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等離子弧堆焊

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等離子弧堆焊工藝是表面塗覆技術的一個分支,是焊接工藝方法在表面工程領域中的重要應用。與其它類型的表面工程技術如化學領域中的電鍍、熱處理領域中的表面熱處理化學熱處理等相比,等離子弧堆焊是一種表面處理新技術在國內外獲得了很快的發展[1]。
中文名稱
等離子弧堆焊
英文名稱
plasma arc surfacing
定  義
利用等離子弧作熱源的堆焊。
應用學科
機械工程(一級學科),焊接與切割(二級學科),熔焊(三級學科)
中文名
等離子弧堆焊
外文名
Hard Surfacing

等離子弧堆焊技術介紹

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等離子弧堆焊工藝是表面強化技術的一個分支。它以聯合型或轉移型等離子弧作為熱源,採用合金粉末或焊絲作為填充金屬,堆焊時將工件表面及堆焊材料同時熔化,並使兩種材料相互混合構成熔池,熔池經冷凝結晶形成堆焊層。
等離子堆焊技術出現於20世紀60年代。發展初期,主要用於修復損壞的零件,如恢復零件的形狀尺寸等。後逐漸將恢復形狀尺寸與強化表面及表面改性相結合。80年代以後,等離子堆焊技術的應用領域進一步擴大,從表面修復擴展到製造業。進入90年代以來,受先進製造技術發展的影響,對等離子堆焊設備的研究越來越深入。國外設備對堆焊過程的主要工藝參數可進行自動檢測和自動模擬控制,同時對試驗數據建立數據庫進行微機處理,從而大大提高了堆焊自動化程度。近年來,等離子堆焊技術與智能控制技術(CAD/CAM)和精密磨削技術相結合的近淨型技術(Near Net Shape)引起製造業的廣泛關注,同時其應用範圍也不斷擴大。

等離子弧堆焊產生及特點

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等離子弧是利用特製的焊槍,在陰極和冷噴嘴之間或者陰極和工件之間,使氣體電離形成的電弧(又稱壓縮電弧)。當電弧穿過水冷噴嘴小孔時,受到冷氣流和水冷噴嘴孔壁的冷卻作用,電弧將產生以下三種壓縮效應:
(1)熱壓縮效應
紫銅噴嘴具有良好的導電性和導熱性,由於受到水冷,噴嘴孔壁的温度很低。因此,進入噴槍氣室內具有一定壓力的氣體離孔壁越近,其電離度越低,與孔壁貼近的冷氣層基本上未電離,而是中性氣體,這樣使電弧和孔壁之間形成一圈既絕緣又隔熱的中性氣流層,電弧電流被迫集中到氣體電離程度高的中心部位,電弧電流截面的收縮使電流密度增加,全部過程即為熱壓縮的有效反應。
(2)機械壓縮效應
等離子弧柱周圍的冷氣層依附在噴嘴孔道的壁面。因此噴嘴孔徑基本上確定了環形冷氣流層的直徑,也確定了等離子弧的粗細。顯然噴嘴孔徑及其幾何尺寸除通過熱壓縮效應實現對電弧不同程度的壓縮外,還起到對電弧的機械壓縮作用。
(3)自磁壓縮作用
電弧電流有一定的流向,弧柱相當於一束電流方向相同的平行導體。每根通電導體都在它周圍產生磁場,在電磁力的作用下,使弧柱受到指向弧柱中心的壓縮力,從而弧柱受到壓縮。
這三種壓縮效應使電弧弧柱的截面積縮小,帶電粒子密度增大,電場強度提高,這種壓縮了的電弧稱為等離子弧。
等離子弧具有如下特點:
(1)等離子弧温度高、熱量集中
由於等離子弧具有壓縮作用,故其中心温度可達10000~50000K,能量密度可高達10~10W/cm。由於等離子弧温度高,因此被加工材料一般不受熔點的限制。
(2)等離子弧熱穩定性好
由於等離子弧中的氣體是充分電離的,所以其電弧更穩定。等離子弧電流和電弧電壓相對於弧長在一定範圍內的變化不敏感,即在弧柱較長時仍能保持穩定燃燒,沒有自由電弧易飄動的缺點。
(3)等離子弧具有可控性
等離子弧可以在很大範圍內調節熱效應,除了改變輸入功率外,還可以通過改變氣體的種類、流量及改變噴嘴的結構尺寸來調節等離子弧的熱能和温度;可以通過選擇不同的工作氣體來調整等離子弧工作氣氛;可以通過改變電弧電流、氣體流量和噴嘴壓縮比來調節電弧的剛度。

等離子弧堆焊原理及特點

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2.2.1 等離子弧堆焊的原理
等離子弧按電源的連接方式分為轉移型和非轉移型兩種基本形式。轉移型的電源兩極分別接於電極與工件,電弧在它們之間燃燒,水冷噴嘴起收縮作用。非轉移型的電源兩極分別接於電極和水冷噴嘴上,工件不接電源,噴嘴既是電極,又起收縮作用。轉移型與非轉移型同時存在的稱為混合型等離子弧,堆焊是以混合型和轉移型等離子弧為熱源。圖2為等離子弧堆焊原理示意圖。
在採用聯合型等離子弧堆焊時,一般採用兩台獨立的直流弧焊機作電源,分別供給非轉移弧和轉移弧。合金粉末在弧柱中被預先加熱,呈熔化或半熔化狀態,噴射到工件熔池裏,在熔池裏充分熔化,並排出氣體和浮出熔渣。通過調節轉移弧和非轉移弧電流、送粉量和其他工藝規範參數,來控制合金粉末的熔化及傳遞給工件的熱量。隨着焊槍和工件的相對移動合金熔池逐漸凝固,在工件上獲得高密度、高結合強度的堆焊組織結構。
圖1 等離子弧堆焊的原理示意圖
2.2.2 等離子弧堆焊的特點
與其他表面堆焊方法如氧乙炔火焰堆焊、焊條電弧堆焊等相比較,等離子堆焊具有許多優點。
(1)生產率較高。等離子弧堆焊過程是在自動化控制下進行的,其生產率高,熔敷率高。現在國外的大功率等離子弧堆焊電流高達500A,熔敷率可達12kg/h。
(2)母材對合金稀釋率低。由於工藝上可調規範參數多,因此能主動控制熱量輸入。合金粉末在弧柱中被預先加熱,呈噴射狀過渡到熔池,對電弧吹力有緩衝作用,熔池受熱均勻,因而可控制母材熔深,降低母材對合金的稀釋率。
(3)堆焊層成形較好。等離子弧堆焊一般採用氬氣保護,堆焊層成形平整、光滑。通過改變工藝規範參數,可精確控制成形尺寸且尺寸範圍寬。
(4)噴焊層質量和工藝穩定性好。由於等離子弧穩定性好,外界因素的干擾對電參數和電弧穩定性影響較小,從而使工藝易於穩定。由於等離子弧温度高,熱量集中,噴焊速度快,一次熔成,使工件熱影響區小,噴焊層合金組織晶粒細,硬度和化學成分均勻,噴焊層質量好。
(5)合金粉末製備簡便,使用材料範圍廣。等離子弧區的温度高達(1.0-5.0)×l0K,因此可以堆焊各種金屬。堆焊用合金粉末系熔鍊後直接霧化成球狀的粉末,製備簡便,可按需要的配方熔鍊成成分不同的合金粉末,獲得不同性能的合金熔焊層,以適應不同條件下對零部件表面性能的要求。噴焊合金材料的種類多,有鈷基、鎳基、鐵基、銅基等。一般具有高硬度、耐磨損、耐高温和耐腐蝕的合金難以製成線材並用其他工藝方法堆焊,而將這些合金製成粉末,採用等離子噴焊卻是簡便易行的。
(6)可控性好。可以通過改變功率、改變氣體的種類、流量及噴嘴的結構尺寸來調節等離子弧的氣氛、温度等電弧參數,從而實現高效自動化生產。
(7)被堆焊的工件温度較低,一般不易變形,為了進一步降低堆焊時工件的温度,還可以用氣體對工件進行冷卻。

等離子弧堆焊分類

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按照填充材料的填充方式不同,等離子堆焊可分為:
(1)冷絲等離子堆焊
冷絲等離子堆焊把焊絲作為填充材料,不經預熱直接送入焊接區進行堆焊。
(2)熱絲等離子堆焊
熱絲等離子堆焊是利用焊絲自身的電阻進行預熱後,再送入等離子區進行堆焊,可採用單絲或雙絲送絲。
(3)預製型等離子堆焊
預製型的等離子堆焊是將堆焊合金預製成一定的形狀並放置在待堆焊表面,然後將其用等離子熔化而形成堆焊層。
(4)粉末等離子堆焊
粉末等離子堆焊是將合金粉末送入等離子弧區並將其熔化而獲得堆焊層的一種堆焊方法。絕大多數合金都可以製成粉末,故粉末等離子堆焊的材料來源十分廣泛,而不像絲材那樣受到材料延展性的限制。

等離子弧堆焊常用材料

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粉末等離子弧堆焊
粉末等離子弧堆焊常用的合金粉末主要有自熔性合金粉末複合粉末
自熔性合金粉末包括鎳基、鈷基、鐵基、銅基等。其中鐵基合金粉末因原材料來源廣,價格低,性能好,得到了廣泛應用。鎳基和鈷基合金粉末具有良好的綜合性能,但鎳和鈷屬於稀缺金屬,成本高,一般只用於有特殊表面性能要求的堆焊。
(1)鎳基自熔性合金粉末:以鎳為基的自熔合金統稱為鎳基合金。它可分為兩類:鎳硼硅系列和鎳鉻硼硅系列。鎳硼硅系列在鎳中加入適量的硼、硅元素所形成的自熔合金;鎳鉻硼硅系列是在鎳硼硅系合金中加入鉻和碳,就能形成用途廣泛、品種較多的鎳鉻硼硅系自熔合金。
(2)鈷基自熔合金粉末:該系列自熔合金以金屬鈷為基,是在司太立合金基礎上發展起來的。它在鈷鉻鎢合金中加入B、Si元素形成。鈷基自熔性合金具有優良的高温性能、較好的熱強性、抗腐蝕性及抗熱疲勞性能,比較適合在600℃~700℃高温工作的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面塗層。如高壓閥門密封面的堆焊。
(3)鐵基自熔性合金粉末:鐵基自熔性合金粉末是以鐵為主,由鐵、鉻、硼、硅等幾種主要元素組成。這類合金是在鉻不鏽鋼和鎳鉻不鏽鋼的基礎上發展起來的。可分為兩種類型:奧氏體不鏽鋼型自熔合金(在奧氏體不鏽鋼中加入硼、硅元素,並調整碳和合金元素的含量)和高鉻鑄鐵型自熔合金。
(4)銅基自熔性合金粉末:銅基合金具有較低的摩擦係數,良好的抗海水、大氣腐蝕性能。銅基合金抗擦傷性好,塑性好,易於加工。目前我國研製並生產的銅基自熔合金粉末主要有兩類,一種是錫磷青銅粉末,一種是加入鎳的白銅粉末。
2.4.2 複合合金粉末
複合粉末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。組成複合粉末的成分,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,範圍十分廣泛,幾乎包括所有固態工程材料。
按照複合粉末的結構,一般可分為包覆型、非包覆型和燒結型等不同類別粉末。包覆型複合粉末其芯核顆粒被包覆材料完整的包覆着;非包覆型粉末的芯核材料,被包覆材料包覆的程度是不完整的,它取決於組分的配比,無論包覆型複合粉末或是非包覆型複合粉末,各組分之間的結合一般為機械結合。

等離子弧堆焊應用

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等離子堆焊主要應用於以下兩個方面:修復各種由於磨損、腐蝕等造成損壞的機械零件;製造雙金屬零件
2.5.1 修復機械零件
修復各種由於磨損、腐蝕等造成損壞的機械零件,如:扎絲輥、軸類、各種模具等等。它們往往因為局部磨損,形狀和尺寸不符和要求,以至於不能使用而報廢,採用堆焊工藝修復舊件,不僅能夠節約費用還能夠大幅度提高使用壽命。
2.5.2製造雙金屬零件
製造雙金屬零件,在生產中常常對工件表面和基體有不同要求,採用堆焊方法妥善解決了一個工件表面和基體性能要求不同的矛盾,既節省了大量的貴重金屬及合金,又能提高零件的使用性能。如:無縫鋼管頂頭頂部需採用高温鉬基合金,才能達到要求,可以通過堆焊的方式製造雙金屬複合頂頭,代替昂貴的鉬頂頭。利用粉末等離子弧堆焊工藝可配製和堆焊含鉬量高的高温合金
三、等離子弧堆焊的發展趨勢
等離子弧堆焊技術未來的發展趨勢是提高生產效率,降低勞動成本,通過該技術獲得具有高性能的堆焊層,最大程度上延長機械零部件的使用壽命。
由此趨勢決定該技術今後的發展集中在以下幾方面:
(1)等離子弧堆焊設備的改進完善。相比較其它堆焊技術,目前等離子弧堆焊設備較複雜,成本高。加強對堆焊設備的研究工作,尤其是對堆焊槍體及配套系統的開發研製,以提高連續自動化作業條件下的生產的可靠性,進一步提高堆焊層質量、堆焊效率並降低成本是該技術今後的一個發展趨勢。
(2)新型高性能堆焊複合粉末的開發研製。現代工業的發展對機械零部件的表面性能提出了越來越高的要求,應根據不同的工況條件,不斷開發出具有更高性能的等離子弧堆焊粉末。
(3)適用於新型材料的堆焊工藝的研究。不同的堆焊材料具有不同的性能特點,應加強其相應的工藝研究,確定合理的等離子堆焊工藝參數,從而提高堆焊質量,獲得預期性能,使它成為成熟的技術,儘快應用於工程實踐。
(4)基礎理論研究的發展。基礎理論的深入研究會為等離子堆焊技術的更廣泛應用提供理論依據。近年來主要的研究熱點有:堆焊材料在等離子弧柱中的熱行為分析;新型堆焊材料所形成的堆焊層的組織、性能特點及變化規律;工藝與性能的相互關係。
目前,國外的等離子堆焊設備、材料及相關產品的價格昂貴,技術附加值很高。我國應加強對該技術的研究,不斷髮展完善該技術,加速等離子堆焊技術在工程實踐中的普及推廣,使之在我國工業現代化生產中發揮重要作用。
我國堆焊技術已廣泛應用於模具修復和壓力容器等行業,並取得了顯著的成效,為我國製造業的發展做出了突出貢獻。但我國還不是堆焊技術發展強國,堆焊材料不夠系列化,堆焊方法不夠高效化、經濟化,堆焊設備不夠專業化。為了使堆焊技術更好地貢獻於“循環經濟”和“綠色再製造”的發展,國內相關研究者正在努力設計和改進堆焊材料和堆焊方法,使堆焊材料優質高效化,堆焊方法先進化,努力開發製備出更智能化、專業化的堆焊設備,使我國堆焊技術走向世界。只要堆焊行業能同相關行業緊密合作,不斷跟蹤國際上的先進技術和經驗,不斷創新,就一定能使我國成為堆焊技術發展的強國。