等離子堆焊

等離子弧堆焊工藝是表面強化技術(shù)的一個分支。它以聯(lián)合型或轉(zhuǎn)移型等離子弧作為熱源，采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，并使兩種材料相互混合構(gòu)成熔池，熔池經(jīng)冷凝結(jié)晶形成堆焊層。

等離子堆焊技術(shù)出現(xiàn)于20世紀(jì)60年代。發(fā)展初期，主要用于修復(fù)損壞的零件，如恢復(fù)零件的形狀尺寸等。后逐漸將恢復(fù)形狀尺寸與強化表面及表面改性相結(jié)合。80年代以后，等離子堆焊技術(shù)的應(yīng)用領(lǐng)域進(jìn)一步擴(kuò)大，從表面修復(fù)擴(kuò)展到制造業(yè)。進(jìn)入90年代以來，受先進(jìn)制造技術(shù)發(fā)展的影響，對等離子堆焊設(shè)備的研究越來越深入。國外設(shè)備對堆焊過程的主要工藝參數(shù)可進(jìn)行自動檢測和自動模擬控制，同時對試驗數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進(jìn)行微機(jī)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(shù)與智能控制技術(shù)(CAD/CAM)和精密磨削技術(shù)相結(jié)合的近凈型技術(shù)(Near Net Shape)引起制造業(yè)的廣泛關(guān)注，同時其應(yīng)用范圍也不斷擴(kuò)大。

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(kuò)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。

基本原理

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(kuò)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??；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(jī)械化及自動化。

產(chǎn)生及特點

等離子弧是利用特制的焊槍，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?。ㄓ址Q壓縮電弧）。當(dāng)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(chǎn)生以下三種壓縮效應(yīng)：

(1)熱壓縮效應(yīng)

紫銅噴嘴具有良好的導(dǎo)電性和導(dǎo)熱性，由于受到水冷，噴嘴孔壁的溫度很低。因此，進(jìn)入噴槍氣室內(nèi)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***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(yīng)。

(2)機(jī)械壓縮效應(yīng)

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(huán)形冷氣流層的直徑，也確定了等離子弧的粗細(xì)。顯然噴嘴孔徑及其幾何尺寸除通過熱壓縮效應(yīng)實現(xiàn)對電弧不同程度的壓縮外，還起到對電弧的機(jī)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(dāng)于一束電流方向相同的平行導(dǎo)體。每根通電導(dǎo)體都在它周圍產(chǎn)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(yīng)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。

l  等離子弧具有如下特點：

(1)等離子弧溫度高、熱量集中

由于等離子弧具有壓縮作用，故其中心溫度可達(dá)10000～50000K，能量密度可高達(dá)10～10W/cm。由于等離子弧溫度高，因此被加工材料一般不受熔點的***。

(2)等離子弧熱穩(wěn)定性好

由于等離子弧中的氣體是充分電離的，所以其電弧更穩(wěn)定。等離子弧電流和電弧電壓相對于弧長在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即在弧柱較長時仍能保持穩(wěn)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范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熱效應(yīng)，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(jié)構(gòu)尺寸來調(diào)節(jié)等離子弧的熱能和溫度；可以通過選擇不同的工作氣體來調(diào)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(diào)節(jié)電弧的剛度。

技術(shù)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(yōu)點。

（1）生產(chǎn)率較高。等離子弧堆焊過程是在自動化控制下進(jìn)行的，其生產(chǎn)率高，熔敷率高?，F(xiàn)在國外的大功率等離子弧堆焊電流高達(dá)500A，熔敷率可達(dá)12kg/h。

（2）母材對合金稀釋率低。由于工藝上可調(diào)規(guī)范參數(shù)多，因此能主動控制熱量輸入。合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈噴射狀過渡到熔池，對電弧吹力有緩沖作用，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。等離子弧堆焊一般采用氬氣保護(hù)，堆焊層成形平整、光滑。通過改變工藝規(guī)范參數(shù)，可精確控制成形尺寸且尺寸范圍寬。

（4）噴焊層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性好。由于等離子弧穩(wěn)定性好，外界因素的干擾對電參數(shù)和電弧穩(wěn)定性影響較小，從而使工藝易于穩(wěn)定。由于等離子弧溫度高，熱量集中，噴焊速度快，一次熔成，使工件熱影響區(qū)小，噴焊層合金組織晶粒細(xì)，硬度和化學(xué)成分均勻，噴焊層質(zhì)量好。

（5）合金粉末制備簡便，使用材料范圍廣。等離子弧區(qū)的溫度高達(dá)(1.0-5.0)×l0K，因此可以堆焊各種金屬。堆焊用合金粉末系熔煉后直接霧化成球狀的粉末，制備簡便，可按需要的配方熔煉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(yīng)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、耐高溫和耐腐蝕的合金難以制成線材并用其他工藝方法堆焊，而將這些合金制成粉末，采用等離子噴焊卻是簡便易行的。

（6）可控性好?？梢酝ㄟ^改變功率、改變氣體的種類、流量及噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸來調(diào)節(jié)等離子弧的氣氛、溫度等電弧參數(shù)，從而實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)。

（7）被堆焊的工件溫度較低，一般不易變形，為了進(jìn)一步降低堆焊時工件的溫度，還可以用氣體對工件進(jìn)行冷卻。

缺點

（1）等離子堆焊不適用于薄的基體，會造成工件變形

（2）等離子堆焊硬度高于HRC46的材料時，開裂傾向大

（3）等離子堆焊雖然稀釋量小，但是堆焊時仍然會受基體的影響，造成堆焊后硬度下降，在需要高硬度時，需要分次堆焊

分類

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(jīng)預(yù)熱直接送入焊接區(qū)進(jìn)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(jìn)行預(yù)熱后，再送入等離子區(qū)進(jìn)行堆焊，可采用單絲或雙絲送絲。

（3）預(yù)制型等離子堆焊

預(yù)制型的等離子堆焊是將堆焊合金預(yù)制成一定的形狀并放置在待堆焊表面，然后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(qū)并將其熔化而獲得堆焊層的一種堆焊方法。絕大多數(shù)合金都可以制成粉末，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***。

常用材料

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及復(fù)合粉末。

1、 自熔性合金粉末

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(yīng)用。鎳基和鈷基合金粉末具有良好的綜合性能，但鎳和鈷屬于稀缺金屬，成本高，一般只用于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(tǒng)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(chǔ)上發(fā)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(yōu)良的高溫性能、較好的熱強性、抗腐蝕性及抗熱疲勞性能，比較適合在600℃~700℃高溫工作的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面涂層。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。這類合金是在鉻不銹鋼和鎳鉻不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?？煞譃閮煞N類型：奧氏體不銹鋼型自熔合金（在奧氏體不銹鋼中加入硼、硅元素，并調(diào)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系數(shù)，良好的抗海水、大氣腐蝕性能。銅基合金抗擦傷性好，塑性好，易于加工。目前我國研制并生產(chǎn)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、復(fù)合合金粉末

復(fù)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。組成復(fù)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。

按照復(fù)合粉末的結(jié)構(gòu)，一般可分為包覆型、非包覆型和燒結(jié)型等不同類別粉末。包覆型復(fù)合粉末其芯核顆粒被包覆材料完整的包覆著；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，它取決于組分的配比，無論包覆型復(fù)合粉末或是非包覆型復(fù)合粉末，各組分之間的結(jié)合一般為機(jī)械結(jié)合。

應(yīng)用

等離子堆焊主要應(yīng)用于以下兩個方面：修復(fù)各種由于磨損、腐蝕等造成損壞的機(jī)械零件；制造雙金屬零件。

1、 修復(fù)機(jī)械零件

修復(fù)各種由于磨損、腐蝕等造成損壞的機(jī)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***于不能使用而報廢，采用堆焊工藝修復(fù)舊件，不僅能夠節(jié)約費用還能夠大幅度提高使用壽命。

2、制造雙金屬零件

制造雙金屬零件，在生產(chǎn)中常常對工件表面和基體有不同要求，采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(jié)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采用高溫鉬基合金，才能達(dá)到要求，可以通過堆焊的方式制造雙金屬復(fù)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制和堆焊含鉬量高的高溫合金。

l  等離子弧堆焊的發(fā)展趨勢

等離子弧堆焊技術(shù)未來的發(fā)展趨勢是提高生產(chǎn)效率，降低勞動成本，通過該技術(shù)獲得具有高性能的堆焊層，***大程度上延長機(jī)械零部件的使用壽命。

由此趨勢決定該技術(shù)今后的發(fā)展集中在以下幾方面：

（1）等離子弧堆焊設(shè)備的改進(jìn)完善。相比較其它堆焊技術(shù)，目前等離子弧堆焊設(shè)備較復(fù)雜，成本高。加強對堆焊設(shè)備的研究工作，尤其是對堆焊槍體及配套系統(tǒng)的開發(fā)研制，以提高連續(xù)自動化作業(yè)條件下的生產(chǎn)的可靠性，進(jìn)一步提高堆焊層質(zhì)量、堆焊效率并降低成本是該技術(shù)今后的一個發(fā)展趨勢。

（2）新型高性能堆焊復(fù)合粉末的開發(fā)研制?，F(xiàn)代工業(yè)的發(fā)展對機(jī)械零部件的表面性能提出了越來越高的要求，應(yīng)根據(jù)不同的工況條件，不斷開發(fā)出具有更高性能的等離子弧堆焊粉末。

（3）適用于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(yīng)加強其相應(yīng)的工藝研究，確定合理的等離子堆焊工藝參數(shù)，從而提高堆焊質(zhì)量，獲得預(yù)期性能，使它成為成熟的技術(shù)，盡快應(yīng)用于工程實踐。

（4）基礎(chǔ)理論研究的發(fā)展。基礎(chǔ)理論的深入研究會為等離子堆焊技術(shù)的更廣泛應(yīng)用提供理論依據(jù)。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(guī)律；工藝與性能的相互關(guān)系。

目前，國外的等離子堆焊設(shè)備、材料及相關(guān)產(chǎn)品的價格昂貴，技術(shù)附加值很高。我國應(yīng)加強對該技術(shù)的研究，不斷發(fā)展完善該技術(shù)，加速等離子堆焊技術(shù)在工程實踐中的普及推廣，使之在我國工業(yè)現(xiàn)代化生產(chǎn)中發(fā)揮重要作用。

我國堆焊技術(shù)已廣泛應(yīng)用于模具修復(fù)和壓力容器等行業(yè)，并取得了顯著的成效，為我國制造業(yè)的發(fā)展做出了突出貢獻(xiàn)。但我國還不是堆焊技術(shù)發(fā)展強國，堆焊材料不夠系列化，堆焊方法不夠高效化、經(jīng)濟(jì)化，堆焊設(shè)備不夠?qū)I(yè)化。為了使堆焊技術(shù)更好地貢獻(xiàn)于“循環(huán)經(jīng)濟(jì)”和“綠色再制造”的發(fā)展，國內(nèi)相關(guān)研究者正在努力設(shè)計和改進(jìn)堆焊材料和堆焊方法，使堆焊材料優(yōu)質(zhì)高效化，堆焊方法先進(jìn)化，努力開發(fā)制備出更智能化、專業(yè)化的堆焊設(shè)備，使我國堆焊技術(shù)走向世界。只要堆焊行業(yè)能同相關(guān)行業(yè)緊密合作，不斷跟蹤國際上的先進(jìn)技術(shù)和經(jīng)驗，不斷創(chuàng)新，就一定能使我國成為堆焊技術(shù)發(fā)展的強國。