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      分析比較等離子熔覆與激光熔覆的優缺點

      發布日期:2020-01-02

      一.激光熔覆特點


      1.技術特點


      激光熔覆最重要的特點是熱量集中、加熱快、冷卻快、熱影響區小,特別對不同材質之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點,也正是這一特殊的加熱和冷卻過程,在熔鑄區域產生的組織結構也不同于其它熔覆(如噴焊、堆焊、普通焊接等)手段,甚至可以產生非晶態組織,特別是脈沖激光更為明顯。


      這就是所謂激光熔覆無退火、不變形的原因,但我以為,這只是從工件整體宏觀講,而當你對熔覆層和熱影響區進行微觀分析時,你會看到另一種景象。


      2.設備特點


      激光熔覆,目前國內采用兩種機型:CO2激光器和YAG激光器。前者為連續輸出,熔覆功率一般在3KW以上;YAG激光為脈沖輸出,一般在600W左右。


      對于設備,一般使用者很難吃透,嚴重依賴生產方的服務,購買價格昂貴,維護成本、零部件價格很高,再加上設備穩定性和耐受性與國外比較普遍都有差距,因此,激光熔覆機一般用在特殊領域,普通工業制造、維修領域難有效益。


      3.工藝特點


      (1)前期處理


      激光熔覆,一般只需將工件打磨干凈,除油,除銹,去疲勞層等,比較簡單。


      (2)送粉


      CO2激光器功率較大,一般用氬氣送粉;YAG激光功率小,一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池,傾斜稍大粉末便不能正常送達,激光的使用范圍受到限制,特別是YAG激光器。


      (3)從熔池形成的狀態看


      由于激光的控制精度高,輸出功率恒定,且沒有電弧接觸,所以熔池大小深度一致性好。


      (4)加熱快、冷卻快


      影響金屬相形成的均勻度,也對排氣浮渣不利,這也是造成激光熔覆形成氣孔、硬度不均的重要原因,特別是YAG激光傾向更嚴重。


      (5)材料選擇


      由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同,造成激光熔覆材料選擇限制較大,激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料,對碳化物、氧化物的熔覆更困難一些。


      二.微束等離子熔覆特點


      1.技術特點


      微束等離子熔覆機所采用的等離子束,是一種電離弧,比弧焊機熱量更集中,所以加熱速度更快。為了獲得更集中的離子束,一般采用高壓縮比孔徑、小電流,以便控制基體溫度不致太高,避免引起退火變形。當然,這與YAG激光器加熱速度無法比擬。由于等離子弧為連續工作,造成機體冷卻相對較慢,形成的過渡區域比激光熔覆要深一些,這對硬面材料熔覆來說,應力會釋放的好一些。


      2.設備特點


      微束等離子熔覆設備是在直流焊機的基礎上發展而來,其電源、噴槍、送粉器、擺動器等,技術門檻低,容易制造,可靠性好,維護使用簡單,耗電少,使用成本低,通用性好,生產成本低,適應性好,便于規?;a,效益顯著,對環境要求低,對材料適應廣泛。


      隨著電氣技術的進步,我國的焊機技術水平已經具備足夠的支持能力。另外,設備體積小,重量小,焊槍可以手持把握,這使它使用起來更靈活方便,輔助工裝的造價便宜。


      3.工藝特點


      (1)前期處理簡單


      只需除銹、去污、去疲勞層即可。


      (2)送粉


      采用氬氣送粉,送分精度要求低,可以有一定的傾斜度。這樣就允許手工操作,對于金屬修復比較適用。


      (3)微束等離子穩定性好


      微束等離子的穩定性好,熔池的形成也易于控制,敷材與機體融合充分,區域過度較好。


      (4)加熱和冷卻速度低于激光


      熔融狀態維持時間長,有利于金相組織均勻形成,排氣浮渣較好,在粉末噴出過程中就已經加熱,且有氬氣和離子氣的保護,所以熔覆層均勻度更好,氣孔夾渣等缺陷更少。


      (5)材料選擇


      等離子加熱方式對材料限制少,材料選擇更廣泛,對碳化物、氧化物的熔覆更容易一些。


      三.關于熔覆中的幾個問題


      1、關于焊接應力


      我們必須建立一個概念,不管使用了什么樣的名詞(如焊接、堆焊、噴焊、熔覆等)都是在加熱的情況下,在金屬基體上的熔鑄。那么從加熱到熔鑄,再到冷卻這一過程中,必然產生應力。


      除了極特殊材料,一般影響最大的還是收縮應力。不同的焊接方式,無非是從加熱方式、速度、填充材料和一些其它條件不盡相同。那么,減少這種應力對基體及熔鑄層的影響,都是我們追求焊接質量時要考慮的重要方面。


      我以為,收縮應力無法避免,那么,應力釋放才是解決焊接應力問題的關鍵。也就是說,這種收縮應力釋放到哪里,從基體到熔鑄區域應力如何分配,才是我們需要而且能夠解決的問題。


      2.為什么激光焊接(熔覆)變形小


      主要是熔鑄區域小,過渡區域小,收縮量小。那么材料在收縮過程中所產生的收縮力,不足以使整個機體變形,這就是所謂激光熔覆不變形的原因(所以當機體尺寸過小時同樣會產生變形),這也是激光焊接(熔覆)的優勢。


      那么,這種焊接應力到哪里去了呢?它主要是釋放到熔鑄區域和過渡區域了。那么,這就產生了兩個問題:


      一是熔鑄區容易產生裂紋,所以,激光熔覆對材料的延展性要求比較高,如鎳基粉末;


      二是過渡區應力大,由于激光焊接過程中加熱快冷卻快,產生的過渡區尺寸過小,造成這一區域應力集中,這就影響了激光焊接(熔覆)的結合效果。特別是在基體與焊材機械性能相差較大時,傾向更嚴重,甚至產生脫落現象,這就要求在激光熔覆時,格外注意過渡層的材質和厚度設計。


      3.為什么等離子熔覆(堆焊)不易產生裂紋、氣孔等缺陷


      主要原因有三:


      一是等離子做熱源進行熔覆(堆焊)與埋弧焊氣保焊等熱量更加集中,離子弧穩定性更好,沒有電極熔耗,輸出熱量均勻,便于控制,這樣使得熔鑄區熱量分布均勻,材料熔合充分均勻,排氣浮渣都充分,收縮應力分布均勻。


      二是由于等離子設備控制精度高,對熔鑄區和過渡區的控制方便,且均勻度好,應力分配更容易控制合理。


      三是用氬氣保護不需要各種添加劑,也不存在排氫、氧化等問題,所以等離子熔覆(堆焊)更適合大面積、大厚度、高質量的硬面熔鑄(如高錳、高鉻陶瓷材料等),適合于制造耐磨板、閥門、軋輥等。


      4.熔覆的工藝性


      關于激光熔覆和等離子熔覆,有許多同行發表了很多文章,大部分都強調激光的優勢,這也是大家所追求的目標。然而,多數是從微觀角度用金相分析的方法評價激光的。


      但凡事都有其兩面性,激光熔覆也有其劣勢。在工藝方面就有許多限制,在生產實際中更需要高的操作技能,給許多客戶造成困難。我認為,主要是加熱快冷卻快造成的熔覆層熔融時間過短造成光斑外緣和內緣差別大,組織形成不均勻,應力分配不勻,排氣浮渣不充分,造成硬度不均,易形成氣孔夾渣等問題,難以獲得大面積完美的熔覆層,YAG激光尤其為甚。所以,激光熔覆從選材到操作都應格外細致。


      等離子熔覆相對激光講輸入熱量大,基體變形量比激光大。但其熔融充分,硬度分布均勻,排氣浮渣徹底,材料選擇范圍廣,易于操作,易獲較為完好的整體熔覆層,成本低,效益好,因此,在大面積、大厚度熔覆方面有著明顯優勢。

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