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[摘 要]为了提高公司产品质量，增强产品竞争力，我公司利用等离子弧稳定性原理及压缩效应对真空等离子焊箱定枪的阴极和喷嘴进行了合理改造后，不仅可以正常使用，还能够满足公司对电极的焊接工艺要求，提高了产品质量。焊接焊缝宽度可达25 mm～30 mm，深度达15 mm～20 mm，满足公司焊接工艺要求。设备自改造使用至今，一直运行良好，在生产运行中发挥着重要作用。
[关键词]真空等离子焊箱 钨极定枪改造 铜极 钛及钛合金
中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0116-02
一、背景
我公司主要进行钛及钛合金产品的生产，钛是一种高活性金属，在高温下易于其它元素进行反应，例如氧、氮等，并且钛电极在空气中进行焊接，熔池容易脆化产生裂纹，焊接质量不达标，易造成“掉蛋”现象，因此钛及钛合金电极均使用真空等离子焊箱在真空状态下进行焊接，其优点在保证焊接质量的同时还能够避免其它元素对于钛及钛合金的污染。
我公司目前使用的真空等离子焊箱为国产制造，其使用时间长达到11年，设备年限较长，许多技术相比现在已经极大的落后，产品质量停滞不前。随着我厂生产任务的增长，各户产品质量的要求越来越高，这台设备已经不能满足产品工艺技术要求，因此急需对现有焊箱进行必要改造。根據现在钛合金行业真空焊箱研造情况，可将设备现用的钨极定枪改变为铜极定枪。
二、焊箱定枪铜极改造
2.1 定枪结构
钨极定枪由调节气缸、阴极杆组件、水套、导气套、喷嘴、阴极头及钨极组成。其是以钨极作为阴极，喷嘴作为阳极进行氩气电离产生等离子弧。我们结合设备实际情况，可在保留原定枪调节气缸、阴极杆组件、导气套不变的情况下，只要重新设计引弧端（即将钨极与阴极头合并改为铜极）以及新型喷嘴即可。将钨极与阴极头合并改为铜极，铜极材料可选择铬锆铜，铬锆铜作为电极材料优势显著，有导电性能良好，硬度高，抗裂性以及软化温度高，焊接时电极损耗小，焊接速度快等优点。
2.2 定枪改造
2.2.1 原定枪结构简介。图1所示为改造前焊箱配套的定枪结构图。
2.2.2 正极头设计：
参考图1，定枪的起弧方式为高频引弧，钨极为负极，喷嘴为正极。当钨极头加载高频电源时，周围气体被电离与喷嘴之间形成小弧，此时喷嘴断电，电极头为正极，物料为负极，电极头通过喷嘴与物料之间起弧，形成稳定的等离子弧。形成的电弧主要分为阴极区、弧区、阳极区。阴极区主要由阴极斑点组成。阴极斑点是产生电弧放电的基础，总是快速不间断地游离于阴极表面上。宏观看它是无规律的，实际则有自己的规律性，即总是向阴极表面逸出功最小处转移。
根据其规律我们设计了两种阳极头来验证。如图2中A型与B型，A型电极头部为圆台状，B型电极头为圆锥状。
2.2.3：喷嘴的改进
喷嘴设计可分为四部分，第一、外形及安装。主要包含喷嘴外形，喷嘴与水套之间的装配。第二：密封，主要保证冷却水能够有效作用于喷嘴。第三，起弧部位，此处正极头与喷嘴之间可相互电离氩气，产生小弧，第四：喷嘴孔径，根据电弧压缩原理可知孔径不同，熔池也会相应发生变化，合适的孔径能够使我们达到焊接工艺要求。
此次改造中定枪水套不发生改变，因此新喷嘴安装尺寸与密封尺寸与原喷嘴保持一致，然后根据正极头尺寸及圆锥弧度，可加工出相应的配合弧面。最后对于喷嘴孔径的选择，借鉴旧喷嘴形式，我们共设计了φ8、φ10、φ12三种孔型，其孔径比依此为1.2、1.04、0.92。最后成型喷嘴样式如图3。
新的正极头及喷嘴制作出来后，在工艺规定的电流区间及氩气气量等条件下，通过调节气缸来调整定枪间隙至合适位置后，我们进行了实际测验，测验结果为表格1：
通过上表我们可以看出B型正极头与φ10、φ12两种喷嘴可满足我们使用要求，但从使用周期中我们可以看到，φ10的喷嘴使用炉次明显高于φ12的喷嘴，因此我们选择φ10的喷嘴，作为我厂此次的定型喷嘴。
结果分析：
将A、B型阳极头与喷嘴安装后，A型电极头起弧后，弧柱极不稳定，非常容易造成息弧现象，依据电弧稳定特性设计的B型电极头部为倒圆锥状，起弧后，弧柱稳定。对比两种阳极头依据电弧稳定原理：A型电极头部呈平面状，斑点会在较大区间甚至整个平面上游动，不易集中，电弧稳定性差，B型电极头由于阴阳极间距始终保持中央最小，尖端处电子逸出功最小，斑点集中在尖端附近。阴极斑点游动区间小，所以电弧稳定。因此，B型倒圆锥电极头，有助于电弧的稳定燃烧。
经过反复试验改进后，总体取得圆满成功，存在不足之处主要有一点，焊箱配套的冷却水温由42°上升至56°，在不改变现有设备的情况下，我们将冷却水排量由目前的0.4MPa提高至0.55MPa，并将现有阴极杆冷却组件进行局部变动后，使阴极头冷却更好，水温降至46°，可满足设备使用需求。
三、结论
对真空等离子焊箱定枪的阴极和喷嘴进行了合理改造后，不仅可以正常使用，还能够满足公司对电极的焊接工艺要求，提高了产品质量。焊接焊缝宽度可达20mm～25mm，深度达15mm～20mm。设备自改造使用至今，一直运行良好，在生产运行中发挥着重要作用。
参考文献
[1] 安藤弘平.焊接电弧现象[M]施雨湘，译北京：机械工业出版社，1985：74一98.
[2] 刘平，田宝红，赵冬梅.铜合金功能材料[M]，北京：科学出版社，2004.
[3] 代大山，宋永伦，张慧，等.等离子电弧力的研究[J].焊接学报，2002，23（2）：51-54.
[4] 崔信昌等.离子弧焊接和切割[M].北京：国防工业出版社，1980.
[关键词]真空等离子焊箱 钨极定枪改造 铜极 钛及钛合金
中图分类号：TH17 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2017）38-0116-02
一、背景
我公司主要进行钛及钛合金产品的生产，钛是一种高活性金属，在高温下易于其它元素进行反应，例如氧、氮等，并且钛电极在空气中进行焊接，熔池容易脆化产生裂纹，焊接质量不达标，易造成“掉蛋”现象，因此钛及钛合金电极均使用真空等离子焊箱在真空状态下进行焊接，其优点在保证焊接质量的同时还能够避免其它元素对于钛及钛合金的污染。
我公司目前使用的真空等离子焊箱为国产制造，其使用时间长达到11年，设备年限较长，许多技术相比现在已经极大的落后，产品质量停滞不前。随着我厂生产任务的增长，各户产品质量的要求越来越高，这台设备已经不能满足产品工艺技术要求，因此急需对现有焊箱进行必要改造。根據现在钛合金行业真空焊箱研造情况，可将设备现用的钨极定枪改变为铜极定枪。
二、焊箱定枪铜极改造
2.1 定枪结构
钨极定枪由调节气缸、阴极杆组件、水套、导气套、喷嘴、阴极头及钨极组成。其是以钨极作为阴极，喷嘴作为阳极进行氩气电离产生等离子弧。我们结合设备实际情况，可在保留原定枪调节气缸、阴极杆组件、导气套不变的情况下，只要重新设计引弧端（即将钨极与阴极头合并改为铜极）以及新型喷嘴即可。将钨极与阴极头合并改为铜极，铜极材料可选择铬锆铜，铬锆铜作为电极材料优势显著，有导电性能良好，硬度高，抗裂性以及软化温度高，焊接时电极损耗小，焊接速度快等优点。
2.2 定枪改造
2.2.1 原定枪结构简介。图1所示为改造前焊箱配套的定枪结构图。
2.2.2 正极头设计：
参考图1，定枪的起弧方式为高频引弧，钨极为负极，喷嘴为正极。当钨极头加载高频电源时，周围气体被电离与喷嘴之间形成小弧，此时喷嘴断电，电极头为正极，物料为负极，电极头通过喷嘴与物料之间起弧，形成稳定的等离子弧。形成的电弧主要分为阴极区、弧区、阳极区。阴极区主要由阴极斑点组成。阴极斑点是产生电弧放电的基础，总是快速不间断地游离于阴极表面上。宏观看它是无规律的，实际则有自己的规律性，即总是向阴极表面逸出功最小处转移。
根据其规律我们设计了两种阳极头来验证。如图2中A型与B型，A型电极头部为圆台状，B型电极头为圆锥状。
2.2.3：喷嘴的改进
喷嘴设计可分为四部分，第一、外形及安装。主要包含喷嘴外形，喷嘴与水套之间的装配。第二：密封，主要保证冷却水能够有效作用于喷嘴。第三，起弧部位，此处正极头与喷嘴之间可相互电离氩气，产生小弧，第四：喷嘴孔径，根据电弧压缩原理可知孔径不同，熔池也会相应发生变化，合适的孔径能够使我们达到焊接工艺要求。
此次改造中定枪水套不发生改变，因此新喷嘴安装尺寸与密封尺寸与原喷嘴保持一致，然后根据正极头尺寸及圆锥弧度，可加工出相应的配合弧面。最后对于喷嘴孔径的选择，借鉴旧喷嘴形式，我们共设计了φ8、φ10、φ12三种孔型，其孔径比依此为1.2、1.04、0.92。最后成型喷嘴样式如图3。
新的正极头及喷嘴制作出来后，在工艺规定的电流区间及氩气气量等条件下，通过调节气缸来调整定枪间隙至合适位置后，我们进行了实际测验，测验结果为表格1：
通过上表我们可以看出B型正极头与φ10、φ12两种喷嘴可满足我们使用要求，但从使用周期中我们可以看到，φ10的喷嘴使用炉次明显高于φ12的喷嘴，因此我们选择φ10的喷嘴，作为我厂此次的定型喷嘴。
结果分析：
将A、B型阳极头与喷嘴安装后，A型电极头起弧后，弧柱极不稳定，非常容易造成息弧现象，依据电弧稳定特性设计的B型电极头部为倒圆锥状，起弧后，弧柱稳定。对比两种阳极头依据电弧稳定原理：A型电极头部呈平面状，斑点会在较大区间甚至整个平面上游动，不易集中，电弧稳定性差，B型电极头由于阴阳极间距始终保持中央最小，尖端处电子逸出功最小，斑点集中在尖端附近。阴极斑点游动区间小，所以电弧稳定。因此，B型倒圆锥电极头，有助于电弧的稳定燃烧。
经过反复试验改进后，总体取得圆满成功，存在不足之处主要有一点，焊箱配套的冷却水温由42°上升至56°，在不改变现有设备的情况下，我们将冷却水排量由目前的0.4MPa提高至0.55MPa，并将现有阴极杆冷却组件进行局部变动后，使阴极头冷却更好，水温降至46°，可满足设备使用需求。
三、结论
对真空等离子焊箱定枪的阴极和喷嘴进行了合理改造后，不仅可以正常使用，还能够满足公司对电极的焊接工艺要求，提高了产品质量。焊接焊缝宽度可达20mm～25mm，深度达15mm～20mm。设备自改造使用至今，一直运行良好，在生产运行中发挥着重要作用。
参考文献
[1] 安藤弘平.焊接电弧现象[M]施雨湘，译北京：机械工业出版社，1985：74一98.
[2] 刘平，田宝红，赵冬梅.铜合金功能材料[M]，北京：科学出版社，2004.
[3] 代大山，宋永伦，张慧，等.等离子电弧力的研究[J].焊接学报，2002，23（2）：51-54.
[4] 崔信昌等.离子弧焊接和切割[M].北京：国防工业出版社，1980.