等離子堆焊技術的原理、應用以及發展前景

離子弧堆焊是利用等離子弧作為熱源將填加金屬熔化，使之與基體金屬作為實現冶金結合的一種堆焊方法。等離子堆焊技術具有節能、高效和質量穩定等特點，使其成為重要的綠色制造及再制造技術之一。。隨著國內制造業的迅速發展，焊接技術尤其是等離子堆焊技術也得到較快的發展。本文介紹了等離子堆焊技術的原理、應用以及發展前景。

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。與鎢極氬弧焊相比，等離子堆焊具有熔深可控性強、熔敷速度大、生產率較高，堆焊后基體材料與堆焊材料之間的界面呈冶金結合狀態，其結合強度高，熱輸入量低，稀釋率小。更為重要的是，由于鎢極承載電流的能力較差，因此在氬弧焊中較大的電流會引起鎢極熔化和蒸發，其微粒有可能進入熔池，造成污染，而等離子堆焊中鎢極需要承受電流較小[2-3]；與手工電弧焊相比，雖然在應用靈活性、方便性上稍遜一籌，但在生產效率上槍體現出明顯的優勢，且手工電弧焊勞動強度較大、影響焊工健康，產品質量受焊工水平和焊條質量影響較大；與埋弧焊相比，在焊接位置上的靈活性比較大。另外等離子弧本身具有弧心熱量集中、電弧穩定、稀釋率低等優點。隨著自控技術的發展，越來越多的堆焊設備中引入了CNC控制，從而實現對弧壓、電流、送粉量、擺動幅度他擺動頻率等堆焊重要參數的精確控制，另外在堆焊系統中引入數控系統，可以控制焊槍行走速度和工件運動，通過調節相關的堆焊參數，可以對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內自由調整[4]；與其他堆焊技術相比，等離子堆焊過程中基體材料與堆焊材料的互熔較少 堆焊材料特性變化小；另外采用粉末作為堆焊材料可提高合金設計的自由度，使堆焊難熔材料成為可能，從而大幅度的提高工件耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。因此等離子堆焊可廣泛地應用于石油、化工、工程機械、礦山機械等行業的新品制造與裝備在制造中。

等離子堆焊技術的原理

等離子粉末堆焊是以等離子弧作為熱源，應用等離子產生的高溫將結合金粉末與基體表面迅速加熱并一起融化、混和，擴散，凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現零件表面的強化的堆焊工藝，由于等離子弧具有電弧溫度高，傳熱率大、穩定性好，熔深可控性強，通過調節相關的堆焊參數，可對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內自由調整。等離子粉末堆焊后基體材料和堆焊材料之間形成融合界面，結合強度高；堆焊層組織致密，耐腐蝕耐磨性好；基體材料與堆焊材料的稀釋減少，材料特性變化小；利用粉末作為堆焊材料可提高合金設計的選擇性，特別是能夠順利堆焊熔材料，提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。等離子粉末堆焊具有較高的生產率，美觀的成型以及堆焊過程易于實現機械化及自動化。

等離子弧是屬于高溫高能束流，電弧溫度可達30000℃，功率密度在1.5*102~1.6*104w/mm2.高壓縮程度的等離子弧用于焊接、切割和噴涂時，其效果可與激光，電子束方法相比較；而低壓縮程度的等離子弧，是一種壓性可調的柔性等離子弧，它即可以實現堆焊對高速熔敷的需求，又可以滿足低稀釋率的條件，同時還不易產生雙弧，成為理想的堆焊熱源。

等離子堆焊材料的主要形式是粉末。由于粉末的化學成分可靈活變化，因此與采用絲質的其它堆焊的方法相比，等離子堆焊層的層的成分和性能更容易調整。等離子堆焊中常用的粉末材料是自熔劑合金粉末。這是一種自身具有溶劑作用的合金粉末，在熔敷堆焊時不需外加焊劑，合金本身就是具有脫氧，造渣和改善潤濕性等作用。在使用過程中，亦可將兩種或兩種以上不同類型的粉末按一定的比例機械混合，以獲得具有另一種成分和性能的堆焊合金粉末，為了快速獲得某種性能的合金，這種方法也經常在試驗中使用。堆焊層的稀釋率是反映一種堆焊方法特征的重要的指標之一。稀釋率的大小直接影響了堆焊層后的成分和金相組織嗎，并終決定了表面堆焊層性能。利用等離子焊接熱源可控性好的特點，堆焊采用自熔劑合金粉末時，可以將基體金屬對堆焊層的稀釋率控制在很低的范圍內，如3~7%。惹使用反極性等離子堆焊方法可獲得更低的的稀釋率。但是，過低的稀釋率如3%一下，在常規部件的整體熔敷界面上難以保證，而且要承擔出現未熔合缺陷的危險。

等離子粉末堆焊的熔敷效率是指在堆焊的過程中，熔敷金屬與使用的粉末材料的質量百分比，它反映了堆焊材料的利用率。熔敷效率的大小直接關系到等離子堆焊的生產成本。等離子堆焊的熔敷的效率一般在80%~95%左右，某些條件下熔敷率可以達到95%以上。熔敷速度是指單位時間內有效的熔敷堆焊合金的質量，新的資料顯示等離子粉末堆焊的熔敷速度可達12.5kg/h或更高。