氣門的錐面等離子堆焊技術                  Plasma transferred arc (PTA)  一、什么是等離子體 物質(zhì)的存在有四種狀態(tài),即氣態(tài)、固態(tài)、液態(tài)和等離子態(tài).在等離子噴焊過程中,合金粉末,工件等是固態(tài).冷卻水、熔化中的金屬是液態(tài).氬氣是氣態(tài). 噴焊過程中,鎢棒是負極,噴嘴接正極.在兩電極之間是氣體（氬氣）.原本氬氣是不導電的,但在電場的作用下,氣的分子和原子受到從電極發(fā)射出的大量高速運動的粒子（如電子）的碰撞和加熱,使電子脫離原子,成分帶"一"電的自由電子,失去電子的原子成為帶"+"的正離子,氣體產(chǎn)生電離.被充分電離的氣體中充滿著帶正電的正離子和帶負電的電子——負離子.這兩種帶電離子共同存在于一個統(tǒng)一體中,其正電量總數(shù)和負電量總數(shù)相等,我們把這種已充分電離,正負離子數(shù)目相等的氣體稱為等離子體. 二、自由電弧與離子弧 氣門0.png    沒有受到外界約束的電弧為自由電弧,或敞開電弧.手工電弧焊和氬弧焊的電弧就是自由電弧.這種電弧弧柱區(qū)的中心部位也是處于等離子態(tài).但是電弧柱較粗,氣體電離較低,電弧區(qū)內(nèi)的氣體沒有充分電離,它的溫度低,能量分散.其溫度在6000~10000℃左右,自由電弧見圖一. 等離子噴槍內(nèi)的電弧存在于陰極與水冷噴嘴之間或陰極與工件之間,受到孔徑較小的噴嘴孔的強行壓縮.壓縮后的電弧柱直徑較細,電流密度提高,氣體電離充分.我們把這種被壓縮的電弧叫做等離子孤見圖二. 等離子孤除變小噴嘴孔的強行壓縮作用外還受到其它三種 氣門1.png 效應的作用,即熱收縮效應,機械壓縮效應和自磁壓縮效應. 1．熱收縮效應：紫銅噴咀具有良好的導電性和導熱性,由于冷卻水的作用,靠近壁面的氣流形成冷氣流層（冷氣壁）.電流幾乎不能通過這溫度低、電離度很低的冷氣壁,迫使電弧電流往電離高的中心部位流過,形成壓縮效應,這種壓縮效應稱為熱收縮效應. 2．機械壓縮效應：噴咀孔內(nèi)環(huán)形冷氣壁直徑越小對電弧的壓縮作用越強.而冷氣壁直徑取決于噴咀孔直徑.因此噴咀孔徑及幾何尺寸除通過熱收縮效應壓縮電弧外,也起著機械壓縮的作用. 3．自磁壓縮效應：弧柱相當于一束電流方向相同的平行導體.每根通電導體都在它周圍產(chǎn)生磁場.在磁場互相作用下,根據(jù)左手定則每根導體受到的電磁力都是指向這一束導體的中心見圖三.這種自身磁場產(chǎn)生的電磁力作用的結果.使孤柱受到一個指向弧柱軸心的壓縮力,從而電弧受到壓縮.熱壓縮和機械壓縮效應使弧柱變細,而弧柱變細后自磁壓縮效應更強. 以上三個效應對電弧作用的結果產(chǎn)生等離子弧.三個效應的作用又是互相依存,共同作用的.熱收縮效應和機械壓縮效應是外因作用.自磁壓縮效應是電弧本身具有的現(xiàn)象,屬內(nèi)在因素. 三、等離子弧的特點 等離子弧和自由弧相比,顯著的不同點是弧柱細,電流密度大,氣體電離很充分,因此它具有如下特點： 1．溫度高,能量集中：等離子弧具有很高的導電性,電流密度大,高于自由電弧.熱功率密度也高于自由電弧.通電導體的熱功率密度為：式中 —電流密度（A/cm2）, —是導電率（）,從式中可看出,熱功率密度與電流密度的平方成正比,所以等離子弧溫度高,能量集中.其溫度可達10000~50000 .要想選擇高的溫度用其它工藝方法是很難達到的.如氧—乙炔火焰溫度區(qū)為3200 左右,手工電弧焊電弧溫度為5000~6000 左右,氬弧焊也只有9000~10000 .（以-273.15℃為起點計算的溫度稱為溫度,單位K,通常在攝氏溫度加上273.15就是溫度,0℃等于273.15 ,100℃等于373.15 ） 2．穩(wěn)定性好：等離子弧弧柱挺直,沒有象自由電弧出現(xiàn)自由漂動的現(xiàn)象.在整個弧長中弧柱直徑變化不大,在弧柱較長時仍能保持正常燃燒. 3．可控性好：電弧的剛度和其它參數(shù)可以通過氣體的選擇和流量的調(diào)整及改變壓縮效應等外因條件來控制. 四、等離子弧的形式 氣門2.png 1．當噴嘴接正極,鎢棒接負極時,建立在噴嘴與鎢棒之間的電弧叫做非轉移弧. 2．當工件接正極,鎢棒接負極建立在工件與鎢極之間的電弧叫轉移弧. 3．非轉移弧和轉移弧并存時叫做聯(lián)合型等離子弧.分別由單獨的電源供電.兩臺電源負極相聯(lián),都以獨立回路,電流可以調(diào),互不干擾. 當采用聯(lián)合型弧工作時非轉移弧一般是做為輔助熱源. 五、等離子弧的工作氣體 產(chǎn)生等離子弧的工作氣體（也稱離子氣）,常用的有氮（N2）、氫（H2）、氬（Ar）、氦（He）等.具體要選用哪種氣體做為工作氣體,須從工藝要求、經(jīng)濟效益、運輸方便、使用安全等因素考慮.實踐證明使用氬氣（Ar）有以下優(yōu)點： 1．氬氣吸收熱量后溫度升高快,電離容易,引弧性能好. 2．氬氣的導熱系數(shù)低,分解度低,弧壓低,能保持電弧的柔軟性. 3．惰性氣體氬在空氣中所占的比例較多,制取方便,成本低. 4．氬氣具有良好的保護性,不與液態(tài)金屬起化學作用,而且不溶于金屬中,在噴焊過程中金屬燒損少,也不容易產(chǎn)生氣孔. 5．使用安全. 六、等離子噴焊的基本過程 等離子弧粉末噴焊是應用氬氣等離子弧做為高溫熱源,采用合金粉未做為填充金屬,對氣門錐面進行強化的工藝手段,合金粉未有斯太立粉等. 氣門3.png 圖五  等離子噴焊過程示意圖 1.2 直流弧焊機；3 高頻振蕩器；4 噴焊槍；5 送粉器；6 工件；7 浮子流量計；8 調(diào)節(jié)閥；9 電磁閥；10 氬氣 噴焊過程簡述如下：采用兩立的弧焊機做電源,分別供給非轉移弧和轉移弧,兩個電源的負極并聯(lián)在一起,接到噴焊槍的鎢電極.電源正極分別接到噴焊槍噴咀和工件.電源接通后,借助于高頻火花引燃非轉移弧.借助非轉移弧弧焰在鎢極和工件之間造成的導電通道,過渡引燃轉移弧.轉移弧引燃后可保留或切斷非轉移弧,利用轉移弧在工作表面產(chǎn)生熔池.合金焊粉通過送粉器實現(xiàn)連續(xù)供給,借助送粉氣流送入焊槍,并吹入電弧.粉末在弧柱中被預先加熱,呈熔化或半熔化狀態(tài),噴射到工件熔池里,在熔池里充分熔化,并排出氣體和浮出溶渣.熔化合金粉末和在工件上形成熔池的熱量可以通過調(diào)整轉移弧和非轉移弧電流,送粉量和其它工藝規(guī)范參數(shù)來控制,隨著焊槍和工件的相對移動,合金熔池逐漸凝固,在氣門錐面上獲得了所需要的強化層. 七、工藝故障分析及防止措施 工藝故障的頻繁出現(xiàn)會嚴重影響焊層質(zhì)量,因此認識產(chǎn)生工藝故障的原因和掌握預防工藝故障的措施是很重要的. 1．雙弧 雙弧是破壞轉移弧穩(wěn)定性的重要故障.在正常情況下,轉移弧穩(wěn)定地燃燒在鎢極與工件之間,弧柱有清晰的輪廓線.當由于某種原因除了直接燃燒在鎢極與工件之間的轉移?。ㄖ骰。┩?還在鎢極與噴嘴之間,噴嘴與工件之間形成電弧.這種與主弧并列的電弧,我們把它叫做雙弧. 雙弧的形成會有影響工作的等離子弧的穩(wěn)定性.在外觀上,弧柱的輪廓線變得模糊,電弧發(fā)散.主弧電流大大減少,弧柱電流密度大幅度降低,因而熱能減少,熱量分散,造成工件和合金粉末熔化不好.以至噴嘴的雙弧使噴嘴冷卻效果惡化,易造成結珠故障,嚴重時燒蝕噴嘴. 采取以下幾點措施來防止雙弧的產(chǎn)生： （1）擴大噴嘴孔徑,減少壓縮比,改變噴嘴孔出口的形狀.噴嘴孔不宜細而長,出口逐漸擴散,且孔壁面與端面相交呈圓角過度,以防止夾角放電. （2）加強噴嘴孔壁和端面的冷卻效果.增加冷氣膜的厚度. （3）適當提高離子氣的流量.增加冷氣膜的厚度. （4）提高鎢極與噴嘴的同心度,防偏斜時冷氣膜局部薄面被擊穿. （5）適當限制轉移弧電流規(guī)范,電流密度大,冷氣膜變薄,易被擊穿. 2．結珠 合金粉末熔化后,粘附在噴嘴壓縮孔壁面上,結成較大的熔柱,沿著孔道壁面往下流淌的現(xiàn)象,叫做"結珠"或"滴珠".嚴重影響氣門錐面堆焊質(zhì)量. 避免結珠的措施是： （1）制造的噴嘴送粉孔能保證粉流的對稱性和粉末匯集點的位置. （2）噴嘴送粉孔能保證粉末輸送的連續(xù)、均勻、流暢. （3）保證電弧的穩(wěn)定性,避免雙弧產(chǎn)生. （4）合金粉末應在使用前烘干,進行篩選,粒度分組,盡量保證顆粒均勻. （5）合理地使用非轉移弧和選擇轉移弧的電流規(guī)范. （6）調(diào)整好鎢極與噴嘴孔的同心度. 3．轉移弧不穩(wěn)定 轉移弧不穩(wěn)定出現(xiàn)的原因主要有以下幾點：a. 雙??；b. 鎢極燒損；c. 鎢極與噴嘴不同心.其表現(xiàn)為電弧發(fā)散,偏斜和跳動. 為了保持轉移弧的穩(wěn)定性,除采取一些避免雙弧的措施外,還要注意焊槍使用一段時間后注意檢查修磨電極,清理噴嘴和調(diào)整鎢極與噴嘴的同心度. 八、氣門錐面堆焊層質(zhì)量缺陷及原因分析 1．氣孔 熔池液態(tài)金屬中的氣體,在熔池冷凝過程中來不及逸出,殘留在焊層中便形成氣孔,氣孔是焊層中的較常見的一種缺陷,但氣門錐面不允許有氣孔存在.產(chǎn)生氣孔的原因主要有以下幾個方面： （1）在噴焊中如果反復調(diào)整工藝參數(shù)仍不能減少氣孔,則可認為是合金粉末工藝性能不好所致.合金焊粉工藝性能不好的原因是合金成分控制不當或熔煉制造中除氧,造渣排氣不嚴.這種粉末在使用時熔池就會出現(xiàn)大量氣體.粉末的熔渣太多,熔點偏高,當液態(tài)金屬還沒有凝固時,表面已經(jīng)結渣,氣體無法逸出焊層就會出現(xiàn)氣孔. （2）受潮的合金粉末未經(jīng)烘干處理使用,水份進入熔池. （3）工件噴焊面沒經(jīng)認真擦洗,殘留有水、油或較多的氧化渣皮等雜物. （4）氬氣不純或在噴焊過程中氬氣對熔池保護不良,使空氣中O2、N2、H2侵入熔池造成氣孔. （5）工藝規(guī)范造成,如轉移弧電流太大,基體熔化過多,焊層中混入較多的有害元素.若轉移弧電流過小,則使焊粉沒有充分熔化,焊層疏松狀態(tài),孔洞多. （6）出現(xiàn)嚴重的雙弧,結珠等工藝故障時,熔化粉末的和過渡到工件上的熱量大幅度減少,溶池中的氣體不能充分排除. （7）噴焊槍冷卻水道密封不嚴,焊槍滲漏水. （8）轉移弧起始時,無沖擊值或沖擊值小,焊層起始部位溫度低,熔化粉末的熱量不足. 2．夾渣 熔池液態(tài)金屬中的熔渣未能充分浮出而殘留在焊層里便形成夾渣. （1）產(chǎn)生夾渣的原因有以下幾種情況： a. 焊層塔接時,前焊道表面或邊緣粘附的熔渣因電弧功率不足而不能充分浮出,殘留在焊層里形成夾渣. b. 合金焊粉的含渣量多,熔點高,粘度大. （2）避免夾渣的措施主要有： a. 提高合金焊粉的質(zhì)量,減少所含氧化物和夾雜物,增加粉末的脫渣能力. b. 在噴焊中要選擇適當電流,提高電弧的穿透能力,使熔渣得以充分逸出. c. 多層噴焊要清除前一層焊道表面的熔渣. 3．裂紋 （1）氣門錐面焊層裂紋主要為橫向裂紋,產(chǎn)生的原因有 a. 噴焊合金中含有較高碳量、硅量和硼量（C、Si、B）,它們與其它合金元素形成合金化合物.這些化合物硬度高,韌性差,產(chǎn)生裂紋的傾向大.對于剛性大的工件,在液態(tài)合金凝固時產(chǎn)生的拉應力以及變形增加,超過合金的強度極限面產(chǎn)生裂紋. b. 由于工藝規(guī)范參數(shù)選擇不當,使焊層和基材熔化不好,成型差,或噴焊層有氣孔夾渣等缺陷,產(chǎn)生應力集中,出現(xiàn)裂紋. c. 焊層搭接部位電流衰減太快,液態(tài)金屬冷卻急劇收縮,產(chǎn)生弧坑裂紋. d. 噴焊后焊層冷卻速度太快,室溫太低.焊層與基體熱膨脹系數(shù)相差太大. （2）根據(jù)以上產(chǎn)生裂紋的原因應采取的防止措施是： a. 選擇熱膨脹系數(shù)與母材相近的合金焊粉. b. 工件噴焊面上避免有裂紋等缺陷. c. 選擇合適的噴焊工藝程序和工藝參數(shù). d. 如需要應對工件采取焊前預熱,焊后緩冷的措施. 4．未焊透 由于轉移弧電流過小,噴焊速度太快,送粉量過多,收弧未提前停粉等原因都可使合金焊粉在熔池里熔化不充分,焊層形成疏松組織.嚴重時焊層與基體熔合不良,出現(xiàn)焊層剝落現(xiàn)象. 5．縮孔 收弧時電流衰減太快,熔池溫度急劇下降,在快速冷凝過程中得不到液態(tài)金屬的補充,就會產(chǎn)生縮孔.在焊道寬,合金熔點高,液態(tài)流動性較差的情況下更容易出現(xiàn)縮孔. 避免產(chǎn)生縮孔的措施主要是適當調(diào)整轉移弧電流衰減斜率,減慢收弧部位熔池的冷凝速度. 6．弧坑 焊層在熄弧處出現(xiàn)下陷的現(xiàn)象稱弧坑.產(chǎn)生弧坑的原因是熄弧時斷流電流太大,在弧坑處極易產(chǎn)生弧坑裂紋. 避免產(chǎn)生弧坑的措施是適當調(diào)整電弧衰減斜率以減少斷弧時的電流. 7．粘豆 在焊層兩傾或某一側粘結著較多的合金熔粒.這種現(xiàn)象稱為粘豆.此現(xiàn)象不但影響焊層的美觀,也會給機加工帶來困難,還會造成合金的浪費.因此應盡量避免粘豆的產(chǎn)生. 產(chǎn)生粘豆的主要原因是 （1）合金粉末空心顆粒多或潮濕,造成熔池液態(tài)金屬飛濺嚴重. （2）出現(xiàn)雙弧,結珠,電弧偏斜等工藝故障,使電弧不穩(wěn). （3）送粉偏向一側,弧電流小,熔化不充分. 8．焊層成型不符合要求 焊層成型不好指焊層高低不平,寬窄不一,缺陷. 出現(xiàn)的原因是： （1）工件旋轉不穩(wěn)定. （2）轉移弧電流不穩(wěn)定. （3）結珠后熔滴進入熔池. （4）噴槍位置不當. 7. 8. 防止的措施都是完善設備,工藝規(guī)范參數(shù)適宜,熟悉操作技術,能根據(jù)噴焊情況隨時調(diào)整噴槍位置和工藝規(guī)范. 九、開機前后工作及注意事： 1．開機前檢查 （1）檢查各工藝動作程序是否完善,要求精確可調(diào),其可調(diào)精度電壓為1-2V,電流為1-2A,并且要求動作具有可靠性、重復性、穩(wěn)定性. （2）檢查噴焊槍使用性能完好,特別是不能漏水. （3）檢查工件夾持轉臺應有良好冷卻效果,轉速應無級調(diào)速. （4）檢查送粉器是否送粉連續(xù)、均勻（送粉誤差+1%）靈敏度高,適應強,調(diào)節(jié)性好. （5）檢查氬氣瓶表壓. （6）檢查是否有良好的通風防擴裝置. 2．開機 根據(jù)工藝參數(shù)（電流、弧壓、氬氣流量、工件轉速、噴粉量等）調(diào)整妥當后,準備開機. （1）先開冷卻水和氬氣. （2）進后打開電源. 3．注意事項： （1）必須先開冷卻水,若冷卻水不開就開電源要燒壞焊槍.目前新設備都有聯(lián)鎖保護裝置即冷卻水不開電源不通. （2）氣門必須洗干凈,洗去油污,并且晾干.若有水跡,造成氣孔. （3）氣門錐面上不應該有氧化皮臟東西,否則造成氣孔. （4）工藝三參數(shù),在更換產(chǎn)品時必須調(diào)整好. a. 電流大?。ㄈ粽{(diào)整不好,夾生過熔都會產(chǎn)生） b. 轉臺轉速（若調(diào)整不好,若不恒速則焊層高低不平） c. 送粉量多少（取決于焊層厚?。?/p>