PTA等離子熔覆機 大功率一體化等離子熔覆機

一 等離子弧堆焊簡介
等離子弧堆焊工藝是表面強化技術的一個分支。它以聯(lián)合型或轉移型等離子弧作為熱源，采用合金粉末或焊絲作為填充金屬，堆焊時將工件表面及堆焊材料同時熔化，并使兩種材料相互混合構成熔池，熔池經(jīng)冷凝結晶形成堆焊層。
等離子堆焊技術出現(xiàn)于20世紀60年代。發(fā)展初期，主要用于修復損壞的零件，如恢復零件的形狀尺寸等。后逐漸將恢復形狀尺寸與強化表面及表面改性相結合。80年代以后，等離子堆焊技術的應用領域進一步擴大，從表面修復擴展到制造業(yè)。進入90年代以來，受制造技術發(fā)展的影響，對等離子堆焊設備的研究越來越深入。國外設備對堆焊過程的主要工藝參數(shù)可進行自動檢測和自動模擬控制，同時對試驗數(shù)據(jù)建立數(shù)據(jù)庫進行微機處理，從而大大提高了堆焊自動化程度。近年來，等離子堆焊技術與智能控制技術(CAD／CAM)和精密磨削技術相結合的近凈型技術(Near Net Shape)引起制造業(yè)的廣泛關注，同時其應用范圍也不斷擴大[3]。
2.1  等離子弧的產(chǎn)生及特點
等離子弧是利用特制的等離子火炬，在陰極和冷噴嘴之間或者陰極和工件之間，使氣體電離形成的電?。ㄓ址Q壓縮電?。?。當電弧穿過水冷噴嘴小孔時，受到冷氣流和水冷噴嘴孔壁的冷卻作用，電弧將產(chǎn)生以下三種壓縮效應[1]：
(1)熱壓縮效應
紫銅噴嘴具有良好的導電性和導熱性，由于受到水冷，噴嘴孔壁的溫度很低。因此，進入等離子火炬氣室內(nèi)具有一定壓力的氣體離孔壁越近，其電離度越低，與孔壁貼近的冷氣層基本上未電離，而是中性氣體，這樣使電弧和孔壁之間形成一圈既絕緣又隔熱的中性氣流層，電弧電流被迫集中到氣體電離程度高的中心部位，電弧電流截面的收縮使電流密度增加，全部過程即為熱壓縮的有效反應。
(2)機械壓縮效應
等離子弧柱周圍的冷氣層依附在噴嘴孔道的壁面。因此噴嘴孔徑基本上確定了環(huán)形冷氣流層的直徑，也確定了等離子弧的粗細。顯然噴嘴孔徑及其幾何尺寸除通過熱壓縮效應實現(xiàn)對電弧不同程度的壓縮外，還起到對電弧的機械壓縮作用。
(3)自磁壓縮作用
電弧電流有一定的流向，弧柱相當于一束電流方向相同的平行導體。每根通電導體都在它周圍產(chǎn)生磁場，在電磁力的作用下，使弧柱受到指向弧柱中心的壓縮力，從而弧柱受到壓縮。
這三種壓縮效應使電弧弧柱的截面積縮小，帶電粒子密度增大，電場強度提高，這種壓縮了的電弧稱為等離子弧。
等離子弧具有如下特點[3]：
(1)等離子弧溫度高、熱量集中
由于等離子弧具有壓縮作用，故其中心溫度可達10000～50000K，能量密度可高達105～106W/cm2。由于等離子弧溫度高，因此被加工材料一般不受熔點的限制。
(2)等離子弧熱穩(wěn)定性好
由于等離子弧中的氣體是充分電離的，所以其電弧更穩(wěn)定。等離子弧電流和電弧電壓相對于弧長在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即在弧柱較長時仍能保持穩(wěn)定燃燒，沒有自由電弧易飄動的缺點。
(3)等離子弧具有可控性
等離子弧可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熱效應，除了改變輸入功率外，還可以通過改變氣體的種類、流量及改變噴嘴的結構尺寸來調(diào)節(jié)等離子弧的熱能和溫度；可以通過選擇不同的工作氣體來調(diào)整等離子弧工作氣氛；可以通過改變電弧電流、氣體流量和噴嘴壓縮比來調(diào)節(jié)電弧的剛度。
2.2  等離子弧堆焊的原理及特點
2.2.1  等離子弧堆焊的原理
等離子弧按電源的連接方式分為轉移型和非轉移型兩種基本形式。轉移型的電源兩極分別接于電極與工件，電弧在它們之間燃燒，水冷噴嘴起收縮作用。非轉移型的電源兩極分別接于電極和水冷噴嘴上，工件不接電源，噴嘴既是電極，又起收縮作用。轉移型與非轉移型同時存在的稱為混合型等離子弧，堆焊是以混合型和轉移型等離子弧為熱源。圖2為等離子弧堆焊原理示意圖。
在采用聯(lián)合型等離子弧堆焊時，一般采用兩臺 獨立的直流弧焊機作電源，分別供給非轉移弧和轉移弧。合金粉末在弧柱中被預先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，噴射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過調(diào)節(jié)轉移弧和非轉移弧電流、送粉量和其他工藝規(guī)范參數(shù)，來控制合金粉末的熔化及傳遞給工件的熱量。隨著工件的相對移動合金熔池逐漸凝固，在工件上獲得高密度、高結合強度的堆焊組織結構。
2.2.2  等離子弧堆焊的特點
與其他表面堆焊方法如氧乙 炔火焰堆焊、焊條電弧堆焊等相比較，等離子堆焊具有許多優(yōu)點。
（1）生產(chǎn)率較高。等離子弧堆焊過程是在自動化控制下進行的，其生產(chǎn)率高，熔敷率高?，F(xiàn)在國外的大功率等離子弧堆焊電流高達500A，熔敷率可達12kg/h。
（2）母材對合金稀釋率低。由于工藝上可調(diào)規(guī)范參數(shù)多，因此能主動控制熱量輸入。合金粉末在弧柱中被預先加熱，呈噴射狀過渡到熔池，對電弧吹力有緩沖作用，熔池受熱均勻，因而可控制母材熔深，降低母材對合金的稀釋率。
（3）堆焊層成形較好。等離子弧堆焊一般采用氬氣保護，堆焊層成形平整、光滑。通過改變工藝規(guī)范參數(shù)，可精 確控制成形尺寸且尺寸范圍寬。
（4）噴焊層質量和工藝穩(wěn)定性好。由于等離子弧穩(wěn)定性好，外界因素的干擾對電參數(shù)和電弧穩(wěn)定性影響較小，從而使工藝易于穩(wěn)定。由于等離子弧溫度高，熱量集中，噴焊速度快，一次熔成，使工件熱影響區(qū)小，噴焊層合金組織晶粒細，硬度和化學成分均勻，噴焊層質量好。
（5）合金粉末制備簡便，使用材料范圍廣。等離子弧區(qū)的溫度高達(1.0-5.0)×l04K，因此可以堆焊各種金屬。堆焊用合金粉末系熔煉后直接霧化成球狀的粉末，制備簡便，可按需要的配方熔煉成成分不同的合金粉末，獲得不同性能的合金熔焊層，以適應不同條件下對零部件表面性能的要求。噴焊合金材料的種類多，有鈷基、鎳基、鐵基、銅基等。一般具有高硬度、耐磨損、耐高溫和耐腐蝕的合金難以制成線材并用其他工藝方法堆焊，而將這些合金制成粉末，采用等離子噴焊卻是簡便易行的。
（6）可控性好?？梢酝ㄟ^改變功率、改變氣體的種類、流量及噴嘴的結構尺寸來調(diào)節(jié)等離子弧的氣氛、溫度等電弧參數(shù)，從而實現(xiàn)自動化生產(chǎn)。
（7）被堆焊的工件溫度較低，一般不易變形，為了進一步降低堆焊時工件的溫度，還可以用氣體對工件進行冷卻。

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