等離子堆焊硬質(zhì)堆焊層性能研究現(xiàn)狀與分析

周潤猛，張立新※，胡 雪，張勝利，董 峰

（1.石河子大學機械電氣工程學院，新疆石河子 832003；2.石河子勝利硬面有限公司）

0 引言

等離子堆焊技術(shù)具有在基材表面快速成型和修復強化的工藝特性，因此可應用于多種工業(yè)生產(chǎn)和零件修復。可以針對閥門、葉輪以及管道的孔內(nèi)壁等復雜形狀的缺陷進行修復處理[1-3]。為了最大程度發(fā)揮等離子堆焊的作用，應采取工藝和手段降低母材在堆焊時的稀釋率，并對于熔覆速度進行精準的控制，保證復合堆焊層的優(yōu)良性能。

等離子堆焊于20 世紀60 年代開始正式投入工業(yè)生產(chǎn)，國內(nèi)外對等離子堆焊的研究主要集中在合金粉末的成分優(yōu)化應用領(lǐng)域，目前國內(nèi)已經(jīng)成熟掌握復合材料堆焊工藝，對于不同工藝獲取的復合堆焊層的性能研究較多，針對復合材料等離子堆焊在自動化作業(yè)設備的可靠性和堆焊層質(zhì)量研究也正在不斷發(fā)展[4]。

鄭州機械研究所經(jīng)過多年研究，形成了系列堆焊焊接材料和焊接工藝，并針對不同的磨損狀況進行了深入研究，為電弧堆焊領(lǐng)域提供了理論支撐。國外針對等離子堆焊獲得良好性能的復合堆焊層開展了深入廣泛的研究，特別在工藝參數(shù)和堆焊層性能方面取得了一定成果。

1 等離子堆焊層成型原理及制備工藝

與其他堆焊類方法相比，等離子堆焊形成的復合堆焊層強度和耐磨性較高、質(zhì)量穩(wěn)定可靠，目前該技術(shù)已經(jīng)做到復合堆焊層無氣孔、燒損和燒熔等[5-6]，和常見的鐵、鈷、鎳基合金表面熔敷層相比，復合堆焊層中各類碳化物顆粒分布均勻，耐磨性能突出，且堆焊層和工件基體材料表面是冶金結(jié)合，可以滿足較高的強度要求，是熱噴涂復合耐磨層強度的4～8倍。除此之外，復合堆焊層抗沖擊效果較好，可應用于磨損較大的工作環(huán)境。

1.1 等離子堆焊層成型機理

等離子堆焊（PTAW）工作時將焊槍鎢極一端作為電流負極，將基體一端作為電流正極，正負極之間產(chǎn)生等離子體束流，利用等離子高能束流作為熱源對構(gòu)件和構(gòu)件表面的合金粉末進行高溫加熱，通過在工件表層上利用離子束掃描加熱熔化形成的合金熔池，使工件表層和合金粉末完成均勻融合。當?shù)入x子束加熱結(jié)束后，構(gòu)件表面由于快速降溫使得合金熔池凝固，凝固完成后的熔池在構(gòu)件表面形成具有良好強化性能的復合堆焊層，從而實現(xiàn)零件表面的強化與硬化[7]。等離子高能束流工作時加熱迅速、效果穩(wěn)定，十分利于合金粉末與基材均勻穩(wěn)定的進行結(jié)合，且過程中對于非工作區(qū)熱影響小，因此可大大提升復合堆焊層性能。

雖然采用等離子束流加熱具有多種優(yōu)點，但復合堆焊層的成型質(zhì)量還受到多種工藝參數(shù)的影響。工藝參數(shù)一般包含電流電弧大小、噴頭移速及與構(gòu)件間距、合金粉末送粉量等。除了以上的人為因素，等離子堆焊工作時的環(huán)境和構(gòu)件自身的狀態(tài)和特性也會影響復合堆焊層的成型質(zhì)量。例如，若工作時周圍空氣濕度較大容易使焊接完成后的堆焊層內(nèi)部產(chǎn)生氣孔，影響性能，且構(gòu)件長時間的使用也會使得其自身的應力狀態(tài)產(chǎn)生變化，進而影響等離子堆焊后堆焊層周圍的應力狀態(tài)。因此，想要研究提升復合堆焊層性能，需要考慮多方因素。

1.2 等離子堆焊層制備工藝及要求

稀釋率是評判復合堆焊層與工件基體結(jié)合后強化性能的重要指標，指熔融后母材占復合堆焊層的百分比[8]。稀釋率過小降低堆焊層的結(jié)合強度，稀釋率過高會影響堆焊層內(nèi)部組織及性能。

工作時應保證工件自身的低稀釋率，工件的稀釋率過高會使母材中的金屬元素混入堆焊層，引起堆焊層內(nèi)部合金成分產(chǎn)生變化，進而導致復合堆焊層內(nèi)部組織產(chǎn)生變化，影響其性能。進行等離子堆焊時，電流過大會加重構(gòu)件表層熔化和增加堆焊層稀釋率。離子氣流量的大小會影響等離子弧的強度，離子氣流量過大會加重構(gòu)件表層熔化深度，進而增大母材的稀釋率。為降低母材的稀釋率，應對電流及離子氣的大小進行調(diào)節(jié)，保證復合堆焊層的性能。在堆焊工作時，在增大電流的同時提高焊槍噴頭的高度有利于降低稀釋率。

除此之外，焊槍在工件表面加熱的移動速度直接影響堆焊層區(qū)域內(nèi)熱輸入的程度，最終影響熔池深度和稀釋率。送粉氣和保護氣可以在工作時保證合金粉末送粉順暢，降低粉末噴射和電弧之間的相互影響，送粉速率過快會阻礙工件加熱減小其表層熔深；送粉量過大會導致粉末飛濺，產(chǎn)生氣孔等缺陷[9]。因此，為獲得良好的堆焊層，應對等離子堆焊電流、離子氣流量、焊槍移速、送粉速率等工藝參數(shù)進行控制和調(diào)節(jié)。

圖1 等離子堆焊熔覆示意

2 國內(nèi)外研究現(xiàn)狀

2.1 國內(nèi)研究現(xiàn)狀

目前手工堆焊是等離子堆焊比較常見的形式，但手工堆焊往往存在不確定性，不能準確把握堆焊層表面質(zhì)量。隨著當前自動化控制技術(shù)不斷發(fā)展，自動化的等離子堆焊技術(shù)和設備在各類工況下得到了廣泛應用。利用控制器可以較為方便、精確的控制堆焊電流大小和焊槍移動速度、焊槍與構(gòu)件之間距離等影響復合堆焊層性能的重要工藝參數(shù)[10]。

張小云[11]等人研究了通過PLC 控制自動焊接技術(shù)在汽車生產(chǎn)制造上的應用；關(guān)旭[12]等人研究了針對軋輥強化和修復的自動化堆焊技術(shù)，由此可見，自動化堆焊具有更好的可靠性和發(fā)展前景。羅俊威[13]等針對馬氏體時效鋼鐵鎳基復合涂層的等離子堆焊參數(shù)進行了優(yōu)化，研究了不同球形WC 含量、固溶時效熱處理對復合堆焊層硬度、摩擦性能的影響，并通過試驗證實碳化鎢顆粒能夠細化和均勻等離子堆焊層組織，提升堆焊層的性能。劉統(tǒng)治[14]在等離子堆焊引入碳化鎢顆粒優(yōu)化性能的基礎(chǔ)上研究了通過等離子熔注技術(shù)應對碳化物顆粒大部分沉底而無法均勻連續(xù)分布的問題，并研究采用鎳金屬層包裹在碳化鎢顆粒表面，降低了碳化物顆粒熱分解速率，提升了鎳基堆焊層性能。何夢[15]通過單因素和正交試驗方法，通過X 射線衍射、電子能譜等測試手段研究了等離子堆焊制備高釩鐵基涂層的最重要影響參數(shù)，最終得到堆焊電流、送粉速率、堆焊速率的最優(yōu)配置參數(shù)。

邢安軍[16]研究了加入不同質(zhì)量分數(shù)的碳化硅對不銹鋼等離子堆焊層組織性能的影響，并通過試驗得到不同種不銹鋼進行等離子堆焊時碳化硅粉末的最佳占比。王有偉[17]針對水輪機導葉的堆焊修復工藝要求設計了自動化的堆焊修復裝置控制系統(tǒng)，通過模糊PID 和專家知識經(jīng)驗設計了堆焊系統(tǒng)的控制器，在一定程度上較好地實現(xiàn)了自動化堆焊。肖裕華[18]借助ABAQUS 有限元軟件研究了氣閥堆焊和熱處理的三維有限元模型，并驗證了熱處理模型的準確性和熱處理對焊接過程殘余應力的消除特征，最后得到了優(yōu)化的焊接工藝參數(shù)。劉少奎[19]研究了不同堆焊情況下堆焊層溫度場和應力場的分布，建立了金屬密封裝置等離子堆焊的有限元模型，通過等密度熱源移動相結(jié)合的方法研究焊接電弧在移動時同合金粉末熔覆的過程，最終通過應力場模擬對等離子堆焊工藝進行了優(yōu)化。王永海[20]對鈦合金表面等離子復合堆焊層的性能優(yōu)化進行了研究，測試了加入不同種類以及含量的鎳基混合物的堆焊效果，完成對鈦合金表面堆焊所需的合金粉末最優(yōu)配比的研究，并對耐磨性、稀釋率等指標進行試驗和總結(jié)。

2.2 國外研究現(xiàn)狀

針對工件形狀復雜、不規(guī)則的特點，采用PLC 步進電機技術(shù)控制焊槍曲線移動完成堆焊工作，具有堆焊作業(yè)精確靈活，堆焊層性能高效的優(yōu)點。堆焊時一般需要多次往復運動，因此應選取精度和可靠性較高的傳動機構(gòu)，靈活控制焊槍移動，保證在不同工況下精確、長時的有效工作，確保能夠在多次重新定位時仍保持精確度。

上世紀50 年代后期，美國的Plasmadyne 公司開發(fā)了初級的等離子堆焊設備，同時，METCO 公司及其他美國企業(yè)開始致力于陶瓷堆焊層的研究，伴隨著航空產(chǎn)業(yè)的發(fā)展，美國碳化物聯(lián)合研究中心成功采用燃氣實現(xiàn)了爆炸堆焊。隨著各類型的熱加工、堆焊技術(shù)的不斷發(fā)展，1960 年前后歐美的等離子堆焊技術(shù)研發(fā)成功并正式投入生產(chǎn)。到上世紀80 年代，歐美各國逐步將電子控制技術(shù)和計算機測控技術(shù)引入等離子堆焊裝備中，大大提升了等離子堆焊的精準性和堆焊層成型質(zhì)量，從此之后，等離子堆焊技術(shù)開始向著精密化、智能化高速發(fā)展[21]。

AhmadDar[22]等將磁場安置于焊接垂直方向，研究了磁場對焊接電弧的影響程度，最終通過磁場優(yōu)化了熔池和熔寬。Ansari[23]等通過外加磁場提升了水下焊接焊縫強度的六分之一左右，并通過試驗采用135 高斯交流電磁場將焊接速度從3 mm/s 提升到6.2 mm/s。德國的Lugscheider[24]等通過有限元對渦輪葉片的等離子復合堆焊層進行了仿真，對合金粉末、送粉速率、焊槍移速等不同工藝參數(shù)進行了分析和總結(jié)，并完成了對葉片的熱應力分布的對應關(guān)系的研究。

3 當前存在的主要問題和發(fā)展趨勢

（1）等離子弧堆焊修復完成后的堆焊層內(nèi)部往往會產(chǎn)生氣孔，大大影響堆焊層的性能。在實際工作時，產(chǎn)生氣孔的原因很多，包括氣保護性能、母材表面狀態(tài)和焊接工藝等。焊接工作時，為防止空氣進入和保護鎢極，使用氬氣來作為離子氣和保護氣進行工作。但等離子焊接電弧區(qū)周圍空氣濕度、溫度以及飛濺的顆粒物等都會對保護氣的保護效果造成影響。

母材表面水分、焊渣以及合金粉末對于氣孔的敏感性也會影響氣孔的產(chǎn)生。堆焊表層主要是通過空氣傳導熱量，熱量傳遞速度較快，結(jié)晶凝固時間較長，因此表層產(chǎn)生的氣體可以逸出，而堆焊的深層部分是通過母材作為介質(zhì)傳遞熱量，由于熱量傳遞速度過快，氣體在結(jié)晶凝固前來不及逸出，就在內(nèi)部成為氣孔。目前通過堆焊層重熔可將夾雜的氣體隨著熔池移動排出，可以在一定程度上消除氣孔。

（2）進行等離子堆焊時，電流過大會加重構(gòu)件表層熔化和增加堆焊層稀釋率。離子氣流量的大小會影響等離子弧的強度，離子氣流量過大會加重構(gòu)件表層熔化深度，進而增大母材的稀釋率。為降低母材的稀釋率，應對電流及離子氣的大小進行調(diào)節(jié)，保證復合堆焊層的性能。在堆焊工作時，在增大電流的同時提高焊槍噴頭的高度有利于降低稀釋率。除此之外，焊槍在工件表面加熱的移動速度直接影響堆焊層區(qū)域內(nèi)熱輸入的程度，最終影響熔池深度和稀釋率。送粉氣和保護氣可以在工作時保證合金粉末送粉順暢，降低粉末噴射和電弧之間的相互影響，送粉速率過快會阻礙工件加熱，減小其表層熔深；送粉量過大會導致粉末飛濺，產(chǎn)生氣孔等缺陷。

（3）等離子堆焊合金粉末往往存在性能強化效果普通、不能夠較好地和基材完成強化反應的問題。復合堆焊層內(nèi)部主要由柱狀晶和等軸晶組成，當前研究常采用優(yōu)化合金粉末成分的方法，比如在合金粉末內(nèi)加入碳化鎢顆粒，此類高熔點顆粒能夠由堆焊層表層向底部沉積，以此為底層的枝晶起到異質(zhì)形核的作用，促使堆焊層底部的晶粒產(chǎn)生細化，隨著堆焊層底層碳化鎢含量增加，異質(zhì)形核也逐漸增多，使底層晶粒逐步產(chǎn)生細晶強化，進而提升復合堆焊層的強度和性能，可以在一定程度上減少等離子堆焊修復后出現(xiàn)裂紋的現(xiàn)象。高硬度的碳化鎢顆粒加熱后能夠與基體進行冶金結(jié)合，進而起到保護基體的作用，提升耐磨性。

等離子堆焊技術(shù)具有工藝參數(shù)種類多、影響面廣的特點，對其工藝參數(shù)進行針對性地優(yōu)化研究能夠提高復合堆焊層的強度和抗磨損性能，并減少堆焊層缺陷。目前國內(nèi)外對等離子堆焊層的性能優(yōu)化研究正不斷推進，已在一定程度上改善了堆焊層的質(zhì)量，但還需在根本上優(yōu)化等離子堆焊的主要敏感工藝參數(shù)，以此才能制備高質(zhì)量的等離子堆焊層。