驰迈高能离子束熔覆作业指导书

1、表面合金化新型技术装备集成供应商高能离子束熔覆作业指导书  宁波驰迈激光科技有限公司2016版1 熔覆目的 提高工件抗摩擦磨损、粘着磨损性、耐热、耐蚀、抗冲击及抗氧化的综合性能。 2 适用范围 适用于金属零部件表面镍、铁基、钴基合金、碳化钨合金、氧化铝合金、钛合金、铜合金粉末熔覆工艺。 3 职责 3.1 专职离子束熔覆员负责产品的加工工艺的掌握及应用。 3.2 质检科表面合金（耐磨涂层）检验员负责熔覆产品的检验工作。 4 工作程序 4.1 熔覆操作、新合金涂层检验人员均需经岗位培训，并学习后经过考核合格上岗。 4.2 焊接工艺规范 4.2.1 公司常用熔覆材料：Fe50、F

2、e55、Fe60、Ni60、Wc、Go等。 4.2.2 公司表面硬化合金加工设备为离子束熔覆专机。 4.2.3 熔覆技术 4.2.3.1 熔覆尺寸应满足图纸要求。 4.2.3.2 合金涂层硬度应符合设计和使用要求。 4.2.3.3 合金涂层外观应平整光滑，不得有气孔，缩松，裂纹等缺陷。 4.2.4 需要熔覆的母材 4.2.4.1 需加工的母材表面形状与尺寸一般为圆形或平面、锥形或异形等。4.2.4.2 基体材料见表1 基体材料 （表1）碳钢ZG230-450、ZG25、WCB 、Q195/215/235/255/27520#/45#、T9/12、 合金钢Cr-Fe-C、Cr-Ni-F

3、e-C、Mn-Fe-C、Si-Mn-Fe-C、40Cr、5CrMnMo、20Cr2Ni4A、9Cr18、16Mn、15MnTiQ345C、40CrMn、5CrNiMnA、38NiMoV、不锈钢1Cr18Ni9Ti、304/310/314/316/316L球墨铸铁QT400-15/18/、QT450-10、QT500-7、QT600-3、QT700-2、QT800-2、QT900-2、FCD700灰口铸铁HT150、HT200、HT250、HT300、HT350、钛合金TA1/2/3/4/5、TC1/2/3/4/54.3 熔覆工艺 4.3.1 加工前准备 4.3.1.1 熔覆加工前对已经验收的合

4、金粉末，选择合适的目数，一般在80-270目，特殊要求选用300目以上的粉末。 4.3.1.2 粉末的加工方式分为水雾化和气雾化，针对离子束熔覆工艺要求，建议使用气雾化的粉末，其合金涂层质量要高于水雾化工艺的粉末。4.3.1.3 工件按给定温度预热及保温措施 几种基材预热温度（表2 ）基体材料（高硬度/高铬/氮化/高锰一般需要预热）熔覆钴基熔覆镍基熔覆铁基碳钢ZG230-450、25、WCB300-350350-400300-350合金钢Cr5Mo、15CrMo、12Cr1MoV、15Cr1Mo1V400-500450-550400-500不锈钢1Cr18Ni9 1Cr18Ni9Ti300-3

5、50350-400300-350球墨铸铁QT400-15/18、QT450-10300-350350-400300-350灰口铸铁HT150、HT200、HT250250-300300-350250-300上述材料在预热后迅速进行熔覆，熔覆过程中基材的温度还会持续上升，熔覆完毕后按照合金粉末材料来决定是否要保温，并不是所有的基材在熔覆完毕后都要保温，高硬度的镍基、铁基合金粉末开裂性大，熔覆后易产生开裂，因此需要进行保温。常规的钴基粉末和硬度较低的铁基粉末在预热后熔覆过程可以不用保温，硬度越高，抗裂性越差，具体的工艺需要掌握基材和和合金粉末的特性来决定是否需要保温。4.3.1.4 对于Cr-Mo

6、、Cr-Mo-V、高铬钢、高碳钢基体熔覆镍基粉末要先熔覆一层过渡层，否则容易开裂，过渡层选择洛氏硬度低于HRC28的合金粉末材料进行打底。熔覆层厚度按照图纸要求需要留至少0.7-1.5mm的余量来进行二次加工。4.3.1.5 在熔覆前需要对工件表面进行常规清理，表面粗糙度低于Ra6.3，不允许有砂眼和铁锈等氧化物。4.3.1.6 调整喷枪的位置，保证喷枪喷嘴与定位工件的相互位置，一般不低于7mm，最高可提升至13mm。 4.3.1.7 根据工件和熔覆合金层成形尺寸的要求（宽和高）预选电流，送粉量、摆幅宽度、喷枪与工件的距离，离子气和送粉气流量等规范参数，针对不同工件，参数均可以调整。 4.3.

7、1.8 开机前先通冷却水，检查送粉、送气、供电系统是否正常，检查无误后方可开机工作。 4.3.2 熔覆过程 4.3.2.1 严格按熔覆工艺细则进行操作。 4.3.2.2 调整工艺参数，特别是转移弧电流的大小，要按照熔池状况加以调整。 4.3.2.3 起弧时送粉量应由小到大，不能突然增大，收弧时送粉量应由大到小，不能突然停止送粉，同时电流应由大到小逐步衰减，其衰减时间一般为5-20s，确保合金涂层平滑过渡，保证接头平整。 4.3.2.4 若发现工件故障，如双弧、结珠等现象，应立即停机检查，清理喷嘴、调整钨极尖端与喷嘴的同轴度，距离和离子气流量，其气流量一般在0.6-1m3/h内调整。 4.3.3

8、 对于结构刚性大的碳钢和低合金钢焊后要进行消除应力退火，对于不锈钢要进行稳定化热处理。4.3.4 离子束增材产品的过程参数都应进行控制，由操作工把控制参数填写在高能离子束熔覆加工参数记录上。 4.4 熔覆后检验 4.4.1 经离子束熔覆的零部件、车削或磨削后测量硬度值，离子束熔覆工艺按照粉末标注的实际硬度往下减去3-5度即为标准测试硬度。前期试机试样的对每批工件进行全检，通过磨合后设备性能及工艺掌握熟练后，每批工件抽检不得少于3，若在抽查中发现有一个零件不合格，应加倍抽查。检验记录按10%比例记录在过程检验记录上。 4.4.2 对熔覆后的新合金涂层质量有问题的部件进行着色探伤检查，合格后转入其

9、他工序。 4.4.3 在检查中发现的气孔、微裂纹等缺陷，允许将缺陷清除干净后，用与焊接材料相同的焊材及相应工艺进行修复。 4.4.4 焊缝表面要求平整高于基材至少0.8mm以上，否则很难进行二次加工，为了保证熔覆加工质量的完美，特殊的工件有需要开破口的就需要按照工艺要求来进行操作，大型工件熔覆的合金层厚度在5mm以上的，需要进行两次熔覆加工才能完成，平面或标准外圆熔覆可选择摆动来进行加工。熔覆后表面不允许有气孔、夹杂、咬边及裂纹存在。 5、 熔覆操作步骤5.1 操作过程5.1.1、准备通电之前根据离子束熔覆规范连接好电气控制回路，检查供气、供水装置。检查喷枪各零件是否装配合适，特别要检查钨极和

10、喷嘴的烧损情况，以及钨极和喷嘴之间的距离（即钨极内缩量，一般距离喷嘴口的距离为510mm）。确认无误后，打开气瓶，打开冷却水箱，接通设备电源。5.1.2、气体预置按下熔覆设备正面板右上部的离子气预调和保护气预调按钮，此时气体电磁阀打开，开始供气，调节面板上的气体流量计，根据熔覆工艺，设置离子气和保护气流量。注释：气体预置的主要作用有两个：检查气体通路，预调气流量。排出枪内残留空气，防止引弧时电极被氧化。5.1.3、引燃维弧一般采用高频引弧。通过维弧电流调节旋钮调节合适的维弧电流，把起弧方式切换开关打到“高频”，按下维弧开关到“开”，此时钨极跟喷嘴之间会产生瞬间高频，击穿两者之间的空气，引燃维弧

11、。小心：长时间的高频容易损坏熔覆设备，如果按下开关3秒内没有正常起弧，则应先按下维弧开关到“关”停几秒钟后，再重新引弧。如果多次试图引弧没有成功，则应根据说明书基本故障预防里关于不起弧的解决方法，做相应的调整。5.1.4、开启主弧5.1.4.1如使用外接式离子束启动开关，开启主弧时按下外接式熔覆开关。注意：此时务必把设备面板上主弧开关打到“关”，否则外接式熔覆开关不起作用。5.1.4.2不使用外接式熔覆设备开关,开启主弧时把面板上主弧开关打到”开”。5.1.4.3根据熔覆工艺要求，调节主弧电流至合适值。5.1.4.4调整喷枪和工件间的距离到合适的起弧距离，一般为2mm-10mm。（按照不同基材

12、及熔覆要求来设定）5.1.5熔覆过程熔覆过程利用主弧加热和熔化工件，实施熔覆。此时需要严格按照操作说明和培训指南来进行对主弧电流的调节。注意：熔覆过程中喷嘴不能接触工件，否则会烧坏喷嘴。5.1.6关闭主弧熔覆过程结束时，按下堆焊开关或把面板上主弧开关打至“关”，关闭主弧。5.1.7关闭维弧全部熔覆工作结束后，将维弧开关打到关。5.1.8关闭主弧电源 将主弧开关打到关。5.1.9关机 断开熔覆设备输入电源，关闭循环冷却水箱，关闭气瓶。5.2清理现场 整理保管好喷枪等附件，清理作业现场。6、 熔覆时的设备参数调节控制（以下按照400A的熔覆设备作为参考）6.1、主弧电流：40-60，160A-24

13、0A；6.2、维弧电流：10-20A；一般不用去调节。6.3、离子气：30-40，5-6Mpa；6.4、保护气：30-40，5-6Mpa；6.5、送粉气：30-35，4-5Mpa；6.6、送粉量：30-50，根据熔覆厚度来进行调节；6.7、冷却水温：夏天：20；冬天：25。7、 熔覆过程中的安全防护7.1、熔覆工件时必须要带防护面罩，保护眼睛不受强光刺激，面部距离熔覆工件的不得低于30cm,必须要穿长袖。以免灼伤。7.2、熔覆电源控制柜后端的总开光不得暴漏在潮湿的环境中，以免造成短路，发生危险。7.3、在控制面板上方白色指示灯亮起时，说明水循环出现故障，不可强行开启熔覆启动开关，以免造成电路或

14、喷枪烧损，一般情况是水箱缺水或没有开启水循环开关，检查完毕后再次开启，直到缺水指示灯熄灭为止。7.4、熔覆前必须先检查工件接地，高能离子束熔覆设备都设计有接地夹子，不接地不会起弧，不可强行启动高频主弧，以免造成回路损坏。8、 设备操作过程中的细节补充8.1、熔覆工件时先仔细了解基材的材质和是否存在裂纹等隐性因素，打磨后无裂纹后方可进行熔覆，否则在熔覆后裂纹会沿着新涂层延伸，导致熔覆无效。8.2、熔覆过程中的电流调节是按照工件要求来进行合理控制的，按照工件的大小、粗细、厚薄来判断是否需要大电流堆焊，在摆动时的堆焊电流应考虑工件的运动速度来调整，速度越快，电流越大，熔覆层越薄，熔覆电流越小，需要根

15、据不同合金粉末来调整电流的大小，按照粉末的流动性来合理调节电流是通过现场实践来判断的，工件不同，因此方法也需要灵活改变。8.3、熔覆过程中的离子气流量的调节根据熔覆厚度及加工速度来控制，离子气越大，熔覆时的冲淡率（熔深）越深，送粉量也相对加大，需要合理掌握工件运动速度，以免影响熔覆外观，离子气调节的诀窍在于对熔覆层厚度和速度的计算，气量过小，不能送粉，会导致在工件上干烧，出现凹坑。8.4、熔覆过程中对水循环的水温调整要求：夏天外部环境温度高，水循环的出水温度调节在18-20，因为冬天外部温度低，特别是北方，容易出现冰冻，水箱内需要增加防冻液，出水温度需要调整在23-27，以保证堆喷枪的正常工作

16、。8.5、熔覆后的局部瑕疵解决办法：因人为的操作因素而导致熔覆工件的表面有瑕疵，需要根据不同情况来做特殊处理，一般出现不平整时，只需要在原有熔覆层上面开启主弧空走一遍，出现凸起时采用相同办法解决；高出其他表面5mm以上时的凸起，直接用砂轮片磨掉即可；出现滴珠的现象时，检查粉末及离子气调节；出现未焊透时，调整电流的大小和检查熔覆基体材料；熔覆出现气孔时，需要检查粉末和送粉气，如果是生铁材质，熔覆前必须预热。9.等离子熔覆设备在加工过程出现的缺陷解决方案：9.1、等离子堆焊质量缺陷分析-气孔堆焊层中出现的气孔是一种工艺缺陷。按照气孔出现的部位可分为表面气孔和内部气孔。前者位于焊层的表层，后者位于焊

17、层的内部。按气孔分布情况，又可分为少量的疏散气孔、某一部位的密集气孔和连续气孔。气孔的形状有球形、随圆形和蜂窝状之分。气孔的大小，有的小至显微尺寸，有的大至几个毫米。气孔的存在破坏了焊层的致密性，按质量要求，一般不允许气孔存在，特别是作为密封面用的堆焊层，连少量的疏散气孔也是不允许有的。  熔池液态金属中的气体，在熔池冷凝过程中来不及充分排出，残留在焊层中便形成气孔。造成这种情况的原因主要有以下几方面：9.1.1、合金粉末工艺性能不好，堆焊用的自熔性合金，容易避免气孔出现。但如果合金成分控制不当，熔炼中除氧、造渣排气不严，或渣系控制不好，会在熔池中产生大量气体，这些气体不能充分排除，

18、残留在焊层中形成边续气孔。堆焊用合金粉末要注渣量少，渣的熔点低。如渣多，熔点高，那么当液态金属还未凝固时，表面己经结渣，气体无法排除，极易形成表面气孔。如喷焊中反复调整工艺规范仍不能避免气孔，则主要是这方面的原因造成的。9.1.2、堆焊前粉未经烘干处理，潮湿的粉末进入熔池后，产生气体，易造成疏松气孔。9.1.3、工件喷焊面未经很好处理，工件堆焊表面上残留有水、油、锈或较厚的氧化渣皮，这些特质在熔池中分解成气体，易造成气孔。9.1.4、氩气不纯或对熔池保护不良，堆焊过程中，如果液态金属得不到良好的保护，空气中的O2、N2、H2侵入熔池，造成气孔。9.1.5、工艺规范调整不当或规范受外界因素干扰波

19、动太 主要工艺规范参数应配合适当，使合金粉末充分熔化，熔池中的气体能充分排出。如发现焊层中有蜂窝状气孔，特别是在喷焊熔点较高的铁基合金粉末时，出现气孔的原因，多是由于电弧规范相当于工件移动速度和送粉量过小的缘故。但规范电流过大，基体熔化过甚体熔化过甚，喷焊层混入较多的有害元素，也会造成气孔，在碳钢上喷焊铜合金，尤为明显。另外，由于外界因素的突然干扰，如电网电压的波动，造成规范变动，特别是电弧的强烈不稳定，则会造成局部密集气孔。9.1.6、工艺故障，出现严重的双弧，结珠等工艺故障时，熔化粉末和过渡至工件的热量大幅度降低，熔池中的气体不能充分排除，造成气孔。9.1.7、焊枪漏水，焊枪微量的渗漏都会

20、造成气孔。漏水造成的气孔，一般尺寸较大，气孔光亮。9.1.8、起始部位工艺动作程序控制不当，起始部位工件温度低，而且转移弧电流是递增的，如无“延时转动”环节，会因粉末熔化的热量不够，而出现气孔。焊层发现气孔后，要视气孔的形状，发生的部位分析产生的具体原因，从而采取相应的措施予以避免。 9.2、等离子堆焊未焊透、缩孔的质量缺陷9.2.1、未焊透有两种情况：一种是合金粉末在熔池里熔化不充分，在焊层中形成疏松状组织。这种情况多发生在收弧时粉末仍继续送给，在收弧部位产生夹带着未熔化粉末的疏松状组织。另一种情况是：堆焊层与基体熔合不好，未形成牢固的冶金结合，严重时整个焊道会剥落。这种情况多发生在焊道较厚

21、的情况。产生示焊透的主要原因是：电流规范太小，喷焊速度太快，送粉量过大，收弧时未停粉。或喷嘴设计不合理，电弧太柔，穿透力不够。9.2.2、缩孔一般出现在收弧部位。当收弧时电弧电流衰减太快，熔池温度急剧下降，在快速冷凝过程中得不至液态金属的补充，于是就产生组织疏松的缩孔，明显的缩孔在机加工后就能发现，而有的缩孔在受到腐蚀介质的侵蚀后才被发现。在焊道宽，合金熔点较高，液态流动性较差的情况下，更易出现缩孔。  避免产生缩孔的主要措施是：通过调节电流衰减斜率，控制收疑难部位熔池冷凝的速度;必要时，在收弧部位降低工件的转动速度，或加快摆动频率。 9.3、等离子堆焊工件预热和焊后处理 等离子堆焊

22、和其它堆焊方法一样，在焊接过程中，金属从室温加热到熔化，甚至达到沸腾温度，然后又很快冷却。在这段时间里，由于焊件各处的温度相关很大，以及母材和合金的膨胀系数不同，造成体积膨胀和收缩不匀，产生体积应力和温度应力。高温熔池在冷凝过程中金相组织的变化和工件热影响区组织的变化，也产生应力。当这些应力的总和超过焊层金属内部结合力时，就产生了裂缝。在工件刚性较大。 工件预热和焊后处理，是避免产生裂缝的最有效措施。工件经过预热后，减缓了合金熔池的冷却速度，从而降低了高温金属的变形速度，提高了金属的塑性，同时使一次结晶的速度变慢，减弱了液态金属的结晶楄析，增加结晶的间隔时间，减少了热应力的产生及避免结晶裂缝等

23、，因而能有效的避免裂缝的产生，至于预热温度，是与多种因素有关，如工件的材质，厚度，结构刚性，堆焊合金的化学成分等。焊后采取保温。缓冷或一定的热处理措施，能消除焊件中的应力，避免焊后出现裂缝。具体工件的预热和焊后处理规范见下一节的应用实例。9.4、等离子堆焊质量缺陷分析-裂缝裂缝按其产生的部位不同可分为纵向裂缝、横向裂缝、大口裂缝、弧坑裂缝以及热影响区裂缝等。按裂缝产生的温度和时间的不同，可分为热裂缝和冷裂缝两种。裂缝产生的主要原因有以下几方面：9.4.1、堆焊合金硬度高，抗裂性差 喷焊合金中如含有较高碳量、硅量和硼量，它们与其它合金元素形成合金化合物。这些化合物硬度高、韧性差、产生裂缝的倾向大

24、。对于刚性大的工件，如不采取有效的工艺措施，极易造成裂缝。9.4.2、工件的刚性大 如果合金的膨胀系数和母材的膨胀系数相差过大，对刚性大的工件，在液态合金凝固时，产生的拉应力和变形增加，超过合金的强度极限而产生裂缝。9.4.3、工件堆焊面有缺陷 工件堆焊面上有裂缝、缺口、铸造砂眼等缺陷时，焊道在缺陷处易形成应力集中而产生裂缝。9.4.4、焊道宽厚比小，焊道本身抗裂性差。9.4.5、工艺规范选择不适当 由于工艺规范选择不当，堆焊层和工件熔合不好、成形差，或喷焊层有缺肉、夹渣等缺陷，易产生裂缝。9.4.6、在拾接部位电流衰减太快 在焊道搭接时，如电流衰减太快，焊道急热急冷，液态金属急骤收缩，易造成

25、大口裂缝或弧坑裂缝。9.4.7、堆焊过程中受冷气流的影响 堆焊过程如冷气流太大（所谓“穿堂风”），使焊件冷却速度太快，易产生裂缝。9.4.8焊前预热和焊后缓冷的措施不当。根据以上分折的各种原因，防止产生裂缝的主要措施是：【1】提高合金粉末材料的抗裂性。【2】消除工件喷焊面上的缺陷，并从毛坯喷焊面结构设计上尽量改善刚性，如留凸台、变形槽等。【3】合理地决定焊道成形尺寸，并控制好工艺规范，使成形平整光滑，消除质量缺陷。【4】拫据工件的结构刚性和喷焊材料，采取适宜的焊前预热，焊后缓冷措施，必要时还要采取堆焊过程中保温和焊后热处理措施。 9.5、对等离子堆焊用合金粉末的基本要求堆焊用合金粉末的成分设计

26、和制造，不仅要考虑到使用性能方面的要求，同时要满足堆焊工艺性能方面的要求，这些要求可以归纳成以下几方面。9.5.1、 具有良好的使用性能合金材料的使用性能是多方面的，要找到同时具备各种优良性能的合金材料是非常困难的，只能根据零件表面所处的工作条件，和受至破坏的类型，使堆焊的合金具备一定的耐磨、耐蚀、耐热，或兼有两种以上的性能，提高零部件的使用寿命。9.5.2、 具有良好的因态流动性所谓粉末固态流动性，是指粉末填充一定形状容器的能力。测定时，取一定重量（通常50克）的粉末倒入流速漏斗，记录粉末全部通过流出孔的时间秒数，即用流速表示粉末的流动性。所需流也的秒数越多表示流动性越差。具有良好的