等離子氣刨在工程機械結(jié)構(gòu)件制造還能這么用

焊接在工程機械結(jié)構(gòu)件制造中應用廣泛，無論是CO2氣體保護焊還是混合氣體焊接等焊接方法，總會出現(xiàn)部分焊接缺陷，如未熔合、未焊透、氣孔、裂紋、夾渣或外觀質(zhì)量問題。根據(jù)焊縫設計和質(zhì)量等級要求有些是不允許存在的，需要采取清根焊補等返修措施確保焊縫質(zhì)量。目前主要采取碳弧氣刨、氧燃料氣刨、打磨和破碎錘等工藝手段進行焊接缺陷，清理焊接坡口進行焊補確保焊接質(zhì)量，在大多數(shù)工程機械廠家均采取碳弧氣刨實施。1.碳弧氣刨技術(shù)應用

（1）工作原理

在焊接生產(chǎn)中，碳弧氣刨因其相比其他工藝措施有較大優(yōu)越性，廣泛用來刨槽、消除焊縫缺陷和背面清根。其工藝原理為使用碳棒或石墨棒作電極，與工件間產(chǎn)生電弧，將金屬熔化，并用壓縮空氣將熔化金屬吹除的一種表面加工溝槽的方法。其主要工作原理和設備如圖1所示。

圖1?碳弧氣刨示意1.電源

2.氣刨槍

3.碳棒4.電纜氣管

5.壓縮空氣

（2）應用特點

碳弧氣刨使用過程中對電流的要求較大，一般采取具有陡降外特性且動特性較好的大功率直流電源，交流電源因其電流過零點時間長會引起電弧的不穩(wěn)定，其主要應用特點為：①手工碳弧氣刨時，靈活性很大，可進行全位置操作，可達性好，非常簡便。②清除焊縫的缺陷時，在電弧下可清楚地觀察到缺陷的形狀和深度。③效率高，用自動碳弧氣刨時，具有較高的精度，減輕勞動強度。

但碳弧氣刨有明顯的缺點：如碳弧有較大的煙霧、粉塵污染、噪聲較大和弧光輻射，對操作者的技術(shù)要求高，熱輸入值較高，如圖2所示。此外，操作不當容易引起焊道處增碳，對后續(xù)補焊十分不利，需要砂輪修磨處理，近年來也研制成功交流方波電源，尤其是動特性和控制性能優(yōu)良的逆變式交流方波電源，但上述明顯的不足也很難彌補。

圖2

碳弧氣刨現(xiàn)場2.等離子氣刨工藝研究

隨著精細等離子在焊切領域的應用越來越廣泛，它是利用高溫在噴嘴處噴射出來的高速氣流離子化，從而形成導電體。當電流通過時，該氣體即形成高溫等離子電弧，電弧的熱量使工件切口處的金屬局部熔化（和蒸發(fā)），并借助高速等離子氣流的動力排除熔融金屬以形成切口的一種加工方法。它利用環(huán)形氣流技術(shù)形成的細長并穩(wěn)定的等離子電弧，保證了能夠平穩(wěn)且經(jīng)濟地切割任何導電的金屬，并具有切割精度高，切割速度快的優(yōu)勢。

近年來，越來越多的焊切設備廠家研究利用高能等離子來清理焊接焊縫缺陷，即等離子氣刨工藝技術(shù)，它只需要70A以上較低的電源，割炬和刨嘴即可實現(xiàn)等離子氣刨，必要時采取刨割熱板，采取空氣、氧氣、氮氣或氬氣/氫氣（H35）實施，若采取空氣，相比等離子切割只需具有較低的空氣壓力，柔和的、較寬的弧，刨削傾角調(diào)整范圍廣，如圖3所示。

圖3

等離子刨削示意

通過大量的工藝試驗，確定在氣體壓力、刨槍距工件工作面距離一定的情況下，對溝槽形狀、尺寸和效率的影響，具體如表1所示，在30°~60°傾角范圍內(nèi)刨削效率最高。3.等離子氣刨的應用及對比

為了研究等離子刨削的先進性，我們分別采取某國際知名品牌的1000A碳弧氣刨機和150A等離子氣刨機進行對比試驗。試驗條件為：碳弧氣刨采取8mm碳棒，等離子氣刨氣體采用普通壓縮空氣，試驗材料采用推土機主機架關(guān)鍵焊縫如圖4所示，主要材質(zhì)為Q460C低合金高強鋼板。

圖4?試驗工件及焊縫位置示意

（1）刨削溝槽質(zhì)量對比

針對兩臺同位置的焊接缺陷采取碳弧氣刨（已修磨）和等離子氣刨后，外觀質(zhì)量如圖5所示，首先本次試驗碳弧氣刨速度為0.6~0.8m/min，焊縫刨削質(zhì)量較差，且溝槽較寬對母材影響較大，刨削速度對刨槽尺寸和表面質(zhì)量都有一定的影響，刨削速度太快會造成碳棒與金屬相碰，使碳粘在刨槽的頂端，形成所謂“夾碳”的缺陷，必須經(jīng)過砂輪修磨后的方可進行焊接措施。刨槽表面有厚度為0.54~0.72mm的硬化層，硬化層是由于處于高溫的表層金屬被急冷后而造成的，而不是滲碳的結(jié)果，并隨工藝參數(shù)的變化而變化，但最深≤l.0mm。150A等離子弧速度為1.5m/min，刨削溝槽質(zhì)量好，尺寸規(guī)則，且很少或基本上不需要打磨，同時無碳層，若采取氮氣或氬氣/氫氣（H35）等介質(zhì)保護實施屏蔽了空氣，金屬珠與空氣不發(fā)生反應，可以留下一層氮化物，有助于進一步焊接。

圖5

刨削焊縫外觀質(zhì)量

（2）煙霧發(fā)塵量對比

考慮到刨削現(xiàn)場產(chǎn)生強弧光和大量煙塵，要求刨削操作人員必須穿戴防護，尤其是防護面罩。然后針對兩種刨削方式進行防護罩內(nèi)、工作區(qū)以及工作區(qū)外（2m）分別收集發(fā)塵量并進行檢測對比，同時針對工作區(qū)刨削溝槽產(chǎn)生區(qū)附近進行發(fā)塵量的采集對比，結(jié)果如圖6、7所示。

圖6

發(fā)塵量數(shù)據(jù)對比1

圖7

刨削發(fā)塵量數(shù)據(jù)對比2

通過刨削煙霧和發(fā)塵量數(shù)據(jù)的收集進行分析，可以得出如下結(jié)論：①煙塵量濃度由高到低依次為：工作區(qū)、工作區(qū)外、防護罩內(nèi)。②刨削產(chǎn)生區(qū)的煙塵量由高到低依次為熔化區(qū)、過渡區(qū)、母材區(qū)。③單位發(fā)塵量：等離子氣刨發(fā)塵量遠遠低于碳弧氣刨。

（3）成本效率對比

兩種刨削設備負載持續(xù)率按分別為等離子40%、碳弧氣刨20%，采取相應的刨削速度進行多批次工藝試驗，得出綜合使用成本如表2所示，可以看出等離子氣刨較碳弧氣刨無需碳棒電極，減少了消耗品損耗，使用綜合成本較碳弧氣刨低約50%；同時等離子氣刨不劇烈，安全性高，沒有潛在的火災危險，噪聲較小，同時擁有更快的氣刨速度，節(jié)約勞動力成本同時減少潛在缺陷，不需要專門配置除塵設備，如表2所示。

通過上述等離子氣刨和碳弧氣刨在三個方面的對比試驗分析，等離子刨削具有明顯的使用優(yōu)越性，同時針對焊接缺陷的工件修復的溝槽焊道無需進行二次打磨，形成的一層氮化物對后續(xù)的焊接起到了促進作用，確保焊縫返修的質(zhì)量效果，如圖8所示。

圖8

工件焊縫修復效果圖4.等離子刨削技術(shù)應用展望

綜上，等離子刨削技術(shù)在公司結(jié)構(gòu)件焊接缺陷的清根處理中表現(xiàn)出了一系列優(yōu)點，例如刨削溝槽質(zhì)量好、形狀規(guī)則、無需二次打磨處理等，同時使用成本較低，安全性高，尤其刨削弧光弱、噪聲小、煙霧少深受廣大一線操作人員喜愛，更好地保護了操作者的身心健康。

隨著國家對環(huán)保的逐步重視和工業(yè)生產(chǎn)面臨的各種嚴苛的挑戰(zhàn)，越來越多的企業(yè)也開始注重選擇環(huán)保類產(chǎn)品，等離子氣刨作為等離子切割技術(shù)衍生出的一