粉末等离子弧堆焊技术的应用与发展
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粉末等离子弧堆焊技术的应用与发展
高荣发
(武汉高力热喷涂工程有限责任公司,武汉,430344)
摘 要：
本文从原理与特点、设备系统、工艺控制、应用示例等四个方面，较全面的介绍了粉末等离子堆焊技术的应用与发展，着重从设备系统和工艺控制介绍了该项技术的发展状况；概述了该项技术的应用分类和应用示例，从应用的介绍中可显示该项技术应用的优越性；从设备、材料、工艺及应用三个方面简要的阐述了今后的研发重点，为从事这方面研究与应用的工作者提供了参考意见。
关键词:
等离子弧; 等离子堆焊
Plasma Powder Welding technology’s application and development
Gao Rong-fa
(Wuhan Gaoli Thermal Spray Engineering Co,. Ltd.,
Abstract: The paper completely introduces the application and development of PPW (Plasma Powder Welding) technology, throug 4 aspects such as principle & characteristic, equipment system, procedures controlling, application examples. Especially introduces the development situation of the technology through the advance levels and procedures controlling of the PPW equipment. The paper summrizes the catelogy and examples of the technology application. The advantage of the technology is shown by the introduction of the application. Briefly expounds the focus points of the research and devlopment concerning PPW equipment, material and procedures. Some reference advices are provided for the researchers and operators in the field.
Key words: Plasma Arc; Plasma Powder Welding
1．原理与特点
1.1 原理
粉末等离子弧堆焊（亦称等离子喷焊，国外称为PTA工艺），是采用氩气等离子弧作高温热源，采用合金粉末作填充金属的一种表面熔敷（堆焊）合金的工艺方法。
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。
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。
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
2.1 组成
等离子堆焊机（等离子弧堆焊系统）主要由以下部分组成：
（1）等离子弧电源；
（2）电气控制系统（控制电路、操作界面、程序软件）；
（3）工作气（氩气）供给系统；
（4）焊枪三维空间定位或运行机械系统；
（5）送粉器；
（6）摆动机；
（7）调高机/弧压自动控制器；
（8）焊枪支架及三维微调机；
（9）等离子焊枪;
（10）工件移动机(或旋转台,或变位机）；
（11）冷却水换热及增压循环供给机；
（12）机架及防护装置。
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。
2.2 设备系统的技术进步
粉末等离子堆焊工艺自上世纪六十年代开始研发及推广应用,已有四十余年的历史,随着工业技术特别是电子技术的进步,粉末等离子堆焊设备系统也随之更新换代。纵观发展过程,大体分以下几个阶段:
(1). 继电器控制-可控硅调速阶段:在上世纪六、七十年代设备系统处于这一阶段。这一期间等离子电源多采用磁放大器式硅整流电源,驱动电机多采用直流伺服电机,先进的采用可控硅调速,落后的采用调压器调速。继电器控制的设备系统可靠性、稳定性、精确性差。
(2).简易的可编程顺序控制器应用阶段: 在上世纪八十年代末期至九十年代,PLC(可编程控制器)开始应用于设备控制系统,虽然只是顺序控制,但大大简化了硬件系统,提高了系统的可靠性。这一期间国外等离子电源已开始采用逆变焊机,国内仍采用硅整流焊机,其他方面亦变化不大。
(3).数字化控制系统阶段:进入二十一世纪后,控制技术有了飞速的发展,由于PLC由开关量的顺序控制发展到有特殊功能的模拟量的数字化控制,并采用了触摸屏人机界面作操作界面,实现了具有智能化的直接物理量设定及显示、工艺参数的自动计算及储存等控制功能,形成了数字化的控制系统,使等离子堆焊设备系统大大提升了可靠性、稳定性、精确性以及具有人性化的操作界面。在等离子电源上也采用了性能优异的逆变式弧焊电源及数字化电流调节系统;在驱动动力上采用了可精确调速,动力特性更优越的变频调速和步进电机驱动系统;在参数控制上采用了数码弧压自动控制器及数码摆动器;在喷枪冷却上采用了冷冻换热循环供水系统;在等离子焊枪上采用了喷射式送粉及研发了大功率和精细焊枪,这一系列的技术进步使粉末等离子堆焊设备系统达到了国际先进水平,并为提高工艺技术水平创造了条件。
(4).工业计算机控制系统阶段:随着粉末等离子堆焊工艺应用范围的扩大,以PLC为核心的控制系统在某些应用上已不能满足要求,而采用工业计算机控制系统,即在数控加工中心的软件基础上,进一步开发出数控堆焊软件，在实现CNC(数控)控制上优越性更突出,为粉末等离子堆焊工艺应用范围的扩大和水平的提升创造了条件。图2 所示为本公司开发的工业计算机控制系统的输煤机槽板数控堆焊机,使用效果比较理想。
图2 工业计算机控制的输煤机槽板数控堆焊机
3．工艺控制
3.1 主要工艺参数
主要工艺参数有：
（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。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。
3.2 工艺控制的技术进步
随着设备系统的技术进步,粉末等离子堆焊在工艺控制上有了大幅度提升，主要有以下方面：
（1）工艺参数设定和控制的智能化、直接物理量化。
由于采用了IGBT逆变式弧焊电源、数字化的控制系统及人机界面操作系统,以及配置带智能功能的编程软件,实现只要键入工件堆焊面和焊道的几何尺寸,设定熔敷率或堆焊速度,就自动给出相匹配的工艺参数,且显示直接物理化,使工艺操作十分便捷和直观。
（2）工艺参数设定和调节的精细化和高稳定性。
由于单个工艺动作都引入了数码控制,如送粉、摆动、转弧弧压控制等,因而可精细设定和调节工艺参数,并可根据工艺控制的需要,增加特殊的控制功能,如为保证园环焊道搭接质量,采用送粉递增和递减控制;转弧衰减过程摆动幅度亦配合衰减等,有效的避免了熄弧部位的缩孔。采用了转弧电压自动稳定的数码控制,使转弧电压自动稳定,精度控制在±0.5V。这些控制功能大大提升了工艺水平。
（3）焊枪定位系统采用步进数控或三维数控。
焊枪的空间定位也是工艺控制的重耍方面,以往是由肉眼观察或标尺手动调节定位,通过采用步进电机驱动或数控(CNC)定位系统,焊枪空间定位可以按座标设定,实现精细、精确和便捷的控制。
（4）专用程序软件的开发应用。
先进的编程软件提升了工艺水平和整机性能。
（5）采用新型结构的大功率等离子弧焊枪。
新枪型在密封性、对中性、绝缘性上有很大的提升。冷却效果好,电弧稳定,“刚”“柔”适中,喷嘴寿命长。在粉路上采用了对称喷射式送粉,克服了以住在粉末等离子堆焊中易出现的“结珠”“双弧”等故障。
（6）增强焊枪冷却效果。
由于配置冷冻式换热系统，将水温降低到室温以下的设定温度，再通过水泵增压供给焊枪，这样进入焊枪的冷却水总是维持在设定的温度范围内，不受环境温度的影响，因而对焊枪有良好的冷却效果。
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。
4.2 在阀门制造行业的应用
粉末等离子堆焊工艺在我国阀门制造行业成功的推广应用已有四十余年的历史，主要用于密封面堆焊钴基、镍基、铁基硬面合金。对于高温高压阀门或耐腐蚀阀门，密封面堆焊钴基或镍基合金，具有优质、高效、节材、工艺稳定、劳动强度低等突出的优越性。对于量大面广的中温中压阀门（闸阀、截止阀、止回阀、旋塞阀等）,采用已研制成功有良好工艺及使用性能的铁基合金粉末堆焊,代替手工堆焊2Cr13,使耐擦伤性能成倍提高,大大延长了阀门使用寿命,而且降低了综合的密封面制造成本,有显著的社会效益和企业经济效益。随着我国阀门制造业的飞速发展和对品质的不断提升,密封面制造工艺技术及其装备愈益显得重要, 粉末等离子堆焊工艺技术更显其优越性。
用于阀门密封面堆焊的数字化控制的粉末等离子堆焊机,机型有多种,可满足不同类型和规格阀门堆焊的耍求,设备性能已达到国际先进水平,操作便捷。
4.3 在气门制造行业的应用
内燃机进排气阀密封面(大端锥面)要承受高温燃气腐蚀及磨粒磨损,一般要通过堆焊钴基合金(Stellite合金)或镍基合金来满足使用要求。由于对密封面堆焊质量有极严格的要求,通常的手工堆焊工艺难以达到,这曾是一个工艺难题。自研究采用粉末等离子堆焊工艺后,这一工艺难题才迎刃而解。自气门堆焊机采用逆变电源,喷射式送粉等离子焊枪及数字化控制系统后,实现了精细、精确控制,充分发挥了粉末等离子堆焊的优越性,生产工艺得以稳定,达到了98%以上的一次性成品率
汽车内燃机、机车内燃机、船舶内燃机的气门,由于尺寸规格相差甚大,因而要采用不同规格的堆焊机械,不同功率的等离子焊枪及工艺程序软件。高力热喷涂工程有限责任公司已开发五种全数字化控制的气门锥面等离子堆焊机,其性能完全满足工艺要求,达到国际先进水平。
4.4 在冶金轧制工具制造行业的应用
冶金轧制工具中存在多种易损件，由于粉末等离子堆焊为堆焊复合材料提供了方便的手段，因而显示了独特的优越性，例如无缝钢管轧顶（顶头）,采用该工艺在其受高温磨损的表面,堆焊含碳化物的高温耐磨耐热疲劳合金,显著的提高使用寿命。对要求有特殊表面性能的轧辊,或磨损相当严重的易损件,采用粉末等离子堆焊工艺,或敷面采用粉末等离子堆焊工艺,对制造特种高合金硬面层,提供了便捷的手段。
4.5 在煤矿运输机修造行业的应用
在煤矿运输机修造中亦有多种易损件通过粉末等离子堆焊耐磨合金延长使用寿命，其中典型的应用例是运输机中部槽板。在槽板表面受磨损部位，堆焊有一定规则形状的高硬度的高碳高铬合金折线焊道，保护槽板不被磨出凹坑，耐磨效果十分明显。对较大型的槽板，表面堆焊的焊道形状比较复杂，而且堆焊的合金量大，为此开发了数控堆焊机和大功率高效率堆焊枪。数控堆焊机中开发了采用工控机（工业控制计算机）的数控堆焊系统,可以通过CAD作图的操作方式和自动生成G代码的编程软件,任意设定焊道形状和堆焊的路径,操作便捷,在电脑显示屏上图形清晰直观。用于槽板堆焊的大功率高效率粉末等离子堆焊枪,不同于阀门气门密封面的堆焊,而是采用大电流高弧压的工艺方案,转弧电流高达
4.6 在石油机械行业的应用
早在粉末等离子堆焊技术开始推广应用初期，就成功应用于钻杆接头堆焊耐磨合金带，并在钻具修造行业推广，效果突出,效益显著。
在钻采设备中，平板阀密封面采用粉末等离子堆焊工艺堆焊镍基耐磨合金,代替手工氧炔焰堆焊,堆焊质量和生产效率显著提高,制造成本大幅度降低。
在钻采设备中,钻具的耐磨堆焊,特别是在大批量生产上的全自动化堆焊,发挥粉末等离子堆焊可自动化连续作业的特点,结合先进的机械自动化技术,为钻具制造业的生产水平提升提供了很好的工艺手段。
4.7 在易损件修造上的应用
在电力、水泥、采矿、物料加工等工业领域里,有大量受强力磨损的易损件,采用在工作面堆焊耐磨合金是提高易损件使用寿命的有效办法。粉末等离子堆焊耐磨损性能优异而价格低廉的高铬合金,有极优的性价比。例如堆焊螺旋输送器辊道面;堆焊截齿受磨面等。
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