等离子堆焊技术在各行业应用

粉末等离子弧堆焊技术——唐山博特表面工程技术有限公司1．原理与特点1.1原理粉末等离子弧堆焊的基本过程如图1所示，利用等离子弧焊枪（或称喷枪，等离子弧发生器），在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使气体电离形成电弧，此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，在压缩孔道冷气壁的作用下，产生热收缩效应、机械压缩效应、自磁压缩效应，使弧柱受到强行压缩，这种电弧为“压缩电弧”，称为等离子弧。电弧被压缩后，和自由电弧相比会产生很大的变化，突出的是弧柱直径变细，促使弧柱电流密度显著提高，气体电离很充分，因而电弧具有温度高、能量集中、电弧稳定、可控性好等特点。等离子弧焊枪产生的等离子弧分非转移型弧（阴极与喷嘴间建立的电弧）和转移型弧(阴极与工件间建立的电弧)。等离子弧堆焊的主要热源是转移型等离子弧。一）非转移型电弧：非转移型电弧燃烧在钨极与喷嘴之间，焊接时电源正极接水冷铜喷嘴，负极接钨极，工件不接到焊接回路上；依靠高速喷出的等离子气将电弧带出，这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属。（二）转移型电弧：转移型电弧直接燃烧在钨极与工件之间，焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，然后将电弧转移到钨极与工件之间；在工作状态下，喷嘴不接到焊接回路中。这种电弧用于焊接较厚的金属。（三）联合型电弧：转移弧及非转移弧同时存在的电弧为联合型电弧。混合型电弧在很小的电流下就能保持稳定，因此特别适合于薄板及超薄板的焊接。(1)等离子弧区的温度高达((1.0一5.0)x104K，因此可以堆焊各种金属，使用材料范围广，制备简单，可配置不同性能的粉末;(2)工艺稳定性好，熔化材料的喷射速度可高达600m/s,因此，堆焊层的材料密度高、机械性能好;(3)沉积效率比较高(可高达98kg/h);(4)调节性好，易于自动化操作;(5)稀释率低，小于5%，能充分保证合金材料性能，并且采用氢气、氮气等作为工作气体，被堆焊材料不易氧化;(6)堆焊层平整光滑，尺寸范围宽，且可精确控制，一次可以堆焊宽1一150mm，厚0.25一8mm;(7)被堆焊的上件温度较低，一般不易变形，为了进一步降低堆焊时工件的温度，还可以用气体对工件进行冷却。在采用联合弧堆焊时，一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧(简称“非弧”)和转移弧(简称“转弧”)。两个电源的负极并联在一起，通过水电缆接至焊枪的钨电级（阴极）。非弧电源的正极通过水电缆接至焊枪的喷嘴。转弧电源的正极接至工件。循环冷却水通过水电缆引至焊枪，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和流量调节器进入焊枪。非弧电源接通后，借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后，借助非弧在钨极和工件间造成的导电通道，引燃转弧。转弧引燃后，可保留或切断非弧，主要利用转弧的热量在工件表面产生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量连续供给，借助送粉气流送入焊枪，并吹入电弧中。粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态落入熔池，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧电流来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量，合金和工件表层熔合。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，便在工件上获得所需要的合金堆焊层。1.2特点粉末等离子弧堆焊，由于采用了热量集中，可控性好的等离子弧作热源，采用了易于熔化，特别是自熔性好的合金粉末作填充金属，从而与其它表面堆焊方法相比，具有以下特点：（1）适于易于制成粉末而难于制成丝材的高合金或复合材料堆焊。（2）合金粉末及其熔池对电弧有缓冲作用，能有效控制熔深，母材冲淡率低。（3）堆焊层硬度均匀，组织均一，易于避免质量缺陷。（4）焊道成形平整、美观，尺寸及熔敷率可调范围宽，适应工件大小的范围宽。（5）采用细粉易于熔化的优点，可采用微束等离子弧作热源，实现精细堆焊。（6）堆焊过程连续，易于实现全自动化堆焊。1.3.其缺点是：（1）在堆焊过程中有少量粉末飘散造成浪费。（2）因粉末飞溅，长时间施焊易产生粘嘴现象，影响工艺稳定。（3）堆焊质量对粉末质量的依赖性大，大部分堆焊材料系自熔性合金。2．设备系统由送粉器、摆动机、调高机、焊枪支架及三维微调机、等离子焊枪等组成堆焊机机头。3．工艺控制3.1主要工艺参数（1）非转移弧电流非弧首先起过渡引燃转弧的作用，并可作为辅助热源加以利用。非弧的阳极在喷嘴孔道壁面上，电弧的大部分热量传给喷嘴，由冷却水带走，不利于喷嘴的冷却，对堆焊过程稳定性不利。因此，堆焊过程中即或保留，电流规范也不宜过大，一般在50A以下。（2）转移弧电流转弧是堆焊的主要热源，转弧电流是关键工艺参数。在其他参数不变的情况下，随着转弧电流的增加，电弧功率增加，加热熔化粉末及过渡到工件的热量增加，熔池温度升高，合金熔化得更充分，但熔深加深，增加了母材冲淡率。在设定好熔敷率后,要视熔池状况，调整好转移弧电流，以获得最佳的堆焊质量。（3）转移弧电压当喷嘴的压缩孔道长度及钨极内缩长度确定后，转弧电压随焊枪距离工件的高度几乎成线性增加,选择了转弧电压即选择了弧长。可据工件对象和对熔敷率的要术选择转弧电压,短弧堆焊利于电弧稳定和对熔池的保护;长弧堆焊利于提高电弧功率,增加熔敷率。（4）送粉量送粉量是指单位时间内由送粉器供给，通过焊枪送进电弧的粉量，一般用g/min表示。正常的堆焊状态，转弧电流和送粉量有正比关系,从而送粉量决定了熔敷率。送粉量受到焊枪性能，电源输出功率等因素制约。对具体的工件，送粉量有最佳的选择范围。（5）工件移动速度工件移动速度亦称堆焊速度，用线速度（mm/min）或转速（r/min）表示。在焊道成形尺寸确定的情况下，工件移动速度和其他参数有对应关系。在其他参数不变的情况下，提高移动速度，焊道减薄，熔深减小。最佳堆焊状态，应视具体情况调整参数之间的匹配关系。（6）摆动参数焊枪摆动是为了一次获得较宽的焊道。摆动参数包括:摆幅:焊枪往复移动的宽度,mm;摆频:每分钟摆动的次数,次/min;两端仃留的时间。采用数码匀速摆动器,可设定以上参数。（7）离子气流量离子气是形成等离子弧的工作气体，对电弧起压缩作用。过大的离子气流量会使电弧变“刚”，对熔池的穿透力增强，工件熔深增加。过小的离子气流量，不足以维持冷气壁效应，对电弧压缩不利，危及电弧的稳定。气流量应取决喷嘴孔径大小和对电弧的压缩性。一般根据孔道的截面积，流量在12-15L/mm2.h范围内选取。（8）送粉气流量送粉气起输送粉末作用，过大的送粉气流量会对电弧干扰并造成粉末飘散；过小气流量将造成堵粉现象，采用对称喷射式送粉时，控制好送粉气流量尤为重要，适宜的送粉气流量可形成很好的喷射效果。（9）保护气流量保护气对熔池起保护作用，在形成良好保护气罩的情况下减少气耗量。4．应用示例4.1应用分类粉末等离子堆焊工艺已应用于工业制造业的多个领域,主要目的在于获得有特定性能(耐磨、耐蚀、耐温等性能)的合金硬面层。从应用角度有以下分类:（1）按工件堆焊面的几何形状分类。主要分为:园平面、园锥面、园柱面、园柱螺旋面、平面线段或平面等。针对不同类型的工件,在工艺控制程序上有所区别。对于复杂的平面线段(连续或不连续的直线段或曲线段),要实现全自动堆焊,就要采用数控系统。对同一类型工件,在几何尺寸上相差甚大者,则要选择相适应的机型。（2）按工件所属的制造行业分类。根据目前的应用情况,主要有:阀门制造行业、气门制造行业、冶金轧制工具制造行业、石油机械行业、煤矿机械行业、电力机械行业等等。随着应用范围的扩大，将会有更多的制造行业在产品的修造中采用粉末等离子堆焊技术。4.7在易损件修造上的应用：例如堆焊螺旋输送器辊道面;堆焊截齿受磨面等。