特种焊考试总结

第一部分：热喷涂技术概念——什么是热喷涂？概念——什么是热喷涂？

热喷涂技术是指利用某种热源（如电弧、燃烧火焰、等离子弧等）将喷涂材料（粉末、丝材或棒材）加热到熔融或者半熔融的状态，然后借助高温、高速焰流动力或者外加高速气流雾化，以一定的速度喷射到预处理过的基体表面，快速铺展、冷却、凝固并与基体黏着、堆垛形成涂层，从而赋予零件表面某些特殊功能的处理方法。（1）可在不同基材上制备各种涂层；（2）基材温度低（30～200℃），热影响区浅，变形小；（3）涂层厚度范围宽（0.05～5mm）；（4）操作灵活，可在不同尺寸和形状的工件上喷涂；（5）加热效率低，喷涂材料利用率低，（6）涂层与基体结合强度低（相对堆焊）。热喷涂技术的特点

包括涂层与基材之间、涂层中颗粒与颗粒之间的结合，结合形式有：（1）机械结合：撞成扁平状的颗粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即抛锚效应)而结合在一起。涂层的结合（2）物理结合：熔融粒子的原子与基材表面原子之间距离达到晶格常数范围时，产生范德华力，形成物理结合。（3）冶金-化学结合：熔融粒子撞击基材表面时释放出的能量使喷涂材料与基材之间发生局部扩散和焊合，形成冶金结合。如喷涂镍包铝复合粉末时的放热反应。热喷涂的涂层与基材的结合主要以机械结合为主，结合强度较差(<70MPa)。涂层的结合1热喷涂技术的分类按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。热喷涂技术的分类（1）热稳定性好，在高温焰流中不升华，不分解(复合粉末）。（2）有较宽的液相区，使熔滴在较长时间内保持液相。（3）与基材有相近的热膨胀系数，以防止因膨胀系数相差过大产生较大的热应力。（4）喷涂材料在熔融状态下应和基材有较好的浸润性，以保证涂层与基材之间有良好的结合性能。热喷涂材料的选材要求（1）要把实用性、工艺性和经济性结合起来考虑，尽量选择合理的喷涂材料。（2）对于重要的部件以获得最优涂层性能为准则；不十分重要的部件则以获得最大的经济效益为准则。（3）根据工件的工作环境选择合适的工作涂层。（4）为满足喷涂工件的使用要求，可采用复合涂层和梯度涂层。热喷涂材料的选材原则

质量控制要素（4M）：设备（Machine）、材料（Materials）、工艺（Methods）和人员（Man）。热喷涂工艺流程包括基材表面预处理、热喷涂、后处理和精加工等过程。热喷涂工艺流程和质量控制热喷涂工艺流程（1）净化处理：清除表面污垢。（2）粗化处理：提高涂层与基体之间的结合牢度。

粗化处理可提高涂层结合强度的理由是：1）提供表面压应力；2）提供与涂层颗粒互锁机会；3）增大结合面积；4）净化表面。基材表面预处理

封孔处理的目的：（1）防止或阻止涂层界面处的腐蚀；（2）在某些机械部件中防止液体和压力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片进入涂层；（4）保持陶瓷涂层的绝缘强度。封孔处理是在喷涂之后、机加工之前进行。涂层的后处理（封孔处理）热喷涂技术的分类按热源分类，各喷涂方法的焰流温度和粒子速度不同。热喷涂技术的分类火焰喷涂技术电弧喷涂技术等离子喷涂技术其他喷涂技术利用燃料燃烧作为加热源，用燃气或惰性压缩气体雾化并加速喷涂材料，在基材表面沉积形成涂层。第一节火焰喷涂

火焰喷涂是历史上第一个热喷涂技术，20世纪初瑞士工程师肖普（Schoop,1912）发明。最初只用于低熔点金属，如锡和铅。而后逐渐拓展至难熔的金属甚至于陶瓷材料。火焰喷涂包括线材火焰喷涂和粉末火焰喷涂。1.1火焰喷涂原理1.1.1、气体燃料及其燃烧方式工业燃料分为固体燃料、液体燃料和气体燃料3类。气体燃料的特点是燃烧迅速，易于控制燃烧状态。因此，火焰喷涂通常使用气体燃料以及部分液体燃料。主要有乙炔、丙烷、丙烯、天然气、煤油等。

此外，由于乙炔和氧气的燃烧温度和火焰速度较高，因此在火焰喷涂中最为常用。助燃剂（氧气）的供给量直接影响燃烧状况。此外，良好的燃烧工况还要三个基本条件：足够的温度；充足的燃烧时间；燃料与氧气的充分混合。1.1火焰喷涂原理1.1.1、气体燃料及其燃烧方式气体燃料的燃烧分为扩散燃烧和预混燃烧两种方式。前者燃烧火焰稳定性好，但温度不高；后者燃烧速度快，能实现高负荷燃烧，是火焰热喷涂常采用的燃烧方式。

预混燃烧按照燃气与助燃气的混合方式不同，分为射吸式混合和等压式混合。射吸式混合是以一定压力的助燃气为喷射气体，高速喷到射吸管中，使喷嘴周围形成低压环境，将乙炔通过导管吸入射吸管，再经混合管混合后，喷出点燃即成火焰。射吸式中的乙炔是靠氧气的射吸作用进入混合室的，所以不论低压乙炔还是中压乙炔喷枪都可以工作，这是射吸式混合的优点。但其缺点是喷涂过程中混合气体的温度和压力升高导致喷嘴周围真空度降低，乙炔流量减少而使火焰变成氧化焰。1.1火焰喷涂原理1.1.1、气体燃料及其燃烧方式等压式混合的工作过程是使氧气和燃气均以临界速度同时进入混合室，经混合后由喷嘴喷出，点燃形成火焰。等压式混合的优点是由于氧气和燃气压力相近，故混合均匀而不受温度变化的影响，火焰稳定。而且火焰功率以及调节范围也较大，回火的可能性比射吸式混合小。

但是等压式混合必须使用中压或者高压燃气。1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性火焰是可燃物与助燃物发生氧化反应是释放出光和热量的一中现象。火是物质分子分裂后重组到低能态分子的过程中分离、碰撞、重新结合时释放的能量。因此，火中的粒子是高速运动的。燃烧的火焰内部就是不停被激发而游动的气态分子，高温下可以认为是电离的气体，即等离子气体。

火焰是能量的梯度场，在形貌上它由内向外温度依次增加的3个焰区组成：焰心、内焰和外焰。1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性调节混合气中氧气和乙炔的不同比例值可使火焰具有不同的性质，据此又可分为中性焰、碳化焰和氧化焰。1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性产生中性焰时：1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性产生碳化焰时：1.1火焰喷涂原理1.1.2、火焰的构成和特性产生氧化焰时：1.1火焰喷涂原理1.1.3、预防回火问题在氧——燃气燃烧时，如果混合气体的喷射速度太小，将会发生气体火焰进入喷嘴内逆向燃烧的现象，称为“回火”。回火会使逆燃火焰返入燃气（乙炔）源，引发爆炸事故，因此必须防止和避免。

回火的发生与气体、火焰传播的稳定性有关。在火焰锋面的法线方向，当气体的运动速度等于火焰传播速度时，火焰是稳定的。当前者大于后者时，发生“脱火”现象；当前者小于后者时，就会发生“回火”。1.1火焰喷涂原理1.1.3、预防回火问题在热喷涂操作中，脱火会造成作业中断，但危害不是很大。需要特别注意的是回火。预防回火可采取的措施如下：（1）降低火焰速度。在喷嘴设计中，尽量选择小径多孔和深喷口的喷嘴，以增大喷嘴的冷却作用。采用火焰传播速度较低的燃气；对喷嘴进行冷却，防止燃气初始温度上升和减小火焰传播速度。（2）提高燃气喷出速度。适当提高喷嘴内气压。（3）使用回火防止器。1.1火焰喷涂原理1.1.3、预防回火问题水封式回火防止器原理1.1火焰喷涂原理1.1.3、预防回火问题干式回火防止器原理1.4超音速火焰喷涂拉瓦尔(Laval)喷嘴菱形冲击波（马赫锥）高速粒子撞击基体、沉积形成涂层1.4.1、基本原理（HighVelocityOxygen-Fuel(HVOF)、HighVelocityAir-Fuel(HVAF)）1.4超音速火焰喷涂1.4.1、基本原理其中，S—管器截面积，M=V/V声（马赫数），V—流速当V<V声，即M<1时，则dv与ds符号相反，截面变小，流速增大当V>V声，即M>1时，则dv与ds符号相同，截面增大，流速增大流体在低速时，经过足够压缩即可在管器某一截面达到声速，过了这截面将获得超音速喷嘴——Laval管的膨胀管流体力学原理，对一维可压缩流体1.4超音速火焰喷涂1.4.1、基本原理亚音速的气体通过收缩的第一段喷口加速到音速，然后通过扩张的第二段喷口进一步加速到超音速，最后喷出去。该收缩-扩张喷口（也叫Laval喷管）是流体速度通过音速时的一个有趣现象。1.4超音速火焰喷涂超音速火焰喷涂系统是在20世纪80年代最初由美国James.A.Browning研制成功，至今主要经历了3个发展阶段：第一代超音速火焰喷涂系统以“Jet–Kote”为代表，粒子速度可达450m/s。第二代的HVOF系统以1989年出现的DiamondJet，Top–Gun和CDS为代表，性能较一代有所改进。第三代的HVOF设备以JP-5000喷涂系统为代表。第三代HVOF系统大多都有一个比较大的燃烧室或者一个比较长的枪筒，喷涂粒子的速度可以达到600-650m/s，有的甚至超过1000m/s，因此制备的涂层性能优越。1.4.2、发展历程1.4超音速火焰喷涂1.4.3、超音速火焰喷涂的工艺

工艺流程：工件表面预处理→（喷涂打底层）→喷涂工作层→后处理。主要工艺参数：

粉末特性与送粉量

氧气——燃料的流量、压力和比例喷涂距离与喷枪移动速度

喷嘴（枪管）长度

基体状态（温度、表面粗糙度）1.4超音速火焰喷涂1.4.4、超音速火焰喷涂的特点1）焰流速度高但温度相对较低，适合喷涂含碳化物材料。2）涂层致密（99.9％），表面粗糙度低。3）结合强度大幅度提高，达70MPa以上。4）喷涂效率高，但燃料消耗大，喷涂成本比较高。；5）噪音大(>120dB)，需有隔音和防护装置。第二节电弧喷涂

电弧喷涂是由肖普（Schoop）博士1913年提出设计，并于1916年研制成功。1924年英国人首次将电弧喷涂用于实际工程。电弧喷涂的大规模应用是在二战后由德国和挪威所做的大量工作和研究开始的。20世纪50年代，电弧喷涂已经传入中国，当时因涂层质量问题被认为落后的工艺而未受重视。直到80年代中期，我国的电弧喷涂技术与设备的研究开发才真正开始，至今已有相当的规模。

第二节电弧喷涂

电弧喷涂的特点：热效率高60~70%（火焰只有5~15%）

生产效率高（3倍于火焰喷涂以上）操作简单、安全可靠，生产成本低（比火焰约低30%）可制备假合金涂层结合强度比较低（20MPa,高于普通火焰，但远低于超音速火焰）孔隙率高第二节电弧喷涂

2.1电弧喷涂原理2.2电弧喷涂设备2.3电弧喷涂工艺2.4高速电弧喷涂技术2.1电弧喷涂的原理

在两根金属丝之间产生电弧，因电弧产生的热使金属丝逐渐熔化，熔化部分被压缩空气气流喷向基体表面而形成涂层。2.1.1、金属电弧喷涂过程2.1电弧喷涂的原理2.1.1、金属电弧喷涂过程

电弧喷涂是一个不断重复进行熔化－雾化－喷射－沉积的过程。

熔化(~6000K)喷射(~250m/s)

沉积(~100m/s)

雾化（0.01~0.04mm）2.1电弧喷涂的原理2.1.1、金属电弧喷涂过程金属液滴在飞行过程中与周围的空气环境进行着能量转换。同时，还伴随着金属液滴的氧化。由于金属颗粒与空气的接触状况不同，在垂直于喷射金属流的方向上，靠近外缘的金属氧化更严重些。

动能、温度、化学成分和氧化程度不同的大量颗粒撞击到喷涂表面上，相互填塞堆积形成涂层。

动能越大、温度越高、氧化越少、颗粒尺寸越均匀，得到的涂层质量越好。2.1电弧喷涂的原理2.1.1、金属电弧喷涂过程喷涂工作电压低于35伏时，喷涂电弧过程基本上上是“短路一电弧一断路”过程。喷涂工作电压高于35伏时，喷涂电弧过程基本上上是“电弧一断路”过程。

每一个循环的周期只有千分之几秒，电弧过程熔化的金属温度远远高于短路过程熔化的温度。2.1电弧喷涂的原理2.1.2、涂层的组织结构喷涂层是由不同的金属颗粒互相填塞堆积成的。组成涂层的金属颗粒又被氧化膜隔成非金属接触。因此，涂层具有某种金相结构的说法是不严格的，一般说的涂层结构都是指金属颗粒的结构。金属颗粒在飞行过程中受空气冷却，冷却速率约为105K/s，撞击到基体表面时冷却速率可达106K/s~107K/s。基体对于金属颗粒相当于热容量无限大的物体。先沉积的涂层又收到后面喷涂过程的再次加热。若冷却速率很快和热扩散均匀相结合，就可获得细晶粒结构。2.1电弧喷涂的原理2.1.2、涂层的组织结构喷涂金属颗粒的冷却速度是在奥氏体稳定性最低的范围内。因此，喷涂钢涂层的金相结构是由奥氏体和残余奥氏体转变的各种产物混合的(马氏体、索氏体和铁素体等)细晶粒结构组成。在喷涂层中哪一种金相结构占优势，不仅取决于金属微粒的冷却条件，还取决于金属微粒的化学成分。

尽可能的降低金属丝在喷涂过程中的烧损，是提高涂层物理机械性能的有效途径之一。2.1电弧喷涂的原理2.1.2、涂层的组织结构氧化物和孔隙主要由喷涂工艺决定。

一般的说，普通电弧喷涂的氧化物在5%~25%，孔隙率在2%~15%范围内。2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求从减少喷涂金属氧化的角度出发，要求熔化金属的温度愈低愈好，希望短路熔化过程要长、电弧溶化过程要短。

直流弧焊机这类陡降特性电源的电弧稳定燃烧电压是35~40V，在这样高的电压下，金属丝间容易起弧。利用这种电源喷涂时，喷涂金属的熔化过程主要是电弧熔化过程，即“电弧一断路’、“电弧一断路”的循环过程。熔化金属的温度高，喷涂金属的氧化强烈。2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求

陡降特性的电源对送丝速度变化的适应能力差。在喷涂过程中当送丝速度增加时，工作电流增加，工作电压相应降低，当降低到某一值后，由于短路电流增长速度慢，不能使短路的金属丝熔化而使喷涂过程中断。为保证喷涂过程稳定，必须降低送丝速度，维持原来的工作电压不变。2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求金属电弧喷涂过程要求采用平硬外特性的电源并要求电源有良好的动特性，即一定的短路电流增长速度。这种电源可以在较低电压(20~25V)情况下工作。由于工作电压低，放电电弧短，熔化金属的过程变为主要是短路熔化过程，喷涂过程循环将变为“短路—电弧—断路”、“短路—电弧—断路”。熔化温度显著降低，氧化程度减弱。此外，这种电源对送丝速度有较强的适应能力。2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求金属电弧喷涂过程要求采用平硬外特性的电源并要求电源有良好的动特性，即一定的短路电流增长速度。这种电源可以在较低电压(20~25V)情况下工作。由于工作电压低，放电电弧短，熔化金属的过程变为主要是短路熔化过程，喷涂过程循环将变为“短路—电弧—断路”、“短路—电弧—断路”。熔化温度显著降低，氧化程度减弱。此外，这种电源对送丝速度有较强的适应能力。2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求2.2电弧喷涂设备2.2.1、电弧喷涂对电源特性的要求1为电源外特性2为电弧静特性2.4高速电弧喷涂技术20世纪90年代，通过采用拉瓦尔喷嘴设计提高雾化气体速度成功研制了超音速电弧喷涂。

雾化效果明显改善（雾化粒度是AS的1/8~1/3）

涂层内部组织均匀致密（孔隙率1~3%）

涂层结合强度高（可达50MPa）

电弧稳定性好，设备通用性强。第五章热喷涂技术分类第三节等离子喷涂56热喷涂技术一般按热源分类的。热喷涂技术的分类火焰喷涂技术电弧喷涂技术等离子喷涂技术其他喷涂技术热喷涂技术57第三节等离子喷涂等离子喷涂技术出现于20世纪50年代。当时，由于现代航空航天和原子能工业技术的出现和发展，对高熔点、高纯度、高强度的涂层提出需求，促使人们对高热源、高喷速、改善喷涂气氛等方面进行了研究。在这种背景下，美国Plasma-dyne公司首先研制出了等离子喷涂设备。发展初期（60年代），市场份额只有15%，但是到了80年代就升至55%跃居首位；后来由于其他热喷涂技术的发展而略有下降，但20世纪末，等离子喷涂仍占据着48%的最大比例。583.1等离子喷涂原理3.1.1等离子态和等离子体等离子状态是指物质原子内的电子在高温下脱离原子核的吸引，使物质成为正负带电粒子的状态；由于其独特的属性，被称为物质的第四态。等离子体是一种由自由电子、正离子、中性原子和分子组成的电离气体云。593.1等离子喷涂原理3.1.2等离子体的特点与分类导电性由于存在自由电子和带正、负电荷的离子，因此等离子体具有很强的导电性。

电准中性虽然等离子体内部具有很多荷电粒子，但在足够的空间和时间尺度上，粒子所带的正电荷数总是等于负电荷数，所以称之为电准中性。因为任何微小的空间电荷密度的存在，将产生巨大的电场强度使其恢复原状而保持电中性，所以等离子体中电荷分离的空间尺度和时间尺度是很小的。与磁场的可作用性由于等离子体是由荷电粒子组成的导电体，因此可用磁场控制它的位置、形状和运动，例如电弧的旋转、电弧的稳定以及电弧熄灭等现象。与此同时，荷电粒子集体运动的结果又可以形成电磁场。等离子体的特点：603.1等离子喷涂原理3.1.2等离子体的特点与分类高温等离子体热等离子体按温度分为：低温等离子体冷等离子体100000~10000000K3000~30000K重粒子室温，电子上万度。致密（高压）等离子体按粒子密度分为：稀薄（低压）等离子体N>1015~1018/cm3N<1012~1014/cm3613.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体热等离子体：粒子温度较高，约103~104的数量级，以及接近于局域热力学平衡状态（不要与热平衡相混淆）。这时，其中电子、离子和中性粒子具有相同的特征温度，所以可象普通气体那样用统一的热力学温度来描述热等离子体的状态。热力学平衡状态：当体系的性质不随时间而改变，此时体系就处于热力学的平衡态。热平衡状态：体系和环境的温度相等且不变。注：623.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体气体放电：

施加一电场于某气体介质，如气体介质中存在自由电子，则此自由电子受到电场的加速当其速度（或能量）达到一定数值时，就能使中性的原子或分子电离，从而获得更多的自由电子值时，就能电离更多的中在电场中同样被加速，当能量超过其个这种类似于雪崩现象的电离过程使气体介质中出现大量性粒。同时，荷电粒子的定向运的自由电子，从而使气体成为导电介质这种物理现象。汤逊放电：电流极小，不发光。辉光放电：有辉光产生，电流较小（几毫安），温度不高电弧放电：电压较低，电流很大（0.1~1000安），发出很强的光和热633.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体弧区划分：阴极位降区、弧柱区和阳极位降区在一般情况下，沿弧柱长度方向上电场强度近似为常数，电位曲线在弧柱区为一直线。而在阴极区和阳极区（它们的空间尺度很小，在大气压的条件下仅为10-4cm左右），电场强度变化剧烈，而且其数量级可高达105-6V/cm，比弧柱中的电场强度高几个数量级其原因就在于阴极区和阳极区中存在空间电荷。一般来说，电极区的位降值与电极材料、气体压力和弧参数等有关。643.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体电场中电子的优先加速若初速度为零，则：下标i表示离子，下标e表示电子电子在电场中获得的能量比离子高的多。653.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体电场中电子的优先加速另一方面，由于电子的碰撞截面比离子的碰撞截面小，因此，通过与其它粒子碰撞而损失能量的几率也就小。也就是说，电子与离子相比，在电场中能保持更高的速度（或能量）。这样，在电场中，电子能比离子获得更大的加速，称为电子的优先加速。663.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体1、电场的能量主要是通过对电子的加速给予电子，然后，再由电子与重粒子的碰撞把能量传给了重粒子；

2、因为气体或等离子体的温度是以它粒子的平均动能来定义的，所以电场中电子的温度（指电子气温度）总是高于重粒子的温度（指重粒子气温度）电子温度与重粒子温度的差别恰恰反映了偏离局域热力学平衡的程度。电子优先加速的现象中可以得出如下两点结论：673.1等离子喷涂原理3.1.3电弧及热等离子体当电子在两次碰撞之间从电场中所得到的能量（即

）愈大时，电子温度高于重粒子温度就愈多。这说明当电场强度增大时，或当气体压力降低（）时，偏离热力学平衡的程度也就愈大。为电子的平均自由程683.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生电弧有各种形态。按电流种类分为交流电弧、直流电弧和脉冲电弧，按电极材料可以分为熔化极电弧和不熔化极电弧。而按电弧的状态则可以分为自由电弧和压缩电弧。压缩电弧是指电弧燃烧时受到冷却喷嘴的拘束作用而产生的机械压缩效应、热压缩效应和自磁压缩效应的高能量密度电弧，温度可达30000K。693.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生热压缩效应机械压缩效应703.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生对于电弧来说，若以冷机械壁或者冷却气流对其外围降温，电弧温度不但不会下降反而会上升。外围介质温度的降低意味着不能再导电，导电截面减小所以弧柱直径被压缩，由于弧电流是不变的，所以弧中电流密度增加，弧内温度升高。713.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生自磁压缩效应723.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生自磁压缩效应733.1等离子喷涂原理3.1.4压缩电弧的产生自磁压缩效应若电流密度为常数，即：则有：若电流密度为抛物型分布，即：则有：743.1等离子喷涂原理3.1.4等离子弧的特性1、高温特性：由于受到以上三种压缩效应，因而具有不同于一般电弧的特点：753.1等离子喷涂原理3.1.4等离子弧的特性2、高速特性：工作气体被加热至高温而迅速膨胀，所形成的焰流从喷嘴高速喷射而出，在喷嘴处可达亚音速甚至超音速（~1000m/s）。高速冲击可使涂层强度显著改善。3、稳定性：等离子弧弧柱笔直，不易产生飘动，指向性好，电离度高。电弧的位置、形状和弧电压、电流都比自由电弧稳定而不易受外界干扰。4、可控性：等离子弧可调节因素较多，可在一定范围内控制各种参数以适应不同条件下的喷涂工艺要求。763.1等离子喷涂原理3.1.5等离子喷涂的基本原理与特点工业上用的等离子发生设备有三种形式：非转移弧，转移弧与联合式等离子弧。773.1等离子喷涂原理3.1.5等离子喷涂的基本原理与特点而等离子喷涂是采用刚性非转移型等离子弧为热源，以喷涂粉末材料为主的热喷涂方法。等离子弧焊接、切割、冶炼均采用转移型等离子弧为热源。等离子喷焊采用联合型等离子弧为热源。783.1等离子喷涂原理3.1.5等离子喷涂的基本原理与特点等离子喷涂过程示意图793.1等离子喷涂原理3.1.5等离子喷涂的基本原理与特点等离子喷涂的特点1、工艺稳定，涂层质量好。2、喷涂材料广泛，可获得的涂层种类多。3、基体受热少，工件变形小，组织不发生变化。4、设备容量大，输出功率高，沉积效率高，可实现高质量大面积涂层连续生产。803.1等离子喷涂原理3.1.5等离子喷涂的分类根据形成等离子体的介质和环境气氛，可分为气稳和液稳等离子喷涂两大类。大气等离子喷涂技术保护气体等离子喷涂技术低压等离子喷涂技术气体稳定等离子喷涂水稳等离子喷涂技术其他液稳等离子喷涂技术液体稳定等离子喷涂813.2大气等离子喷涂3.2.1概念与特点大气等离子喷涂(APS)方法是用Ar、N2和H2等作为介质产生等离子体，并在大气环境下喷涂操作的热喷涂方法。其特点是：1、环境气氛是大气；2、工作气体(或介质)Ar+H2、Ar+N2、N2+H2或Ar+N2+H2；3、喷涂颗粒速度一般低于音速，最高为100~200m/s，高能等离子喷涂系统中可达到或超过音速；4、喷涂效率高，涂层致密，与基体结合强度高，基体受热小，涂层平整、光滑，可精确控制涂层厚度，喷涂工艺规范调节范围宽。第二部分：堆焊技术概念——什么是堆焊？堆焊：是用焊接的方法，即利用火焰、电弧、等离子弧等热源将堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆焊成耐磨、耐蚀、耐热涂层的工艺方法。具有修复与表面强化两大功能。2.1堆焊技术简介堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层金属的工艺过程。一方面可以恢复零件因磨损或加工过程中的失误而造成的尺寸不足，即恢复零件的尺寸另一方面可以对零件表面进行改性，以获得所需要的特殊性能，即赋予零件表面特殊的性能。必须尽量控制稀释率合理地选择堆焊层的合金系统综合考虑堆焊方法堆焊技术的特点堆焊技术的特点(1)影响堆焊层性能的主要因素是堆焊层的合金成分和组织性能。(2)由于堆焊主要在于发挥堆焊层的特殊性能，所以除修补零件可用相同或相近于基体金属的焊接材料外，一般都使用具有特殊成分和性能的焊接材料，所以堆焊又有异种材料焊接的特点。(3)为了保证堆焊层的特殊性能堆焊时要尽量降低稀释率。

稀释率：表示堆焊焊缝中含有母材金属的百分率。(4)堆焊合金与基体金属的相变温度和膨胀系数等物理性能要尽量接近。堆焊技术的特点堆焊的分类2.2氧-乙炔火焰堆焊氧-乙炔火焰堆焊是用氧-乙炔火焰将合金粉末加热后，喷洒，沉积并熔化在零件表面上形成堆焊层，多采用粉末合金法。优点：多用途堆焊热源，火焰温度低，可调整火焰能率，小稀释率，熔深浅，母材熔化量少。堆焊层表面光滑美观，质量好，操作简便灵活，成本低。缺点：热源分散，温度不高，效率低，劳动强度大。适用于小批量的中小型零件的堆焊。2.2氧-乙炔火焰堆焊气焊用的时氧炔焰的温度进行焊接，氧炔焰大概3000度，与电弧温度相比要低不少，所以加热时间要久而且对母材的热影响要大很多。在一般的焊接领域性能比电弧焊性能要低，但也有机动灵活和能适合对薄壁件焊接的电弧焊不能取代的优点，所以在不少领域运用。

氧-乙炔火焰的分类及性质①中性焰最高温度为3050~3150度，主要用于焊接低碳钢、低合金钢不锈钢、紫铜、铝及合金

②氧化焰最高温度3100~3300度，用于焊接黄铜、锰黄铜、镀锌铁皮等。③碳化焰最高温度2700~3000度，用于高碳钢、高速钢、硬质合金、铝、青铜等。氧-乙炔火焰堆焊工艺①堆焊前的准备②火焰的选择③堆焊工艺参数

(a)焊丝直径太细，焊丝熔化太快，易造成熔合不良和表面焊层高低不平，降低焊缝质量；太粗，造成过热组织。

(b)火焰能率取决于被焊件厚度、金属材料的性质以及焊件的空间位置。氧-乙炔火焰堆焊工艺(c)堆焊速度(d)焊嘴的倾斜角度2.3手工电弧堆焊原理：电弧堆焊是将焊条与工件分别接在电源上，通过气体电弧放电产生的热量将焊条周期性的熔化成滴，并使焊条金属、药皮与工件表面局部融化，形成熔池，冷却后形成堆焊层的工艺方法。2.3手工电弧堆焊特点：设备简单、使用可靠、操作方便灵活、成本低；缺点：生产效率低、劳动条件差、稀释率高。主要用于堆焊形状不规则或机械化堆焊可焊性差的工件。2.3手工电弧堆焊熔渣向熔池中过度有两种形式：

(a)以薄膜形式包在金属溶液表面或夹在熔滴内一起落入熔池；

(b)熔渣直接从焊条端部流入熔池或以滴状落入熔池，随后覆盖于熔池表面。2.3手工电弧堆焊一定条件下，熔渣可以脱氧、脱硫、脱氢等，还可进行焊层合金化，为此，熔渣具有适宜的熔点、粘度、表面张力、透气性、脱渣性、相对密度小于液体金属。熔渣分类：第一类是氧化性熔渣，用来焊接低碳钢和低碳合金钢。第二类是盐-氧化物型渣，主要用来焊接高合金钢。第三类是盐类渣，主要用于焊接铝、钛等金属及合金。2.3手工电弧堆焊多用于磨损失效件的修复。2.3手工电弧堆焊工艺①焊前清洗清除表面铁锈、油污，焊条使用前烘干，350~400度，保温2h。②焊条的选用③电源种类和极性④焊条直径及焊接电流⑤堆焊层数电弧堆焊质量及常见缺陷的

预防措施①堆焊质量(a)防止焊缝层金属开裂进行焊前预热和焊后缓冷(b)防止堆焊层金属的硬度不符合要求(c)防止堆焊件变形(d)提高堆焊效率2.3手工电弧堆焊②常见缺陷及预防措施(a)气孔主要是焊前处理和堆焊工艺参数的影响。(b)裂纹主要受基体材料处理和工艺参数的影响。(c)夹渣的未焊透主要是由工艺参数不稳定和操作不当引起。(d)焊道成形不良主要是操作不当所致。2.4二氧化碳气体保护自动堆焊

二氧化碳气体保护自动堆焊原理二氧化碳气体保护自动堆焊的主要优点堆焊层质量好，抗腐蚀、抗裂能力强堆焊变形小堆焊层硬度均匀。生产率高成本低，适应性强2.4二氧化碳气体保护自动堆焊

二氧化碳气体保护自动堆焊的主要缺点不便调整堆焊层成分稀释率高元素易烧损设备较复杂，对焊工的技术水平要求较高2.4二氧化碳气体保护自动堆焊

二氧化碳气体保护自动堆焊装置堆焊电源、控制系统、堆焊机架、焊炬、焊炬运行机构、焊件运转机构、送丝机构、供气系统2.4二氧化碳气体保护自动堆焊

二氧化碳气体保护自动堆焊材料CO2气体的标准是：CO2>99％，O2<0.1％，H2O<1.22g/m3。焊丝有：H10MnSi，H08MnSi，H08MnSiA，，H08Mn2SiA，H04Mn2SiTiA，H10MnSiM，H08MnSiCrMo，H08Cr3Mn2MoA等2.4二氧化碳气体保护自动堆焊

2.5埋弧堆焊原理：埋弧堆焊是在电弧高温作用下使焊剂熔化，形成一个覆盖在熔池上面的熔焊层，隔绝大气对堆焊金属的作用，熔化的金属与溶剂蒸发形成的蒸气在熔渣层下形成一个密封的空腔，电弧在空腔内燃烧，使焊条熔化，即电弧埋在熔剂层下面进行堆焊，叫埋弧堆焊。埋弧自动堆焊设备堆焊电源送丝机构堆焊机床电感器2.5埋弧堆焊2.5埋弧堆焊埋弧自动堆焊过程：埋弧自动堆焊的分类单丝埋弧堆焊多丝埋弧堆焊带极堆焊串联电弧堆焊粉末埋弧堆焊2.5埋弧堆焊2.5埋弧堆焊埋弧焊的优点：

①焊缝层质量好，由于熔渣层对电弧空间的保护，减少了堆焊层的氮、氢、氧含量。②埋弧堆焊层存在残余压应力，有利于提高修复零件的疲劳强度。③埋弧堆焊在焊渣层下面进行，减少了金属飞溅，消除了弧光对工人的伤害，有害气体少，改善劳动条件。④埋弧堆焊都是机械化，生产率高。用于尺寸大，不易变形的零件的表面强化与修复。埋弧焊的缺点对工艺要求高大电流时产生较大的热影响区埋弧自动堆焊工艺材料主要由焊丝和焊剂两部分组成。埋弧自动堆焊常用H08、H08A、H08Mn、H15、H15Mn等低碳钢丝，也有采用可得到高硬度和耐磨层的H2Cr13、H3Cr13、H30CrMnSiA和H3Cr2W8V的合金焊丝。埋弧自动堆焊工艺材料埋弧堆焊用焊剂目的：保证电弧稳定燃烧；保护熔池不受空气侵入，防止焊缝金属的氧化和氮化；过渡合金元素，改善堆焊层的化学成分和组织；防止堆焊层产生裂纹、气孔和疏松；减少金属飞溅和烧损等。为了改善堆焊层性能，可在焊剂中加入其它合金元素，例如，为了补充烧损的碳，可在焊剂中添加碳粉。用“焊剂431”与低碳钢焊丝配合堆焊曲轴时，应在焊剂中加入1.2％的碳，用中碳钢焊丝时，应添加1％的碳，如果焊剂中碳的加入量少，补充不了堆焊过程中碳的烧损，就会造成堆焊层硬度降低、脱渣困难。如果加入量太多，就容易使堆焊层形成淬硬层；造成堆焊层硬度高、出现裂纹等缺陷。

2.6等离子弧堆焊等离子弧堆焊是利用等离子弧高温加热的一种熔化堆焊方法。具有堆焊层性能好、工件熔深浅、堆焊层稀释率低、成形好，加工余量小等一系列优点，且易实现机械化和自动化。2.6等离子弧堆焊等离子弧的原理.2.6等离子弧堆焊等离子弧的型式转移型（a）、非转移型（d）、联合型等离子弧（b和c）.2.6等离子弧堆焊优点：（1）自动化操作，堆焊质量优良，生产率高，劳动环境得到改善。（2）熔覆率高，工件变形小，热影响区小。熔覆率：单位时间熔敷的金属质量，手工电弧焊≤2kg/h,等离子弧堆焊在0.5~6kg/h之间可调节。（3）稀释率低，使用材料范围广。等离子弧能量集中，堆焊速度快，有利于减小稀释率。手工电弧焊稀释率0.2~0.3,等离子弧堆焊稀释率在0.05~0.15。2.6等离子弧堆焊优点：（4）成形良好。氩气保护，焊缝成形好，表面光洁，气孔夹杂少，尺寸范围宽，且精确控制。（5）工艺稳定性好。等离子弧极为稳定，指向性强。等离子弧堆焊适合修复受冲击载荷较大的零件和强化高温应力交变负荷的零件。等离子弧堆焊设备等离子弧堆焊设备——电源单一电源接法：钨极接负极，正极分两支路，一路接经高频触发器接前枪体，供产生非转移弧使用；另一路接工件，形成转移弧。这种方式节省一个电源，但是电弧转化时会相互干扰，调节性不好。另一方案为双电源：一个电源供非转移弧使用，另一个供转移弧使用。此方案能在较宽范围内对堆焊参数进行调节，起弧容易，工作稳定，被广泛应用。等离子弧堆焊设备——控制装置等离子弧堆焊设备——送粉器80目对应180微米，230目对应于62微米等离子弧堆焊材料①自熔性合金粉末包括镍基、钴基、铁基、铜基等。（自熔合金是指：含有B和（或）Si元素，熔点较低，大约在950～1150℃之间，本身具有脱氧、造渣、除气和良好浸润性能的合金。）②复合粉末由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成，不同相之间有明显相界面。2.8堆焊方法的选择选择合适的堆焊方法，应着重考虑以下因素（1）堆焊层的性能质量要求（2）堆焊件结构形状特性（3）堆焊层尺寸特征（4）堆焊合金冶金性质特性（5）低成本126第三部分：激光焊接与熔覆127一、激光及激光器20世纪四大发明：原子能，计算机，半导体激光器英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)“镭射”、“莱塞”中文名：1964年按照我国著名科学家钱学森建议将“光受激发射”改称“激光”“最快的刀”“最准的尺”“最亮的光”二.激光原理128(a)：自发辐射处于高能级态的原子自发跃迁到低能级态，并同时向外辐射出一个光子；宏观表现：发光光子能量：129(b)：受激吸收处于低能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，吸收一个光子，跃迁到高能级态；宏观表现：光被吸收130(c)：受激辐射处于高能级态的原子在一定条件下的辐射场作用下，跃迁到低能级态，并同时辐射出一个与入射光子完全一样的光子。宏观表现：光被放大自发辐射与受激辐射的区别自发辐射：完全是一种随机过程，各发光原子的发光过程各自独立，互不关联，即所辐射的光在发射方向上是无规则的射向四面八方，另外位相、偏振状态也各不相同。由于激发能级有一个宽度，所以发射光的频率也不是单一的，而有一个范围。受激辐射：

原子可发出与诱发光子全同的光子，不仅频率（能量）相同，而且发射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一样。131结论：受激辐射是产生激光的唯一渠道。132受激辐射占主导之必要条件；受激辐射>受激吸收实现受激辐射>受激吸收的方法：133使处在高能级的原子数目比处在低能级的多—粒子数反转；如何从技术上实现粒子数反转？形成激光的三个条件

产生激光必要条件1.实现粒子数反转

２.使原子被激发

３.要实现光放大

——工作物质

——光学谐振腔——激励能源

部分反射镜

激励能源

全反射镜

激光输出

工作物质

光学谐振腔L泵浦源：用外界能量来激励工作物质，建立粒子数反转分布状态、使粒子从低能级抽运到高能级态的装置泵浦方式：光激励方式，气体辉光放电或高频放电方式，直接注入电子方式，化学反应方式还有热激励、冲击波、电子束、核能等方式。136四、激光器的基本结构常用激光器由三部分组成：

工作物质泵浦源光学谐振腔激光工作物质激励能源谐振腔激光器结构示意图138二、激光的特点及应用1.方向性好：发散角小：激光器发射的激光，天生就是朝一个方向射出，光束的发散角极小，大约为0.001rad，接近平行。1962年，人类第一次用激光照射月球，地球距离月球的距离大约为38万公里，但激光在月球表面的光斑不到两公里；139亮度高：由于激光的发射能力强和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高亿万倍，比太阳表面的亮度高几百亿倍。亮度是衡量一个光源质量的重要指标，若将中等强度的激光束经过会聚，可在焦点出产生几千到几万度的高温。激光能量在时间和空间上高度集中，能在极小区域产生几百万度的高温。激光加工、激光手术、激光武器等就利用了高亮度的特点。激光切割1402.单色性好：单色性好：光的颜色由光的不同波长决定，不同的颜色，是不同波长的光作用于人的视觉的不同而反映出来。激光的波长基本一致，谱线宽度很窄，颜色很纯，单色性很好。由于这个特性，激光传递信息的容量大，实现光通信。3.相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各种光波的品质不同，导致它们的相干性也有高低之分。普通光是自发辐射光，不会产生干涉现象。激光不同于普通光源，它是受激辐射光，具有极强的相干性，所以称为相干光。相干条件（CoherentCondition）：①振动方向相同；②振动频率相同；③相位相同或相位差保持恒定那么在两束光相遇的区域内就会产生干涉现象。

激光焊激光焊（LaserBeamWelding，LBW）是利用能量密度极高的激光束作为热源的一种高效精密焊接方法。反射激光激光器材料表面吸收电子动能热能10－9s（λ，Pd，T，材料性质、表面状况）激光焊接与熔覆激光焊的热效应取决于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率来表征。金属对激光的吸收率，主要与激光波长、金属的性质、温度、表面状况以及激光功率密度等因素有关。金属对激光的吸收率随着温度的上升而增大，随着电阻率的增加而增大。金属表面越粗糙，对激光的吸收率越高。为增大激光吸收率，可对金属表面进行喷砂处理；或应用机械或化学方法对金属表面进行涂层，都可有效增大金属对激光的吸收率。激光焊分类发生器工作性质作用方式和能量功率密度（Pd）固体：YAG，

λ＝1.06,脉冲气体：CO2，

λ＝10.6,连续液体和半导体脉冲：圆形焊点，微型、精密电子元件连续：连续焊缝，厚板对接和搭接传热焊：Pd<106W/cm2，

熔点与沸点之间，适于薄小工件（t<1mm）深熔焊（锁孔焊）：Pd>106W/cm2,

沸点，厚大工件由于工作物质是固体，因此输出功率低，且光束质量差传热焊由于激光光斑的功率密度小于106W