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焊接２００２（４） １７・ 。 。 ’一 Ｉ生产应用２ 、ｒ ｆ ， 高效等离子堆焊实验系统的建立及工艺研究＠ 深圳职业技术学院（５１８０５５） 哈尔滨焊接研究所（１５０ｏ０８） 摘要王红英 赵昆李玉龙董祖珏 介绍了一种新的具有高熔敷速度、低稀释率特性的等离子堆焊方法（熔敷速度＞２５ｋｇ／ｈ：稀释率（ ５％），并就实验系统的建立进行了较详尽的描述，并提出了新型等离子堆焊焊的结构设计思想，进行了工艺实验 研究，为进一步实现高效、低稀释率等离子堆焊工业化生产奠定了实验基础。 关键词： 等离子堆焊熔敷速度稀释率实验系统 ＳＴＵＤＹ ＯＮ ＴＥＳＴ ＳＹＳＴＥＭ ＡＮＤ ＷＥＬＤＩＮＧ ＰＲＯＣＥＤＵＲＥ ＯＦ ＨＩＧＨ ＥＦＦＥＣＴＩＶＥ ＰＬＡＳＭＡ ＳＵＲＦＡＣ耵 Ｇ Ｓｈｅｎｚｈｅｎ Ｐｏｌｙｔｅｃｈｎｉｃ Ｈａｒｂｉｎ Ｒｅｓｅａｒｄ Ｉｎｓｔｌｔｕｔｅ ｏｆＷｅｌｄｉｎｇ Ｗａｎｇ ｒＩｏｎｇ￣ｉｎｇ Ｚｈａｏ Ｋｕｎ，Ｌｉ Ｙｕｌｏｎｇ，Ｄｏｎｇ Ｚｕｊｕｅ Ａｂｓｔｒａｃｔ Ａ ｎｅｗ ｋｉｎｄ ｏｆ Ｐｌａｓ硼ａ ｓｕｒｆａｃｉｎｇｗｉｔｈ ｂｏｔｈ ｈ ｈ ｄｅｐｏｓｉｔｉｏｎ ｒａｔｅ（＞２５ ｋｇ／ｈ）ａｎｄｌｏ＇Ａ，ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ（（５％） ｉｓ ｉｎｔｒｏｄｕｃｅｄ ｈｅｒｅ．Ｉｎ ｔｈｉｓ ｐａｐｅｒ，ｔｈｅ ｂｕｉｌｄｉｎｇ—ｕｐ ｏｆ ｔｅｓｔ。ｙｓｂｅｍ ｗ船ｄｉｓｃｕｓｓｅｄ ｉｎ ｄｅｔａｉｌ ａｎｄ ａ珊ｗ ｓＩｉ＇ｌｌＣｔｌ１３￣ｏｆ ｐＪ醐ｍａ ＳＵＩ＇－ ｆ￣ｉｎｇ ｔｏｒｃｈ ｗａｓ ｐｕｔ ｆ０ｎ忸ｌｄ．Ｔｈｉｓ ａｒｔｉｃｌｅ ｌａｙｓ ｔｈｅ ｅｘｐｅ６ｍｅ￣ｔＭ ｆｏｕｎｄａｔｉｏｎ ｆｏｒ ｆｕｒｔｈｅｒ ｉｎｄｕｓｔｒｉａｌ ａｐｐｌｉｃａｔｉｏｎｓ． Ｋｅｙ ｗｏｒｄｓ：ｐＪ￣［ｉ／ｌａ ｓｕｒｆａｃｉｎｇ－ｄｅｐｏｓｉｉｔｏｎ ｒａｔｅ，ｄｉｌｕｔｉｏｎ ｒａｔｉｏ，ｔｅｓｔ ｓｙｓｔｅｍ ０前 言 为实现高效高质等离子堆焊，本文设计的焊采 随着工业的迅猛发展以及自动化、机械化水平的 用小喷嘴压缩孔径，大压 缩比，长粉末会交点的设 计思想。设计研制的焊 不断提高，机器及其零部件的磨损日益严重，据一些发 达国家统计各种机械零件失效有４０％是因磨损造成 的。我国近来由国家科委组织的一次调查表明．因金属 构件磨损、腐蚀每年所造成的损失达１００—１５０亿元之 多 。等离子弧粉末堆焊作为表面改性的一种方 法，在发达国家已得到迅速发展和广泛应用。 ，如图Ｉ所示。本文采 用的堆焊焊分为上 体、下体和中间绝缘段 三大部分。下体主要用 来安置喷嘴，构成喷嘴水 冷空腔和各种管路接头。 上体安置阴极，构成阴 极水冷空腔 及管路接 头。中间绝缘部分用来保 证上、下体互相绝缘地 图１焊示意圈 为保证高效、低稀释率等离子堆焊工艺实验的顺 利进行，研制了一套实验系统。该系统以焊为核心 包括送粉系统、机械系统、电气系统、水冷系统、控制系 统５大部分。 １ 焊的设计与研制 联接。 ＠机械工业技术发展基金（９６ｊＡ０４０４） 维普资讯 http://www.cqvip.com
焊接２００２（４） １．１ 焊喷嘴结构及参数的确定 喷嘴的主要参数有压缩 角ｄ、孔道长度￡和压缩孔直 径ｄ。其结构所示意图见图２。 １．１．１压缩孔直径ｄ和孔 道长度 的确定 喷嘴孔径尺寸的大小，决 由（１）式可知，要增强导热效果，就要增大喷嘴壁 面积，减小壁厚，加强冷却，选用导热系数高的材料。 本文选用了紫铜作为喷嘴材料。 （２）对流换热过程，这是指冷却水的流动所引起的 流体和喷嘴壁面之间的热量传递过程，根据对流换热 的牛顿公式： Ｑ＝ｄ（ 一 ｒ）Ｆ （２） 定等离子弧的能量密度，为提 高熔敷速度和使弧束集中，压 式中ｐ——单位时间的对流换热量，ｗ ——壁面的平均温度，。ｃ 缩孔不应过大。但当喷嘴孔 径较小或孔道长度太大时，电 圈２等离子喷嘴示意图 弧的压缩作用虽然非常明显，但电弧被压缩超过稳定 广流体的平均温度，。ｃ 平均对流换热系数。 卜——换热面积，ｍ ； 一工作点，电弧就不能稳定工作，甚至引不起弧。即使经 过调节能够起弧也非常容易产生“双弧”使喷嘴严重烧 损。反之，若喷嘴孔径太大或喷嘴孔道过短，电弧虽 稳，但等离子弧压缩不好，能量不集中，根本达不到高 熔敷速度的设计思想。为此，我们通过工艺实验比较 了不同、孔道比对熔敷速度、稀释率的影响，最后认为ｄ ４，３ ２～ ５．０Ⅱ∞，孔道比１．０为较理想的结构。 １．１．２压缩角ｄ ：由（２）式可知，要提高对流换热量，就要增加换热 面积，降低流体的平均温度和提高平均对流换热系数。 本文喷嘴采用有较大接触面的楔形面结构。 １．２焊电极的冷却 电极的烧损主要取决于冷却效果，对钨极的冷却 即喷嘴通道人口锥面的角度 一般来说ａ角度 包括：离子气、保护气的对流换热；钨极座的导热；冷却 水的对流换热等。另外，钨极头端部（热电子发射部 位）离水冷壁（对流换热面）的距离对电极烧损也有很 大影响，轴向距离应小于８—１０ ｉｎｎ２。采用上下体联 越小对等离子弧的压缩作用越强，故刚性弧喷嘴 较 小 但 不能过小，否则电弧不稳，且易引起阴极与喷 嘴锥面打弧。压缩角ａ的压缩作用在孔径ｄ较小时尤 为敏感。一般在６０。一１２０。之间，根据工艺要求选择。 １．１．３喷嘴结构 合冷却、内循环的冷却方式。为提高冷却效果，专门设 计了一套水冷系统。 ２送粉系统 在喷嘴压缩参数和孔形确定后，喷嘴几何形状（结 构）的设计是围绕解决喷嘴烧损问题进行的。喷嘴必 为保证高的熔敷速度，必须实现均匀稳定的高的 须强制冷却，使微单元上所积聚的热量不足以达到材 料熔化的程度。这实质上是一个传热过程，主要由导 热过程和对流换热过程组成 。根据传热学原理，结 合喷嘴的具体情况，从分析传热过程中的各种影响因 素人手，确定增强传热的具体措施。 （１）导热过程，这是指热量由喷嘴的高温区域转移 到低温区域的过程，为分析方便，粗略地认为导热过程 是稳定的，即喷嘴上各点温度不随时间变化，在单位时 间内通过喷嘴传导的热量ｐ为： Ｑ＝ＡＦＡｔ￣８ （１） 送粉速度。因此设计研制了特殊的送粉系统。 现有的送粉系统最大送粉量都在２０ ｋｇ／ｈ以下，满 足不了本实验要求，因而自行设计了一套负压毂轮送 粉系统，如图３所示。其突出之处在于将负压原理应 用于自重式送粉方式中。这样较容易地保证了送粉管 式中Ｑ——单位时间内导热传递的热量（热流量），ｗ △ ——喷嘴壁两侧面的温度差，℃ ，——喷嘴壁面积．ｍ Ａ——导热系数 ６——喷嘴壁厚 图３负压毂轮送粉系统 维普资讯 http://www.cqvip.com
焊接２００２（４） １９・ 路的畅通。不必象普通白重式送粉那样严格地要求摆 放位置。送粉量的多少由带动毂轮转动的电机及毂轮 上槽孔的多少和深浅决定，根据不同的送粉要求可以 短路保护，对气路、水路实时监控，保证焊接过程安全， 自动、手动随时切换，整个系统均由ＰＬＣ控制，实现对 包括机械部分（机架、摆动、行走小车、转胎等）各种动 作及水路、气路、电源起停、动态显示等的控制及监控． 整个控制系统有较强的抗干扰能力和抗冲击能力，有 自诊断及较高的自恢复能力和较高的控制精度。ＰＬＣ 程序控制框图 如图５所示。 配套一系列轮毂。根据要求可以方便地更换、选择槽 孔的布置形式。这种送粉系统的另一独特之处在于两 侧可配用不同合金粉末采用不同送粉速度进行堆焊， 增加了可调节参数。这套送粉系统可实现５—４５ ｋｇ／ｈ 的均匀送粉。 ３机械系统 本文设计的机械系统可实现五轴自动运转和三轴 手动调整。整机有横臂立柱机构、焊接纵向行走机构、 焊接变位机、焊摆动机构和焊高度微调机构等构 成，如图４所示。横臂运动范围０—１ ８００ ｍｍ，行走机 构可载重２ ０００ ｋｇ，行程０—１ ５００ ｍｍ，能满足较大面 积的堆焊。变位机可在０。一９Ｏ。之间手动转换，用来堆 焊圆柱面、球面，同横臂立柱协制，能进行马鞍型 工件表面的堆焊。变位机可载重５００ ，工作台半径 ５００ ｍｉｌ１．。摆宽可调范围为０—９Ｏ ｍｍ。 图４实验用机械系统 ４水冷系统 体、喷嘴的冷却效果对焊接过程来说是至关重 要的，因此单独设计了一套水冷系统并研制了冷却水 柜。冷却水首先进入上体冷却钨极，之后进人下 体冷却喷嘴，此时由体流出的冷却水温度较高，直接 进入冷凝器冷却，再注入水箱、混和后由水泵抽出送到 焊，完成一个循环。选用的水泵扬程为３２ ｍ。流量 １．８ ｔ／ｈ，水箱容积为０．１ 。 ５控制系统 图５控制系统框图 ６工艺实验结果 ６．１焊性能测试 非转移弧电压：Ｕ＝１３ Ｖ，电流：，＝１００ Ａ；转移弧 电压Ｕ＝６８ Ｖ，电流，＝３００ Ａ；冷却水回水温度小于４Ｏ ℃，整个焊工作状态良好，元漏水、堵粉等不良现象。 该焊已申请国家专利，专利号为ＺＬ ００２ ３８２０２．４。 ６．２工艺实验 为了满足不同形状、不同条件下的堆焊需要，控制 系统可实现动态调节、动态显示参数，电路中有过载、 （１）运用设计研制的实验系统，实现了高效低稀释 维普资讯 http://www.cqvip.com
・２０ 焊接２００２（４） 率等离子堆焊，对几种不同粉末进行了工艺研究，离子 气流量为０．４ ｍ ／ｈ，送粉气流流量为１．０ １ＴＩ ／ｈ，其结果 见表１。 表１ 不同粉末的等离子堆焊工艺殛结果 一目 日ＩｆＩｌＩ ＿图８ ５４７Ｍ０Ｂ焊道照片 ｆｂ） 图９宽堆焊焊道与断面腐蚀照片 圈一霸图６ Ｆｅ３０１焊道照片 ＿７结 论 豳（ｂｉ １０大板横拟堆焊焊道与断面腐蚀照片 （２）运用实验系统，采用５４７ＭＯＢ粉末进行了宽焊 道堆焊工艺实验：离子气流量０．４ ｍ ／ｈ；送粉气流流量 １．０ ｍ ／ｈ；焊接电流３６０ Ａ；送粉量３２ ｋｇ／ｈ；熔敷速度 ３０．６ ｋｇ／ｈ；稀释率＜５％；摆速１２ ｍｍ／８；摆宽９０ ｍｍ； 焊速８．８ ｍｍ／ｓ；实际焊宽８５ ｍｍ；焊道成形与断面腐蚀 照片见图９。 较详细地介绍了整个实验系统的建立及运用实验 系统进行的工艺实验研究，本实验系统同时实现了高 熔敷速度、低稀释率的等离子堆焊效果（熔敷速度＞ ２５ｋｇ／ｈ；稀释率＜５％）。本文提出的新型等离子堆焊 焊的结构设计思想，为进一步实现高效、低稀释率等 离子堆焊工业化生产奠定了实验基础。 圆 ■ 图７ Ｆ２２１焊道照片 参考文献 １彭补之国内外热喷焊概况．全国机械工业系统热喷焊， １９８４－． ２刘政军．铁基高温耐磨等离子孤喷焊台金及耐磨基理的研 究天津大学博士论文，１９９５，１～１０ ３ Ｌ１１ｃａｇ Ｗ．Ａｒｃ ｓｕｒｆａｃｉｎｇ ａｎｄ Ｃｌａｄｄｉｎｇ Ｐｒｏｃｅｓｓｅｓ Ｗｄｄｉｎｇ ａｎｄ （３）运用实验系统，采用５４７ＭＯＢ粉末进行了３５０ ｍｍ ｘ３５０ ｍｍ的大板模拟堆焊：离子气流量０．４ １ＴＩ ／ｈ； 进粉气流流量１．０ １ＴＩ ／ｈ；焊接电流３６０ Ａ；进粉量２８ Ｙｌｅｔａｌ Ｆａｂｒｉｃａｔｉｏｎ，１９９４，１６２（２）：１５～２０ ４ Ｂｄｅｓｌａｖ Ｇｒｏｓｓ ｅｔ ａ１．Ｐｌａｓｍａ ｔｅｃｈｎｏｌｏｇｙ．１ｌｉｆｅ Ｂｏｏｋｓ Ｌ／ｔｄ，１９６８： １０～４０ （收稿日期２００２ ０１ １５） ｋｇ／ｈ；熔敷速度２６．４ ｋｇ／ｈ；稀释率＜５％；摆速１２ ｌｎｍ／ｓ； 摆宽５０ ｍｍ；焊速７．２ ｌｎｍ／８；实际焊宽８５ ｍｍ；焊道成 形与断面腐蚀照片见图１０。 作者简介：王缸其，１９７０年生，工学硕士，工程师。主要从事 高技、低稀释率等离子堆焊技术方面的研究。
