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        (姜 捷)
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      粉末等離子弧堆焊技術的應用與發展

                                                                                                                                            粉末等離子弧堆焊技術的應用與發展
      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,利用等離子弧焊槍(或稱噴槍,等離子弧發生器),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,產生熱收縮效應、機械壓縮效應、自磁壓縮效應,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、電弧穩定、可控性好等特點。等離子弧焊槍產生的等離子弧分非轉移型?。帢O與噴嘴間建立的電?。┖娃D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移型等離子弧。
      在采用聯合弧堆焊時,一般采用兩臺獨立的直流弧焊機作電源,分別供給非轉移弧(簡稱“非弧”)和轉移弧(簡稱“轉弧”)。兩個電源的負極并聯在一起,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。轉弧電源的正極接至工件。循環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節器進入焊槍。非弧電源接通后,借助在電極和噴嘴之間產生的高頻火花引燃非轉移弧。轉弧電源接通后,借助非弧在鎢極和工件間造成的導電通道,引燃轉弧。轉弧引燃后,可保留或切斷非弧,主要利用轉弧的熱量在工件表面產生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量連續供給,借助送粉氣流送入焊槍,并吹入電弧中。粉末在弧柱中被預先加熱,呈熔化或半熔化狀態落入熔池,在熔池里充分熔化,并排出氣體和浮出熔渣。通過調節轉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,易于避免質量缺陷。
      (4)焊道成形平整、美觀,尺寸及熔敷率可調范圍寬,適應工件大小的范圍寬。
      (5)采用細粉易于熔化的優點,可采用微束等離子弧作熱源,實現精細堆焊。
      (6)堆焊過程連續,易于實現全自動化堆焊。
      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,長時間施焊易產生粘嘴現象,影響工藝穩定。
      (3)堆焊質量對粉末質量的依賴性大,大部分堆焊材料系自熔性合金。
      2.設備系統
      2.1 組成
      等離子堆焊機(等離子弧堆焊系統)主要由以下部分組成:
      (1)等離子弧電源;
      (2)電氣控制系統(控制電路、操作界面、程序軟件);
      (3)工作氣(氬氣)供給系統;
      (4)焊槍三維空間定位或運行機械系統;
      (5)送粉器;
      (6)擺動機;
      (7)調高機/弧壓自動控制器;
      (8)焊槍支架及三維微調機;
      (9)等離子焊槍;
      (10)工件移動機(或旋轉臺,或變位機);
      (11)冷卻水換熱及增壓循環供給機;
      (12)機架及防護裝置。
      由送粉器、擺動機、調高機、焊槍支架及三維微調機、等離子焊槍等組成堆焊機機頭。
      2.2 設備系統的技術進步
      粉末等離子堆焊工藝自上世紀六十年代開始研發及推廣應用,已有四十余年的歷史,隨著工業技術特別是電子技術的進步,粉末等離子堆焊設備系統也隨之更新換代??v觀發展過程,大體分以下幾個階段:
      (1). 繼電器控制-可控硅調速階段:在上世紀六、七十年代設備系統處于這一階段。這一期間等離子電源多采用磁放大器式硅整流電源,驅動電機多采用直流伺服電機,先進的采用可控硅調速,落后的采用調壓器調速。繼電器控制的設備系統可靠性、穩定性、精確性差。
      (2).簡易的可編程順序控制器應用階段: 在上世紀八十年代末期至九十年代,PLC(可編程控制器)開始應用于設備控制系統,雖然只是順序控制,但大大簡化了硬件系統,提高了系統的可靠性。這一期間國外等離子電源已開始采用逆變焊機,國內仍采用硅整流焊機,其他方面亦變化不大。
      (3).數字化控制系統階段:進入二十一世紀后,控制技術有了飛速的發展,由于PLC由開關量的順序控制發展到有特殊功能的模擬量的數字化控制,并采用了觸摸屏人機界面作操作界面,實現了具有智能化的直接物理量設定及顯示、工藝參數的自動計算及儲存等控制功能,形成了數字化的控制系統,使等離子堆焊設備系統大大提升了可靠性、穩定性、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異的逆變式弧焊電源及數字化電流調節系統;在驅動動力上采用了可精確調速,動力特性更優越的變頻調速和步進電機驅動系統;在參數控制上采用了數碼弧壓自動控制器及數碼擺動器;在噴槍冷卻上采用了冷凍換熱循環供水系統;在等離子焊槍上采用了噴射式送粉及研發了大功率和精細焊槍,這一系列的技術進步使粉末等離子堆焊設備系統達到了國際先進水平,并為提高工藝技術水平創造了條件。
      (4).工業計算機控制系統階段:隨著粉末等離子堆焊工藝應用范圍的擴大,以PLC為核心的控制系統在某些應用上已不能滿足要求,而采用工業計算機控制系統,即在數控加工中心的軟件基礎上,進一步開發出數控堆焊軟件,在實現CNC(數控)控制上優越性更突出,為粉末等離子堆焊工藝應用范圍的擴大和水平的提升創造了條件。

      3.工藝控制
      3.1 主要工藝參數
      主要工藝參數有:
      (1)非轉移弧電流
      非弧首先起過渡引燃轉弧的作用,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,對堆焊過程穩定性不利。因此,堆焊過程中即或保留,電流規范也不宜過大,一般在50A以下。
      (2)轉移弧電流
      轉弧是堆焊的主要熱源,轉弧電流是關鍵工藝參數。在其他參數不變的情況下,隨著轉弧電流的增加,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。在設定好熔敷率后,要視熔池狀況,調整好轉移弧電流,以獲得最佳的堆焊質量。
      (3)轉移弧電壓
      當噴嘴的壓縮孔道長度及鎢極內縮長度確定后,轉弧電壓隨焊槍距離工件的高度幾乎成線性增加,選擇了轉弧電壓即選擇了弧長??蓳ぜο蠛蛯θ鄯舐实囊g選擇轉弧電壓,短弧堆焊利于電弧穩定和對熔池的保護;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,轉弧電流和送粉量有正比關系,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有對應關系。在其他參數不變的情況下,提高移動速度,焊道減薄,熔深減小。最佳堆焊狀態,應視具體情況調整參數之間的匹配關系。
      (6)擺動參數
      焊槍擺動是為了一次獲得較寬的焊道。擺動參數包括:
      擺幅:焊槍往復移動的寬度,mm;
      擺頻:每分鐘擺動的次數,次/min;
      兩端仃留的時間。
      采用數碼勻速擺動器,可設定以上參數。
      (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,對電弧壓縮不利,危及電弧的穩定。氣流量應取決噴嘴孔徑大小和對電弧的壓縮性。一般根據孔道的截面積,流量在12-15L/mm2.h范圍內選取。
      (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 工藝控制的技術進步
      隨著設備系統的技術進步,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)工藝參數設定和控制的智能化、直接物理量化。
      由于采用了IGBT逆變式弧焊電源、數字化的控制系統及人機界面操作系統,以及配置帶智能功能的編程軟件,實現只要鍵入工件堆焊面和焊道的幾何尺寸,設定熔敷率或堆焊速度,就自動給出相匹配的工藝參數,且顯示直接物理化,使工藝操作十分便捷和直觀。
      (2)工藝參數設定和調節的精細化和高穩定性。
      由于單個工藝動作都引入了數碼控制,如送粉、擺動、轉弧弧壓控制等,因而可精細設定和調節工藝參數,并可根據工藝控制的需要,增加特殊的控制功能,如為保證園環焊道搭接質量,采用送粉遞增和遞減控制;轉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。采用了轉弧電壓自動穩定的數碼控制,使轉弧電壓自動穩定,精度控制在±0.5V。這些控制功能大大提升了工藝水平。
      (3)焊槍定位系統采用步進數控或三維數控。
      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節定位,通過采用步進電機驅動或數控(CNC)定位系統,焊槍空間定位可以按座標設定,實現精細、精確和便捷的控制。
      (4)專用程序軟件的開發應用。
      先進的編程軟件提升了工藝水平和整機性能。
      (5)采用新型結構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的“結珠”“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,將水溫降低到室溫以下的設定溫度,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定的溫度范圍內,不受環境溫度的影響,因而對焊槍有良好的冷卻效果。
      4.應用示例
      4.1 應用分類
      粉末等離子堆焊工藝已應用于工業制造業的多個領域,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別。對于復雜的平面線段(連續或不連續的直線段或曲線段),要實現全自動堆焊,就要采用數控系統。對同一類型工件,在幾何尺寸上相差甚大者,則要選擇相適應的機型。
      (2) 按工件所屬的制造行業分類。
      根據目前的應用情況,主要有:閥門制造行業、氣門制造行業、冶金軋制工具制造行業、石油機械行業、煤礦機械行業、電力機械行業等等。隨著應用范圍的擴大,將會有更多的制造行業在產品的修造中采用粉末等離子堆焊技術。
      4.2 在閥門制造行業的應用
      粉末等離子堆焊工藝在我國閥門制造行業成功的推廣應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,具有優質、高效、節材、工藝穩定、勞動強度低等突出的優越性。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經濟效益。隨著我國閥門制造業的飛速發展和對品質的不斷提升,密封面制造工藝技術及其裝備愈益顯得重要, 粉末等離子堆焊工藝技術更顯其優越性。
      用于閥門密封面堆焊的數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格閥門堆焊的耍求,設備性能已達到國際先進水平,操作便捷。
      4.3 在氣門制造行業的應用
      內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(Stellite合金)或鎳基合金來滿足使用要求。由于對密封面堆焊質量有極嚴格的要求,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字化控制系統后,實現了精細、精確控制,充分發揮了粉末等離子堆焊的優越性,生產工藝得以穩定,達到了98%以上的一次性成品率
      汽車內燃機、機車內燃機、船舶內燃機的氣門,由于尺寸規格相差甚大,因而要采用不同規格的堆焊機械,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五種全數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的應用
      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合材料提供了方便的手段,因而顯示了獨特的優越性,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的應用
      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雜,而且堆焊的合金量大,為此開發了數控堆焊機和大功率高效率堆焊槍。數控堆焊機中開發了采用工控機(工業控制計算機)的數控堆焊系統,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,轉弧電流高達450A,轉弧電壓高達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,而開發了2000mm長深孔堆焊槍,在高度不小于60mm的夾層內施焊。輸煤機槽板數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,供不同產品對象選用。
      4.6 在石油機械行業的應用
      早在粉末等離子堆焊技術開始推廣應用初期,就成功應用于鉆桿接頭堆焊耐磨合金帶,并在鉆具修造行業推廣,效果突出,效益顯著。
      在鉆采設備中,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,堆焊質量和生產效率顯著提高,制造成本大幅度降低。
      在鉆采設備中,鉆具的耐磨堆焊,特別是在大批量生產上的全自動化堆焊,發揮粉末等離子堆焊可自動化連續作業的特點,結合先進的機械自動化技術,為鉆具制造業的生產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用
      在電力、水泥、采礦、物料加工等工業領域里,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異而價格低廉的高鉻合金,有極優的性價比。例如堆焊螺旋輸送器輥道面;堆焊截齒受磨面等。
       

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