摘要： 等离子堆焊是一种熔化焊工艺，六十年代初期就有商业化的产品问世，并在七十年代得到了广泛的发展应用。本文介绍了等离子堆焊技术的原理、应用以及等离子堆焊技术的发展过程。
Abstract： Plasma surfacing is a melting process. There were commercial products in the early 60s， and they had been widely used in the 70s. This paper introduced the principle， application and the developing process of plasma surfacing technology.
关键词： 等离子堆焊；粉末；稀释率；熔敷效率
Key words： plasma surfacing；powder；dilution rate；deposition efficiency
中圖分类号：TG456 文献标识码：A 文章编号：1006-4311（2013）28-0046-02
0 引言
等离子堆焊其实质上是一种熔化焊工艺。六十年代初期，等离子电弧就已经开始用于等离子粉末堆焊，并且已有商业化的产品问世。七十年代以后，等离子粉末堆焊和等离子喷涂、氧-乙炔喷熔、堆焊、氧-乙炔喷涂以及电弧喷涂等实用技术一起相继发展起来，并得到广泛应用。等离子熔化极堆焊和反极性弱等离子弧堆焊等方法也相继出现。
1 等离子堆焊技术的原理
图1是典型的等离子堆焊方法的原理图。其中，非转移弧由非转移弧电源供电，在高频（HF）发生器的引导下于电极尖端和压缩喷嘴间点燃。靠非转移弧又引燃电极与工件间的转移弧。离子气、送粉气及保护气由独立的孔道流出枪体完成各自的功能。其中，离子气是形成压缩电弧的主体，送粉气携带合金粉末进入压缩电弧，并使其熔敷于工件表面，保护气用于隔离外界空气和保护高温焊道及热影响区。靠堆焊枪的连续工作，以及它与工件的相对运动可以形成连续、均匀的堆焊层。
如前所述，等离子弧是属于高温高能束流，电弧温度可达30000℃，功率密度在1.5×102～1.6×104W/mm2。高压缩程度的等离子弧用于焊接、切割和喷涂时，其效果可与激光、电子束方法相比；而较低压缩程度的堆焊等离子弧，是一种压缩性可调的柔性等离子弧，它既可以实现堆焊对高速熔敷的需求，又可以满足低稀释率的条件，同时还不易产生双弧，成为理想的堆焊热源。
调节等离子电弧压缩性的基本方法有：改变喷嘴结构参数（图2）、调节等离子堆焊的工艺参数、更换气体的种类等等。
等离子堆焊材料的主要形式是粉末。由于粉末的化学成分可灵活变化，因而与采用丝材的其它堆焊方法相比，等离子堆焊层的成分和性能更容易调整。等离子堆焊中最常用的粉末材料是自熔剂合金粉末（self-fluxing alloy powder）。这是一种自身具有熔剂作用的合金粉末，在熔敷堆焊时不需外加焊剂，合金本身就具有脱氧、造渣和改善润湿性等作用。在使用过程中，亦可以将两种或两种以上不同类型的粉末（其中一种可以是硬质相）按一定比例机械混合，以获得具有另一种成分和性能的堆焊合金粉末，为了快速获得某种性能的合金，这种方法也经常在实验中使用。
堆焊层的稀释率是反映一种堆焊方法特征的最主要指标之一。稀释率的大小直接影响了堆焊层最后的成分和金相组织，并最终决定了表面堆焊层的性能。稀释率低就意味着母材金属对堆焊层合金成分的影响小，可以用较少的合金材料获得高性能的表面层。利用等离子堆焊热源可控性好的特点，堆焊采用自熔剂合金粉末时，可以将基体金属对堆焊层的稀释率控制在很低的范围内，如3～7%。若使用反极性等离子堆焊方法可获得更低的稀释率。但是，过低的堆焊稀释率，如3%以下，在常规部件的整个熔敷界面上难以保证，而且要承担出现未熔合缺陷的危险。
等离子粉末堆焊的熔敷效率是指在堆焊过程中，熔敷金属与使用的粉末材料的质量百分比，它反映了堆焊材料的利用率。熔敷效率的大小直接关系到等离子堆焊的生产成本（特别是堆焊价格很高的粉末合金时）。等离子堆焊的熔敷效率一般在80～95%左右，某些条件下熔敷率可以达到95%以上。熔敷速度是指单位时间内有效熔敷堆焊合金的质量，最新资料显示，等离子粉末堆焊的熔敷速度可达到12.5 kg·h-1或更高。表1给出了几种不同堆焊方法稀释率和堆焊速度的比较数据。
综上所述，等离子堆焊具有能力密度可控、堆焊粉末材料广泛以及堆焊层稀释率低等优点，越来越受到重视，但是同埋弧焊等相比还具有一些缺点。因此，如何最大限度发挥堆焊技术的优越性以获得优质、低稀释率的堆焊层，已经成为国内外堆焊技术研究的方向之一。
2 等离子堆焊方法的分类
2.1 正极性法：这是最常用的等离子堆焊方法 在堆焊时，正极电源接工件，负极接钨极。起弧时往往先要引燃作用在钨极与喷嘴之间的非转移型电弧，然后在按顺序引燃钨极与工件之间的转移型电弧。如果采用单电源，这时的电源正极应分别连接在堆焊枪的喷嘴和工件上，其中前一条支路要接入一只功率较大的电阻（常用水电阻，R值视枪体许用电流而定），当高频引燃非转移弧时，该电阻可以减小电源提供的电流，防止过大的电流烧损喷嘴。当转移弧引燃后，可以用程序控制将非转移弧的断开，正常堆焊过程中一般不用非转移弧。
2.2 反极性法：又称为反极性弱等离子弧堆焊方法 该方法开始时是采用填丝方式进行堆焊，可以将堆焊层的稀释率降低到0.1%。堆焊层与母材之间的过渡层厚度仅为10微米左右，这被认为是在堆焊质量上的重大突破。随后各国的焊接工作者也相继进行了实验研究，并将堆焊材料的使用扩展到了合金粉末。反极性弱等离子弧堆焊技术首次使用了水冷铜电极，即枪体的阳极（是指上电极）材料使用了紫铜而不是正极性等离子弧常用的钨电极。该方法适合堆焊易于生成高温氧化膜的金属及其合金（如铝和铝合金）。
2.3 脉冲法：脉冲等离子方法多用于要求功率较小的情况下 随着弧焊电源的技术进步和普及，特别是随着对小功率等离子堆焊的需求，这种方法正在得到重视。在脉冲等离子堆焊方法中，脉冲的使用方式与以往在焊接中的应用有所不同。如可以通过在工件和喷枪阳极间接入高频的IGBT无触点开关，成功实现转移弧和非转移弧的高频交替工作，可以在单一电源下进行等离子堆焊。
2.4 交流及变极性法：这种方法在国外虽然有一些研究，但是应用很少，交流电弧需要完成极性变换是其核心。极性变换对堆焊有利的一面是：工件在负半波期间，堆焊表面以及堆焊层能够通过阴极的雾化作用进行清理从而使得堆焊得到高熔点氧化物合金。而对堆焊不利的一面是：当上电极（钨极）在每个为正的半周期内受热量大，钨极尖端易于熔化，寿命较短。适当提高频率可以使这个问题有所改善，如使用100～200Hz的频率的方波。而且，通过调节矩形波正负半波的宽度还可以调节能量在钨极和工件上的分配，以获得合适的稀释率。
3 等离子堆焊技术应用实例
用等离子堆焊进排气阀密封面是发动机行业普遍使用的一种抗失效方法。图3是对排气阀密封面进行等离子堆焊堆焊的情况。
发动机气缸的进、排气阀是控制进入的燃气合排出废气的关键部件。在工作期间，气阀在频繁的接触载荷及燃气的高温作用下产生磨损，并在密封面形成积碳，使气阀不能完全关闭，这个间隙就使磨料颗粒以高速和高温气流从缝隙间通过，并造成过度的磨损。这是典型的高温磨蚀的工况，常需选用钴基合金或镍基合金进行堆焊。
当排气阀件尺寸较小时，堆焊期间工件温度的上升会使后段焊道的稀释率增加，并影响阀口的使用寿命。此时，可考虑使用特制的冷却夹具。另外，由于该工件通常是批量加工，最好能够采用自动化生產线。
选用粉末：钴基自熔合金Co42；粒度为-60～+200目。
堆焊工艺：焊前预热550℃，采用连续堆焊，堆焊后热650℃，保温三小时缓冷。
转移弧电流：100～160A
转移弧电压：26～28V
枪摆宽度：5～6毫米
枪摆频度：18次/分
工作气（Ar）流量：0.25m3·h-1
保护气（Ar）：流量：0.5m3·h-1
4 小结
采用等离子粉末堆焊方法在实现堆焊过程自动化的同时还能取得较高的生产率和堆焊质量。相对于集体材料来讲，等离子堆焊技术制备出来的表面合金层性能更加优良，虽然堆焊层后附一般只有几微米到几毫米，仅是工件整体厚度的几十分之一或几分之一，但是相对基体材料而言，具有更高的耐磨性、耐腐蚀性以及耐高温性能。此外，由于采用此技术的费用仅占产品价格的10-30%，却能够很大幅度地提高产品的性能以及附加值而获得更高的效益。因此，在石油、化工、矿山、冶金、运输以及建筑等行业中，等离子堆焊技术得到了广泛应用。
参考文献：
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