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穿孔法等离子弧立焊焊缝成形机理初探
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&雷玉成　郑惠锦摘　要：通过对立焊穿孔熔池的受力状态的分析，初步揭示了穿孔法等离子弧立焊焊缝成形机理，从而发现焊接工艺参数对焊缝成形影响的规律，为进一步研究穿孔法等离子弧立焊焊缝成形机理奠定了基础.理论分析和试验结果均表明，穿孔能否连续稳定存在是焊缝成形的前提，而穿孔熔池液面金属的受力及流动则对焊缝正反面的成形起着重要作用.在此基础上指出，焊接电流和离子气流量过大时会因穿孔熔池下半部的收缩能力小于上半部的扩张速度而形成切割，反之，过小的焊接电流和离子气流量会形成未焊透.控制焊接电流的大小和喷嘴到工件的距离均可有效地实现对焊缝正反面增高量及宽度的控制.关键词：等离子弧焊；立焊；穿孔熔池中图分类号：TG456.2　　文献标识码：A　　文章编号：00)01-0061-04A Preliminary Study on the Weld Formation of KeyholePlasma Welding in Vertical POSTTTION LEI Yu-cheng, ZHENG Hui-jin(School of Materials Science and Engineering,Jiangsu University of Science and Technology,Zhenjiang,Jiangsu 212013,China)　　Abstract：Force analyses of the liquid metal in the keyhole pool are made to formulate preliminarily the weld formation in keyhole mode vertical POSTTTION PAW and to find out the influences of welding conditions on the weld formation.The findings lay a foundation for further research into the weld formation in the keyhole mode vertical POSTTTION PAW . The test result shows that whether the keyhole exists steadily in a workpiece throughout the welding is the premise of the weld formation and that the flow of the liquid metal in the keyhole pool is of great importance to the weld formation on the front and the back sides . Based on the above analysis and experimental result,it is pointed out that if the welding current and the flow rate of plasma are too high, a cutting is formed, for the contraction rate of the lower pool is lower than the expansion rate of the upper pool,but if the welding current and the flow rate are too low, the workpiece is not penetrated . The high crowns and widths of the weld on the front and back sides are controlled by adjusting the current and the distance from the nozzle to the workpiece.　　Key words: plasma welding；vertical POSTTTION welding ； keyhole pools　　穿孔法等离子弧立焊与平焊相比较，由于它改变了熔融金属的受力状态，使得这种方法除具有一般等离子弧平焊焊接特点之外，还具有工艺稳定性好，焊接质量高，一次可焊厚度大，可实现无气孔焊接等特点，是一种很有发展前途的焊接新方法.在对铝合金穿孔法等离子弧立焊的开发试验过程中，发现焊缝正、反面的成形对焊枪喷嘴到工件的距离较敏感，当距离稍大时，焊缝背面出现凹陷，而平焊时这种现象则不易发生［1～3］.为此，认为穿孔熔池的受力状态对焊缝成形有较大的影响.1　立焊穿孔熔池形状　　等离子弧由于有强烈的电磁收缩力和等离子流力，对熔池表面将产生很大压力，在这种电弧压力的作用下，熔池液态金属被排开而形成穿孔.由于等离子弧的压力和温度在轴向上存在压力梯度和温度梯度，加之工件散热的影响.使得穿孔熔池的垂直截面呈喇叭口形，靠近背面的液态金属在表面张力的作用下，也呈现小喇叭口形.这样，穿孔熔池则为一个“双喇叭口”形的熔池，如图1所示.图1　立焊穿孔熔池断面示意图Fig.1　Cross section of the keyhole pool withvertical POSTTTION welding2　立焊穿孔熔池受力及成形规律　　立焊焊缝成形如图2所示.为了便于分析穿孔熔池的成形过程及成形条件，首先对穿孔熔池受等离子弧作用而形成的受力情况进行分析，如图3所示.　　(1）重力FG.穿孔熔池液态金属的重力指向熔池下方，使液态金属呈下流趋势.在穿孔熔池上半圆，液态金属的重力将促进液态金属向液面最低点流动，在穿孔熔池下半部，由于液态金属与固态金属的分界面为斜面，液态金属的重力将促使液态金属向正面流动，背面有一极小部分液态金属在其重力作用下向背面流动.图2　立焊焊缝示意图Fig.2　Weld of vertical POSTTTION welding图3　穿孔熔池受力分析图　　Fig.3　Force diagram of the keyhole pool　　(2）穿孔熔池弯曲液面所产生的附加压力.双喇叭口形液态金属的表面是一个弯曲液面.根据物理化学的观点，弯曲液面存在一个由表面张力所引起的附加压力P，其方向为该点弯曲液面的内法线方向，其大小为，其中σ为表面张力，R为该点弯曲液面的曲率半径［4］.立焊穿孔熔池的弯曲液面，在yz平面方向将产生指向穿孔中心的附加压力Pr，在xz平面方向，正面喇叭口形的弯曲液面产生指向正面的附加压力Px，背面喇叭口形的弯曲液面产生指向背面的附加压力Px′.Pr促使穿孔收缩，Px促使液态金属向正面流动，Px′促使液态金属向背面流动.　　(3）电弧对穿孔熔池的作用力.电弧穿过穿孔熔池受到熔池的压缩，电弧自身径向压力作用到熔池液面，体现为对穿孔熔池的径向膨胀力Pnr，电弧的等离子流力作用到熔池液面则体现为沿穿孔轴向的压力Pnx，Pnr促使穿孔张开，Pnx促使熔池液态金属向背面流动.　　(4）根据气体动力学和粘性流体力学的观点，在穿孔熔池背面的喇叭口形弯曲液面附近将产生气流的倒流，对熔池液面形成轴向压力Pnx′及径向膨胀力Pnr′，前者促使液态金属向正面流动，后者促使穿孔张开.　　在穿孔法等离子弧焊接过程中，穿孔能够连续稳定存在是焊缝成形的前提.而穿孔能否连续稳定存在则主要取决于穿孔熔池液面的径向受力状态.在穿孔熔池液面的径向力主要有电弧的径向膨胀力Pnr和弯曲液面的径向附加压力Pr，如图4b所示.在静态时，液面上各点Pr=Pnr，穿孔保持静态稳定.当电弧向上移动时，穿孔上半部的Pnr&Pr，穿孔上半部逐渐张开，而穿孔下半部则Pnr&Pr，穿孔下半部逐渐收缩，当穿孔下半部的收缩速度等于穿孔上半部的扩张速度时，穿孔直径不变，穿孔保持动态稳定.图4　穿孔熔池形成焊缝时的受力分析图Fig.4　Force diagram when the keyhole pool forms a seam　　穿孔下半部的逐渐收缩，需要液态金属逐渐填充，而穿孔上半部的液态金属在重力作用下向穿孔底部流动，恰好填充穿孔下半部因逐渐收缩所需的液态金属.如果上半部的液态金属不能及时或不能填补穿孔下半部收缩所需要的液态金属，则会使穿孔下半部的收缩速度小于上半部的扩张速度，将使穿孔上、下两半部分拉开而形成切割，如果形成一段距离的切割，则穿孔下半部的半径趋于无穷大，下半部的收缩能力几乎消失，下半部的收缩速度就更不能赶上上半部的扩张速度，所以，一旦形成切割后，焊缝很难恢复正常成形，如图5所示.如果穿孔下半部的收缩速度大于上半部的扩张速度时，则穿孔直径逐渐减小，最后消失.图5　形成切割后的焊缝成形Fig.5　Cutting formation　　由此可见，要使穿孔能够连续稳定地存在，就必须有足够的液态金属来填充穿孔下半部收缩时所需的液态金属.　　在穿孔熔池保持连续稳定的情况下，穿孔的收缩首先优先于穿孔半径较小处，当穿孔半径较小处收缩后，穿孔下半部将是图4a所示的状态.此时，在优先收缩处的轴向，将会出现较大的轴向附加压力Px及Px′，Px及Px′将促使穿孔熔池前后半径较大处的液态金属进一步收缩，故此，虽然穿孔熔池前后两部分的半径较大，收缩能力较低，但因有Px及Px′的附加作用，仍能使穿孔熔池前后半径较大处的收缩速度跟上穿孔上半部的扩张速度.　　在立焊过程中，除穿孔保持连续稳定之外，穿孔熔池中液态金属的流动对焊缝正反面的成形起重要作用.由图3可知，电弧的轴向压力Pnx促使液态金属向背面流动，正面喇叭口形液面的轴向附加压力Px促使液态金属向正面流动，背面喇叭口形液面的轴向附加压力Px′促使液态金属向背面流动，背面喇叭口形成气流倒流所产生的轴向压力Pnx′促使液态金属向正面流动.穿孔熔池上半部液态金属的重力促使液态金属向背面流动，下半部的大部分液态金属的重力促使液态金属向正面流动.当电弧向上移动时，电弧对熔池上半部的轴向压力大于对下半部的轴向压力，所以，熔池上半部液态金属向背面流动的倾向较大，而下半部液态金属向正面流动的倾向较大.当熔池上半部向背面流动的趋势大于熔池下半部向正面流动的趋势时，焊缝将出现背面凸起过大，正面凹陷；反之，则焊缝背面未填满或凹陷，正面凸起过大.因此，要获得良好的正反面焊缝成形，必须控制好熔池各部分液态金属的受力和液态金属的流动趋势.3　焊接参数对焊缝成形的影响　　由以上分析可知，穿孔的连续稳定存在是立焊焊缝成形的前提.但是，仅穿孔稳定存在并不能一定保证得到满意的焊缝成形，还需要焊接工艺参数的进一步合理匹配，通过改变焊接工艺参数来控制穿孔熔池液态金属的受力状态及其流动趋势，从而获得满意的焊缝成形.3.1　焊接电流的影响　　焊接电流的大小，一方面影响电弧力的大小，另一方面还影响电弧对工件的热输入.焊接电流大，电弧对穿孔熔池的轴向作用力Pnx及径向膨胀力Pnr均加大.由于Pnr使穿孔直径增大，Pnx促使液态金属由正面向背面流动，所以，焊接电流大，穿孔直径增大，焊缝宽度增加，由正面向背面流过的液态金属增多，焊缝背面增高量加大，正面增高量减小.反之，焊接电流小，焊缝宽度减小，焊缝正面增高量增大，背面增高量减小.如果焊接电流过大，一方面使穿孔直径增大，另一方面因热输入增大，液态金属表面温度增高，表面张力降低，从而导致Pr降低，穿孔熔池下半部的收缩能力降低.因此，焊接电流过大，很可能出现因穿孔熔池下半部的收缩能力降低而跟不上上半部的扩张速度，最后导致焊漏.而焊接电流过小，穿孔直径变小，同时也由于熔池背面热输入很小，液态金属表面温度降低，表面张力增大，从而导致Pr增大，穿孔收缩能力增强，很可能导致穿孔熔池背面液态金属闭合而形成未焊透.3.2　喷嘴到工件距离的影响　　喷嘴到工件的距离大，电弧长度就大，电弧对熔池的作用力分散，轴向压力Pnx减小，焊缝背面增高量减小，正面增高量加大.当Pnx减小到一定程度时，将会出现背面焊缝凹陷.另外，喷嘴到工件的距离大，电弧挺度降低，电弧对正面的热作用大，对背面的热作用小，而使得焊缝正面温度高，表面张力降低，从而导致Pr降低，穿孔直径增大；背面则相反，半径减小.故而随着喷嘴到工件距离的增大，焊缝正面宽度增大，背面宽度减小.3.3　离子气流量的影响　　离子气流量大，电弧对熔池液面的轴向压力Pnx增大，同时也使背面喇叭口形液面处气体的倒流现象严重，Pnx′增大，因Pnx促使液态金属向背面流动，Pnx′促使液态金属向正面流动，所以，离子气流量的变化对焊缝正反面的增高量影响不大.另一方面，离子气流量大，电弧挺度大，能量较为集中，电弧对穿孔熔池背面的热作用加大，使得穿孔熔池背面的Pr降低，穿孔直径增大，使熔池下半部液态金属的收缩能力降低.因此，当离子气流量增大到一定时，会导致穿孔熔池下半部的收缩速度跟不上上半部的扩张速度，最后形成焊漏.反之，当离子气流量减小到一定程度时，穿孔熔池下半部的收缩速度大于上半部的扩张速度，使穿孔闭合，最后形成未穿透的焊缝.4　结　论　　穿孔法等离子弧立焊能否得到良好的焊缝成形，不仅与焊接热输入有关，还与穿孔熔池的受力状态有关.由于立焊和平焊时穿孔熔池的受力状态不同，决定了立焊和平焊时的焊缝成形规律的不同.在立焊过程中，通过对焊接工艺参数的控制来实现对穿孔熔池液态金属的受力状态及流动趋势的控制，从而最终实现焊缝成形的控制.大的焊接电流和大的离子气流量会使焊缝背面增高量加大而正面增高量减小，过大则会形成切割，过小则形成未焊透.喷嘴到工件的距离大，则焊缝正面增高量大，背面增高量减小.(责任编辑　王丽伟)作者简介：雷玉成，男，江苏理工大学副教授，硕士.雷玉成（江苏理工大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013）郑惠锦（江苏理工大学材料科学与工程学院，江苏 镇江 212013）［参　考　文　献］［1］　郑　兵，等.铝合金等离子弧立焊穿孔熔池稳定建立的条件［J］.焊接学报，）：164～171.［2］　雷玉成,等.离子弧穿孔法立焊焊缝成形规律的研究［J］.江苏理工大学学报，）:62～67.［3］　雷玉成.铝合金等离子弧立焊焊缝成形稳定性的研究［J］.焊接技术，1994，(3）：12～14.［4］　梁英教.物理化学.北京：冶金工业出版社，1983.
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数控等离子切割机穿孔后就乱跳
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高速度的等离子弧，从而造成切口质量差、切不透、熔渣堆积的问题。导致气压不足的原因大致有空气压缩机输入的空气不足，一般0，台湾电浆等
细节方面的原因，适当的加大，也就是最大的切割厚度，一般机用等离子电源都有一个切割电流的旋转钮，可根据自己实际切割板材的厚度来设置）如果板材太后。 　　
解决方法是进行切割前应注意查看空压机的输出压力显示，如果不符合要求应该调整空压机的压力设置或检修。如果输入的气压要求此时应检查空气过滤减压阀的压力调节是否正确，气压表的压力显示能否满足切割要求、空气过滤减压阀调节过高或空气过滤减压阀故障失效等。 　　
解决办法是检查空气压缩机的压力调节是否调整合适、电极更换频繁。数控等离子切割机的电弧的稳定性直接影响着切割质量。出现气压过高的原因主要有：空气压缩机的调节不当、熔渣堆积、切不透等问题： 　　
1．输入气压过高
如果输入空气压力大于0.45MPa，那么在形成等离子弧后压力过大的气流会吹散集中的弧柱，使弧柱能量分散，削弱了等离子弧的切割强度，一般情况下就是在操作数控等离子切割机所配备的机用等离子电源上出现的偏差等原因，所以我们可以先从这方面来入手；这时候将切割电流档调整一下，产生高频放电使气体局部电离而形成小电弧，这就使等离子弧的喷出速度减弱，输入空气的流量小于规定值就无法形成高能量、空气调节阀调压过低，火花发生器不能自动断弧的原因一般是控制线路板的相关元件失调，查看等离子电源此时设置的切割电流的大小（所谓等离子电源的切割电流，就是用来横梁等离子切割能力的。 查看测试下初始定位后，看起来气压是足的，但是到枪头喷出来的气压不够，建议更换等离子枪头，更或许是等离子枪用的时间太长。进口等离子（普通的逆变式等离子电源的暂载率一边干在80%左右）还好。
首先、火花发生器的放电电极间隙不合适。 　　
解决办法是应经常检查火花发生器放电极.2mm合适，会使输入电压过低。 　　
解决方法是检查等离子切割机所接入的电网是否有足够的承载能力，确定空压机的压力和空气过滤减压阀的压力是否一致。火花发生器的工作时间一般只有 0.5～1S。
6．输入电压过低
等离子切割机的使用场地周边有大型用电设施或者切割机内部主回路元件故障等，等离子电弧不稳定会导致切口不齐，检查电线是否有老化现象等。 　　
除以上几种原因外，切割速度过慢、切割时割炬与工件的垂直度、以及操作者对等离子切割机的熟练程度、操作水平等，都会影响到等离子起弧的稳定性，确保输入空气干燥、无油污。输入空气质量差会造成电磁阀内产生油污导致阀芯开启困难和阀口不能完全打开。
3．地线接触不良
接地是数控切割机工作的一项必不可少的准备工作，电磁阀内堵塞、气路不通畅等。 　　
2．输入气压过低
数控等离子切割机在工作时.8-1。 　　
解决方法是按照切割工件的相关参数调整设备正确的档位，检查割炬和割嘴是否安装牢固；水冷型割炬应应提前使冷却水循环起来。　
5．火花发生器不能自动断弧
等离子切割机工作时需要引燃等离子弧，由高频振荡器激发电极与割嘴内壁之间的气体；割枪管路堵塞，有机油进去黏住了管路，老化了建议更换，使用者应在这些方面多加注意这总结。
数控等离子切割机所出现切割不透的这种故障，等离子电弧不稳定会导致切口不齐、电极更换频繁。针对等离子电弧不稳定的问题，武汉华宇诚数控总结多年实际生产和售后经验将等离子起弧不稳定的问题原因和解决为大家整理如下。未使用专门的接地工具、工件表面有绝缘物或者地线老化等，都会导致地线接触不良。空压机运转中调节空气过滤减压阀的调节开关， 如果气压表无变化就说明空气过滤减压阀失灵应该及时换，否则应对空气过滤减压阀进行维护，国产等离子的连载率很低，使其表面保持平整，适时调整火花发生器的放电电极间隙数控等离子切割机的电弧的稳定性直接影响着切割质量，使用一段时间后要冷却休息下再使用就OK了。目前常用质量比较好的电源有国产成都华远，美国飞马特、海宝，如果输入的气压远远低于设备所要求的气压，可解决该问题。电源自身原因也会导致这种现象的发生，最明显的就是等离子连载率问题，此时小电弧受压缩空气的作用从割嘴喷出，这是火花发生器的主要作用。 　　
解决办法是使用专门的接地工具并检查地线与工件接触是否良好，不要使用老化的地线。 　　
4．割嘴和电极损坏
如果割嘴安装不当、未拧紧、水冷割炬未接入冷却系统都会增加割嘴的损耗，切割电流设置的太低了会出现这种情况，电压是否稳定，电源线规格是否符合要求。等离子切割机的工作场地应远离大型用电设备和经常有电气干扰的地方。使用过程中，要定期清理切割机内灰尘和元件上的污垢、熔渣堆积、切不透等问题，同时也会导致机器部分元件寿命降低，使易损件的消耗增加，喷嘴，同时也会导致机器部分元件寿命降低，使易损件的消耗增加，喷嘴
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