等离子弧热喷焊技术

等离子弧热喷焊技术

1等离子弧热喷焊技术随着现代工业的发展，材料的性能也有了更高的要求。磨损是材料的主要失效形式之一,它严重影响着机械产品的性能质量和使用寿命,也造成了巨大的经济损失。据报道,目前全世界用于机械行业的能量,有1/3消耗在磨损上,机械零部件由于磨损失效的约占零部件总数的60%~80%。因此,如何提高材料的耐磨性一直受到人们的关注。等离子弧热喷焊技术是20世纪60年代出现的一种进行表面防护与强化的热喷焊技术,属于表面强化技术领域。它是以等离子弧为热源,以一定成分的合金粉末作为填充金属的特种粉末喷焊工艺,具有施工效率高,喷焊材料范围广,成本低等优点。因此,近年来其技术和生产应用发展很快,现已广泛应用于航空、石化、机械等领域。2热喷涂技术的发展过程热喷焊技术是基于热喷涂技术发展起来的。早在1910年,瑞士工学博士MUSchoop发明了第一个金属喷涂装置-金属熔液式喷涂(MetalSpraying)。此后,Schoop致力于喷涂装置的改进,于1912年制成了线材火焰喷枪。1913年Schoop提出了电弧喷涂的设计,并于1916年制成了实用型的电弧喷枪。线材火焰喷涂和电弧喷涂作为主要的热喷涂方法,在30年代得到了发展,美国METCO金属喷涂工程公司成立后,相继研制出用空气涡轮送丝的E型系列喷涂枪和用马达送丝的K型系列喷枪。第二次世界大战初期,自熔性合金粉末出现,粉末火焰喷涂风靡一时,“火焰喷涂(FlameSpraying)”几乎成了热喷涂的同义词。50年代末期,随着现代航空工业和宇航业的发展,美国联合碳化物公司研制成功燃气重复爆炸喷涂。同时,美国Plasmadyne公司开始研制等离子喷涂(PlasmaSpraying)设备。相隔不久,美国METCO公司和其它公司也致力于能够喷涂陶瓷涂层的等离子喷涂设备的研究。到了60年代,等离子喷涂技术已经在工业上应用,60年代中期等离子弧热喷焊技术研制成功。随着各种热喷涂、热喷焊技术的全面发展,国际间的交流逐渐开展,1965年在英国召开了第一届国际金属喷涂会议,此后每2~3年召开一次。80年代,热喷涂技术又有了新的发展。突出表现在研制成功超音速火焰喷涂和将电子计算机应用于热喷涂设备之中,使热喷涂涂层向着更高的质量和精密化方向发展。此后,热喷涂技术进一步向工业部门民用产品大批量生产,其增长速度有了大幅度提高,“热喷涂工业”真正成长起来。我国热喷涂技术的应用始于40年代末期,50年代开始制造线材火焰喷枪和粉末气喷枪。60年代初研制成功封闭式喷嘴固定式电弧喷枪和陶瓷粉末气喷枪。60年代中期开始研制等离子喷涂设备和自熔性合金粉末制造技术。60年代末期开始研究等离子弧热喷焊技术,同时开始应用粉末火焰喷焊技术。70年代各种喷涂方法相继运用于生产,其中火焰喷涂和电弧喷涂技术大量应用于旧件修复。1981年我国召开了推广应用热喷涂技术工作会,开始在全国推广应用,已基本形成了热喷涂设备和材料的生产体系。国内等离子弧热喷焊技术的研究始终受到国家的重视,一直是“六五”、“七五”规划的重点推广项目,并获得了技术经济效益,随着对新材料的进一步开发和应用,等离子弧热喷焊技术将不断的完善和发展。3等离子弧热喷焊技术欧美国家从事等离子弧热喷焊技术的研究比较早,现已形成大规模的开发、研制、生产基地。涌现出一大批跨国公司,如美国的Miller公司、METco公司,瑞士的CastCin公司等。他们分别开发了自己的系列产品,并在实际应用中不断加以改进。在日本,等离子弧热喷焊起步相对较晚,但比较注重世界一流设备的引进和研究,特别是近几年来发展迅速。与先进国家相比,我国对等离子弧热喷焊先进技术的研究主要集中在高校和科研机构。在设备改进方面,西北工业大学开展了脉动等离子弧热喷焊技术研究,通过在工件和喷枪阳极(喷嘴)间接入高频的IGBT无触点开关,成功地实现了转移弧和非转移弧的高频交替工作,实现了单一电源下的等离子弧热喷焊。西安交通大学开展了适宜于Al、Mg及其合金的变极性等离子弧焊设备的研究,主弧的正、负半波分别由两台直流电源供电,对工件(铝)实现了变极性焊接,它不仅使电弧稳定,而且还有可靠的阴极清理作用。天津大学的王惜宝、张文钺分析了等离子弧粉末喷焊时粉末在转移弧中的输运行为及其主要影响因素,计算了铁基合金粉末和碳化硼粉末、不同参数下在弧柱中的输运速度分布及沿弧柱横截面上的粉通量分布。在应用方面,西安航空发动机公司利用自制的电源设备配以进口的等离子焊枪,实现了某航空发动机工艺的改进。南京船舶设备配件有限公司从美国引进的等离子粉末喷焊机对气阀阀面、阀座阀面进行有效的强化处理,并对杆身、端部进行各种强化,以保证可靠的性能,取得了良好的效果。在控制方面,等离子弧热喷焊工艺程序比较复杂。等离子焊接设备中要控制的对象比较多,包括转移弧整流电源、高频振荡电源、喷焊机床、送粉器、摆动机构等,对其中任何一部分的改进都可能影响喷焊层的性能。使用传统的继电器逻辑电路及二极管矩阵逻辑电路作为程控系统,系统组件集成程度不高,维修或因加工对象改变而修改工艺程序时均不方便,系统反应也比较速度慢,适于在设备中引入单片机或可编程控制器,以提高设备的稳定性、可靠性和工艺适应性。兰州理工大学研制了以高性能单片机80C196KC为核心组成的自动等离子弧热喷焊控制系统,实现了等离子弧热喷焊设备的小型化、控制微机化和操作自动化。南昌航空工业学院进行了用可编程控制器改进等离子弧热喷焊装置的研究,并通过试验证明该控制系统抗高频干扰能力强,运行可靠。目前,随着等离子弧热喷焊技术的研究不断深入,等离子弧热喷焊设备正向设备大功率、小型化、喷焊过程智能化和等离子弧喷枪高效大功率化方向发展。随着近代高新技术的发展,复合材料得以广泛的研究和应用。等离子弧热喷焊技术所采用的粉料易于调节,是一种制备复合材料的新方法。同时,等离子弧热喷焊可利用喷焊枪自身的摆动,制备厚度和面积都比较大的块材。根据天津大学杜则裕等人对铁基粉末Fe07、Fe9A的研究,采用等离子弧热喷焊工艺可以提高金属零件表面的耐磨、耐腐蚀性能,获得符合质量要求的喷焊层,对于改善机械零件的表面性能有重要意义。昆明理工大学利用等离子弧热喷焊技术制取了A12O3-MxOy复合粉末焊层,在质量分数为60%的硫酸与磷矿粉组成的混合介质中的抗腐抗磨能力为18-8不锈钢的7.46倍,为德产316L不锈钢的4.06倍。应用在煤矿机械中,利用等离子弧热喷焊技术喷焊铁基合金+30%WC能使煤矿井下溜煤道所用16Mn钢衬板寿命提高约15倍,同时也减少停机检修造成的经济损失。在石化工业中,在石油、化工行业中关键零部件(阀座、阀芯等)喷焊Ni基、Co基材料对提高重要部件的耐磨、耐腐蚀及高温性能有良好效果。4等离子弧热喷焊设备的控制如上文所述,等离子弧热喷焊技术可用于制备性能优良的复合材料。因此,如何改变粉料的不同配比,使复合材料层与层之间的成分达到连续变化,同时通过调节射流的速度和温度等工艺参数,使组织具有一定程度的变化,以制备性能优越的梯度功能复合材料,对生产和科研工作都具有积极意义。在设备控制方面,在等离子弧热喷焊设备中引入可编程控制器对设备进行控制的方法已逐步得到应用,但是许多人将PLC仅作为一种逻辑顺序控制器替代传统的继电器控制系统,使PLC的软件功能不能充分发挥。因此在增强设备的工艺适应性和稳定性,更好的发挥PLC控制的软件功能方面,有广泛的研究前景。5等离子弧热喷焊技术