等離子堆焊技術(shù)

等離子堆焊技術(shù)的原理與應(yīng)用摘要：等離子弧堆焊是利用等離子弧作為熱源將填加金屬熔化，使之與基體金屬作為實現(xiàn)冶金結(jié)合的一種堆焊方法。等離子堆焊技術(shù)具有節(jié)能、高效和質(zhì)量穩(wěn)定等特點，使其成為重要的綠色制造及再制造技術(shù)之一［1］。隨著國內(nèi)制造業(yè)的迅速發(fā)展，焊接技術(shù)尤其是等離子堆焊技術(shù)也得到較快的發(fā)展。本文介紹了等離子堆焊技術(shù)的原理、應(yīng)用以及發(fā)展前景。關(guān)鍵詞：等離子堆焊 技術(shù)原理設(shè)備與材料工藝及應(yīng)用引言：等離子堆焊于20世紀60年代開始投入工業(yè)應(yīng)用。它是利用焊炬的鎢極作為電流的負極和基體作為電流的正極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移至被焊接的工件表面，并向該熱能區(qū)域送入焊接粉末，使其熔化后沉積在被焊接工件表面，從而實現(xiàn)零件表面的強化與硬化的堆焊工藝。該堆焊技術(shù)具有生產(chǎn)率高，成型美觀以及堆焊過程易于實現(xiàn)機械化及自動化等優(yōu)點。與鎢極氬弧焊相比，等離子堆焊具有熔深可控性強、熔敷速度大、生產(chǎn)率較高，堆焊后基體材料與堆焊材料之間的界面呈冶金結(jié)合狀態(tài)，其結(jié)合強度高，熱輸入量低，稀釋率小。更為重要的是，由于鎢極承載電流的能力較差，因此在氬弧焊中較大的電流會引起鎢極熔化和蒸發(fā)，其微粒有可能進入熔池，造成污染，而等離子堆焊中鎢極需要承受電流較?。?-3］；與手工電弧焊相比，雖然在應(yīng)用靈活性、方便性上稍遜一籌，但在生產(chǎn)效率上槍體現(xiàn)出明顯的優(yōu)勢，且手工電弧焊勞動強度較大、影響焊工健康，產(chǎn)品質(zhì)量受焊工水平和焊條質(zhì)量影響較大；與埋弧焊相比，在焊接位置上的靈活性比較大。另外等離子弧本身具有弧心熱量集中、電弧穩(wěn)定、稀釋率低等優(yōu)點。隨著自控技術(shù)的發(fā)展，越來越多的堆焊設(shè)備中引入了PLC控制，從而實現(xiàn)對弧壓、電流、送粉量、擺動幅度他擺動頻率等堆焊重要參數(shù)的精確控制，另外在堆焊系統(tǒng)中引入數(shù)控系統(tǒng)，可以控制焊槍行走速度和工件運動，通過調(diào)節(jié)相關(guān)的堆焊參數(shù)，可以對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整［4］；與其他堆焊技術(shù)相比，等離子堆焊過程中基體材料與堆焊材料的互熔較少，堆焊材料特性變化??；另外采用粉末作為堆焊材料可提高合金設(shè)計的自由度，使堆焊難熔材料成為可能，從而大幅度提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性［5］。因此等離子堆焊可廣泛地用于石油、化工、工程機械、礦山機械等行業(yè)的新品制造與裝備再制造中。1、等離子堆焊技術(shù)的原理等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應(yīng)用等離子弧產(chǎn)生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現(xiàn)零件表面的強化與硬化的堆焊工藝，由于等離子弧具有電弧溫度高、傳熱率大、穩(wěn)定性好，熔深可控性強，通過調(diào)節(jié)相關(guān)的堆焊參數(shù)，可對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整。等離子粉末堆焊后基體材料和堆焊材料之間形成融合界面，結(jié)合強度高；堆焊層組織致密，耐蝕及耐磨性好；基體材料與堆焊材料的稀釋減少，材料特性變化小；利用粉末作為堆焊材料可提高合金設(shè)計的選擇性，特別是能夠順利堆焊難熔材料，提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。等離子粉末堆焊具有較高的生產(chǎn)率，美觀的成型以及堆焊過程易于實現(xiàn)機械化及自動化。等離子弧是屬于高溫高能束流，電弧溫度可達30000r，功率密度在1.5X102?1.6X104W/mm2。高壓縮程度的等離子弧用于焊接、切割和噴涂時，其效果可與激光、電子束方法相比；而較低壓縮程度的堆焊等離子弧，是一種壓縮性可調(diào)的柔性等離子弧，它既可以實現(xiàn)堆焊對高速熔敷的需求，又可以滿足低稀釋率的條件，同時還不易產(chǎn)生雙弧，成為理想的堆焊熱源。等離子堆焊材料的主要形式是粉末。由于粉末的化學成分可靈活變化，因而與采用絲材的其它堆焊方法相比，等離子堆焊層的成分和性能更容易調(diào)整。等離子堆焊中最常用的粉末材料是自熔劑合金粉末。這是一種自身具有熔劑作用的合金粉末，在熔敷堆焊時不需外加焊劑，合金本身就具有脫氧、造渣和改善潤濕性等作用。在使用過程中，亦可以將兩種或兩種以上不同類型的粉末（其中一種可以是硬質(zhì)相）按一定比例機械混合，以獲得具有另一種成分和性能的堆焊合金粉末，為了快速獲得某種性能的合金，這種方法也經(jīng)常在實驗中使用。堆焊層的稀釋率是反映一種堆焊方法特征的最主要指標之一。稀釋率的大小直接影響了堆焊層最后的成分和金相組織，并最終決定了表面堆焊層的性能。利用等離子堆焊熱源可控性好的特點，堆焊采用自熔劑合金粉末時，可以將基體金屬對堆焊層的稀釋率控制在很低的范圍內(nèi)，如3?7%。若使用反極性等離子堆焊方法可獲得更低的稀釋率。但是，過低的堆焊稀釋率，如3%以下，在常規(guī)部件的整個熔敷界面上難以保證，而且要承擔出現(xiàn)未熔合缺陷的危險。等離子粉末堆焊的熔敷效率是指在堆焊過程中，熔敷金屬與使用的粉末材料的質(zhì)量百分比，它反映了堆焊材料的利用率。熔敷效率的大小直接關(guān)系到等離子堆焊的生產(chǎn)成本（特別是堆焊價格很高的粉末合金時）。等離子堆焊的熔敷效率一般在80?95%左右，某些條件下熔敷率可以達到95%以上。熔敷速度是指單位時間內(nèi)有效熔敷堆焊合金的質(zhì)量，最新資料顯示，等離子粉末堆焊的熔敷速度可達到12.5kg/h或更高【6】。綜上所述，等離子堆焊具有能力密度可控、堆焊粉末材料廣泛以及堆焊層稀釋率低等優(yōu)點，越來越受到重視，但與埋弧焊等相比還具有一些缺點。因此，如何最大限度發(fā)揮堆焊技術(shù)的優(yōu)越性以獲得優(yōu)質(zhì)、低稀釋率的堆焊層，已經(jīng)成為國內(nèi)外堆焊技術(shù)研究的方向之2、等離子堆焊設(shè)備等離子堆焊設(shè)備包括焊接電源、電氣控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、數(shù)控行走系統(tǒng)等。槍體部分工作狀態(tài)時設(shè)備斷面圖見下圖。離離電源采用一臺具有陡降外特性的500A直流電源。非轉(zhuǎn)移弧是從電源上接水冷電阻后供電。即共用端是負極，從正極上引出兩頭，一頭接工件，一頭經(jīng)水冷電阻后到噴嘴的下槍體，構(gòu)成兩電源回路。電氣控制部分三股氣路即等離子形成氣、送粉氣、保護氣、均采用氬氣，氣路與高頻振蕩器串聯(lián)使用?？刂苿幼鞒绦颍弘x子氣一高頻一非轉(zhuǎn)移弧（小?。┮晦D(zhuǎn)移?。ù蠡。娏鞣€(wěn)定到100A時，切斷高頻和小弧）、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動、槍體擺動、送粉氣、保護氣接通f送粉f焊到終點處電流衰減，切斷送粉氣，保護氣衰減一總停。冷卻系統(tǒng)等離子堆焊機的冷卻系統(tǒng)主要是將焊槍工作時由等離子非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧所產(chǎn)生的熱量帶走，使焊槍的溫升保持在安全的范圍之內(nèi)。雖然不同設(shè)備的冷卻系統(tǒng)在細節(jié)上可能有所不同，但其原理都是一致的：通過水泵不斷將冷卻水送到槍體中，回流的溫度較高的水則通過換熱器降溫。水冷系統(tǒng)中水的流動方向大致分為兩種：第一種是水從內(nèi)部流動循環(huán)，即通過導電水管(電纜在水管內(nèi))從作為正極的下槍體水套流入噴嘴，從噴嘴經(jīng)絕緣部分流入作為負極的上槍體水套，最后流回到循環(huán)水箱，此種循環(huán)系統(tǒng)外部走線較整齊，冷卻效果也較好，但對絕緣部分的可靠性有著較高的要求，一旦漏水，槍體難以修理；第二種水循環(huán)方式是水從下槍體流入噴嘴，再從噴嘴流入外部水管，最后經(jīng)上槍體水套流回到循環(huán)水箱。這種水管路較上面顯得繁瑣，但易于維修。2.4槍體等離子堆焊槍的核心部分是等離子弧發(fā)生器，輔以水管路、氣管路及送粉管路。焊槍的品質(zhì)對于堆焊質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。等離子焊槍主要有兩部分組成，即上槍體和下槍體，是由絕緣體來連結(jié)的，性能良好的焊槍應(yīng)滿足：在堆焊過程中，穩(wěn)定性好，安全性高，堆焊效率高，焊后質(zhì)量好，噴嘴使用壽命長，操作方便，易于更換，小巧靈活，手工半自動、自動焊皆可用。槍體主要由鎢電極、離子氣管、陶瓷管、進水管、送粉氣管、保護氣管、出水管、噴嘴組成［7］。3、等離子堆焊工藝3.1等離子弧種類等離子電弧分為非轉(zhuǎn)移弧、轉(zhuǎn)移弧和聯(lián)合型電弧三種。三種電弧形式均是鎢極接電源負極，工件和噴嘴接電源正極。非轉(zhuǎn)移型電弧。電弧形成于鎢極與噴嘴之間，隨著等離子氣流的輸送，形成的弧焰從噴嘴中噴出，形成高溫等離子焰，主要適用于導熱性較好的材料的焊接。但由于電弧能量主要是通過噴嘴傳輸，噴嘴的使用壽命較短，且能量不宜過大，不太適合于長時間的連續(xù)焊接，目前非轉(zhuǎn)移弧在焊接領(lǐng)域應(yīng)用得越來越少了。轉(zhuǎn)移型電弧。轉(zhuǎn)移型電流是在噴嘴與工件之間形成，由于轉(zhuǎn)移弧難以直接形成，需要先在鎢極與噴嘴之間形成細小的非轉(zhuǎn)移弧作為引導，之后過渡到轉(zhuǎn)移弧，當生成轉(zhuǎn)移電弧后，非轉(zhuǎn)移弧同時切斷。由于這種方式可以將更多的能量傳遞給工件，用于焊接，因此轉(zhuǎn)移型電弧普遍地應(yīng)用于金屬材料焊接和切割領(lǐng)域中。混合型電弧。即轉(zhuǎn)移電弧和非轉(zhuǎn)移電弧并存，主要用于微束等離子弧焊接和粉末堆焊中。3.2等離子堆焊重要參數(shù)等離子弧堆焊的主要工藝參數(shù)是：電壓和電流，工作氣、送粉氣和保護氣流量，堆焊速度和送粉量等。在等離子堆焊過程中，最重要的工藝參數(shù)是焊接電流，隨著焊接電流的增加，等離子弧能量增大，熔化和穿透能力增加。焊接電流主要根據(jù)工件材料及堆焊速度和焊粉種類來選定的，電流過大過小都會影響焊后性能。在設(shè)定了其他堆焊參數(shù)后，焊接電流和焊接速度的對應(yīng)關(guān)系：焊接速度增加，相應(yīng)焊接電流也須增加；反之，焊接速度降低，焊接電流要減小，當?shù)入x子氣流量增加時，焊接電流要減小；反之，當?shù)入x子氣流量減小時，焊接電流要增加。工作氣流量一般取0.25~0.6m3/h。它影響弧焰，使電弧不穩(wěn)定。送粉氣流量一般為工作氣流量的1~2倍。焊接速度是影響堆焊質(zhì)量的一個重要參數(shù)。在其他條件一定時，焊接速度增加，工件表面的熱輸入量減小。反之，如果焊速太低，會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，直接影響焊接質(zhì)量。3.3堆焊粉末分類目前國內(nèi)外所采用的等離子堆焊粉末主要有自熔性合金粉末和復合粉末兩大類。自熔性合金粉末自熔性合金粉末主要由鎳基、鈷基、鐵基、銅基等幾類構(gòu)成。雖具有良好的綜合性能，但由于鎳和鈷屬稀缺金屬，成本高，一般也只用于有特殊表面性能要求的堆焊中。而鐵基合金粉末具有原材料來源廣，價格低的特點，同時具有良好的性能，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用［8］。復合粉末它是由兩種或兩種以上具有不同性能的固相所組成，不同的相之間有明顯的相界面，是一種新型工程材料。組成復合粉末的成分，可以是金屬與金屬、金屬（合金）與陶瓷、陶瓷與陶瓷、金屬（合金）與塑料、金屬（合金）與石墨等，范圍十分廣泛，幾乎包括所有固態(tài)工程材料。4、等離子堆焊工藝的應(yīng)用由于等離子堆焊的特點和優(yōu)越性，其已廣泛應(yīng)用于石油、化工、工程機械、礦山機械等行業(yè)［9］。4.1石油化工裝備石化工業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備工況條件具有三高（即高腐蝕、高磨損及高溫）的特點，采用等離子粉末堆焊工藝，將鎳基或鈷基高合金材料堆焊在設(shè)備密封面上，以提高設(shè)備使用壽命和運轉(zhuǎn)安全性。這種方法對提高材料耐磨、耐腐蝕及高溫性能，延長使用壽命，節(jié)省貴重材料，降低產(chǎn)品成本具有重要意義。4.2礦山機械采煤機截齒對強度，耐磨性，壽命要求較高，采用等離子堆焊設(shè)備在表面堆焊特殊合金粉末，可以顯著提高采煤機截齒耐磨、耐沖擊性能，可保護截齒頭免遭強烈的磨損而過早失效，在機械化綜合采煤生產(chǎn)作業(yè)中獲得了推廣應(yīng)用。5、結(jié)論采用等離子粉末堆焊技術(shù)在實現(xiàn)堆焊過程自動化的同時還能取得較高的生產(chǎn)率和堆焊質(zhì)量。相對于集體材料來講，等離子堆焊技術(shù)制備出來的表面合金層性能更加優(yōu)良，雖然堆焊層厚度一般只有幾微米到幾毫米，僅是工件整體厚度的幾十分之一或幾分之一，但是相對基體材料而言，具有更高的耐磨性、耐腐蝕性以及耐高溫性能。此外，由于采用此技術(shù)的費用僅占產(chǎn)品價格的10-30%，卻能夠很大幅度地提高產(chǎn)品的性能以及附加值而獲得更高的效益。參考文獻：鄧德偉，陳蕊，張洪潮.等離子堆焊技術(shù)的現(xiàn)狀及發(fā)展趨勢J].機械工程學報，2013（4）；鄧