（材料加工工程专业论文）粉末等离子弧堆焊枪体及耐磨合金的研究.pdf

摘要 本研究针对工程应用中常见的磨损失效，采用粉米等离了弧堆 焊技术对普通材质进行表面强化以提高其耐磨损能力。本研究逃 行了等离子弧堆焊枪体的设计研制工作，该焊枪采用双喷 觜式结构， 内喷嘴压缩孔道直径d = 5 m m ：内喷嘴下端面设计为分体式结构，通过 螺纹联接一个可拆卸的配件；枪体内设计了良好的水冷通道，保证 堆焊时各部件得到充分冷却。该枪体结构合理，使用性能优良。此 外，本研究设计研制出一种新型、耐磨性能优良的堆焊材料。该堆 焊材料是以镍基合金为基础的堆焊用合金粉末，其中添加不同比例 的c r 、m n 、w 等强化堆焊层的合金元素，采用正交设计，以c r 、m n 、 w 三元素为正交因子，以堆焊层表面宏观硬度作为试验指标，在q 2 ：；5 钢表面进行了三因子三水平的正交堆焊试验。采用jf 交多项式对试 验数据进行了回归分析。通过分概得出堆焊屡成分的最佳配比为： c r1 0 ；m n4 ；w7 。并对正交试验中的9 种堆焊试件进行麽损试 验。发现堆焊层随着硬度值的增加，耐磨能力提高。耐磨性能高的 堆焊层微观组织中存在多量粗大的白色硬质相，在堆焊层中起到了 抗磨骨架的作用，本研究对于机械零件的表面强化，提高耐磨能力， 降低成本延长使用寿命，具有重要的理论学术意义及1 ：程实际应 用价值。 关键词：等离子弧堆焊堆焊枪正交设计硬度耐磨性 a b s t r a c t a i m i n ga tt h ep r o b l e mo fw e a rf a i l u r e ，t h er e s e a r c ha b o u ts u r f a c es t r e n g t h e n e d o fc o m m o nm a t e r i a l sb yp t a p o w d e rs u r f a c i n gw a sc a r r i e do u ti nt h i sp a p e r o nt h e b a s i so f r e f e r r i n gt ot h ed a t aa t h o m ea n da b r o a d an e wt y p eo fp l a s m at o r c hw a s c r e a t e dw h i c hh a st w o j e t s t h ei n n e rj e th a s a t i n yh o l ew h i c h d i a m e t e ri s5 r a m t h e r e a r ct w o p a r t s a te n do ft h ej e tw h i c ha r ej o i n e d t h r o u g h t h r e a d r e a s o n a b l e p a s s a g e w a y w a s d e s i g n e di nt h ep l a s m a t o r c hw h i c h p r o v i d e dg o o d c o o lc o n d i t i o nf o r a l lp a r t s t h et o r c hw h o s es t r u c t u r ei ss u i t a b l ei sc o n v e n i e n tt ou s ei nt h ep r o c e s so f p t a p o w d e rs u r f a c i n g an e wt y p eo fa l l o yp o w d e rw h i c hh a dg o o dw e a r - r e s i s t a n t p e r f o r m a n c eh a db e e nm a d e a n ds t u d i e di nt h i sp a p er ，t h ep o w d e rc o n s i s t e do fc r 、 m n 、wo nt h eb a s i so fn i c k e lb a s ea l l o y o r t h o g o n a le x p e r i m e n to fp t ap o w d c r s u r f a c i n gw a sp e r f o r m e db yo r t h o g o n a ld e s i g n ，w i t hf a c t o r s ：e l e m e n to f c r 、m n 、 wa n di n d e x ：h r ch a r d n e s so fq 2 3 5s t e e ls u r f a c e b yt h eo r t h o g o n a lp o l y n o m i a l r e g r e s s i o n t h eo p t i m u mp a r a m e t e r s o fn l o y p o w d e rr e c i p e a r ea s f o l l o w i n g ： c f l0 ，m n = 4 ，w = 7 t h er e s u l to fw e a r - r e s i s t a n t e x p e r i m e n t s o nt h en i n e d i f f e r e n tc o m p o n e n t so fs u r f a c i n gl a y e rs h o w e dt h a tw e a r a b i l i t yo fl a y e ri n c r e a s e s w i t ha ni n c r e a s eo f h a r d n e s s t h e r ea r eal o to fw h i t eh a f dp h a s e sw h i c he x i s ta st h e w e a r - r e s i s t a n tf r a m e t h i sp a p e rh a si m p o r t a n tm e a n i n g so nt h e o r ya n de n g i n e e r i n g b e n e f i t sw h i c hp r o v i d e sas o l u t i o no fh o wt os t r e n g t h e nt h es u r f a c eo fm e c h a n i c a l p a r t s ，i n c r e a s et h e i rw e a r a b i l i t ya n dw o r k i n g l i f e k e yw o r d s ：p t ap o w d e rs u r f a c i n g p l a s m a t o r c h o r t h o g o n a ld e s i g n h a r d n e s s w e a r a b i l i t y 独创性声明 本人声明所呈交的学位论文是本人在导师指导下进行的研究工作和取得的 研究成果，除了文中特别加以标注和致谢之处外，论文中不包含其他人已经发表 或撰写过的研究成果，也不包含为获得盘生盘鲎或其他教育机构的学位或证 书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均己在论文中 作了明确的说明并表示了谢意。 学位论文作者签名：重丽江 签字日期：鼬哆 年石月石日 学位论文版权使用授权书 本学位论文作者完全了解墨注盘堂有关保留、使用学位论文的规定。 特授权墨洼盘生可以将学位论文的全部或部分内容编入有关数据库进行检 索，并采用影印、缩印或扫描等复制手段保存、汇编以供查阅和借阅。同意学校 向国家有关部门或机构送交论文的复印件和磁盘。 ( 保密的学位论文在解密后适用本授权说明) 学位论文作者签名 童两虹 导师签名：勿则耠 签字日期：皿哆年g 月6 日签字日期：伊。口歹年占月占目 第一章绪论 1 1 前言 第一章绪论 磨损是工业领域和日常生活中常见的现象，也是造成材料和能源损失的一 个重要原因。在机器零件的失效类型中，约有8 0 是因磨损而失效报废的。在 工业领域，特别是在矿山、农机、能源、交通、建材等部门中，每年都因机器 零件的磨损而造成了大量的损失。仪据我国冶余、矿山、煤炭、电力、农机、 建材五个部门的粗略统计，每年因磨损总计消耗的钢材达数百万t ，耗资2 0 3 0 亿元，经济损失十分巨大【“。因此研究磨损失效，避免或减少磨损损失，提 高零部件的使用寿命，具有十分重大的经济意义及社会意义。 材料的磨损在许多年前就己被人们所观察到。如我国早在仰韶文化时期， 就会用石头制作翻地的铁铲，战国时期就已采用耐磨白口铸铁制造犁铧，但对 这一领域的系统研究却足随着摩擦学的发展，在近几十年来才逐渐引起人们的 重视1 3 】。 自1 9 7 7 年第一靥国际材料磨损会议召开以来，随着工业技术的发展，表面 分析仪器不断得到完善，并在磨损研究中大量应用，对材料磨损的研究才取得 了较大的进展。目前的磨损试验机多达上千种，借助各种类型的表面微观分析 仪器已经能够观察到磨损的动态过程以及材料在磨损过程中微观结构的变化。 近年来，在工程领域，各种类型的抗磨技术和表面处理i ：艺以及新型耐磨材料 都有较大的发展，目前的研究热点主要涉及的是新型耐磨材料及表面强化处理 新技术的发展和应用”3 。 由于机器零件的磨损失效发生于零件表面，然后逐渐向内部扩展，最后导 致断裂。如果采用表面强化技术手段来制备具有特殊性能的表面层，不需要改 变基体材质来强化表面，而是通过表面强化技术阻止磨损失效的发生，有效的 延长零件使用寿命，从而节约材料资源及能源。 表面强化技术有很多种，从传统的表面强化方法如表面淬火、渗碳、渗氨 等到激光加热、电子束加热、离子注入等新型表面强化方法，可以按照物理化 学过程的不同进行分类，如表卜l 所示。 第一章绪论 表l l 表面强化技术分类 5 分类 原理【：艺方法 硬化层组织结构主要提高的性能 表血形变强化形变强化喷丸品粒碎化、高硬度、疲劳强度 滚胝密度能错 表面热处理州态相变慢化感廊加热淬火硬度、耐磨性、 激光加热淬火马氏体疲劳强度 也子求加热淬火 渗c 、cn 共渗马氏体耐磨性、疲劳强 度 渗n 、n - c 共渗氮化物及其弥散耐磨性、疲劳强 化学热处理l j j i | 态扩渗、合金分布度 化 渗b高硬度化合物耐磨性、疲劳强 度 渗v超高硬度化合物耐磨性 渗a l吲溶体抗高温氧化性、 抗蚀性 渗s低硬度化台物减磨 表而冶金强化合金化表面冶金涂层固溶体+ 化台物耐热、耐磨、抗 蚀 熔化一结品激光处理细化组织耐磨性 熔化一非品态激光上釉非品态耐磨、抗蚀性 薄膜强化电镀镀铬纯金属抗蚀性 气相反应沉积化学气相沉积t i c耐磨性 辉光放电沉积离子镀铝a l 膜抗蚀性 离子注入注入n过饱雨1 吲溶体耐磨性 表1 1 中介绍的表面强化方法中，表面热处理及化学热处理均是对整体进 行加工，热处理层厚度难以控制，而且零部件整体采用合金制造，成本高，加 工困难。薄膜强化方法也有不足，如电镀可以在某些基体上镀上一层符合要求 的材料，但镀层一般较薄，不适合大型工件的处理，并且容易造成能源的大量 浪费及环境污染1 6 】。而且随着工业现代化的发展，机械零部件的工作环境越来越 苛刻，对其表面性能的要求越来越高，尤其在极端恶劣的条件下，采用 ：述抗 磨保护技术己不能满足二r 业对耐磨和使用寿命的要求，甚至不能连续正常作业。 综上所述，应当充分考虑采用表面冶金强化技术。该技术的实质是强化层 与母材的连接属于冶金结合，结合强度高，应用范围广。尤其通过形成冶金涂 笫一辛绪沦 层，可得到满足多种性能要求的强化层，该类强化技术包括焊条电弧堆焊、氧 乙炔火焰堆焊、等离子弧堆焊等。不同的堆焊方法各有其不问的工艺特点。表 1 2 列出了不同堆焊方法工艺特点的比较。 表l 一2 不同堆焊方法t 艺特点比较1 7 j 由表卜2 可知，粉末等离子弧堆焊方法熔敷率较高，且堆焊层稀释率低， 从而可以有效节约贵重合金粉末。该种方法具有堆焊质量高，便于实现自动化， 可控性好，易于选配合会粉末成分，满足堆焊层要求等突出优点，是目前广泛应 用的堆焊方法。它特剐适用于轴承、轴颈、阀门座、工具、推土机零件、涡轮 叶片等零件的表面强化。在新品制造或1 日品修复时，比较容易堆焊难以制丝但 易于制粉的硬质耐磨合金f 8 l 。 1 2 等离子弧堆焊学科领域的研究现状 1 2 1 粉末等离子弧堆焊基本原理 j l 陶1 - 1粉末等离子弧堆焊原理示意蚓 第一章绪论 图卜1 表示了等离子弧粉末堆焊的基本原理。堆焊时以氩气等离子弧为热 源，选用一定成分的合金粉末作为填充金属，开始时钨极接负极喷嘴接f 极引燃 非转移弧，而后工件接正极，由非转移弧过渡引燃转移弧，利用转移弧在工件表 面产生熔池。合金粉末按需要量连续供给，借助送粉气流送入焊枪，并吹入电弧 中。粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件表面的熔池里， 在熔池里充分熔化、进行冶金反应，并排出气体和浮出熔渣。随着焊枪和工件的 相对移动，熔池逐渐凝固，在工件表面上获得所需的合金熔敷层。 与其他堆焊工艺相比，粉末等离予弧堆焊具有以下优点【9 j ： ( 1 ) 等离子弧堆焊获得的耐磨堆焊层质量优良。等离子弧温度高( i 0 0 0 0 5 0 0 0 0 k ) ，能量集中，等离子弧稳定性好，在工件上引起的残余应力和变形小。 ( 2 ) 稀释率低。等离子弧堆焊的稀释率可控制在5 1 0 。 ( 3 ) 可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺 寸来调节等离子弧的气氛、温度和电弧参数，从而实现高效自动化生产，提高劳 动生产率。 ( 4 ) 使用材料范围广。堆焊合金粉末作为熔敷材料，不受铸造、轧制、拔丝 等加工工艺的限制，可依据不同性能要求配置不同成分的合金粉末，以获得所需 性能的堆焊层。 1 2 2 等离子弧堆焊用合金粉末 等离子弧堆焊常用的合金粉末主要有自熔性合金粉末及复合粉末。 1 自熔性合金粉末川 自熔性合金粉末包括镍基、钴基、铁基、铜基等。其中铁基合金粉末因原材 料来源广，价格低，性能好，得到了广泛应用。镍基和钴基合金粉末具有良好的 综合性能，但镍和钴属于稀缺金属，成本高，一般只用于有特殊表面性能要求的 堆焊。 1 ) 镍基自熔性合金粉末：以镍为基的自熔合金统称为镍基合金。它可分为 两类：镍硼硅系列和镍铬硼硅系列。镍硼硅系列在镍中加入适量的硼、硅元素所 形成的自熔合金；镍铬硼硅系列是在镍硼硅系合金中加入铬和碳，就能形成用途 广泛、品种较多的镍铬硼硅系自熔合金。 2 ) 钴基自熔合金粉末：该系列自熔合金以金属钴为基，是在司太立合金基 础上发展起来的。它在钴铬钨合金中加入b 、s i 元素形成。钴基自熔性合金具有 第一审绪论 优良的高温性能、较好的热强性、抗腐蚀性及抗热疲劳性能，比较适合在 6 0 0 ”c 7 0 0 0 c 高温工作的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的表面涂层。如高压阀f 密封 面的堆焊。 3 ) 铁基自熔性合会粉末：铁基自熔性合金粉末是以铁为主，由铁、铬、硼、 硅等几种主要元素组成。这类合金是在铬不锈钢和镍铬不锈钢的基础j _ ：发展起 来的。可分为两种类型：奥氏体不锈钢型自熔合金( 在奥氏体不锈钢中加入硼、 硅元素，并调整碳和合金元素的含量) 和高铬铸铁型自熔合金。 4 ) 铜基自熔性合余粉末：铜基合会具有较低的摩擦系数，良好的抗海水、 大气腐蚀性能。铜基合金抗擦伤性好，塑性好，易于加工。目前我国研制并生 产的铜基自熔合金粉末主要有两类，一种是锡磷青铜粉末，一种是加入镍的自 铜粉末。 2 复合粉末 复合粉末是由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成，不同的相之间 有明显的相界面，是一种新型工程材料。组成复合粉末的成分，可以是金属与 金耩、金属( 合金) 与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属( 合金) 与塑料、金属( 合金) 与石墨等，范围十分广泛，几乎包括所有固态工程材料。 按照复合粉末的结构，一般可分为包覆型、非包覆型和烧结型等不同类别 粉米。包覆型复合粉末其芯核颗粒被包覆材料完整的包覆着：非包覆型粉末的 芯核材料，被包覆材料包覆的程度是不完整的，它取决于组分的配比，无论包 覆型复合粉末或是非包覆型复合粉末，各组分之间的结合一般为机械结合。 复合粉末与自熔性合金粉末相比较，具有如下突出的优点【1 1 1 ： 1 ) 可根据需要，采用不同工艺方法，制备出具有不同要求的综合性能涂层。 特别是金属或合金与非金属陶瓷制成的复合粉末涂层，是其他加工方法难以达 到的。 2 ) 具有单一颗粒的非均质性与粉术整体均质性的统一。就每一个颗粒而考， 它是由两个或更多的固相所组成。各组分具有不同的物理化学性能，存在着明 显的物相界面，因而是非均质的；但对粉末整体丽言，同一粒度范围的复合粉 术，则具有相同的松装密度、流动性和堆焊工艺性能等特性。所获得的表面涂 层有均匀的综合物理化学性能。这是简单混合粉末所不能比拟的。 3 ) 芯核材料受到包覆材料或包覆粉末的保护，能够避免或减少部分元素的氧 化烧损、失碳、挥发等现象，从而获得高性能的涂层。 第一章绪论 4 ) 喷涂与堆焊用复合粉未与混合粉末相比，小仪涂层性能优异，而u 堆焊速 度和沉积效率电要高的多，可提高劳动生产率。 近年来复合粉末的研究热点集中在通过向自熔性合会粉术中添加一种或几 种能形成高硬度硬质相的元素，在一定的工艺条件下，使堆焊时形成的硬质相 均匀弥散分布在堆焊层金属中，极大的提高了工件的耐麽蚀性能| l “。常用的硬 质相颗粒有铸造碳化钨、烧结碳化钨、碳化铬、碳化硼、碳化硅、碳化钛等。 其中碳化钨颗粒来源广泛，成本低廉，得到了广泛的应用。w c 的硬度值约2 4 0 0 2 7 4 0 h v ，在n i c r - b - s i 系列自熔性合金粉末中加入高硬度的w c 硬质相制成复 合粉末，是很重要的技术突破【l ”。堆焊后w c 作为主体硬质相，配以o r b 、c r 。c 。 等硬质相强化的基体相，使基材表面的硬度和耐磨性能得到极大提高。表l 一3 列出了几种w c ( n i - c r - b s i ) 系合金粉末成分及性能。 表l 一3w c ( n i c r b s i ) 系合金粉末成分及性能【1 4 粉末化学成分 ( w t )硬度( i i r c ) 牌号w c c rbs if ecn i 基体相硬质相 3 2 c ( 美国) 8 03 5080 8o 8ol 余6 0 7 4 ，、一 6 67 6 1 0 1 1 2 ( 瑞士)5 ( 132 21 5o 8余接体5 7 6 4 m s f w c 一2 ( 日本)2 0 1 0余整体5 5 6 5 8 0 n i w c 3 5 ( 中国)2 5 8 1 5 2 4 2 5k g h ，稀释率 5 田j 。 1 2 4 等离子弧堆焊工艺 第一章绪论 随着等离子弧堆焊技术的不断发展，新型堆焊材料不断出现，对于堆焊工 艺的研究也越来越深入。等离子弧粉末堆焊的质量优劣，取决于是否选择正确 的工艺参数。等离子弧粉末堆焊工艺的质量指标主要有沉积效率( 粉末利用率) 和稀释率。沉积效率是指进入堆焊层的合金粉末质量与堆焊前合金粉末质量的 比值。粉末利用率越高越好，一般应在9 0 以上。稀释率又称冲淡率，指堆焊 层金属中母材熔化金属所占的比例。稀释率越大，表示母材在堆焊层金属中所 占的比例越大，则对堆焊合金的稀释程度越大，这严重影响堆焊层的性能，一 般希望稀释率低于1 0 。堆焊的工艺参数主要包括堆焊电流、电压、产生等离 子弧的气体种类、流量、进气方式等。工艺的完善会有力的促进等离子弧堆焊 技术在实际生产中的推广应用，发挥等离子堆焊的突出优点，解决工程应用难 题，具有重大的经济意义。 日本将司太立合金采用等离子堆焊工艺应用于炼铁设备，提高了生产效率 和强化效果1 2 3 1 。德国研究了用转移弧和非转移弧联合热作用的等离子弧堆焊， 指出非转移弧对母材和填充粉末中的热输入有一定的影响 2 4 l 。法国s n m i 公司将 堆焊工艺分解成多要素，逐步使条件细化。寻找最合适的工艺参数。用各自独 立的参数控制系统开发的新工艺一p i l e 高能等离子堆焊系统正应用于汽车发动 机气门、管道阀门、飞机零件、船用发动机阀门、化工、玻璃行业的零部件上 1 2 5 1 。目前，对于能满足特定功能的复合粉末堆焊工艺的研究有待进一步深化， 摸索出能适用于工程实践的成熟工艺。 1 3 研究的内容及意义 我国是水泥产销量大国，在2 0 0 0 年我国水泥产量已达5 9 7 1 0 8 t ，占全世 界总产量的1 3 以上【2 6 1 。随着国民经济的快速发展，在未来的2 0 一3 0 年内，我 国还将大力发展基础工业、基础设施的建设，新建大量的公路、桥梁、港口、 机场、隧道、大坝等，水泥生产及应用的规模还会不断扩大。 为满足各行业对水泥的需求，大量设备应用于水泥生产、使用的各个环节 当中。由于设备的某些机械部件必须与水石泥沙等接触，工作环境苛刻，加剧 了这些部件磨损，使用寿命大为缩短。本课题研究中所涉及的水泥泵车要为建 筑工地等场所输送搅拌好的水泥，其中的耐磨板在工况条件下磨损严重，需要 第一章绪论 频繁更换，停工检修，浪费大量的人力、物力、财力。因此需要探索一种能满 足水泥泵车耐磨板抗磨损要求，使用寿命长的表面处理技术及耐磨材料，满足 工程实际需要，具有十分重要的意义。 以往对水泥泵车耐磨板的处理方法多是采用焊条电弧堆焊或氧乙炔火焰堆 焊工艺在耐磨板基材表面堆焊一层耐磨材料，以提高耐磨性能。焊条电弧堆焊 操作的劳动强度大，而且堆焊质量直接与操作人员的技术水平有关；氧乙炔火 焰堆焊由于火焰温度低，加热速度缓慢，使作为耐磨骨架的硬质相碳化物熔化 烧损比较严重，耐磨性能难以提高1 27 j ；而等离子弧粉末堆焊温度高、自动化程 度高，适用的合金粉末范围广，堆焊质量优良，具有突出的优点。 本研究工作采用等离子弧粉末堆焊技术为水泥泵车的耐磨板基材进行表面 强化，提出技术方案与技术准备。耐磨板基材采用3 5 钢制造，利用等离子弧 粉末堆焊的突出优点在耐磨板基材上堆焊高熔点硬质合金粉末，对堆焊合金成 分进行优化设计，以获得耐磨性优良的堆焊层，延长使用寿命，降低生产成本， 满足工作实际的需要。本课题首次将等离子弧堆焊技术与水泥泵车部件的强化 相结合，并研制出一种新型耐磨材料，其耐磨性能远超过镍基合金粉末。该项 研究具有重要的理论学术意义及重要的工程实际价值。 9 第章等高了弧堆焊枪的研制 2 1 前言 第二章等离子弧堆焊枪的研制 粉末等离子弧堆焊枪体是整套堆焊设备的核心部件。枪体上汇集了水、电、 气、粉各种管路。通过它产生具有一定压缩特性的等离子弧，并把合金粉未送进 等离子弧柱中，熔焊在工件上。堆焊枪的性能在很大程度卜，影响熔敖率、粉术 利用率、堆焊层质量和工艺稳定性。研制出具有优良使用性能得堆焊用枪体， 在粉末等离子弧堆焊技术中具有重要意义。 日常工作中使用的堆焊枪，在堆焊过程中会出现许多工艺故障，严重影响设 备的正常使用。主要有如下表现： ( 1 ) 由于钨极水冷不充分，钨极氧化、烧损比较严重； ( 2 ) 内喷嘴在电弧热辐射下，其下端面极易氧化烧损，而内喷嘴加工及装配 精度高，更换内喷嘴相当繁琐，费工费时： ( 3 ) 堆焊枪中绝缘体作为连接件，采用电木材料，螺纹易老化，造成上下枪 体连接不紧，枪体同心度下降，绝缘不良，产生双弧等工艺故障； ( 4 ) 送粉通路不畅，合金粉末易在其离开枪体的出粉口处熔化结珠，造成堵 枪，尤其跃时间工作时，情况更加恶化。 为保证试验工作的顺利进行，首先查阅了有关堆焊枪的大量国内外技术资 料 2 8 - 3 0 】，深入分析堆焊枪的结构原理，进行堆焊枪的设计、改进研制工作。设 计的指导思想是简单、方便、起弧容易、堆焊过程稳定，力求避免堆焊过程中 容易出现的工艺故障，如绝缘及密封不良、漏水、双弧、结珠、淌滴、堵枪等。 2 2 焊枪的设计 在理论分析的基础上，通过大量的工艺试验验证，认为在堆焊枪的设计与 制造过程中，着重解决好以下几个方面： ( 1 ) 焊枪结构设计中要保证钨极及内喷嘴能获得良好的水冷：而且内喷嘴 应具有合理的技术参数，在保证等离子弧压缩特性的同时减少烧损： 1 0 第二章等离子弧堆焊枪的研制 ( 2 ) 送粉形式合理，送粉通畅，减少合金粉末淌滴、堵枪； ( 3 ) 绝缘体材料应当具有较高的绝缘技术指标，并且易于加工； ( 4 ) 保证加工制造精度，要求枪体各部件组装后具有较高的同心度。 2 2 1 枪体结构 经过改进研制的堆焊枪由三部分组成：上枪体、下枪体和绝缘体。其中上 枪体用来固定和安装电极，连接水、电、气管路的接头：下枪体固定和安装喷 嘴，并构成喷嘴的水冷空腔，连接水、电、气管路的接头；绝缘体保证上下枪 体的绝缘，并连接固定上下枪体，同时通过水、气、电管路。其结构如图2 - 1 所示。 2 2 2 堆焊枪喷嘴参数的确定 喷嘴是整个堆焊枪的关键部件。 艺过程的稳定性以及堆焊层的质量。 它的参数决定了等离予弧的压缩程度、工 其主要参数如图2 - 2 所示。 口一压缩角( 。c ) ；l 一孔道长度( ) ；d 一孔道直径( m ) 图2 - 2 等离子弧堆焊枪喷嘴参数示意图 1 孔道直径d 的确定 孔道直径决定了等离子弧的能量密度，d 过大不能有效压缩等离子弧，弧 束分散，能量不集中，等离子弧温度达不到最高有效值。d 较小时对电弧的压 缩作用非常明显，电弧刚性增大。d 过小时电弧被压缩超过稳定工作点，则电 弧不稳，甚至引弧困难，采用一些辅助手段引燃后，等离子弧的刚性很强，极 易烧损喷嘴。 蚺帝等高产弧蚓焊枪的埘制 幽2 1等离子弧堆焊枪体装配示意蚓 第二章等离子弧堆焊枪的研制 1 ) 等离子弧的压缩特性 为确定等离子喷嘴孔道直径d ，首先分析了等离子弧的压缩特性。为分析 简便，对等离子弧进行了如下假定： a 等离子弧柱是柱对称的，等截面且无限长； b 弧柱内部和外部介质均无宏观介质流动： c 等离子弧柱的辐射忽略不计； d 定常工况。 在如上假定下，则有e l e n b a a s h e l l e r 能量平衡方程： 盯( j ) e 2 + 一l _ 【d ，搴) ：o ( 2 1 ) 式中：盯一等离子弧的电导率( 1 s c m ) ： 五一等离子弧的导熟系数( w m i ) ； r 一等离子弧弧柱的径向坐标( m ) ； s 一等离子弧的热势，其定义为s ( r ) = 【a ( t ) d t ( k w m ) 。 采用s t e e n b e c k 通道模型，应用f o u r i e r 定律，求得等离子弧单位长度喷 嘴孔道壁处的总热流： 0 ：- 2 z ( s - s d )( 2 2 ) k 9 式中：“一等离子弧弧柱平均热势( k w m ) ； 敛一喷嘴压缩孔道壁的热势( k w m ) ； r 一等离子弧弧柱半径( m m ) ； d 一喷嘴孔道半径( 1 n l n ) 。 在一维壁稳弧中单位长度电弧的电功率等于单位气壁处导出的热量： 2 、- 2 x ( s r - s d ) ( 2 3 ) 第一章等高了弧堆焊枪的i i ：| 制 根据弧压最小原理：竽：0 ，对( 23 ) 式进行微分，得出联系 和h 的补充关 矾 弑1 n ( 一i 1 意与 式中：d 一等离子弧柱平均电导率( 1 $ c m ) 。 将电导率仃用“的幂函数近似盯( 5 ) = c s + “得： ，= d e x p ( 一昙) ，：筝忑：孕压了 叫”、，月 ( 2 4 ) ( 2 - 5 ) ( 2 - 6 ) 1 = ( 寰“ ( 2 - ，) 兰_|萎萎兰薰囊蓁雾，14：00010一 温度升高。当喷嘴尺寸减少时，等离i 卜_ 专e z 多t l 叫叫 子弧温度升高且电场强度增大，这说i 。 纠多qlli 明喷嘴尺寸减小，增大了电弧的压缩点f 善矿ll i 百b l 程度，使电弧温度升高，同时也使弧 愀旷_ 一一1 1 ：耋黧l 第二章等离了弧堆焊枪的珂 制 工作电压和焰流的喷射速度，孔道压缩比取得较大。而堆焊枪如采用大压缩比， 易造成引弧困难、出现双弧现象，影响电弧稳定性，使喷嘴冷却效果恶化，烧 损喷嘴，一般取l d = o 8 1 4 【3 3 】。本研究通过工艺试验比较了不同孔道比对熔 敷速度，稀释率的影响，认为本焊枪取l d = 1 较为理想。 3 压缩角d 压缩角指喷嘴通道入口处锥面的角度，它的大小影响等离子孤的稳定性。 一般来说，口角越小，对等离子弧的压缩作用越强，但a 角过小时，电弧不稳， 易在阴极与喷嘴锥面之间起弧。口角过大，则容易在喷嘴内引起气流的紊乱运动， 所以口角一般在4 5 。6 0 。范围内选取，考虑到与钨极端面形状相配合，本研究中 采用了6 0 。角。 4 压缩孔道形状 常见的喷嘴压缩孔道由圆柱直孔型和台阶扩散型两种。如图2 - 4 所示。 ( a )( b ) 图2 - 4圆柱型喷嘴( a ) 和扩散型喷嘴( b ) 对扩散型喷嘴较有争议，有资料认为，扩散型喷嘴孔道降低了对等离子弧 的压缩程度，能提高电弧稳定性和喷嘴使用寿命】。但也有资料认为，扩散型 喷嘴使电弧发散，产生涡流，且扩孔部位孔道壁面积增大，飞溅的熔粒粘附量 增多，结珠现象更加严重【l l l 。综合考虑加工难易程度，本研究中采用圆柱直孔 形喷嘴。 5 喷嘴下端面的改进 粉末等离子弧堆焊时，焊枪与工件相距约1 肚1 5 m m 。等离子弧产生的高温会 经工件表面反射到焊枪下端面，持续长时间工作时，电弧反射的高温会将焊枪内喷 嘴端面烧损，使压缩通道变短，从而使等离子弧的压缩特性变差。由于喷嘴仅仅 是下端面烧损，如整体更换喷嘴，一方面拆卸困难，不容易保证重新装配的精 度，同时浪费材料，增加成本。因此在设计中，将整体式喷嘴设计为分体式， 喷嘴下端面易烧损部位改进为一个可拆卸的通过螺纹联接的部件，一旦烧损， 第二章等离子弧堆焊枪的研制 只更换该部件即可。如图2 - 5 所示。 2 2 3 送粉通道设计 图2 - 5 分体式喷嘴示意图 堆焊枪喷嘴的结构参数确定以后，选择适宜的送粉通道形式，以保证稳定 均匀的送粉，这对于合金粉末的有效熔化、减少淌滴、堵枪等工艺故障出现、 提高熔敷速度等起着关键作用阱j 。 等离子弧堆焊枪的送粉形式主要有枪内送粉和枪外送粉两种。枪外送粉是 合金粉末从喷嘴外边送入等离子弧高温区，喷嘴上没有送粉孔道，这种送粉方 式不易堵枪，喷嘴可以获得良好的冷却，但粉末飞散大，利用率低。枪内送粉 指合金粉末在送粉气流的作用下，送入喷嘴电弧通道内的等离子弧柱中，枪内 送粉具有沉积率高的特点，一般用于输运熔点较高的粉末材料。这种送粉形式 又可分为孔道式和双喷嘴式。 1 孔道式送粉 图2 - 6 孔道式送粉 采用孔道式枪内送粉时，通常在喷嘴上对称的钻数个通孔，粉末从喷嘴内 部i l 道送入等离子弧中。如图2 - 6 所示。这种送粉方式使粉末受到较充分的加 第二章等离了弧堆焊枪的 制 热，减少粉末的飞散，熔敷效率高。但由于送粉孔道的存在，使得喷嘴壁厚增 加，冷却条件恶化。i l 道式送粉的主要缺点是在出粉口位置容易发生熔融的合 金粉末颗粒粘附于喷嘴壁的现象，易造成淌滴甚至堵塞送粉孔道的工艺故障。 2 双喷嘴式送粉 双喷嘴式送粉方式采用两个喷嘴，内喷嘴压缩产生等离子弧，外喷嘴是个 水冷却套，内外喷嘴之间留有一定间隙，形成环缝。合金粉末在送粉气流的 作用下，通过该环缝送入等离子弧中。 这种送粉方式与孔道式送粉相比，送粉更均匀，冷却效果好，但水路等结 构复杂，加工精度要求高，制造困难。目前国内外都有应用，国外采用这种送 粉方式比较普遍。其结构示意如图2 7 所示。 d 一孔径 l 一f l 迸长度 a 一压螭内 h 一电圾内螭挺壁 i 一钨捉 2 一内喷嚆 3 一外喷嘴 圈2 7 双峻冁 通过对孔道式及双喷嘴式两种送粉形式的工艺试验比较，可以发现，采用 孔道式送粉，合金粉末在出粉口位置，由于受等离子弧的加热作用，很易熔化 粘附在孔道口处。尤其是粉末粒度较小时，堵枪的现象非常严重。因此不得不 将枪体拆开，用通针捅开出粉口。而采用双喷嘴式，堆焊时淌滴、堵枪现象明 显减少。所以本研究采用双喷嘴式送粉。 3 送粉角度及粉末汇交点的设计： 送粉角度指的是粉末与钨极轴线的夹角。送粉角度过大，送粉气与离子气 会相互干扰，它们之间的作用力造成粉末飞溅，粉末利用率低。如果送粉角度 过小，粉末进入熔池困难，飞粉率大，浪费合金粉末。本试验中确定送粉角度 笫一章等高予弧堆焊枪的研制 为4 5 【_ 。 粉末汇交点与出粉r _ 1 的距离影响粉末熔化情况。距离较小时，粉末能进入 弧柱，在弧柱中加热时问长，有利于粉末熔化，提高熔敷效率。但距离过小时， 粉末受热时间长，过早熔化，会形成较大熔滴，使结珠堵枪的倾向增加。距离 较大时，粉术在弧柱中受热时间短，飞粉率大，但堵枪倾向降低，尤其是在长 时间持续工作的工况【3 6 1 。如图2 8 所示。本研究中确定h = l o m m ，位于熔池正上方。 2 2 4 水冷系统的设计 粉末= i 亡交点 图2 - 8 粉末汇交点示意图 堆焊枪要在高温下持续工作，它的各个部件必须能很快的将热量散发出去， 这就要求堆焊枪有良好的冷却系统，能充分冷却各发热部件。本研究中，采用 具有一定水压的洁净自来水以一定流速在堆焊枪内的冷却水道内流动，与高温 部件进行热量交换，对其进行冷却。冷却水由进水管首先进入上枪体的水冷套， 再经绝缘体进入下枪体及喷嘴，而后由出水管导出。 1 钨极冷却 1 h 堆焊枪中钨极的烧损比较严重，使得堆焊设备不能长时间连续工作，仔 细分析其结构，认为原因主要是钨极冷却不充分所造成。一方面冷却水道与枪 体的密封不良，有冷却水渗漏现象，导致水压降低，水流缓慢，不能快速的将 热量传走。另一方面冷却水道狭小，容纳的冷却水量有限，水压无法提高，冷 却不充分，出水管流出的水温较高。针对上述情况，堆焊枪研制过程中，进行 了如下改进： 第一市等出了讴堆焊枪f n 研制 1 ) 加大钨极冷却水道 钨极的冷却水道包括两部分： a 钨极的前半部通过上枪体的水冷套中流动的冷却水进行) 令却，旧式堆焊 枪中水冷套的水冷间隙仅为1 s h u n ，容纳水量有限。改进设计中将其增大至3 m m 。 b 钨极后半部的冷却是依靠下枪体冷却水槽中流动玲却水带走热量实现。 旧式焊枪中下j 枪体仅加工有两个中3 m m 的斜向引水孔，分别将冷却水引进和引出 喷嘴的水冷槽。下枪体为黄铜制造，体积较大，两个斜向水槽与之相比，容量 太小，因此设计中将斜向引水孔改进为横截面为矩形的水槽，并与喷嘴冷却水 槽连通，使得对钨极的冷却壁面积扩大了几倍。焊枪整体结构见图2 1 。 2 ) 改进密封条件 旧式堆焊枪采用黑色普通橡胶圈进行密封，该橡胶圈蒯热性能较差，在堆 焊枪高温工况条件下，时间久了易老化，密封不良，造成玲却水渗漏，影响堆 焊枪的正常使用。经多次工艺试验比较，最终选定用硅橡胶圈替代旧有普通橡 胶圈，由于硅橡胶弹性好，耐热性能优良，径向采用硅橡胶“0 ”型豳，轴向采 用硅橡胶平板密封圈进行密封。 2 2 5 枪体材料的选用 组成堆焊枪的各部件，由于其作用不同，对于制造材料的要求也各有不同， 材料的选用对于保证等离子弧堆焊枪的稳定工作和安全可靠很有必要。 1 ) 枪体及水电缆接头：要求导电导热性好，在通有水流的情况下不易锈蚀， 常采用黄铜来制造，相应的焊缝采用银焊或铜焊。 2 ) 绝缘体：中间的绝缘体作为e 下枪体的电气绝缘，应有足够的绝缘强度， 同时它还起着联接上下枪体的作用，所以还要具有一定的强度。并希晕俐热性 能好，本研究中采用聚四氟乙烯材料替代电木材料。 3 ) 水电缆线：水电缆线应柔软，使动作灵活方便。同时因长期浸泡在水中应 耐水的腐蚀，本研究中采用镀锡的编织软线。 4 ) 喷嘴材料：堆焊时经喷嘴压缩产生几万度的高温等离子弧，这样高的热量 必须很快散发出去，以保证在喷嘴上积聚的热量不致使其烧损熔化。为此，喷 嘴采用强制冷却，喷嘴上加工有冷却水槽，通过冷却水循环流动将热量导出， i 喷嘴材料必须采用导电性、导热性良好的的材料，能迅速和冷却水对流换热， 第一帚等高1 弧堆焊枪的研制 同时熔点要高，存高温卜与工作气体小发生有害的化学反应，易于加工。在本 研究中堆焊枪采用紫铜作为喷嘴材料。 5 ) 阴极：阴极担负着热电子发射任务，要求其熔点高和电了逸出功小，在 高温下不与】：作气体发生有害的化学反应。本研究中采用钇钨电极，它是在金 属钨中加入微量稀有金属氧化钇，提高电子的发射能力，便于引弧，且使用寿 命长。 2 3 等离子弧堆焊枪的工艺试验 2 3 1 工艺参数的选择 为了获得高质量的等离子弧堆焊层，必须了解主要工艺参数对堆焊质量的 影响及相互问的关系，合理预选工艺参数，获得低稀释率、光滑优质的堆焊层。 等离子弧堆焊的主要工艺参数有：堆焊电流和电压、堆焊速度、送粉量、离子 气和送粉气流量、焊枪摆动幅度和频率、喷嘴距工件的距离等。 1 转移弧电压和电流 转移弧是堆焊的主要热源，其电压和电流是决定堆焊过程稳定性和堆焊质 量的主要因素。堆焊过程中，在焊枪和其它参数确定的情况下，转移弧电流在 较大范围内变动时，转移弧电压的变化量不大，因此转移弧输入熔池的能量主 要取决于电流的变化，通过调节电流柬控制等离子弧的热功率。 在等离子弧粉末堆焊过程中，转移弧电流主要影响工件熔深和堆焊层的稀 释率。当其它 艺参数确定时，随电流的增加，过渡到工件堆焊表面的热功率 增加，熔池温度升高，：1 ：件熔深和稀释率也增加。其次转移弧电流还影响熔敷 率和粉末利用率，若转移弧电流小，产生的热量不足以使粉末充分熔化，合金 粉末飞散多，焊层易出现生粉，利用率低。电流过大，焊道成型不好，内部易 出现质量缺陷。表2 1 是工艺试验时电流对堆焊质量的影响。 表2 1 转移弧山流对堆焊层质龄的影响 转移弧电流( a )堆焊层质龄 2 0 0 粉末严重飞散，成型很差，有夹渣、术熔透现象 粉末有e 散，成型不好，有气孔，与母材结合不蚶 粉末熔化较女f ，e 敞小，成型良好 熔深过人，熔池翻泡，成掣很筹 第二章等离子弧堆焊枪的研制 由表2 1 可知，在保证堆焊质量的前提下，考虑尽可能提高熔覆效率，以获得 较高生产率，根据试验结果选定转移弧电流为1 6 0 a 2 0 0 a 。 2 离子气和送粉气流量 本研究中选用纯度为9 9 9 9 的氩气为离子气、送粉气。离子气用以产生等 离子弧。离子气流量的大小影响电弧稳定性和压缩效果。气流量过小，对电弧 不能很好压缩，造成电弧不稳；气流量过大，增加电弧刚度，熔深增大，稀释 率增高，一般气体流量取0 3 0 5 m h ”l 。本试验中选定离子气流量q = o 3 f f h 。 送粉气主要起输送合金粉末的作用，使粉末借助气流的吹力，顺利的通过 管道和枪体吹入电弧，同时也可保护熔池。气流量过小，粉末易堵塞；过大则 对电弧有干扰。因此送粉气流量也要适中，主要根据送粉量的大小和合金粉末 的粒度、松装密度来选择。送粉量大、粒度大、松装密度大，则气流量要大。 本试验中送粉气流量在0 4 0 6m 3 h 1 ”1 范围内调节，本试验中选定送粉气流量 q ，= 0 4 m 3 h 。 3 焊枪摆动幅度和频率 焊枪摆动幅度决定了一次堆焊所获得的焊道宽度，一般根据堆焊工件的要 求来确定。本试验中确定焊枪摆动幅度为1 5 m m 。 焊枪摆动频率是指单位时间内焊枪摆动的次数。摆频的选定应保证电弧对 堆焊面均匀加热，使焊波均匀连续。摆幅和摆频要适当配合，摆幅宽，摆频减 慢；摆幅窄，摆频适当加快，保证基体受热均匀，堆焊质量好。本试验摆频选 定在2 5 2 8 次m i n j 。 4 堆焊速度和送粉量 等离子弧粉末堆焊速度可用单位时间内焊道的长度l 或单位时间内熔敷合 金的面积s 表示，送粉量是指单位时间内从堆焊枪送出的合金粉末的质量。堆 焊速度和送粉量的变化，会改变熔池的热状态，影响堆焊层质量。如提高堆焊 速度，工件的熔深会减小，焊层减薄，稀释率降低，甚至出现未焊透、气孔等 缺陷。送粉量的增加会使堆焊层增厚，工件熔深减小，稀释率降低，当送粉量 增加到一定程度，粉末熔化不好，严重飞散，成型恶化。 堆焊速度和送粉量的大小，反映了生产率的高低，它们必须与堆焊电流相 配合，如果提高堆焊速度，相应增加送粉量，同时就要加大转移弧电流，保证 粉末充分熔化，获得较好的堆焊质量。但堆焊速度和送粉量不能任意提高，它 第二章等离子弧堆焊枪的研制 们受堆焊枪的性能、电源输出功率和摆动机构的限制。本试验中确定堆焊速度 为1 2 5 m m m i n ，送粉量为4 1 5 9 m i n 。 2 4 2 性能测试 为了检验新设计的堆焊枪性能，对该堆焊枪进行了性能测试。采用l p 一1 型 粉末等离子弧堆焊机设备。离子气、送粉气选用工业纯氩气，纯度为9 9 9 9 。 工艺参数为：非转移弧电流i = 5 0 a ，电压u = 2 0 v ，转移弧电流i = 1 8 0 a ，电压u = 3 0 v 下引燃转移弧，持续燃弧1 h ，冷却水的回水温度小于3 0 。c ，焊枪工作状态良好， 无漏水、淌滴、堵枪等现象。 2 4 3 堆焊屡稀释率及粉末沉积率的测定 按照下列工艺参数进行了试验，测定堆焊层的稀释率及粉末沉积效率。 数据如表2 2 所示。 表2 - 2 等离子弧粉末堆焊数据表 由表2 2 可见，采用改进研制的堆焊枪在不同的工艺参数下堆焊，获得的粉 末沉积率达9 5 以上，粉末利用率高：稀释率约1 0 ，满足等离子弧堆焊稀释 率低的要求，堆焊层光滑，焊接质量优良。 第三审试验设需。o 方法 第三章试验设备与方法 3 1 等离子弧堆焊设备 本研究中所应用的堆焊设备是国产l p - t 型等离子弧堆焊机。该堆焊设各主 要包括以下几部分：弧焊电源、电气控制系统、机械装置等。各部分的组成部 件如图3 一l 所示。 等离子弧堆焊设备 堆 电 焊电埘鬟鬻 气控制系统 气路系统 水路系统 堆焊枪 堆焊主电路 高频发生器 直流电机调速电路 程序控