不锈钢等离子焊、不锈钢焊接

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不锈钢等离子弧焊焊接技术及其应用

不锈钢等离子弧焊焊接技术及其应用

来源:2205双相钢焊接管发布:2020-02-09 17:13:43类别:不锈钢标准

  浙江至德钢业有限公司介绍了不锈钢等离子弧焊接的原理和特点,与TIG焊相比所具有的优势。结合工艺,介绍了等离子焊接技术在不锈钢储运罐箱、化工容器、管道制造、食品机械、不锈钢染整设备、封头制造、波纹管焊接等方面的具体应用。等离子弧焊(PAW)是20世纪50年代在钨极氩弧焊(TIG)的基础上发展起来的,它是以难熔化的钨(如钍钨)作为电极,以等离子弧为热源的一种熔焊加工方法。TIG焊接所使用的热源是常压状态下的自由电弧,而PAW焊所用的热源则是压缩电弧,又称等离子弧。压缩电弧是将自由电弧进行压缩强化后而获得的,二者在物理本质方面没有什么区别,只是弧柱中电离程度不同,压缩电弧的电离度更高。经压缩后的等离子弧其温度更高,能量密度更加集中,因此等离子弧焊属于高能束流焊接。


  奥氏体不锈钢在加工制造中常常需要进行焊接,传统的焊接方法主要采用二氧化碳气体保护焊、埋弧焊(SAW焊)、钨极氩弧焊(TIG焊)等,上述焊接方法在实际生产中都存在一定的局限:二氧化碳焊飞溅大,产品合格率低,焊接质量难以保证;SAW焊的热输入大、晶粒易长大粗化,工件性能下降;TIG焊虽然具有焊缝表面成型好、生产成本低等优点,但由于奥氏体不锈钢的线膨胀系数大,导热系数小,在焊接中厚板工件时,焊接道次会增多,焊接生产效率下降。随着焊接技术发展和焊接装备的不断进步,等离子焊(PAW)因其具有能量集中的电弧,穿透能力强、焊接熔深大,热影响区窄等优点,在工业生产中逐渐被推广应用。等离子弧焊能一次焊透更厚的材料,且实现单面焊双面成型,在同样熔深下等离子的焊接速度比TIG焊快,生产效率高。


一、等离子弧焊的技术


1. 等离子弧焊


  等离子弧焊(简写PAW,ISO标准代号15)是利用惰性气体(如氩气)作为离子工作气和焊接保护气,再采用能量密度高的等离子弧作为热源来加热熔化母材金属,使之形成焊接接头的一种熔焊方法。


2. 等离子弧的形成


  在温度谱上等离子可以把其看作为继液态、固态、气态之后的第四种物质状态。传统的电弧焊方法(如CO2焊、TIG焊)采用自由状态的电弧,自由电弧燃烧于工件与电极之间,周围不受任何拘束。焊接领域中应用的等离子弧实际上是一种压缩电弧,即借助外部拘束作用,使电弧弧柱的横截面受到限制而不能自由扩大,从而使电弧的能量密度、电离度、温度都明显增大。这种借助于外部拘束作用使弧柱受到压缩的电弧就是通常所称的等离子弧,如图所示。


  压缩电弧的获取方法通常是将不熔化电极(如钍钨)缩入水冷喷嘴内部,在水冷喷嘴中通以一定流量和压力的离子气,强迫电弧通过水冷喷嘴孔道,从而形成了能量密度集中的等离子弧,如图所示。此过程中电弧主要受到机械压缩效应、热收缩效应、电磁收缩效应三种压缩作用。等离子弧按接线方式和工作方式不同,可分为非转移型、转移型和混合型三种类型。非转移型等离子弧中喷嘴接电源正极,钨极接电源负极,工件不接电源,电弧先是在钨极与喷嘴壁之间燃烧,然后在离子气的作用下再从喷嘴孔喷出,如图所示。转移型等离子弧中工件接电源正极,钨极接电源负极,等离子弧产生于钨极和工件之间,如图所示。混合型等离子弧也称联合型等离子弧,是指焊接过程中非转移型弧和转移型弧两者同时存在,如图所示。


3. 等离子弧焊的基本形式


   等离子弧焊按照焊缝成型的原理,主要有穿透型等离子弧焊、熔透型等离子弧焊、微束等离子弧焊三种基本方法。穿透型焊接法又常称为小孔型等离子弧焊。该方法在较大的焊接电流(100~500A)情况下,采用转移型等离子弧把工件完全焊透并在等离子流力的作用下形成一个小孔,利用这种小孔效应,在无衬垫情况下就可实现单面焊双面成型。


  微束等离子弧焊的焊接电流在30A以下,常采用混合型等离子弧。这种方法使用孔径很小(0.5~1.5mm)的喷嘴,得到细小针状的等离子弧。微束等离子弧焊主要用于焊接厚度小于1mm的精密、超薄工件。熔透型等离子弧焊在较低的离子气流量和较小的焊接电流(30~100A)情况下,采用混合型等离子弧焊接的一种方法。在焊接时无小孔效应,焊件背面无焊接“尾焰”形成。


4. 等离子弧焊的工艺特点


  等离子弧的能量密度集中,温度高,穿透能力强,产生的小孔效应可实现单面焊双面成型,焊接生产率明显提高。由于等离子弧的形态近似于圆柱形,挺度好,冲击力大,加热面积变化小,热影响区窄、焊件变形小,焊缝成型均匀美观。


  等离子弧使用很小的电流就能保证等离子弧的稳定,故可用微束等离子孤焊接超薄件。钨极内缩在水冷喷嘴里面,焊接时与焊件不接触,因此有效地防止了焊缝金属夹钨缺陷的产生。8毫米以下金属焊件,可不开坡口,一次焊透,填充金属也减少。完美的小孔功能确保正面和背面焊缝的质量。可靠的引弧机制(非转移弧一直保留)避免了频繁引弧带来的高频干扰。


二、等离子弧焊的应用


  由于等离子弧焊能够提供更高的焊接效率、质量更佳的焊缝,目前已被广泛用于工业生产,涉及行业包括不锈钢储运罐箱、容器制造业(锅炉、低温瓶等)、管道制造和管线预制、不锈钢染整机械、食品机械、封头制作、波纹管的焊接等。


1. 不锈钢储运罐箱


  储运罐箱主要用于储存液体或气体的钢制密封容器,如装运酒类、油类、化学药品等液体货物。由于316L不锈钢具有出色的耐化学腐蚀性能和良好的抗拉强度,且又容易清洗干净,因此罐体内胆大多采用316不锈钢制造。大多储运罐筒体直径1500~2800mm之间,长度5000~7000mm左右,厚度3~8mm。储运罐体的制作过去常采用TIG或MAG等方法,效率较低。目前多采用等离子焊接,筒体环缝和纵缝等离子焊接如图所示。


2. 容器制造业


  压力容器的用途极为广泛,在石油化学工业领城,压力容器主要用于传热、完成反应等工艺过程,以及运输、贮存有压力的气体或液化气体。化工容器用钢多为不锈钢,筒体直径大多在1000~2500mm之间,壁厚3~40mm。为提高生产效率,3~8mm厚的不锈钢筒体多采用等离子焊焊接。筒体上环缝和纵缝等离子焊接如图4所示。


3. 管道制造


   不锈钢焊管应用于化工、食品、石化、造纸等众多行业。由于焊管的壁厚通常在4~14mm,采用等离子焊接工艺,3~8mm厚的材料可不开坡口,一次焊透,实现单面焊双面成型。对于8mm以上壁厚管子可采用开坡口留钝边的方式,用等离子焊打底,TIG焊盖面。不锈钢焊管如图所示。


4. 工业食品机械


  钢制贮奶罐是储存各种液体(或气体)原料及成品的专用设备,其材质多为不锈钢,厚度在2~10mm。对于直径很大的罐体制造,通常采用倒装法,工件放在大型地转盘上,工件旋转,焊枪置于十字操作架上,筒体纵缝采用等离子立向下焊工艺,环缝采用横焊等离子工艺,该工艺节省了时间,降低了生产成本,质量明显提高。制作现场如图所示。


5. 不锈钢染整机械


  染整机械的设备就是染色、印花、整理的设备,是把本色布加工成染色布或印花布的设备。其中高温高压染色机设备的材质为不锈钢316L,染色机的筒体直径≤3200mm,长度≤6500mm,焊缝形式多为对接纵缝和环缝,通常采用等离子或P+T纵环缝焊接方式。如图7所示。


6. 封头制造


  封头是工业中常见的一种配件,其作用是在高压设备中,阻挡热气蒸发或其他物质的流失。这种配件通过二片或三片板料拼装焊成圆片,通过焊接工艺做出来的封头结实耐用。通常板厚为2~8mm,下料直径≤5000m。封头拼接成圆片时多采用单等离子或P+T自动化焊接系统,如图所示。


7. 波纹管


  焊接波纹管是近年来国内外兴起的一种新型元件,它一般用来做敏感元件、隔离介质、密封元件及温度补偿器等。焊接波纹管膜片的材料通常是不锈钢,厚度一般为0.05~0.3mm。为了保证获得优质焊缝,常采用微束等离子焊接。


8. 等离子弧焊接存在的问题


   随着焊接技术的发展,等离子弧焊接的应用领域也越来越广泛,但在现实的焊接过程中,也存在下列问题:焊前工件装配精度要求较高,装配间隙要小,否则容易引起烧穿缺陷。设备昂贵,投资较大;目前市场上的等离子弧焊机,多以进口品牌为主,而国产的等离子弧焊机,虽然价格上有优势,但性能上差距较大。由于离子气与保护气需分别独立供给,因而等离子弧焊机的电源及电气控制线路较繁琐,工艺参数的调节匹配较复杂。等离子弧焊接的质量会受室外气候的影响,如风沙等因素,因此不适合野外作业。


  随着中国的制造业的迅猛发展,等离子弧焊这种焊接方法将越来越显示出它的优越性。特别是航空航天和尖端工业技术所用的不锈钢、钛及钛合金、锆及其合金、镍及镍合金等金属材料,对厚度3~8mm板材进行焊接,可以在不开坡口情况下,一次焊透且完成单面焊双面成型,施焊过程少了多道工序,降低了制造成本,提高了生产效率。因而在国内相关行业加大推广新型高效的等离子弧焊技术,具有重要的实用价值。


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