粉末等离子弧堆焊技术

粉末等离子弧堆焊技术

1. 产生背景

粉末等离子弧堆焊技术是现代工业生产中能适应各种高合金高性能材料堆焊要求的一种焊接方法，而且稀释率可控制在5％～15％之间。但如果使用常规的粉末等离子孤堆焊技术，希望得到小于5％稀释率时，所能获得的熔敷速度均在6kg ／h以下。随着现代工业的发展，特别是对大面积高性能耐磨堆焊的需求，国内外开展了先进的高效，低稀释率粉末等离子弧堆焊技术研究。70年代美国曾研究了“高能等离子孤堆焊技术”，其功率达80kW，后捷克又发展了一种液稳等离子孤堆焊设备，熔敷速度达56kg／h。但稀释率仍在20％以上，90年代德国成功地研制了熔敷速度高达70kg／h稀释率能控制在10％以下的粉末等离子孤堆焊技术；国内90年代中也开始研究该技术，并已取得熔敷速度达15kg／h，稀释率能控制在l％以下的可喜成果。

2. 技术内容和技术关键

传统的粉末等离子孤堆焊技术没能很好地解决熔敷速度和稀释率之间的矛盾，主要由于：第一，对焊接过程熔化粉末和母材的能量来源只注意来自电弧的热能，对其他形式的能量，如粉末飞行的动能注意不够。其次，以往偏重研究能量的来源而忽视对能量消耗的研究。

国内最近通过对等离子弧的压缩特性、焰流特性及粉末在等离子孤束中的运动和加热规律的研究了解了喷嘴直径、粉末会交点到工件的距离等因素对粉末飞行速度和粉末吸收热量的影响规律（见图1，图2），在此基础上得出了高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规粉末等离子孤堆焊技术的不同点，即它的关键技术参数是：焊枪喷嘴的压缩孔径D和粉末会交点到工件的距离L。

传统的粉末等离子弧堆焊技术为了获得小的稀释率，往往采用喷嘴内径较大，甚至接近自由电弧的直径(4.0～8.0mm)，压缩比较小(0.8～0.14)的弱压缩等离子弧。但如果考虑粉末飞行速度对结合效果的影响，则当粉末具有较高的速度和动能时，母材只须一微层处于熔化状态（即“发汗”状态），以高速飞行的粉末打到母材上，会产生良好的结合，此时母材的稀释率极低。从图1可见，为了获得高的粉末飞行速度，希望采用小的喷嘴直径和大的粉末会交点到工件的距离。

另外，从图2可看出，为了减小熔化单位重量粉末所消耗的热量，以达到在相同电流条件下，可加大送粉量，从而提高熔敷速度的目的可以有二条途径：采用小的吸嘴压如孔径，低的粉末会交点；或大的压缩孔径，高的粉末会交点。但后—种途径由于喷嘴孔径过大，等离子弧的温度，热量将减小，等离子弧发散，能量不集中，无法满足熔化大量粉末的需要。因此当电流即热输入固定的前提下，取小压缩孔径和适中的粉末会交点为宜。

当然压缩孔径也不能过小，不然极易引起双弧，目前推荐D在2.0～4.0mm之间为宜。粉末会交点到工件距离也不能过大，否则不利电弧的稳定燃烧，更严重时会产生未熔合或焊道中部分粉末未熔化等现象。推荐L取10～20mm为宜。

其次，在焊枪的设计上还需注意阴极和喷嘴有良好的同心度，枪体无漏水现象，易损件使用寿命长，能长时间稳定工作等问题。同时还需配备有足够大送粉量的送粉系统。再配以合理的堆焊规范参数，可实现优质、高效、低稀释率的目的。

3．优缺点及应用范围

高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规粉末等离子弧堆焊技术相比，在相同

的焊接电流下，它具有低的稀释率的同时，具有比常规方法高2～5倍的熔敷速度（见表1），而且最大堆焊高度可达6～8mm，较易实现一次堆焊成功，减少堆焊层数量，降低产生缺陷的可能性

目前，该技术在国外已用于生产，如德国已将熔敷速度20kg／h，稀释率＜2％的技术成功地用于汽车、化工、煤炭、核电等领域，尤其在大面积堆焊中更具特色。熔敷速度30kg／h，稀释率＜2％的技术也已成熟。国内该技术已研究达到熔救速度15kg／h，稀释率＜1％，目前正在向更高的熔敷速度和生产应用方向努力。