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1、粉末等离子弧堆焊技术在冶金行业的应用及装备进展在6 月17 日于上海举办的 “2013 硬面技术交流会暨硬面技术创刊十周年”活动中，中国项目院院士徐滨士、中国钢铁工业协会副会长兼秘书长张长富等专家和领导表示，硬面技术在冶金等多个行业得到广泛研发应用，创造了很好的经济和社会效益。中国从事硬面技术企业的规模、人才队伍、技术装备水平，以及检测、检验手段等都有了长足进步，并在不断取得新发展。本文主要讲述粉末等离子弧堆焊技术在冶金行业的应用及装备进展，也从侧面反映了硬面技术的发展变化。1 粉末等离子弧堆焊技术发展概况粉末等离子弧堆焊是利用氩气转移型等离子弧作为主要热源，熔化粉末状填充金属，在工件表面产生
2、熔池，熔池冷凝后从焊枪喷嘴里喷射出合金粉末，因此也称作等离子弧喷焊。因为采用氩气转移型等离子弧作为主要热源，因此国外称作PTA焊（直译：等离子转移电弧），原理见图1。粉末等离子弧堆焊的工艺方法，在二十世纪六十年代中期开始研究，应用最普遍、效果最突出，当数阀门和气门制造行业。在应用于石油钻具的耐磨损堆焊上也得到普及，效果突出。到了八十年代，国外工业发达国家，如美. 德、日，重视这项工艺技术的应用，不断研发新的设备系统，推动了这项技术的进步。而中国只到本世纪初才开始研发新的设备系统。但是，有如其他制造行业的技术进步一样，在这一技术领域里中国有了长足的进步，现在的设备体系和技术水平已和国外先进水平处
3、在同一层面。粉末等离子弧堆焊技术的应用已涉及多个工业领域，在解决一些堆图1 粉末等离子弧堆焊技术原理示意图焊难题上发挥了作用，并有较高的工艺水平。2 在冶金行业的应用举例许多冶金工具都要承受高温下的磨损、擦伤和热疲劳，硬面堆焊的合金体系更显得重要。采用粉末等离子弧堆焊工艺，为研制和应用采用新的合金体系提供了方便，下面列举一部分应用实例。1）冶金辊表面堆焊采用粉末等离子弧堆焊工艺，在冶金辊表面堆焊硬面高合金，这是一项新应用的探索，目的在于选择更适宜的合金体系，提高辊面的使用寿命。粉末等离子弧堆焊工艺为性能优异的复合材料的应用提供了口径和方便。对于常用的合金体系，例如2Cr13，因为有极好的抗裂性
4、和较好的综合性的抗磨损性能，因此在冶金辊的堆焊上用得广泛。用粉末等离子弧堆焊工艺堆焊2Cr13，很方便的通过添加强化元素，提高其使用性能，这是别的工艺方法难以做到的。2）无缝钢管顶头堆焊无缝钢管顶头是大量消耗的易损件，在顶头顶部堆焊高温钼基合金，可显著提高使用寿命，利用粉末等离子弧堆焊工艺可以熔化高熔点合金的特点，可配制和堆焊含钼量高的高温合金。自动化的堆焊机也确保堆焊质量和提高生产效率。对于大口径钢管顶头，也可以通过堆焊的方式制造双金属复合顶头，代替昂贵的钼顶头。粉末等离子弧堆焊工艺更适宜这方面的要求。3）输送滚轮表面堆焊冶金机具中输送钢料或线材的滚轮也是品种繁多消耗量大的易损件，采用粉末等
5、离子弧堆焊工艺，堆焊含高温强化相的复合材料，是提高使用寿命的有效途径，用以代替昂贵的整体硬质合金。3 焊接系统的新进展传统的粉末等离子弧堆焊技术，指的是中等功率等离子压缩电弧，用自熔性合金粉末作填充料。随着这项技术的发展，首先在等离子弧热源的应用上有了扩展，形成了新的焊接系统，新的进展主要有:1）大功率等离子弧堆焊系统研发大功率等离子弧堆焊系统，目的在于提高生产效率，解决大面积堆焊问题。现在该系统巳研制成功并开始应用。大功率等离子弧堆焊系统，转移型等离子弧的额定电流超过400A，焊枪使用功率超过20kVA。大功率等离子弧堆焊系统，熔敷率和粉末利用率明显提高。2）微等离子弧堆焊系统研发等离子弧堆
6、焊系统，目的在于解决小工件精细堆焊问题。现在该系统巳研制成功并开始应用。微等离子弧堆焊系统，转移型等离子弧的额定电流不超过60A，焊枪使用功率不超过2kVA，微等离子弧堆焊系统，精确性明显提高。3）脉冲等离子弧堆焊系统研发脉冲等离子弧堆焊系统，目的在于控制热量过渡，有效解决熔池热量控制问题，获得高质量堆焊层。现在该系统巳研制成功并开始应用，突现其优越性。4）高能量等离子弧堆焊系统所谓高能量等离子弧堆焊系统，是提高等离子弧的能流密度，除了改变压缩孔道参数外，在工质气中要加入一定量的氢，以提高等离子弧的热焓值。5）粉丝联合等离子弧堆焊系统采用粉丝联合等离子弧堆焊系统，发挥了两种不同形态填充料的优点
7、，提高生产效率。4 新的设备组成系统粉末等离子弧堆焊设备由焊接系统、控制系统、焊枪空间定位与运行系统、工件运转系统等部分组成，各系统结构型式及核心或关键部件的配置，决定了发展的技术水平，如表1 所列，目前新的设备组成系统从整个发展进程看，已进入第三代和第四代，即全数字化工艺控制系统和计算机数控运行系统，这和国际上的先进设备体系处于同一技术层面上。以下介绍新系统各组成部分的特点。1）焊接系统的电源配置焊接系统的主要部分是弧焊电源的配置和调流系统，新的系统采用性能稳定和节能的逆变焊机，通过PLC 控制系统实现数字化调流，实现恒流输出和可以设定输出电流特性。2）大功率焊枪及特种焊枪现在已研发出多种有
8、应用针对性的新枪型，在结构上多采用喷射式外送粉，在结构上较好的克服了“堵粉、”“结珠”、“漏水”、“爬弧”、“双弧”等易出现的工艺故障。在焊枪特殊性能上，研发成功微弧精密型和大功率高效型等离子堆焊枪，为扩大应用领域创造了条件。3）数字化工艺控制系统数字化工艺控制系统为推动粉末等离子弧堆焊技术的进步起了很大的作用。工艺控制系统硬件配置的特点，是采用特殊功能型PLC 系统和采用步进电机驱动系统，特别是采用了触摸屏人机界面操作系统，实现了人机对话和直接物理量的单位设定和显示，使整个工艺操作系统改变了面貌，控制更精细，操作更便捷。步进电机驱动系统可以精确定量，从而使工艺参数的控制更加精细和准确，并可实
9、现定量控制功能，如通过自动调高实现弧压稳定。4）数控运行系统开发了具有数控运行系统的粉末等离子弧堆焊设备，这是控制功能更先进的堆焊系统，划为第四代机型。数控运行系统的硬件配置多采用工业控制计算机，通过编程软件实现数控运行。为操作方便，采用CAD 作图方式设定运行轨迹，通过软件自动转换成G代码，免去编程操作。数控运行系统和PLC 数字化工艺控制系统两者结合，组成完整的控制系统。对更新的数控系统，采用全计算机控制系统，在计算机里包含了工艺控制系统插件和软件，由电脑屏显示工艺参数和数控运行参数。5）大型精密操作机械粉末等离子弧堆焊技术的水平提高和应用的扩大，还表现在开发出大型精密操作机械，例如: 大
10、型立式操作机（高4m）和大型变位机（转盘直径3m）组成的大型蝶阀密封面堆焊机；轨道长6m的移动式龙门煤机槽板数控堆焊机；长4m、宽2m、高2.5m一体式高架龙门数控堆焊机；可以堆焊8004m大型辊面堆焊机等等。大型精密操作机械配置大功率堆焊系统及数字化工艺控制系统，使粉末等离子弧堆焊技术的应用扩大到大型工件，从而开僻新的应用领域。表1 粉末等离子弧堆焊设备各发展阶段组成系统的配置及特点组成系统主要部件配置及特点第一代第二代第三代第四代焊接系统等离子弧焊接电源硅整流焊机电位器调流硅整流焊机电子器件调流逆变焊机数字化调流逆变焊机数字化调流等离子焊枪中功率，钨极间冷，枪型单一枪型结构变化不大开发多种
11、枪型, 有大功率及微弧焊枪多种枪型，重点提高使用性能焊枪冷却系统自来水风冷換热，一般泵增压冷冻式換热，不锈钢旋涡泵增压冷冻式換热，不锈钢旋涡泵增压送粉器自重式送粉器或直流伺服电机驱动刮板式送粉器直流伺服电机驱动刮板式送粉器, 可控硅调速，电压示粉量步进电机驱动鼓轮式送粉器，PLC 系统控制，触摸屏直接显示粉量步进电机驱动鼓轮式送粉器，PLC 系统控制，触摸屏直接显示粉量控制系统主要控制器件继电器、接触器，指针式电表显示参数顺序控制PLC 系统，仪表显示参数，无人机操作界面特殊功能型PLC 数字化控制系统，步进电机及变频电机驱动系统，触摸屏人机界面，直接物理量参数显示及储存特殊PLC 数字化控制系统和计算机数控运行系统, 或全电脑控制系统。触摸屏和计算机键盘操控。按编程进行数控运行控制软件继电器接点编程PLC 顺序指令编程PLC 高级指令电脑软件编程，设定储存参数，有智能化参数计算功能计算机及PLC 高级指令软件编程，用电脑作图确定和显示焊枪运行轨迹机械运行系统导向部件一般机床导轨定位导向一般机床导轨定位导向滑轨导向精密滑轨导向（适应数控运行要求）传动部件普通丝杆或齿条，一般减速机普通丝杆或齿条，一般减速机滚珠丝杆，精密减速机滚珠丝杆，高级行星减速机驱动电机一般直流伺服电机一般直流伺服电机步进电机和变频调速电机步进电机、变频调速电机和高级交流伺服电机
