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      等離子堆焊設備技術介紹

      發布日期:2020-03-27

      等離子堆焊于 20 世紀60 年代開始投入工業應用。它是利用焊炬的鎢極作為電流的負極和基體作為電流的正極之間產生的等離子體作為熱量,并將熱量轉移至被焊接的工件表面,并向該熱能區域送入焊接粉末,使其熔化后沉積在被焊接工件表面,從而實現零件表面的強化與硬化的堆焊工藝。該堆焊技術具有生產率高,成型美觀以及堆焊過程易于實現機械化及自動化等優點,符合綠色制造的發展趨勢,在制造業中的應用日益廣泛。

      1 等離子堆焊設備

      等離子堆焊設備包括焊接電源、電氣控制系統、冷卻水系統、送粉系統、數控行走系統等。

      1.1 電源 采用一臺具有陡降外特性的500 A 直流電源。非轉移弧是從電源上接水冷電阻后供電。即共用端是負極,從正極上引出兩頭,一頭接工件,一頭經水冷電阻后到噴嘴的下槍體,構成兩電源回路。

      1.2 電氣控制部分 三股氣路即等離子形成氣、送粉氣、保護氣、均采用氬氣,氣路與高頻振蕩器串聯使用??刂苿幼鞒绦颍弘x子氣→高頻→非轉移弧(小弧)→轉移弧(大弧)(電流穩定到100 A 時,切斷高頻和小弧)、轉臺轉動、槍體擺動、送粉氣、保護氣接通→送粉→焊到終點處電流衰減,切斷送粉氣,保護氣衰減→總停。

      1.3 冷卻系統 等離子堆焊機的冷卻系統主要是將焊槍工作時由等離子非轉移弧和轉移弧所產生的熱量帶走,使焊槍的溫升保持在安全的范圍之內。雖然不同設備的冷卻系統在細節上可能有所不同,但其原理都是一致的:通過水泵不斷將冷卻水送到槍體中,回流的溫度較高的水則通過換熱器降溫。為保證冷卻效果,循環水箱需要達到一定的體積,為防止滋生微生物及避免對流道中金屬部件的腐蝕,其中最好盛裝去離子水。由于焊槍中的水流通道比較狹小,為保證能夠迅速將熱量帶走,需要冷卻系統的水泵能夠達到一定的壓力,為了保護焊槍,目前越來越多的設備在冷卻水管中裝有水壓和水溫傳感器,當冷卻水的壓力降低并且水溫升高到一定程度時,系統將報警,以避免燒損焊槍。

      水冷系統中水的流動方向大致分為兩種:第一種是水從內部流動循環,即通過導電水管(電纜在水管內)從作為正極的下槍體水套流入噴嘴,從噴嘴經絕緣部分流入作為負極的上槍體水套,最后流回到循環水箱,此種循環系統外部走線較整齊,冷卻效果也較好,但對絕緣部分的可靠性有著較高的要求,一旦漏水,槍體難以修理;第二種水循環方式是水從下槍體流入噴嘴,再從噴嘴流入外部水管,最后經上槍體水套流回到循環水箱。這種水管路較上面顯得繁瑣,但易于維修。

      1.4 槍體 等離子堆焊槍的核心部分是等離子弧發生器,輔以水管路、氣管路及送粉管路。焊槍的品質對于堆焊質量起著至關重要的作用。等離子焊槍主要有兩部分組成,即上槍體和下槍體,是由絕緣體來連結的,性能良好的焊槍應滿足:在堆焊過程中,穩定性好,安全性高,堆焊效率高,焊后質量好,噴嘴使用壽命長,操作方便,易于更換,小巧靈活,手工半自動、自動焊皆可用。

      槍體主要由鎢電極、離子氣管、陶瓷管、進水管、送粉氣管、保護氣管、出水管、噴嘴組成。為保證焊槍具有良好的使用性,必須保證鎢極與噴嘴之間同心度要好。目前比較先進的焊槍是通過電極垂直升降滑動來進行調整,電極本身與上槍體之間采用圓柱面接觸的精密配合,通過轉動調節螺帽來控制電極的升降,調節時電極只能上下滑動而不旋轉,以確保電極與槍體保持良好的同心度。鎢極尖端不正時,可以適當旋轉絕緣帽來對鎢極進行微調。

      2 等離子堆焊工藝

      2.1 等離子弧種類

      等離子電弧分為非轉移弧、轉移弧和聯合型電_弧三種。三種電弧形式均是鎢極接電源負極,工件和噴嘴接電源正極。

      (1) 非轉移型電弧。電弧形成于鎢極與噴嘴之間,隨著等離子氣流的輸送,形成的弧焰從噴嘴中噴出,形成高溫等離子焰,主要適用于導熱性較好的材料的焊接。但由于電弧能量主要是通過噴嘴傳輸,噴嘴的使用壽命較短,且能量不宜過大,不太適合于長時間的連續焊接,目前非轉移弧在焊接領域應用得越來越少了。

      (2) 轉移型電弧。轉移型電流是在噴嘴與工件之間形成,由于轉移弧難以直接形成,需要先在鎢極與噴嘴之間形成細小的非轉移弧作為引導,之后過渡到轉移弧,當生成轉移電弧后,非轉移弧同時切斷。由于這種方式可以將更多的能量傳遞給工件,用于焊接,因此轉移型電弧普遍地應用于金屬材料焊接和切割領域中。

      (3) 混合型電弧。顧名思義,轉移電弧和非轉移電弧并存,主要用于微束等離子弧焊接和粉末堆焊中。

      2.2 等離子堆焊重要參數

      2.2.1 焊接電流

      在等離子堆焊過程中,最重要的工藝參數是焊接電流,隨著焊接電流的增加,等離子弧能量增大,熔化和穿透能力增加。在堆焊過程中如果電流過小,填充金屬不易熔化,堆焊層與工件無法形成良好的冶金結合,電弧不穩定,容易造成氣孔、夾雜及未熔合等多種缺陷。反之,如果電流過大,工件熔化過較多,在增加稀釋率的同時,增加了堆焊材料的燒損,降低堆焊層硬度;此外,由于較大的熱輸入量,工件還易燒穿焊壞,造成保護不良、氧化物多、咬邊等嚴重的焊接缺陷,影響堆焊質量。焊接電流主要根據工件材料及堆焊速度和焊粉種類來選定的,電流過大過小都會影響焊后性能。此外,較大的焊接電流還可能引起雙弧現象。

      因此,在選定焊槍及噴嘴的結構后,焊接電流只能限定在一定范圍之內,而這個范圍是與其他焊接參數,如等離子氣流量和焊接速度等參數相關。在設定了其他堆焊參數后,焊接電流和焊接速度的對應關系:焊接速度增加,相應焊接電流也須增加;反之,焊接速度降低,焊接電流要減小,當等離子氣流量增加時,焊接電流要減??;反之,當等離子氣流量減小時,焊接電流須增加。

      2.2.2 電弧電壓

      電弧電壓過低時,不易引燃電弧,電弧較軟,穿度能力弱,不過電弧電壓小可以減小母材對于堆焊材料的稀釋率。電弧電壓過高,溫度升高,沖淡率也增加,不易焊接,難于掌控,不過電壓過高,容易引弧。

      2.2.3 氣體的作用及流量

      (1) 氣體作用。氬氣在堆焊過程中起輸送焊粉、引燃電弧和保護電弧穩定燃燒的作用,在噴嘴內壁和弧柱之間起堆焊熱源的作用,并對電弧進行壓縮,增加能量集中度。氬氣作為電離介質與電弧的熱導體,起熔化堆焊粉末和基材金屬作用,并保護鎢極、堆焊層和工件在堆焊過程中不被氧化,因此對氣體純度要求較高,以保證電弧穩定燃燒,提供良好的攜熱性能,同時氬氣對鎢極和工件與噴嘴沒有腐蝕作用。

      (2) 氣體流量。氣體流量包括離子氣、保護氣和送粉氣,在堆焊過程中需要對其分別進行控制。

      進氣口直徑一般為68 mm,調節氣體流量時,如果流量過大,容易使電弧噴射速度加快,弧流沖力過大造成翻渣現象,易把噴嘴燒壞。氣體流量過小,對電弧壓縮能力減小,電弧軟弱無力,堆焊熱量減少。氣體流量對焊接質量影響較大,因此需要慎重選擇。

      2.2.4 焊接速度

      焊接速度是影響堆焊質量的一個重要參數。在其他條件一定時,焊接速度增加,工件表面的熱輸入量減小。反之,如果焊速太低,會出現過熱現象,直接影響焊接質量。焊接速度和焊接電流以及氣體流量之間是相互影響的,它們之間的關系如前所述。

      2.2.5 焊槍距離

      堆焊過程中,焊槍噴嘴和工件之間的距離對其他參數的影響不是很明顯,因為等離子電弧的挺度好,等離子焊接的擴散角僅為5°,基本上是圓柱形。

      但如果距離過大,熔透能力降低,氣體保護質量降低;距離過小則易造成噴嘴被飛濺物粘附,堵塞送粉孔,一般應控制在48 mm 范圍內。

      2.2.6 轉臺轉速

      轉臺是堆焊設備的主要部件,轉臺的運轉平穩性和速度會影響到堆焊質量,太快容易造成焊道不易成型,或者堆焊層太薄,電流小時還可能出現未熔合,焊道不美觀,堆焊質量低等問題。太慢則容易造成溫度過高,焊道過厚,表面不光,燒穿等問題。因此合理地選擇轉速對獲得良好的焊接質量有著重要的作用。

      2.3 堆焊粉末分類

      目前國內外所采用的等離子堆焊粉末主要有自熔性合金粉末和復合粉末兩大類。

      2.3.1 自熔性合金粉末

      自熔性合金粉末主要由鎳基、鈷基、鐵基、銅基等幾類構成。雖具有良好的綜合性能,但由于鎳和鈷屬稀缺金屬,成本高,一般也只用于有特殊表面性能要求的堆焊中。而鐵基合金粉末具有原材料來源廣,價格低的特點,同時具有良好的性能,因而得到越來越廣泛的應用。

      (1) 鎳基自熔性合金粉末。以鎳為基的自熔性合金粉末統稱為鎳基合金粉末。鎳基自熔性合金粉末熔點低(9501150 ),具有良好的抗磨損、抗腐蝕、抗熱、抗氧化性等優異性能。它可分為兩類:

      鎳硼硅系列和鎳鉻硼硅系列。鎳硼硅系列是在鎳中加入適量的硼、硅元素所形成的自熔性合金粉末;鎳鉻硼硅系列是在鎳硼硅系合金中加入鉻和碳,形成用途廣泛、品種繁多的鎳鉻硼硅系自熔合金。

      (2) 鈷基自熔性合金粉末。以金屬鈷為基,在司太立合金基礎上發展起來的,在鈷鉻鎢合金中加入硼、硅元素形成的自熔合金粉末統稱為鈷基合金粉末。鈷基自熔性合金具有良好的流動性、紅硬性、抗腐蝕性及抗熱疲勞性能,可以應用于在600700℃高溫下工作的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面涂層,如高壓閥門密封面的堆焊。

      (3) 鐵基自熔合金粉末。以鐵為主,適當添加鉻、硼、硅等元素所形成的自熔合金粉末統稱為鐵基合金粉末。這類合金是在鉻不銹鋼和鎳鉻不銹鋼的基礎上發展起來的??煞譃閮煞N類型:奧氏體不銹鋼型自熔合金和高鉻鑄鐵型自熔合金。

      (4) 銅基自熔合金粉末。目前我國研制并生產應用的銅基自熔性合金粉末主要有兩類,一種是錫磷青銅粉末,另外一種是加入鎳的白銅粉末。其具有較低的摩擦因數,良好的抗海水、大氣腐蝕等性能,并且具有抗擦傷性好、塑性好、易于加工等特性。

      2.3.2 復合粉末復合粉末

      近年來日益成為研究和應用的熱點,它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,幾乎包括所有固態工程材料。

      3 等離子堆焊的應用行業

      由于等離子堆焊的特點和優越性,其已廣泛應用于石油、化工、工程機械、礦山機械等行業。

      3.1 閥門密封面堆焊

      閥門在使用過程中,常處在較高溫度和較高的流體壓力下,且閥門經常啟閉,在此過程中,由于密封面間的相互摩擦、擠壓、剪切,加之流體的沖刷和腐蝕等作用極易受到損傷。一旦密封面出現損傷,就會導致泄露量增加,喪失閥門的使用性,成為廢品,甚至造成嚴重的安全事故。因此,閥門密封面堆焊材料質量的好壞,將直接關系到閥門的使用壽命和生產的安全可靠性。通過采用等離子堆焊工藝將高合金粉末材料堆焊在普通材料上,以提高其耐磨損、耐腐蝕及高溫性能,延長閥門使用壽命,同時節省貴重材料,降低產品的成本,這一方法已在電站閥門行業得到普遍應用。

      3.2 石油化工裝備

      石化工業中,生產設備工況條件具有三高(即高腐蝕、高磨損及高溫)的特點,采用等離子粉末堆焊工藝,將鎳基或鈷基高合金材料堆焊在設備密封面上,達到提高設備使用壽命和運轉安全性的目的。這種表面改性方法對提高材料耐磨、耐腐蝕及高溫性能,延長使用壽命,節省貴重材料,降低產品成本具有重要意義。采用此方法將高合金粉末材料堆焊在普通材料上,可以獲得優異的表面性能。因此,這一方法已在石油、化工行業中得到廣泛應用。

      3.3 礦山機械

      采煤機截齒對強度,耐磨性,壽命要求較高,采用等離子堆焊設備在表面堆焊特殊合金粉末,可以顯著提高采煤機截齒耐磨、耐沖擊性能,可保護截齒頭免遭強烈的磨損而過早失效,在機械化綜合采煤生產作業中獲得了推廣應用。截齒耐磨堆焊層的出現和使用,將截齒刀頭與被切割煤巖之間的摩擦、沖擊等作用,轉換為或部分轉換為堆焊層與被切割煤巖之間的摩擦、沖擊等作用,從而達到了保護截齒刀頭的目的。另外將報廢截齒修復再利用,則截齒耐磨堆焊工藝技術,將成為煤礦裝備實現節約型循環經濟技術的重要組成部分。因此,近年來在多種可供選用的防止截齒過早失效的冶金技術中,截齒耐磨堆焊以其工藝簡便和效果較好等優勢,在工業生產中最受歡迎。

      4 等離子堆焊存在的主要問題及發展前景

      因為等離子堆焊主要以金屬粉末作為堆焊材料,并且大部分堆焊材料系自熔性合金,堆焊質量對粉末質量的依賴性很大。在堆焊過程中會有少量粉末飄散而造成浪費。在堆焊過程中因粉末飛濺,長時間施焊易產生粘噴嘴現象,在堆焊較粘人材料,例如鎳基合金時,這個問題尤其突出,已經成為影響工藝穩定性的重要因素。以上問題除了與堆焊合金本身的特性有關之外,主要與焊粉的粒度、形狀及焊槍(特別是噴嘴)密切相關。

      目前焊粉的生產已經從水霧化逐漸過渡到氣霧化,從而使得焊粉的顆粒保持很規則的球形。而焊粉的粒度組成則可以通過篩分環節嚴格控制。但現在關于焊槍的設計和加工過程中仍有許多問題,例如送粉孔的數量、分布以及焊槍表面防粘涂層的選擇和應用都值得進一步深入探索。

      在系統控制方面,由于等離子堆焊工藝參數比較復雜,因此等離子焊接設備中要控制的對象比較多,主要包括轉移弧整流電源、高頻振蕩電源、氣量、冷卻水、堆焊數控機床、送粉器和擺動器等,其中任何一個參數的變化都可能影響堆焊層的質量和性能。剛開始采用手動控制,堆焊質量與操作者有非常大的關系。

      為了進一步實現等離子堆焊設備的小型化、控制系統化和操作自動化,目前在設備控制方面,越來越多研究者在等離子堆焊設備中引入可編程控制器對設備進行系統控制,但是許多人只是將 PLC 作為一種替代傳統的繼電器控制系統的邏輯順序控制器,未能充分發揮 PLC 的軟件功能,因此通過充分發揮 PLC 控制的軟件功能,在增強設備的自動化和智能化程度方面,在提高設備工藝適應性和運轉穩定性方面,仍有廣闊的研究前景。

      盡管目前仍存在著許多問題,由于其優異的技術特性,等離子堆焊技術在國內外仍得到了大量應用。在實際的工業生產中,等離子堆焊主要用于表面技術,以提高工件(閥門密封面、氣閥密封面、模具刃口、輸煤機中部槽板、槽幫、無縫鋼管頂頭、運動部件摩擦副等)的耐磨性能,以及石化工業設備的耐腐蝕性能,同時延長使用壽命為主要目標。采用各種堆焊材料提高零部件的性能,也是生產和研究的重點。但這些研究工作僅限于材料的表面改性上。如今高溫合金已應用于航空航天、工業燃汽輪機及高速機車等方面,在長期使用中就要求具有高的強度、較佳的抗氧化性能、耐蝕性能和良好的低周疲勞抗力,通常合金的成分及組織對其性能有重大的影響,因此通過等離子堆焊技術在高溫合金的成形及加工方面的應用,獲得均勻細小的組織結構成為改進合金綜合性能的重要手段。隨著制造業的快速發展,為了滿足各種行業的需要,尤其是在快速制造領域,等離子沉積制造技術也得到人們的注意。

      等離子沉積制造技術是在等離子粉末堆焊和快速成型技術的基礎上發展起來的一種新的材料增量制造技術,它首先是在計算機中生成零件的三維 CAD 模型,然后將該模型根據具體工藝方法,按照一定的厚度進行分層剖分,將零件的三維數據信息轉換成一系列二維輪廓數據,再經過逐層熔覆的方式制造出三維零件,也被稱之為 3D 打印。由于等離子弧的溫度極高,粉末融化充分,從而得到的熔覆層材料組織細小、均勻、致密,同時具有柔性好、加工速度快、對零件的復雜程度基本沒有限制等特點,能直接制造出滿足實際使用要求的組織致密的金屬零件。并且幾乎不受原料種類限制,因此在縮短制造加工周期、節省資源與能源、發揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大的潛力,因而受到越來越多的關注,可見等離子堆焊技術在未來具有很好的發展前景。

      5 展望

      21 世紀是一個倡導綠色制造的時代,中國經濟的迅速崛起和制造業的蓬勃發展,必然對焊接技術提出更高的要求。等離子堆焊技術具有諸多與綠色相符的特征,因而等離子堆焊技術的研究與應用必將成為綠色制造技術的重要組成部分。

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