等離子弧堆焊是閥門焊接應(yīng)用最多的焊接技術(shù)之一。本文介紹了等離子弧焊的焊接原理，設(shè)備構(gòu)成和特點(diǎn)，堆焊用粉末材料。結(jié)合閥門焊接實(shí)際情況，對(duì)等離子堆焊工藝進(jìn)行了探討，并對(duì)等離子堆焊中出現(xiàn)的工藝故障及焊接缺陷進(jìn)行了研究，對(duì)故障排除及缺陷處理進(jìn)行了闡述。
一、前言
閥門技術(shù)的發(fā)展，依賴于材料科學(xué)，結(jié)構(gòu)學(xué)的發(fā)展。近年，我國合成材料，新合金鋼及新技術(shù)的發(fā)展，新興金屬材料的利用，取得了很大進(jìn)展，這些都為閥門技術(shù)的發(fā)展增添了新的內(nèi)容。合成材料更是層出不窮，如聚丙烯、聚碳酯、尼龍等材料制造閥門，已在化工領(lǐng)域使用。新型陶瓷閥門也正在逐步推廣使用。這些新型的閥門介質(zhì)復(fù)雜，特別是很多是在高溫、高壓及高腐蝕、高磨損等環(huán)境下工作，因此制造要求很高。
工業(yè)中目前廣泛應(yīng)用的高、中壓閥門（石油、化工、電站等設(shè)備）多以硬質(zhì)合金作為閥門密封面材料。由于這些閥門工作條件惡劣，提高密封面的使用壽命是一個(gè)很切實(shí)際的問題。如果采用手工填充或埋弧焊工藝、氧-乙炔氣焊、氬弧韓等進(jìn)行焊接，不僅產(chǎn)品質(zhì)量不能保證，而且勞動(dòng)強(qiáng)度高，工時(shí)大，生產(chǎn)過程煩瑣。使用等離子弧焊的方法在被磨損表面進(jìn)行堆焊，不僅具有生產(chǎn)效率高，質(zhì)量穩(wěn)定，易于機(jī)械化、自動(dòng)化；而且該焊接方法使用粉末作為填充材料，克服了硬質(zhì)合金難于制絲等問題。目前，大部分閥門企業(yè)都有1臺(tái)以上的等離子弧焊設(shè)備，很多企業(yè)的等離子弧焊設(shè)備占到了所有焊接設(shè)備1/3以上。這也從一個(gè)側(cè)面說明了等離子弧焊在閥門制造中的重要性。
要很好的應(yīng)用這項(xiàng)技術(shù)，需要解決設(shè)備、工藝、材料等各方面存在的問題，需要全方位的進(jìn)行介紹和闡述。本文就簡要介紹了一些要點(diǎn)，并重點(diǎn)對(duì)可能出現(xiàn)的一些工藝故障及焊接缺陷進(jìn)行了研究分析。
二、等離子焊設(shè)備及材料
等離子是指在標(biāo)準(zhǔn)大氣壓下溫度超過3000℃的氣體，在溫度譜上可以把其看作為繼固態(tài)、液態(tài)、氣態(tài)之后的第四種物質(zhì)狀態(tài)。等離子是由被激活的高子、電子、原子或分子組成。等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態(tài)下的自由電弧，簡稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強(qiáng)化之后而獲得電離度更高的電弧等離子體，稱等離子弧。經(jīng)壓縮的電弧其能量密度更為集中，溫度更高。等離子弧的最大電壓降是在弧柱區(qū)里，這是由于弧柱被強(qiáng)烈壓縮，使電場強(qiáng)度明顯；增大的緣故。因此，等離子弧焊主要是利用弧柱等離子體熱來加熱金屬。等離子弧的特性是能量密度可達(dá)10000-100000W／cm
2，其溫度可達(dá)18000～24000K。
等離子弧焊就是利用被壓縮了的等離子弧的熱量，由粉末輸送裝置將合金粉末輸送到弧柱區(qū)域內(nèi)，并利用壓縮空氣，將半熔或全熔的合金粉末噴射到母材（基體）表面上，形成所需的合金焊層的一種金屬表面強(qiáng)化技術(shù)。
等離子弧焊設(shè)備由以下幾部分組成：焊接電源、控制箱、送粉器、噴槍、冷卻系統(tǒng)和通風(fēng)防護(hù)裝置組成。焊接電源一般要求調(diào)節(jié)方便，可控性好，同時(shí)為了緩解等離子弧強(qiáng)大沖擊電流對(duì)基體材料造成有害熔深，需要對(duì)電路增加電流遞增裝置，使電流可以衰減，以獲得好的堆焊層。控制箱主要是對(duì)焊接過程進(jìn)行控制，很多新的設(shè)備已經(jīng)可以實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化控制。送粉器需要送粉量均勻，使用方便。對(duì)于噴槍，它是設(shè)備中非常關(guān)鍵的部件，需要保證堆焊工藝的穩(wěn)定、可靠、持續(xù)運(yùn)行；因此需要噴槍設(shè)計(jì)合理，槍體緊湊，重量輕體積小，調(diào)節(jié)方便，可是性好既適用于手持焊接，也可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接，靈活方便。一般說來，中小型零件的單道堆焊工作時(shí)間短，對(duì)噴槍的要求只限于使用柔性弧以便獲得沖擊小、硬度均勻、組織致密的高質(zhì)量堆焊層。除了噴槍本身帶有保護(hù)嘴外，對(duì)于大功率噴槍，還需要在噴口加上屏蔽罩?？紤]到操作者的身體健康，通風(fēng)保護(hù)裝置在等離子弧焊設(shè)備中必不可少，從而將多種有害氣體順利排出。
材料方面，等離子弧焊主要使用粉末材料。粉末材料的質(zhì)量，成分的正確配比，以及工藝上的合理選用，直接影響到堆焊層的質(zhì)量。目前我國的粉末生產(chǎn)廠家眾多，產(chǎn)品系列基本可以滿足各種應(yīng)用要求，特別是閥門方面，目前的粉末已經(jīng)比較成熟。閥門上應(yīng)用的主要分為三大類：鐵基、鎳基和鈷基。
三、等離子弧焊工藝分析
等離子弧焊必須嚴(yán)格控制下列參數(shù)：粉末送給量的穩(wěn)定和靈活的可調(diào)性，非轉(zhuǎn)移弧與轉(zhuǎn)移弧的電流規(guī)范送粉氣與離子氣的精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動(dòng)臺(tái)速度的調(diào)節(jié)，噴槍擺幅與擺動(dòng)頻率的調(diào)節(jié)，噴嘴與工件的距離等。
在焊接前，需要對(duì)工件進(jìn)行機(jī)械清理的處理，工件表面必須有金屬光澤，除去銹蝕、油污和氧化物。要選取好合適的焊接電流，不能因?yàn)樽非笏俣榷^度調(diào)高電流。一般噴槍與工件的距離為20mm。某些較大的低碳、中碳及低合金鋼零件需要進(jìn)行預(yù)熱。對(duì)于珠光體、馬氏體鋼，即便是較小的零件也必須預(yù)熱，以防止堆焊層裂紋的出現(xiàn)。大的零件，以電爐做恒溫預(yù)熱較方便，保溫一定的時(shí)間使工件的內(nèi)部溫度與表面溫升相一致。然而由于大工件堆焊時(shí)間長，工件溫度梯度大，剛性強(qiáng)，容易形成很大內(nèi)應(yīng)力，因此堆焊過程中應(yīng)不間斷加熱；焊畢后做等溫緩冷處理。如果采用的合金粉末具有較高的硬度，而堆焊的面積又較大則在堆焊過程中必須采用不同的手段進(jìn)行不間斷的預(yù)熱，以防止堆焊層產(chǎn)生新的裂紋。因此，焊前預(yù)熱及焊后熱處理對(duì)堆焊層很重要。
另外，對(duì)等離子堆焊工藝中幾個(gè)重要參數(shù)也進(jìn)行了分析。熔敷率指單位時(shí)間內(nèi)合金粉末在零件上熔敷的效率。該參數(shù)必須嚴(yán)格控制，防止堆焊金屬被稀釋。沖淡率（混合比）指一般在在堆焊層中母材占成分的5-10%。沖淡率隨填充材料不同而不同，如當(dāng)堆焊高度為5mm時(shí)，Co-Cr-W混合比可打10%，而Co-Cr-W-B混合比為4%。沖淡率的測量一般采用作圖法將堆焊層宏觀照片放大，測量焊層熔深部分的面積與堆焊總面積的比值。但碳鋼是采用化學(xué)成分分析的方法進(jìn)行測量的。
粉末送給系統(tǒng)要求穩(wěn)定可靠，合金粉末一般應(yīng)在干燥恒溫箱內(nèi)烘焙一小時(shí)。對(duì)于主弧轉(zhuǎn)移電弧，若轉(zhuǎn)移弧增加，則送粉量及離子氣增加，使送粉發(fā)生困難，飛濺增加，熔敷率下降，焊接質(zhì)量下降。噴槍與工件的距離若過大，則弧柱穩(wěn)定性下降，電弧發(fā)生漂移，對(duì)熔池的保護(hù)效果顯著下降。距離過小則熔深增加，沖淡率增加。經(jīng)過大量實(shí)踐，噴槍與工件的距離及機(jī)器的性能有密切關(guān)系。首先是與轉(zhuǎn)移電弧的空載電壓噴槍設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。必須指出，某些自熔性差，熔點(diǎn)較高的粉末在變化堆焊參數(shù)的前提下（如離子氣流量加大送粉氣和送粉量增加，工件移動(dòng)速度慢，擺動(dòng)頻率減小等），將噴槍與工件的距離適當(dāng)提高，反而改善了堆焊的工藝性能。主要原因是具有高速動(dòng)能的合金粉末，從噴槍最噴出后，有一個(gè)相對(duì)的較長時(shí)間在弧柱內(nèi)停留，增加了合金粉末的受熱時(shí)間，減弱了合金的動(dòng)能，使粉末飛濺狀況有明顯改善。
工件移動(dòng)速度和噴槍擺動(dòng)頻率對(duì)稀釋度、堆焊層的硬度及焊層的高度有很大影響。工件移動(dòng)速度快，在其他工藝參數(shù)不變的情況下，堆焊層高度降低，沖淡率降低，合金粉末焊層金屬與基本金屬結(jié)合強(qiáng)度下降。若擺動(dòng)頻率過高，焊炬往返來回過快，從噴嘴噴出的粉末嚴(yán)重散失，沉積率下降。擺動(dòng)頻率在不超過特定范圍的情況下，對(duì)堆焊高度的影響不明顯，但對(duì)熔深影響很大。
四、常見等離子弧焊工藝故障、焊接缺陷及處理措施
工藝故障主要有四種一個(gè)是非轉(zhuǎn)移弧不能起弧。主要原因有：高頻發(fā)生器火花室發(fā)火點(diǎn)錯(cuò)位或間隙過大，排除方法是檢查高頻發(fā)火室，將發(fā)火點(diǎn)對(duì)準(zhǔn)，并用起子調(diào)整間隙。鎢極與壓縮道上端距離太大，排除方法是調(diào)節(jié)電極與壓縮角尖端的距離。噴嘴錐角附有氧化膜等污物，排除方法是拆下噴嘴，用鹽酸腐蝕清洗后，用細(xì)砂紙打磨。其他原因還有如電壓過低、鎢電極燒損嚴(yán)重、電流調(diào)節(jié)過小、離子氣未接同、鎢極與噴嘴短路等。
粉末堵塞是另一個(gè)常見故障。主要原因及解決方法有：送粉氣流量不足，吹送力不大；排除方法是逐漸加大送粉氣流量。其他原因還有送粉量過大、密封卷漏水、通粉孔被大顆?；虍愇镒枞?。第三個(gè)故障是缺水或壓力不足。主要原因是水冷電纜發(fā)生皮管發(fā)燙、噴嘴漏水，因水壓不足不能使水泵打開，排除方法是使用車床皂水冷卻泵增加水壓。第四個(gè)故障是轉(zhuǎn)移弧不正常。主要原因有：噴槍與夾持件發(fā)生短路；電纜沒有接上或通水電纜焊接處脫開；轉(zhuǎn)移弧有明暗抖動(dòng)，可能是鎢極損壞，同心度偏差大；轉(zhuǎn)移弧有閃耀輝光并有蘭色弧光，可能是噴嘴漏水；轉(zhuǎn)移弧發(fā)出“呼呼”聲，是因?yàn)殡x子流量太大或鎢極內(nèi)縮太大。
常見焊接缺陷有氣孔、裂紋和夾渣。氣孔的出現(xiàn)原因及排除和預(yù)防措施有：工件表面有油污、銹蝕等雜質(zhì)；母材可焊性差；轉(zhuǎn)移弧電流過大，大量基體混入焊層；保護(hù)不良或氬氣將耗盡導(dǎo)致純度不高；粉末濕度大并有雜質(zhì)；粉末顆?？招膶?dǎo)致氣體無法及時(shí)逸出（這種情況在焊接時(shí)可以聽到清脆的聲）；粉末中含有低熔點(diǎn)雜質(zhì)在高溫下氣化；母材中含有雜質(zhì)；母材被化學(xué)處理。夾渣出現(xiàn)的原因有：保護(hù)不良使焊面氧化，第二層堆焊時(shí)氧化雜質(zhì)夾入；粉末冶煉時(shí)存在氧化雜質(zhì)；粉末渣系帶有很大的粘性，焊時(shí)浮渣不徹底；工件移動(dòng)速度快使粉末不能完全熔化；母材中有氧化雜質(zhì)冒到焊層中等。
裂紋出現(xiàn)的原因有：使用的是有空淬性能的母材；母材未預(yù)熱；母材本身有裂紋；堆焊金屬與母材的熱膨脹系數(shù)相差懸殊；母材受過淬火處理；工件移動(dòng)速度快，堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度差；送粉量過大，焊層與母材結(jié)合不良，內(nèi)應(yīng)力集中；焊前焊中預(yù)熱保溫及焊后熱處理不當(dāng)；沒有衰減或衰減裝置線性不佳，產(chǎn)生弧坑形成疏松，在內(nèi)應(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋；粉末硬度過高等。
上述缺陷應(yīng)采取相應(yīng)措施加以修補(bǔ)，修補(bǔ)手段可用氬弧焊、氣焊或等離子弧焊進(jìn)行小范圍的局部補(bǔ)焊。
五、結(jié)語
等離子弧焊技術(shù)在閥門密封面堆焊中應(yīng)用廣泛，是目前閥門制造中應(yīng)用最為廣泛的技術(shù)之一。由于等離子弧焊具有弧柱溫度高，使用粉末噴焊等優(yōu)點(diǎn)，可以大大簡化堆焊材料的制造過程，特別是可以利用多種合金元素，在等離子弧的作用下得到不同性能的硬化密封面。雖然材料制造及使用種類相對(duì)簡單，但等離子弧焊設(shè)備比較復(fù)雜，在操作中容易出現(xiàn)工藝故障。
在工藝方面，要控制好幾個(gè)主要參數(shù)：熔敷率和沖淡率，送粉速度及送粉量，工件與噴嘴的距離及工件的擺動(dòng)速度等，還有一個(gè)重要的因素是焊前焊中的預(yù)熱保溫及焊后熱處理。
