等离子弧堆焊

表面涂覆技术分支

等离子弧堆焊工艺是表面涂覆技术的一个分支，是焊接工艺方法在表面工程领域中的重要应用。与其它类型的表面工程技术如化学领域中的电镀、热处理领域中的表面热处理和化学热处理等相比，等离子弧堆焊是一种表面处理新技术在国内外获得了很快的发展[1]。

技术介绍

等离子弧堆焊工艺是表面强化技术的一个分支。它以联合型或转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，堆焊时将工件表面及堆焊材料同时熔化，并使两种材料相互混合构成熔池，熔池经冷凝结晶形成堆焊层。

等离子堆焊技术出现于20世纪60年代。发展初期，主要用于修复损坏的零件，如恢复零件的形状尺寸等。后逐渐将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合。80年代以后，等离子堆焊技术的应用领域进一步扩大，从表面修复扩展到制造业。进入90年代以来，受先进制造技术发展的影响，对等离子堆焊设备的研究越来越深入。国外设备对堆焊过程的主要工艺参数可进行自动检测和自动模拟控制，同时对试验数据建立数据库进行微机处理，从而大大提高了堆焊自动化程度。近年来，等离子堆焊技术与智能控制技术(CAD/CAM)和精密磨削技术相结合的近净型技术(Near Net Shape)引起制造业的广泛关注，同时其应用范围也不断扩大。

产生及特点

等离子弧是利用特制的焊枪，在阴极和冷喷嘴之间或者阴极和工件之间，使气体电离形成的电弧（又称压缩电弧）。当电弧穿过水冷喷嘴小孔时，受到冷气流和水冷喷嘴孔壁的冷却作用，电弧将产生以下三种压缩效应：

(1)热压缩效应

紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性，由于受到水冷，喷嘴孔壁的温度很低。因此，进入喷枪气室内具有一定压力的气体离孔壁越近，其电离度越低，与孔壁贴近的冷气层基本上未电离，而是中性气体，这样使电弧和孔壁之间形成一圈既绝缘又隔热的中性气流层，电弧电流被迫集中到气体电离程度高的中心部位，电弧电流截面的收缩使电流密度增加，全部过程即为热压缩的有效反应。

(2)机械压缩效应

等离子弧柱周围的冷气层依附在喷嘴孔道的壁面。因此喷嘴孔径基本上确定了环形冷气流层的直径，也确定了等离子弧的粗细。显然喷嘴孔径及其几何尺寸除通过热压缩效应实现对电弧不同程度的压缩外，还起到对电弧的机械压缩作用。

(3)自磁压缩作用

电弧电流有一定的流向，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体。每根通电导体都在它周围产生磁场，在电磁力的作用下，使弧柱受到指向弧柱中心的压缩力，从而弧柱受到压缩。

这三种压缩效应使电弧弧柱的截面积缩小，带电粒子密度增大，电场强度提高，这种压缩了的电弧称为等离子弧。

等离子弧具有如下特点：

(1)等离子弧温度高、热量集中

由于等离子弧具有压缩作用，故其中心温度可达10000～50000K，能量密度可高达10～10W/cm。由于等离子弧温度高，因此被加工材料一般不受熔点的限制。

(2)等离子弧热稳定性好

由于等离子弧中的气体是充分电离的，所以其电弧更稳定。等离子弧电流和电弧电压相对于弧长在一定范围内的变化不敏感，即在弧柱较长时仍能保持稳定燃烧，没有自由电弧易飘动的缺点。

(3)等离子弧具有可控性

等离子弧可以在很大范围内调节热效应，除了改变输入功率外，还可以通过改变气体的种类、流量及改变喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的热能和温度；可以通过选择不同的工作气体来调整等离子弧工作气氛；可以通过改变电弧电流、气体流量和喷嘴压缩比来调节电弧的刚度。

原理及特点

2.2.1 等离子弧堆焊的原理

等离子弧按电源的连接方式分为转移型和非转移型两种基本形式。转移型的电源两极分别接于电极与工件，电弧在它们之间燃烧，水冷喷嘴起收缩作用。非转移型的电源两极分别接于电极和水冷喷嘴上，工件不接电源，喷嘴既是电极，又起收缩作用。转移型与非转移型同时存在的称为混合型等离子弧，堆焊是以混合型和转移型等离子弧为热源。图2为等离子弧堆焊原理示意图。

在采用联合型等离子弧堆焊时，一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧和转移弧。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧和非转移弧电流、送粉量和其他工艺规范参数，来控制合金粉末的熔化及传递给工件的热量。随着焊枪和工件的相对移动合金熔池逐渐凝固，在工件上获得高密度、高结合强度的堆焊组织结构。

图1 等离子弧堆焊的原理示意图

2.2.2 等离子弧堆焊的特点

与其他表面堆焊方法如氧乙炔火焰堆焊、焊条电弧堆焊等相比较，等离子堆焊具有许多优点。

（1）生产率较高。等离子弧堆焊过程是在自动化控制下进行的，其生产率高，熔敷率高。现在国外的大功率等离子弧堆焊电流高达500A，熔敷率可达12kg/h。

（2）母材对合金稀释率低。由于工艺上可调规范参数多，因此能主动控制热量输入。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈喷射状过渡到熔池，对电弧吹力有缓冲作用，熔池受热均匀，因而可控制母材熔深，降低母材对合金的稀释率。

（3）堆焊层成形较好。等离子弧堆焊一般采用氩气保护，堆焊层成形平整、光滑。通过改变工艺规范参数，可精确控制成形尺寸且尺寸范围宽。

（4）喷焊层质量和工艺稳定性好。由于等离子弧稳定性好，外界因素的干扰对电参数和电弧稳定性影响较小，从而使工艺易于稳定。由于等离子弧温度高，热量集中，喷焊速度快，一次熔成，使工件热影响区小，喷焊层合金组织晶粒细，硬度和化学成分均匀，喷焊层质量好。

（5）合金粉末制备简便，使用材料范围广。等离子弧区的温度高达(1.0-5.0)×l0K，因此可以堆焊各种金属。堆焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状的粉末，制备简便，可按需要的配方熔炼成成分不同的合金粉末，获得不同性能的合金熔焊层，以适应不同条件下对零部件表面性能的要求。喷焊合金材料的种类多，有钴基、镍基、铁基、铜基等。一般具有高硬度、耐磨损、耐高温和耐腐蚀的合金难以制成线材并用其他工艺方法堆焊，而将这些合金制成粉末，采用等离子喷焊却是简便易行的。

（6）可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的气氛、温度等电弧参数，从而实现高效自动化生产。

（7）被堆焊的工件温度较低，一般不易变形，为了进一步降低堆焊时工件的温度，还可以用气体对工件进行冷却。

分类

按照填充材料的填充方式不同，等离子堆焊可分为：

（1）冷丝等离子堆焊

冷丝等离子堆焊把焊丝作为填充材料，不经预热直接送入焊接区进行堆焊。

（2）热丝等离子堆焊

热丝等离子堆焊是利用焊丝自身的电阻进行预热后，再送入等离子区进行堆焊，可采用单丝或双丝送丝。

（3）预制型等离子堆焊

预制型的等离子堆焊是将堆焊合金预制成一定的形状并放置在待堆焊表面，然后将其用等离子熔化而形成堆焊层。

（4）粉末等离子堆焊

粉末等离子堆焊是将合金粉末送入等离子弧区并将其熔化而获得堆焊层的一种堆焊方法。绝大多数合金都可以制成粉末，故粉末等离子堆焊的材料来源十分广泛，而不像丝材那样受到材料延展性的限制。

常用材料

粉末等离子弧堆焊

粉末等离子弧堆焊常用的合金粉末主要有自熔性合金粉末及复合粉末。

2.4.1 自熔性合金粉末

自熔性合金粉末包括镍基、钴基、铁基、铜基等。其中铁基合金粉末因原材料来源广，价格低，性能好，得到了广泛应用。镍基和钴基合金粉末具有良好的综合性能，但镍和钴属于稀缺金属，成本高，一般只用于有特殊表面性能要求的堆焊。

（1）镍基自熔性合金粉末：以镍为基的自熔合金统称为镍基合金。它可分为两类：镍硼硅系列和镍铬硼硅系列。镍硼硅系列在镍中加入适量的硼、硅元素所形成的自熔合金；镍铬硼硅系列是在镍硼硅系合金中加入铬和碳，就能形成用途广泛、品种较多的镍铬硼硅系自熔合金。

（2）钴基自熔合金粉末：该系列自熔合金以金属钴为基，是在司太立合金基础上发展起来的。它在钴铬钨合金中加入B、Si元素形成。钴基自熔性合金具有优良的高温性能、较好的热强性、抗腐蚀性及抗热疲劳性能，比较适合在600℃~700℃高温工作的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的表面涂层。如高压阀门密封面的堆焊。

（3）铁基自熔性合金粉末：铁基自熔性合金粉末是以铁为主，由铁、铬、硼、硅等几种主要元素组成。这类合金是在铬不锈钢和镍铬不锈钢的基础上发展起来的。可分为两种类型：奥氏体不锈钢型自熔合金（在奥氏体不锈钢中加入硼、硅元素，并调整碳和合金元素的含量）和高铬铸铁型自熔合金。

（4）铜基自熔性合金粉末：铜基合金具有较低的摩擦系数，良好的抗海水、大气腐蚀性能。铜基合金抗擦伤性好，塑性好，易于加工。目前我国研制并生产的铜基自熔合金粉末主要有两类，一种是锡磷青铜粉末，一种是加入镍的白铜粉末。

2.4.2 复合合金粉末

复合粉末是由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成，不同的相之间有明显的相界面，是一种新型工程材料。组成复合粉末的成分，可以是金属与金属、金属（合金）与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属（合金）与塑料、金属（合金）与石墨等，范围十分广泛，几乎包括所有固态工程材料。

按照复合粉末的结构，一般可分为包覆型、非包覆型和烧结型等不同类别粉末。包覆型复合粉末其芯核颗粒被包覆材料完整的包覆着；非包覆型粉末的芯核材料，被包覆材料包覆的程度是不完整的，它取决于组分的配比，无论包覆型复合粉末或是非包覆型复合粉末，各组分之间的结合一般为机械结合。

应用

等离子堆焊主要应用于以下两个方面：修复各种由于磨损、腐蚀等造成损坏的机械零件；制造双金属零件。

2.5.1 修复机械零件

修复各种由于磨损、腐蚀等造成损坏的机械零件，如：扎丝辊、轴类、各种模具等等。它们往往因为局部磨损，形状和尺寸不符和要求，以至于不能使用而报废，采用堆焊工艺修复旧件，不仅能够节约费用还能够大幅度提高使用寿命。

2.5.2制造双金属零件

制造双金属零件，在生产中常常对工件表面和基体有不同要求，采用堆焊方法妥善解决了一个工件表面和基体性能要求不同的矛盾，既节省了大量的贵重金属及合金，又能提高零件的使用性能。如：无缝钢管顶头顶部需采用高温钼基合金，才能达到要求，可以通过堆焊的方式制造双金属复合顶头，代替昂贵的钼顶头。利用粉末等离子弧堆焊工艺可配制和堆焊含钼量高的高温合金。

三、等离子弧堆焊的发展趋势

等离子弧堆焊技术未来的发展趋势是提高生产效率，降低劳动成本，通过该技术获得具有高性能的堆焊层，最大程度上延长机械零部件的使用寿命。

由此趋势决定该技术今后的发展集中在以下几方面：

（1）等离子弧堆焊设备的改进完善。相比较其它堆焊技术，目前等离子弧堆焊设备较复杂，成本高。加强对堆焊设备的研究工作，尤其是对堆焊枪体及配套系统的开发研制，以提高连续自动化作业条件下的生产的可靠性，进一步提高堆焊层质量、堆焊效率并降低成本是该技术今后的一个发展趋势。

（2）新型高性能堆焊复合粉末的开发研制。现代工业的发展对机械零部件的表面性能提出了越来越高的要求，应根据不同的工况条件，不断开发出具有更高性能的等离子弧堆焊粉末。

（3）适用于新型材料的堆焊工艺的研究。不同的堆焊材料具有不同的性能特点，应加强其相应的工艺研究，确定合理的等离子堆焊工艺参数，从而提高堆焊质量，获得预期性能，使它成为成熟的技术，尽快应用于工程实践。

（4）基础理论研究的发展。基础理论的深入研究会为等离子堆焊技术的更广泛应用提供理论依据。近年来主要的研究热点有：堆焊材料在等离子弧柱中的热行为分析；新型堆焊材料所形成的堆焊层的组织、性能特点及变化规律；工艺与性能的相互关系。

目前，国外的等离子堆焊设备、材料及相关产品的价格昂贵，技术附加值很高。我国应加强对该技术的研究，不断发展完善该技术，加速等离子堆焊技术在工程实践中的普及推广，使之在我国工业现代化生产中发挥重要作用。

我国堆焊技术已广泛应用于模具修复和压力容器等行业，并取得了显著的成效，为我国制造业的发展做出了突出贡献。但我国还不是堆焊技术发展强国，堆焊材料不够系列化，堆焊方法不够高效化、经济化，堆焊设备不够专业化。为了使堆焊技术更好地贡献于“循环经济”和“绿色再制造”的发展，国内相关研究者正在努力设计和改进堆焊材料和堆焊方法，使堆焊材料优质高效化，堆焊方法先进化，努力开发制备出更智能化、专业化的堆焊设备，使我国堆焊技术走向世界。只要堆焊行业能同相关行业紧密合作，不断跟踪国际上的先进技术和经验，不断创新，就一定能使我国成为堆焊技术发展的强国。

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