1．原理與特點
1.1原理
粉末等離子弧堆焊（亦稱等離子噴焊，國外稱為PTA工藝），是采用氬氣等離子弧作高溫熱源，采用合金粉末作填充金屬的一種表面熔敷（堆焊）合金的工藝方法。
粉末等離子弧堆焊的基本過程如圖1所示，利用等離子弧焊槍（或稱噴槍，等離子弧發(fā)生器），在陰極和水冷紫銅噴嘴之間，或陰極和工件之間，使氣體電離形成電弧，此電弧通過孔徑較小的噴嘴孔道，弧柱的直徑受到限制，在壓縮孔道冷氣壁的作用下，產(chǎn)生熱收縮效應(yīng)、機械壓縮效應(yīng)、自磁壓縮效應(yīng)，使弧柱受到強行壓縮，這種電弧為“壓縮電弧”，稱為等離子弧。電弧被壓縮后，和自由電弧相比會產(chǎn)生很大的變化，突出的是弧柱直徑變細，促使弧柱電流密度顯著提高，氣體電離很充分，因而電弧具有溫度高、能量集中、電弧穩(wěn)定、可控性好等特點。等離子弧焊槍產(chǎn)生的等離子弧分非轉(zhuǎn)移型弧（陰極與噴嘴間建立的電?。┖娃D(zhuǎn)移型弧(陰極與工件間建立的電弧)。等離子弧堆焊的主要熱源是轉(zhuǎn)移型等離子弧。
在采用聯(lián)合弧堆焊時，一般采用兩臺獨立的直流弧焊機作電源，分別供給非轉(zhuǎn)移弧(簡稱“非弧”)和轉(zhuǎn)移弧(簡稱“轉(zhuǎn)弧”)。兩個電源的負極并聯(lián)在一起，通過水電纜接至焊槍的鎢電級（陰極）。非弧電源的正極通過水電纜接至焊槍的噴嘴。轉(zhuǎn)弧電源的正極接至工件。循環(huán)冷卻水通過水電纜引至焊槍，冷卻噴嘴和電極。氬氣通過電磁氣閥和流量調(diào)節(jié)器進入焊槍。非弧電源接通后，借助在電極和噴嘴之間產(chǎn)生的高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移弧。轉(zhuǎn)弧電源接通后，借助非弧在鎢極和工件間造成的導(dǎo)電通道，引燃轉(zhuǎn)弧。轉(zhuǎn)弧引燃后，可保留或切斷非弧，主要利用轉(zhuǎn)弧的熱量在工件表面產(chǎn)生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量連續(xù)供給，借助送粉氣流送入焊槍，并吹入電弧中。粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)落入熔池，在熔池里充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移弧電流來控制熔化合金粉末和傳遞給工件的熱量，合金和工件表層熔合。隨著焊槍和工件的相對移動，合金熔池逐漸凝固，便在工件上獲得所需要的合金堆焊層。
1.2特點
粉末等離子弧堆焊，由于采用了熱量集中，可控性好的等離子弧作熱源，采用了易于熔化，特別是自熔性好的合金粉末作填充金屬，從而與其它表面堆焊方法相比，具有以下特點：
（1）適于易于制成粉末而難于制成絲材的高合金或復(fù)合材料堆焊。
（2）合金粉末及其熔池對電弧有緩沖作用，能有效控制熔深，母材沖淡率低。
（3）堆焊層硬度均勻，組織均一，易于避免質(zhì)量缺陷。
（4）焊道成形平整、美觀，尺寸及熔敷率可調(diào)范圍寬，適應(yīng)工件大小的范圍寬。
（5）采用細粉易于熔化的優(yōu)點，可采用微束等離子弧作熱源，實現(xiàn)精細堆焊。
（6）堆焊過程連續(xù)，易于實現(xiàn)全自動化堆焊。
其缺點是：
（1）在堆焊過程中有少量粉末飄散造成浪費。
（2）因粉末飛濺，長時間施焊易產(chǎn)生粘嘴現(xiàn)象，影響工藝穩(wěn)定。
（3）堆焊質(zhì)量對粉末質(zhì)量的依賴性大，大部分堆焊材料系自熔性合金。
2．設(shè)備系統(tǒng)
2.1組成
等離子堆焊機（等離子弧堆焊系統(tǒng)）主要由以下部分組成：
（1）等離子弧電源；
（2）電氣控制系統(tǒng)（控制電路、操作界面、程序軟件）；
（3）工作氣（氬氣）供給系統(tǒng)；
（4）焊槍三維空間定位或運行機械系統(tǒng)；
（5）送粉器；
（6）擺動機；
（7）調(diào)高機/弧壓自動控制器；
（8）焊槍支架及三維微調(diào)機；
（9）等離子焊槍;
（10）工件移動機(或旋轉(zhuǎn)臺,或變位機）；
（11）冷卻水換熱及增壓循環(huán)供給機；
（12）機架及防護裝置。
由送粉器、擺動機、調(diào)高機、焊槍支架及三維微調(diào)機、等離子焊槍等組成堆焊機機頭。
2.2設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)進步
粉末等離子堆焊工藝自上世紀六十年代開始研發(fā)及推廣應(yīng)用,已有四十余年的歷史,隨著工業(yè)技術(shù)特別是電子技術(shù)的進步,粉末等離子堆焊設(shè)備系統(tǒng)也隨之更新?lián)Q代?？v觀發(fā)展過程,大體分以下幾個階段:
(1).
繼電器控制-可控硅調(diào)速階段:在上世紀六、七十年代設(shè)備系統(tǒng)處于這一階段。這一期間等離子電源多采用磁放大器式硅整流電源,驅(qū)動電機多采用直流伺服電機,先進的采用可控硅調(diào)速,落后的采用調(diào)壓器調(diào)速。繼電器控制的設(shè)備系統(tǒng)可靠性、穩(wěn)定性、精確性差。
(2).簡易的可編程順序控制器應(yīng)用階段:
在上世紀八十年代末期至九十年代,PLC(可編程控制器)開始應(yīng)用于設(shè)備控制系統(tǒng),雖然只是順序控制,但大大簡化了硬件系統(tǒng),提高了系統(tǒng)的可靠性。這一期間國外等離子電源已開始采用逆變焊機,國內(nèi)仍采用硅整流焊機,其他方面亦變化不大。
(3).數(shù)字化控制系統(tǒng)階段:進入二十一世紀后,控制技術(shù)有了飛速的發(fā)展,由于PLC由開關(guān)量的順序控制發(fā)展到有特殊功能的模擬量的數(shù)字化控制,并采用了觸摸屏人機界面作操作界面,實現(xiàn)了具有智能化的直接物理量設(shè)定及顯示、工藝參數(shù)的自動計算及儲存等控制功能,形成了數(shù)字化的控制系統(tǒng),使等離子堆焊設(shè)備系統(tǒng)大大提升了可靠性、穩(wěn)定性、精確性以及具有人性化的操作界面。在等離子電源上也采用了性能優(yōu)異的逆變式弧焊電源及數(shù)字化電流調(diào)節(jié)系統(tǒng);在驅(qū)動動力上采用了可精確調(diào)速,動力特性更優(yōu)越的變頻調(diào)速和步進電機驅(qū)動系統(tǒng);在參數(shù)控制上采用了數(shù)碼弧壓自動控制器及數(shù)碼擺動器;在噴槍冷卻上采用了冷凍換熱循環(huán)供水系統(tǒng);在等離子焊槍上采用了噴射式送粉及研發(fā)了大功率和精細焊槍,這一系列的技術(shù)進步使粉末等離子堆焊設(shè)備系統(tǒng)達到了國際先進水平,并為提高工藝技術(shù)水平創(chuàng)造了條件。
(4).工業(yè)計算機控制系統(tǒng)階段:隨著粉末等離子堆焊工藝應(yīng)用范圍的擴大,以PLC為核心的控制系統(tǒng)在某些應(yīng)用上已不能滿足要求,而采用工業(yè)計算機控制系統(tǒng),即在數(shù)控加工中心的軟件基礎(chǔ)上,進一步開發(fā)出數(shù)控堆焊軟件，在實現(xiàn)CNC(數(shù)控)控制上優(yōu)越性更突出,為粉末等離子堆焊工藝應(yīng)用范圍的擴大和水平的提升創(chuàng)造了條件。
3．工藝控制
3.1主要工藝參數(shù)
主要工藝參數(shù)有：
（1）非轉(zhuǎn)移弧電流
非弧首先起過渡引燃轉(zhuǎn)弧的作用，并可作為輔助熱源加以利用。非弧的陽極在噴嘴孔道壁面上，電弧的大部分熱量傳給噴嘴，由冷卻水帶走，不利于噴嘴的冷卻，對堆焊過程穩(wěn)定性不利。因此，堆焊過程中即或保留，電流規(guī)范也不宜過大，一般在50A以下。
（2）轉(zhuǎn)移弧電流
轉(zhuǎn)弧是堆焊的主要熱源，轉(zhuǎn)弧電流是關(guān)鍵工藝參數(shù)。在其他參數(shù)不變的情況下，隨著轉(zhuǎn)弧電流的增加，電弧功率增加，加熱熔化粉末及過渡到工件的熱量增加，熔池溫度升高，合金熔化得更充分，但熔深加深，增加了母材沖淡率。在設(shè)定好熔敷率后,要視熔池狀況，調(diào)整好轉(zhuǎn)移弧電流，以獲得最佳的堆焊質(zhì)量。
（3）轉(zhuǎn)移弧電壓
當噴嘴的壓縮孔道長度及鎢極內(nèi)縮長度確定后，轉(zhuǎn)弧電壓隨焊槍距離工件的高度幾乎成線性增加,選擇了轉(zhuǎn)弧電壓即選擇了弧長。可據(jù)工件對象和對熔敷率的要術(shù)選擇轉(zhuǎn)弧電壓,短弧堆焊利于電弧穩(wěn)定和對熔池的保護;長弧堆焊利于提高電弧功率,增加熔敷率。
（4）送粉量
送粉量是指單位時間內(nèi)由送粉器供給，通過焊槍送進電弧的粉量，一般用g/min表示。正常的堆焊狀態(tài)，轉(zhuǎn)弧電流和送粉量有正比關(guān)系,從而送粉量決定了熔敷率。送粉量受到焊槍性能，電源輸出功率等因素制約。對具體的工件，送粉量有最佳的選擇范圍。
（5）工件移動速度
工件移動速度亦稱堆焊速度，用線速度（mm/min）或轉(zhuǎn)速（r/min）表示。在焊道成形尺寸確定的情況下，工件移動速度和其他參數(shù)有對應(yīng)關(guān)系。在其他參數(shù)不變的情況下，提高移動速度，焊道減薄，熔深減小。最佳堆焊狀態(tài)，應(yīng)視具體情況調(diào)整參數(shù)之間的匹配關(guān)系。
（6）擺動參數(shù)
焊槍擺動是為了一次獲得較寬的焊道。擺動參數(shù)包括:
擺幅:焊槍往復(fù)移動的寬度,mm;
擺頻:每分鐘擺動的次數(shù),次/min;
兩端仃留的時間。
采用數(shù)碼勻速擺動器,可設(shè)定以上參數(shù)。
（7）離子氣流量
離子氣是形成等離子弧的工作氣體，對電弧起壓縮作用。過大的離子氣流量會使電弧變“剛”，對熔池的穿透力增強，工件熔深增加。過小的離子氣流量，不足以維持冷氣壁效應(yīng)，對電弧壓縮不利，危及電弧的穩(wěn)定。氣流量應(yīng)取決噴嘴孔徑大小和對電弧的壓縮性。一般根據(jù)孔道的截面積，流量在12-15L/mm2.h范圍內(nèi)選取。
（8）送粉氣流量
送粉氣起輸送粉末作用，過大的送粉氣流量會對電弧干擾并造成粉末飄散；過小氣流量將造成堵粉現(xiàn)象，采用對稱噴射式送粉時，控制好送粉氣流量尤為重要，適宜的送粉氣流量可形成很好的噴射效果。
（9）保護氣流量
保護氣對熔池起保護作用，在形成良好保護氣罩的情況下減少氣耗量。
3.2工藝控制的技術(shù)進步
隨著設(shè)備系統(tǒng)的技術(shù)進步,粉末等離子堆焊在工藝控制上有了大幅度提升，主要有以下方面：
（1）工藝參數(shù)設(shè)定和控制的智能化、直接物理量化。
由于采用了IGBT逆變式弧焊電源、數(shù)字化的控制系統(tǒng)及人機界面操作系統(tǒng),以及配置帶智能功能的編程軟件,實現(xiàn)只要鍵入工件堆焊面和焊道的幾何尺寸,設(shè)定熔敷率或堆焊速度,就自動給出相匹配的工藝參數(shù),且顯示直接物理化,使工藝操作十分便捷和直觀。
（2）工藝參數(shù)設(shè)定和調(diào)節(jié)的精細化和高穩(wěn)定性。
由于單個工藝動作都引入了數(shù)碼控制,如送粉、擺動、轉(zhuǎn)弧弧壓控制等,因而可精細設(shè)定和調(diào)節(jié)工藝參數(shù),并可根據(jù)工藝控制的需要,增加特殊的控制功能,如為保證園環(huán)焊道搭接質(zhì)量,采用送粉遞增和遞減控制;轉(zhuǎn)弧衰減過程擺動幅度亦配合衰減等,有效的避免了熄弧部位的縮孔。采用了轉(zhuǎn)弧電壓自動穩(wěn)定的數(shù)碼控制,使轉(zhuǎn)弧電壓自動穩(wěn)定,精度控制在±0.5V。這些控制功能大大提升了工藝水平。
（3）焊槍定位系統(tǒng)采用步進數(shù)控或三維數(shù)控。
焊槍的空間定位也是工藝控制的重耍方面,以往是由肉眼觀察或標尺手動調(diào)節(jié)定位,通過采用步進電機驅(qū)動或數(shù)控(CNC)定位系統(tǒng),焊槍空間定位可以按座標設(shè)定,實現(xiàn)精細、精確和便捷的控制。
（4）專用程序軟件的開發(fā)應(yīng)用。
先進的編程軟件提升了工藝水平和整機性能。
（5）采用新型結(jié)構(gòu)的大功率等離子弧焊槍。
新槍型在密封性、對中性、絕緣性上有很大的提升。冷卻效果好,電弧穩(wěn)定,“剛”“柔”適中,噴嘴壽命長。在粉路上采用了對稱噴射式送粉,克服了以住在粉末等離子堆焊中易出現(xiàn)的“結(jié)珠”“雙弧”等故障。
（6）增強焊槍冷卻效果。
由于配置冷凍式換熱系統(tǒng)，將水溫降低到室溫以下的設(shè)定溫度，再通過水泵增壓供給焊槍，這樣進入焊槍的冷卻水總是維持在設(shè)定的溫度范圍內(nèi)，不受環(huán)境溫度的影響，因而對焊槍有良好的冷卻效果。
4．應(yīng)用示例
4.1應(yīng)用分類
粉末等離子堆焊工藝已應(yīng)用于工業(yè)制造業(yè)的多個領(lǐng)域,主要目的在于獲得有特定性能(耐磨、耐蝕、耐溫等性能)的合金硬面層。從應(yīng)用角度有以下分類:
（1） 按工件堆焊面的幾何形狀分類。
主要分為:園平面、園錐面、園柱面、園柱螺旋面、平面線段或平面等。針對不同類型的工件,在工藝控制程序上有所區(qū)別。對于復(fù)雜的平面線段(連續(xù)或不連續(xù)的直線段或曲線段),要實現(xiàn)全自動堆焊,就要采用數(shù)控系統(tǒng)。對同一類型工件,在幾何尺寸上相差甚大者,則要選擇相適應(yīng)的機型。
（2） 按工件所屬的制造行業(yè)分類。
根據(jù)目前的應(yīng)用情況,主要有:閥門制造行業(yè)、氣門制造行業(yè)、冶金軋制工具制造行業(yè)、石油機械行業(yè)、煤礦機械行業(yè)、電力機械行業(yè)等等。隨著應(yīng)用范圍的擴大，將會有更多的制造行業(yè)在產(chǎn)品的修造中采用粉末等離子堆焊技術(shù)。
4.2在閥門制造行業(yè)的應(yīng)用
粉末等離子堆焊工藝在我國閥門制造行業(yè)成功的推廣應(yīng)用已有四十余年的歷史，主要用于密封面堆焊鈷基、鎳基、鐵基硬面合金。對于高溫高壓閥門或耐腐蝕閥門，密封面堆焊鈷基或鎳基合金，具有優(yōu)質(zhì)、高效、節(jié)材、工藝穩(wěn)定、勞動強度低等突出的優(yōu)越性。對于量大面廣的中溫中壓閥門（閘閥、截止閥、止回閥、旋塞閥等）,采用已研制成功有良好工藝及使用性能的鐵基合金粉末堆焊,代替手工堆焊2Cr13,使耐擦傷性能成倍提高,大大延長了閥門使用壽命,而且降低了綜合的密封面制造成本,有顯著的社會效益和企業(yè)經(jīng)濟效益。隨著我國閥門制造業(yè)的飛速發(fā)展和對品質(zhì)的不斷提升,密封面制造工藝技術(shù)及其裝備愈益顯得重要,
粉末等離子堆焊工藝技術(shù)更顯其優(yōu)越性。
用于閥門密封面堆焊的數(shù)字化控制的粉末等離子堆焊機,機型有多種,可滿足不同類型和規(guī)格閥門堆焊的耍求,設(shè)備性能已達到國際先進水平,操作便捷。
4.3在氣門制造行業(yè)的應(yīng)用
內(nèi)燃機進排氣閥密封面(大端錐面)要承受高溫燃氣腐蝕及磨粒磨損,一般要通過堆焊鈷基合金(Sblite合金)或鎳基合金來滿足使用要求。由于對密封面堆焊質(zhì)量有極嚴格的要求,通常的手工堆焊工藝難以達到,這曾是一個工藝難題。自研究采用粉末等離子堆焊工藝后,這一工藝難題才迎刃而解。自氣門堆焊機采用逆變電源,噴射式送粉等離子焊槍及數(shù)字化控制系統(tǒng)后,實現(xiàn)了精細、精確控制,充分發(fā)揮了粉末等離子堆焊的優(yōu)越性,生產(chǎn)工藝得以穩(wěn)定,達到了98%以上的一次性成品率
汽車內(nèi)燃機、機車內(nèi)燃機、船舶內(nèi)燃機的氣門,由于尺寸規(guī)格相差甚大,因而要采用不同規(guī)格的堆焊機械,不同功率的等離子焊槍及工藝程序軟件。高力熱噴涂工程有限責任公司已開發(fā)五種全數(shù)字化控制的氣門錐面等離子堆焊機,其性能完全滿足工藝要求,達到國際先進水平。
4.4在冶金軋制工具制造行業(yè)的應(yīng)用
冶金軋制工具中存在多種易損件，由于粉末等離子堆焊為堆焊復(fù)合材料提供了方便的手段，因而顯示了獨特的優(yōu)越性，例如無縫鋼管軋頂（頂頭）,采用該工藝在其受高溫磨損的表面,堆焊含碳化物的高溫耐磨耐熱疲勞合金,顯著的提高使用壽命。對要求有特殊表面性能的軋輥,或磨損相當嚴重的易損件,采用粉末等離子堆焊工藝,或敷面采用粉末等離子堆焊工藝,對制造特種高合金硬面層,提供了便捷的手段。
4.5在煤礦運輸機修造行業(yè)的應(yīng)用
在煤礦運輸機修造中亦有多種易損件通過粉末等離子堆焊耐磨合金延長使用壽命，其中典型的應(yīng)用例是運輸機中部槽板。在槽板表面受磨損部位，堆焊有一定規(guī)則形狀的高硬度的高碳高鉻合金折線焊道，保護槽板不被磨出凹坑，耐磨效果十分明顯。對較大型的槽板，表面堆焊的焊道形狀比較復(fù)雜，而且堆焊的合金量大，為此開發(fā)了數(shù)控堆焊機和大功率高效率堆焊槍。數(shù)控堆焊機中開發(fā)了采用工控機（工業(yè)控制計算機）的數(shù)控堆焊系統(tǒng),可以通過CAD作圖的操作方式和自動生成G代碼的編程軟件,任意設(shè)定焊道形狀和堆焊的路徑,操作便捷,在電腦顯示屏上圖形清晰直觀。用于槽板堆焊的大功率高效率粉末等離子堆焊槍,不同于閥門氣門密封面的堆焊,而是采用大電流高弧壓的工藝方案,轉(zhuǎn)弧電流高達450A,轉(zhuǎn)弧電壓高達45V,堆焊速度高達500mm/min(焊槍不擺)。為了解決隔層面(夾層)的堆焊,而開發(fā)了2000mm長深孔堆焊槍,在高度不小于90mm的夾層內(nèi)施焊。輸煤機槽板數(shù)控粉末等離子堆焊機,機型有高架龍門全封閉式的和長軌落地龍門敞開式的,各有特點,供不同產(chǎn)品對象選用。
4.6在石油機械行業(yè)的應(yīng)用
早在粉末等離子堆焊技術(shù)開始推廣應(yīng)用初期，就成功應(yīng)用于鉆桿接頭堆焊耐磨合金帶，并在鉆具修造行業(yè)推廣，效果突出,效益顯著。
在鉆采設(shè)備中，平板閥密封面采用粉末等離子堆焊工藝堆焊鎳基耐磨合金,代替手工氧炔焰堆焊,堆焊質(zhì)量和生產(chǎn)效率顯著提高,制造成本大幅度降低。
在鉆采設(shè)備中,鉆具的耐磨堆焊,特別是在大批量生產(chǎn)上的全自動化堆焊,發(fā)揮粉末等離子堆焊可自動化連續(xù)作業(yè)的特點,結(jié)合先進的機械自動化技術(shù),為鉆具制造業(yè)的生產(chǎn)水平提升提供了很好的工藝手段。
4.7在易損件修造上的應(yīng)用
在電力、水泥、采礦、物料加工等工業(yè)領(lǐng)域里,有大量受強力磨損的易損件,采用在工作面堆焊耐磨合金是提高易損件使用壽命的有效辦法。粉末等離子堆焊耐磨損性能優(yōu)異而價格低廉的高鉻合金,有極優(yōu)的性價比。例如堆焊螺旋輸送器輥道面;堆焊截齒受磨面等。
陳誠 13651967323
