-36.

[5]胡特生.電弧焊[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1996.

[6]董春林，吳 林，邵亦陳.穿孔等離子弧焊發(fā)展與歷史現(xiàn)狀[J].中國(guó)機(jī)械工程，2000（11）：577.

[7]Hsu Y F，Rubinsky B.Two-dimensional heat transfer study on the keyhole palsma arc process[J].Int.J.Heat Mass Transfer，1988，31（7）：1409-1421.

[8]Russell G，Keanini，Boris Rubinsky.Three-dimensional simulation of the palsma arc welding process[J].Int.J.Heat Mass Transfer，1993，36（13）：3283-3298.

[9]Fan H G，Kovacevic R.keyhole formation and collapse in plasma arc welding[J].J.Phys.D：Appl.Phys.，1999，32（22）：2902-2909.

[10]董紅剛，高洪明，吳 林.固定電弧等離子弧焊接的熱傳導(dǎo)的數(shù)值計(jì)算[J].焊接學(xué)報(bào)，2002，23（4）：24-30.

[11]武傳松，王懷剛，張明賢.小孔等離子弧焊接熱場(chǎng)瞬時(shí)演變過(guò)程的數(shù)值分析[J].金屬學(xué)報(bào)，2006，4（23）：311-316.

[12]王小杰，武傳松，陳茂愛(ài).等離子弧定點(diǎn)焊熔池穿孔過(guò)程的數(shù)值分析[J].金屬學(xué)報(bào)，2010，46（8）：984-990.

[13]霍玉雙，武傳松，陳茂愛(ài).等離子弧焊接小孔形狀和穿孔過(guò)程的數(shù)值分析[J].金屬學(xué)報(bào)，2011，47（6）：1-6.

[14]張 濤，武傳松.穿孔等離子弧焊接熱場(chǎng)和流程的數(shù)值模擬[J].焊接學(xué)報(bào)，2011，32（7）：87-91.

[15]Esser W G，Liefkens A C.Plasma-MIG welding developped by Philips[J].Machinery and Production Engineering，1972，1（11）：632-633.

[16]Asai S，Ogawa T，Ishizaki Y.Application of plasma MIG hybrid welding to dissimilar joints between copper and steel[J].Welding in the World，2012，56（1-2）：37-42.

[17]Draugelates R，Bouaifl B，Bartzsch J.Investigations on underwater welding by the plasma MIG method[C].Proc Second Int Offshore Polar Eng Conf.Proc Second Int Offshore Polar Eng conf，1992：199-207.

[18]Ono Kohei，Liu Zhongjie，Era Tesuo.Developmentofa plasma MIG welding system for aluminium[J].Welding International，2009，23（11）：805-809.

[19]Ton H.Physical propert ies of the plasma-MIG welding arc[J].Journal of Physics D：Applied Physics，1975（8）：922-933.

[20]De Oliveira Moises Alves，Dutra Jair Carlos.Electrical model for the plasma-MIG hybird welding process[J].Welding and Cutting，2007，6（6）：324-328.

[21]白 巖，高洪明，吳 林，等.基于LabView的熔化極等離子弧焊接電信號(hào)分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2006，27（8）：59-62.

[22]張義順.等離子-MIG焊接方法及其雙弧復(fù)合特性的研究[D].沈陽(yáng)：沈陽(yáng)工業(yè)大學(xué)，2006.

[23]周大中，孫 軍.單電源等離子-MIG焊方法[J].焊接學(xué)報(bào)，1990，11（3）：149-154.

[24]Walduck R P，Biffin J.Plasma Arc Annglented Laser Welding[J].Welding and Meat Fabrieation，1994（4）：172-176.

[25]Johnson T A，Iffin J B，Bacon M C.Laser/Plasma Technique Welds Sheet Metal[J].Instrial Laser Review，1995（11）：21-24.

[26]陳 俐，段愛(ài)琴.YAG激光等離子弧復(fù)合焊接熱源光譜特征分析[J].電加工與模具，2007（6）：19-21.

[27]李志寧，都 東，常保華，等.激光等離子弧復(fù)合焊接熔池流動(dòng)和傳熱的數(shù)值分析[J].焊接學(xué)報(bào)，2007，28（7）：37-40.

[28]Semak V V，Steele R J，F(xiàn)uerschbach P W.Role of beam absorption in plasma during laser welding[J].Applied Physcs，2000，33（10）：1179-1185.

[29]Krivtsun I.Modelling hybrid plasma-laser processes and integrated plasmatrons[J].Welding Internation，2004，18（4）：268-276.