【正文】 能優(yōu)良，外形美觀，是金屬構(gòu)件修復(fù)的重要手段，被國(guó)內(nèi)外廣泛研究與應(yīng)用。早在 1910 年，瑞士工學(xué)博士 M U Schoop 發(fā)明了第一個(gè)金屬噴涂裝置：金屬熔液式噴涂。1913 年提出了電弧噴涂的設(shè)計(jì)，并于 1916年制成了實(shí)用型的電弧噴槍。第二次世界大戰(zhàn)初期，自熔性合金粉末出現(xiàn)，粉末火焰噴涂盛行，“火焰噴涂”幾乎成了熱噴涂的代名詞。到了 60 年代，等離子噴涂技術(shù)已經(jīng)可以工業(yè)上應(yīng)用，60 年代中期等離子弧熱噴焊技術(shù)已經(jīng)研制成功 [3,9]。突出表現(xiàn)在超音速火焰噴涂研制成功和熱噴涂設(shè)備中電子計(jì)算機(jī)的應(yīng)用，使熱噴涂涂層向著更高的質(zhì)量和精密化方向發(fā)展[3]。歐美國(guó)家對(duì)等離子弧熱噴焊技術(shù)的研究比較早，如今已形成大規(guī)模的開(kāi)發(fā)、研制、生產(chǎn)基地。他們分別開(kāi)發(fā)了自己的一系列產(chǎn)品，并在實(shí)際應(yīng)用中不斷改進(jìn)。 國(guó)內(nèi)發(fā)展及應(yīng)用我國(guó)熱噴涂技術(shù)的應(yīng)用始于 40 年代末期，50 年代開(kāi)始制造線材火焰噴槍和粉末氣噴槍。60年代中期開(kāi)始發(fā)展等離子噴涂設(shè)備和自熔性合金粉末制造技術(shù)。70 年代各種噴涂方法就已經(jīng)相繼運(yùn)用于生產(chǎn)，其中電弧噴涂和火焰噴涂技術(shù)大量應(yīng)用于修復(fù)。與先進(jìn)國(guó)家相比較，我國(guó)等離子弧熱噴焊先進(jìn)技術(shù)的研究依靠高校和科研機(jī)構(gòu)。西安交通大學(xué)研究適宜于 AI、Mg 及其合金的變極性等離子弧焊設(shè)備，其由兩臺(tái)直流電源分別給主弧的正、負(fù)半波供電，對(duì)工件(鋁)實(shí)現(xiàn)了變極性焊接，這不僅使電弧穩(wěn)定，還有陰極清理作用。程控系統(tǒng)是用傳統(tǒng)的繼電器邏輯電路及二極管矩陣邏輯電路，系統(tǒng)組件的集成程度不高，維修或修改工藝程序時(shí)均不方便，系統(tǒng)反應(yīng)也比較慢，可以在設(shè)備中引入單片機(jī)或可編程控制器，提高設(shè)備的可靠性、穩(wěn)定性和工藝適應(yīng)性。目前，等離子弧熱噴焊設(shè)備正向設(shè)備小型化、大功率、智能化的方向發(fā)展。復(fù)合材料得以廣泛應(yīng)用。等離子弧熱噴焊噴焊槍自身的擺動(dòng)，可制備厚度和面積都比較大的塊材。在石化工業(yè)中，關(guān)鍵零部件(閥座、閥芯等)噴焊 Ni 基、Co 基材料對(duì)提高其耐磨、耐腐蝕等有良好效果。在未來(lái)經(jīng)濟(jì)發(fā)展中，等離子弧熱噴焊技術(shù)會(huì)發(fā)揮巨大作用。因此，改變粉末的配比，使復(fù)合材料層與層之間的成分達(dá)到連續(xù)變化，同時(shí)調(diào)節(jié)射流的速度和溫度等參數(shù)，使組織變化，以制備性能優(yōu)越的梯度功能復(fù)合材料，這對(duì)生產(chǎn)和科研工作都具有積極意義 [6]。增強(qiáng)設(shè)備的工藝適應(yīng)性和穩(wěn)定性，充分發(fā)揮 PIE 控制的軟件功能方面，有廣泛的研究前景 [2,3]。隨著工業(yè)發(fā)展，對(duì)機(jī)械產(chǎn)品的壽命和材料性能都提出了更高的要求。在未來(lái)發(fā)展中，將發(fā)揮巨大作用。噴焊用氬氣作電離氣體，通過(guò)調(diào)節(jié)各工藝參數(shù)，可獲得熔深淺、沖淡率低、成形平整光滑的優(yōu)質(zhì)熔敷層。一般采用兩臺(tái)整流電源，將負(fù)極并聯(lián)在一起，通過(guò)電纜接至噴槍的電極，其中一臺(tái)電源的正極接噴槍的噴嘴，用于產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移?。涣硪慌_(tái)電源的正極接工件，用于產(chǎn)生轉(zhuǎn)移弧。轉(zhuǎn)移弧建立后，就在工件上形成了熔池，使合金粉未在工件上熔融。等離子噴焊包括噴涂和重熔兩個(gè)過(guò)程，但這兩個(gè)過(guò)程是同時(shí)進(jìn)行的。重融過(guò)程是粉末在工作上的融化過(guò)程，落入熔池的粉末立即進(jìn)入轉(zhuǎn)移弧的陽(yáng)極區(qū)，受到高溫加熱而迅速融化，并將熱量傳遞給基材[30]。 等離子噴焊特點(diǎn) 等離子噴焊的設(shè)備1．等離子弧焊設(shè)備的組成 和鎢極氫弧焊一樣，按操作方式，等離子弧焊設(shè)備可分為手工焊和自動(dòng)焊兩類。自動(dòng)焊設(shè)備則由焊接電源、焊槍、焊接小車（或轉(zhuǎn)動(dòng)夾具）、控制電路、氣路系統(tǒng)及水路系統(tǒng)等部分組成。用純氬作為離子氣時(shí)，電源空載電壓只需 6580V；用氬氫混合氣時(shí)，空載電壓需 110120V。 30A 以下的小電流微束等離子弧焊接采用混合型弧，用高頻或接觸短路回抽引弧。 3．氣路系統(tǒng) 等離子弧焊機(jī)供氣系統(tǒng)應(yīng)能分別供給可調(diào)節(jié)離子氣、保護(hù)氣、背面保護(hù)氣。 4．控制系統(tǒng) 手工等離子弧焊機(jī)的控制系統(tǒng)比較簡(jiǎn)單，只要能保證先通離子氣和保護(hù)氣，然后引弧即可。填充焊口逆進(jìn)拖動(dòng)電路及程控電路組成。延遲停氣等控制要求。自由電弧弧區(qū)內(nèi)的氣體尚未完全電離，能量未高度集中，而等離子弧弧區(qū)內(nèi)的氣體完全電離，能量高度集中，能量密度很大，可達(dá) 105~106W/cm2，電弧溫度可高達(dá) 24000～5000K （一般自由狀態(tài)的鎢極氬弧焊最高溫度為 10000～20220K ，能量密度在 104W/cm2 以下）能迅速熔化金屬材料，可用來(lái)焊接和切割。 （1）機(jī)械壓縮效應(yīng)（作用）——電弧經(jīng)過(guò)有一定孔徑的水冷噴嘴通道，使電弧截面受到拘束，不能自由擴(kuò)展。 （3）電磁收縮效應(yīng)——定向運(yùn)動(dòng)的電子、離子流就是相互平行的載流導(dǎo)體，在弧柱電流本身產(chǎn)生的磁場(chǎng)作用下，產(chǎn)生的電磁力使孤柱進(jìn)一步收縮 電弧經(jīng)過(guò)以上三種壓縮效應(yīng)后，能量高度集中在直徑很小的弧柱中，弧柱中的氣體被充分電離成等離子體，故稱為等離子弧。反之，若將等離子弧調(diào)節(jié)成溫度較低、沖擊力較小時(shí)，該等離子弧稱為“柔性弧” ，主要用于焊接。等離子弧的靜特性曲線接近 U 形。此外，在小電流時(shí)，自由鎢弧靜特性為陡降(負(fù)阻特性)的，易與電源外特性曲線相切，使電弧失穩(wěn)。 等離子弧呈圓柱形，擴(kuò)散角約 5 度左右，焊接時(shí)，當(dāng)弧長(zhǎng)發(fā)生波動(dòng)時(shí)，母材的加熱面積不會(huì)發(fā)生明顯變化，而自由鎢弧呈圓錐形，其擴(kuò)散角約 45 度，對(duì)工作距離變化敏感性大。由于等離子弧是自由鎢弧經(jīng)壓縮而成，故其挺度比自由鎢弧好，焰流速度大，可達(dá) 300m/s 以上，因而指向性好，噴射有力，其熔透能力強(qiáng)。 （1）非轉(zhuǎn)移型等離子?。烘u極接電源負(fù)端，焊件接電源正端，等離子弧體產(chǎn)生在鎢極與噴嘴之間，在等離子氣體壓送下，弧柱從噴嘴中噴出，形成等離子焰。因?yàn)檗D(zhuǎn)移弧能把更多的熱量傳遞給焊件，所以金屬焊接、切割幾乎都是采用轉(zhuǎn)移型等離子弧。非轉(zhuǎn)移弧起穩(wěn)定電弧和補(bǔ)充加熱的作用，轉(zhuǎn)移弧直接加熱焊件，使之熔化進(jìn)行焊接。 等離子弧焊的特點(diǎn)由于等離子弧弧柱溫度高，能量密度大，因而對(duì)焊件加熱集中，熔透能力強(qiáng)，在同樣熔深下其焊接速度比 TIG 焊高，故可提高焊接生產(chǎn)率。由于等離子弧呈圓柱形，擴(kuò)散角小，挺直度好，所以焊接熔池形狀和尺寸受弧長(zhǎng)波動(dòng)的影響小，因而容易獲得均勻的焊縫成形，而 TIG 焊隨著弧長(zhǎng)的增加，其熔寬增大，而熔深減小。 等離子弧焊的基本方法常用的等離子弧焊基本方法有小孔型等離子弧焊、熔透型等離子弧焊和微束等離子弧焊三種（1）小孔型等離子弧焊：使用較大的焊接電流，通常為 50～500A ，轉(zhuǎn)移型弧。隨著焊槍的前移，小孔也隨著向前移動(dòng)，后面的熔化金屬凝固成焊縫。（2）熔透型等離子弧焊 當(dāng)?shù)入x子氣流量較小、弧柱壓縮程度較弱時(shí)，此種等離子弧在焊接過(guò)程中只熔化焊件而不產(chǎn)生小孔效應(yīng)，焊縫成形原理與鎢極氬弧焊相似，稱為熔透型等離子弧焊，主要用于厚度小于 2～3mm 的薄板單面焊雙面成形及厚板的多層焊。采用小孔徑壓縮噴嘴（～ ）及聯(lián)合型弧，當(dāng)焊接電流小至 1A 以下，電弧仍能穩(wěn)定地燃燒，能夠焊接細(xì)絲和箔材。除了改變輸入功率外，還可以改變氣體的種類、流量以及噴嘴的尺寸調(diào)節(jié)等離子弧的熱能和溫度；選擇不同的工作氣體可以獲得惰性氣氛、還原性氣氛和氧化性氣氛。因?yàn)榈入x子弧是壓縮電弧，具有很好的穩(wěn)定性，故外界因素的干擾(如周圍氣流流動(dòng)、噴距高低、噴焊位置不同等)對(duì)電弧穩(wěn)定性影響比較小，使工藝易于穩(wěn)定。等離子弧的溫度高，熱量相對(duì)集中，噴焊速度較快，一次熔成，工件的熱影響區(qū)小，可以控制熱輸入量，調(diào)整熱影響區(qū)的尺寸和硬度，降低裂紋敏感性，避免由晶粒粗化、馬氏體轉(zhuǎn)變或應(yīng)變時(shí)效等原因產(chǎn)生的質(zhì)量缺陷?？砂此枧浞?，熔煉不同成分的合金粉末，獲得各種性能的合金噴焊層。噴焊過(guò)程可以自動(dòng)進(jìn)行，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作。如果焊接電流過(guò)小，則難于形成小孔效應(yīng)：當(dāng)焊接電流增大，等離子弧穿透能力也會(huì)增大，但電流過(guò)大則會(huì)因小孔直徑過(guò)大而造成熔池金屬墜落，難以形成合格的焊縫，甚至?xí)痣p弧，即損傷噴嘴又破壞焊接過(guò)程的穩(wěn)定性。 2．焊接速度焊接速度是根據(jù)等離子氣流量及焊接電流來(lái)選擇的 [4]。因此，焊接速度、離子氣流量及焊接電流等工藝參數(shù)應(yīng)相互匹配。噴嘴離工件的距離一般取 3～8mm。4．等離于氣及流量 等離子氣及保護(hù)氣體一般是根據(jù)被焊金屬及電流大小來(lái)選擇的。小電流等離子弧焊接通常采用電離電壓較低的純氬氣作等離子氣，可保證電弧引燃容易。等離子氣的流量越大，則熔透能力越大。因而，應(yīng)根據(jù)等離子氣的種類、噴嘴直徑、焊接電流及焊接速度選擇離子氣流量。 5．引弧及收弧 厚板利用穿孔法焊接，引弧及熄弧處容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。不便加引弧板和收弧板的大厚度的環(huán)縫，應(yīng)采取焊接電流和離子氣遞增的辦法在工件上起弧，完成引弧建立小孔后，利用電流和離子氣流量衰減法來(lái)收弧閉合小孔。 6．接頭形式和裝配要求 工件厚度小于 ，采用微束等離子弧焊，接頭形式有端面接頭、對(duì)接、卷邊對(duì)接、卷邊角接。工件厚度較大時(shí)，則根據(jù)厚度不同，可開(kāi) V 形、U 形或雙 V 形、雙 U 形坡口。 鐵基合金材料鐵基合金粉末以鐵為基體，含有鉻、硼、硅元素，形成 FeCrBSi 系自熔性合金。鐵基合金一般含鉻量較高，具有一定的耐腐蝕和抗氧化性。幾種常用鐵基粉末型號(hào)是WF31WF3IWF33WF34WF37WF37WF374 等．這些粉末被廣泛用于通用閥門的閥板、閥座密封面噴焊以及耙路機(jī)的耙齒、犁鏵或刮板的頂部、鏟齒、刀片、各種破碎機(jī)錘頭和挖土機(jī)齒噴焊。其使用壽命可比原來(lái)高 1～5 倍以上．近幾年研制的 WF342 可在鑄鐵基體上進(jìn)行噴焊，如蝶闊密封面上噴焊 WF342，可以達(dá)到國(guó)際同類產(chǎn)品的先進(jìn)水平。常用的幾種型號(hào)有 WF2IWF216 等。在濃鹽酸中工作的高壓泵柱塞密封面噴焊該材料，較 35CrMo 滲碳，提高壽命 5 倍以上。對(duì)于高溫、高沖擊條件下要求耐金屬間磨損的場(chǎng)合如：熱沖模、熱擠壓機(jī)模子、量尺寸的塞模、熱前葉片、軋機(jī)導(dǎo)向向輥夾，高爐料鐘密封面等修復(fù)和堆焊。由于基體上分布著相當(dāng)數(shù)量的富鉻 M7C1 型碳化物，故也具有較高的耐磨料磨損性能。鈷基粉末常用型號(hào)有 WF1II,WFI 4I, WFI51，在相當(dāng)寬的溫度范圍內(nèi)，具有優(yōu)良的耐多種機(jī)械和化學(xué)因素復(fù)合作用的性能。這些粉末廣泛地用作各種高中壓閥門，電站蒸汽閥門等密封面噴焊，和各種內(nèi)燃機(jī)進(jìn)排氣閥門的密封面和頂端噴焊。粉末中提高鎢的含量可廣泛地用于各種刀具，特別是氈層、塑料、紙張和化學(xué)工業(yè)上各種刀刃的堆焊，堆焊的刀刃允許用比工具鋼更高的速度進(jìn)行切削，壽命可提高 2～4 倍，還適宜用于各種熱模具的堆焊(堆焊層碳化物是M23C1 類型，韌性較好 )，因堆焊層還具有耐粘著磨損和耐氣蝕磨損性能，也常用作各種液閥、閥座堆焊。主要有低磷錫青銅和錫青銅，粉末型號(hào)為 WF41WF412，該種類粉末應(yīng)用于低壓閥門(鑄鐵基體）密封面的等離子噴焊，特別是大口徑低壓閥，DN300 以的閥門密封面上噴焊銅基臺(tái)金粉末。 金屬陶瓷及其復(fù)合合金粉末合金具有高的紅硬性、高溫強(qiáng)度、能耐高應(yīng)力金屬間磨損，如開(kāi)縫銅管噴焊該合金粉末可提高壽命 5 倍以上，還可應(yīng)用于冶金機(jī)械如導(dǎo)位板，熱沖模等多種工件。 非自熔性合金材料為提高材料的可焊性，即避免噴焊時(shí)開(kāi)裂現(xiàn)象，提高焊層的疲勞強(qiáng)度，這些材料可制成非自熔性的合金材料，如馬氏體臺(tái)金鋼，奧氏體高錳鋼和馬氏體不銹鋼系列合金粉末，這些材料能承受較大沖擊和中等程度的金屬磨損。合金可滿足要求耐冷、熱疲勞、耐磨損和承受高的載荷的熱加工工作條件，主要應(yīng)用于熱軋工作輥、鋼軋錕、支撐輥、夾送輥、連鑄機(jī)輥及導(dǎo)衛(wèi)輥、校直輥的噴焊。 等離子噴焊優(yōu)點(diǎn)及常見(jiàn)問(wèn)題 優(yōu)點(diǎn)由于等離子電弧具有較高的能量密度，溫度及剛直性（能量密度可達(dá)10000～100000w/cm 2，弧柱中心溫度可達(dá) 18000～24000K 以上，焰流速度可達(dá)300m/s 以上） ，因此與一般電弧焊相比，等離子電弧具有下列優(yōu)點(diǎn)： （1） 能量密度大，電弧方向性強(qiáng)，融透能力強(qiáng)，在不開(kāi)坡口，不加填充焊絲的情況下可一次焊透 8 至 10mm 厚的不銹鋼板，與鎢極氬弧焊相比，在相同的焊縫熔深情況下，等離子焊接速度要快得多。這是由于等離子弧的形態(tài)接近圓柱形，發(fā)散角很?。s 5 度） ，且挺直性好，弧長(zhǎng)變化對(duì)加熱斑點(diǎn)的面積影響很小，因此容易獲得均勻的焊縫形狀。,而等離子焊則可變化177。（3）鎢極縮在水冷銅噴嘴內(nèi)部，不可能與工件接觸，因此可有效避免焊縫金屬產(chǎn)生夾鎢現(xiàn)象。 （4） 等離子電弧由于壓縮效應(yīng)及熱電離度較高，電流較小時(shí)仍很穩(wěn)定。（5）焊縫的深寬比大,熱影響區(qū)小,適合焊接某些可焊性差的材料和雙金屬等（6）可以產(chǎn)生穩(wěn)定的小孔效應(yīng)，通過(guò)小孔效應(yīng)，正面施焊的時(shí)候可以獲得良好的單面焊雙面成型。 常見(jiàn)問(wèn)題及解決1．焊層厚度不夠根據(jù)設(shè)計(jì)要求，該設(shè)備的焊層厚度應(yīng)達(dá)到 4mm 以上，而實(shí)際所焊的焊層厚度不足 ，不能滿足產(chǎn)品，對(duì)焊層厚度的要求。通過(guò)對(duì)該設(shè)備供粉機(jī)構(gòu)(見(jiàn)圖 11)的控制原理的分析，找到問(wèn)題的根源。工作時(shí)，進(jìn)氣閥被打開(kāi)，氣體經(jīng)分流器后分為兩路，一路加至儲(chǔ)粉室上端；另一路加至送粉調(diào)節(jié)圖 11器中。在擋粉板的作用下，焊粉被送至送粉室底部的出粉孔處。圖 12 所示為送粉調(diào)節(jié)器結(jié)構(gòu)圖。一個(gè)送粉氣輸出口。送粉氣在送粉調(diào)節(jié)器中流動(dòng)時(shí)，將在其腹腔內(nèi)形成一受送粉氣流量控制的負(fù)壓。負(fù)壓對(duì)進(jìn)入腹腔中的焊粉產(chǎn)生一定吸力，使焊粉隨同送粉氣一起輸至焊槍。由此可見(jiàn)，受送粉氣流量控制供粉量大小。2．停焊時(shí)堵槍對(duì)整個(gè)噴焊過(guò)程觀察發(fā)現(xiàn)，噴焊時(shí)，焊粉在圖 11 所示出粉孔處堆積。這樣每次焊接結(jié)束后都需對(duì)焊槍進(jìn)行清理。調(diào)節(jié)螺母，就是調(diào)節(jié)螺母底部與送粉盤間距，從而控制流至送粉盤的焊粉量。停焊時(shí)，進(jìn)氣閥關(guān)閉，氣源斷開(kāi)，則堆積的焊粉就會(huì)流入焊槍堵槍。 等離子噴焊工業(yè)應(yīng)用等離子噴焊工藝屬于表面強(qiáng)化技術(shù)領(lǐng)域 它是以等離子弧為熱源，以 一定成分的臺(tái)金粉末作為填充金屬的特種堆焊工藝。多年來(lái)