一、基本原理
等離子粉末堆焊（Plasma Powder Welding 簡(jiǎn)稱PPW）是一種先進(jìn)的堆焊工藝。它是采用氬氣等離子電弧作熱源（轉(zhuǎn)移型等離子弧為主，非轉(zhuǎn)移型等離子弧為輔），采用粉末狀合金作填充料的自動(dòng)堆焊方法。圖1是PPW基本過(guò)程示意圖。在采用聯(lián)合型等離子弧噴焊時(shí)，一般采用兩臺(tái)獨(dú)立的直流弧焊機(jī)作電源，分別供給非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧。兩個(gè)電源的負(fù)極并聯(lián)在一起，通過(guò)電纜接至噴焊槍的鎢電極（負(fù)極）。非轉(zhuǎn)移弧電源正極通過(guò)電纜接噴焊槍噴嘴，轉(zhuǎn)移弧電源正極通過(guò)電纜接工件。冷卻水通過(guò)水冷電纜引至焊槍，冷卻噴嘴和電極。氬氣通過(guò)電磁氣閥和浮子流量計(jì)進(jìn)入噴焊槍。電源接通后，借助高頻火花引燃非轉(zhuǎn)移弧。再借助非轉(zhuǎn)移弧弧焰在鎢電極和工件之間造成的導(dǎo)電通道，引燃轉(zhuǎn)移弧。轉(zhuǎn)移弧引燃后，可保留或切斷非轉(zhuǎn)移弧。主要利用轉(zhuǎn)移弧在工件表面產(chǎn)生熔池。合金粉末由送粉器按需要量連續(xù)供給，借助送粉氣流（也用氬氣）送入焊槍，并吹入電弧中。合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，噴射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過(guò)調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)移弧和非轉(zhuǎn)移弧電流，送粉量和其它工藝規(guī)范參數(shù)，來(lái)控制熔化合金粉末和傳遞給工件的熱量。隨著焊槍和工件的相對(duì)移動(dòng)，合金熔池逐凝固，便在工件上獲得所需要的合金熔敷層。
二、特點(diǎn)
等離子堆焊由于利用等離子弧作熱源和采用合金粉末作填充金屬，從而與其他表面堆焊方法相比較，具有以下特點(diǎn)：
（1） 生產(chǎn)率較高，目前熔敷率達(dá)到了9公斤/小時(shí)，接近生產(chǎn)率高的埋弧自動(dòng)焊，超過(guò)了常用的手工電弧堆焊和氧炔焰堆焊。
（2）母材對(duì)合金沖淡率低，由于工藝上可調(diào)規(guī)范差數(shù)多，能主動(dòng)控制熱量輸入；合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈噴射狀過(guò)渡到熔池，對(duì)電弧吹力有緩沖作用，熔池受熱均勻，因而可控制母材熔深，降低母材對(duì)合金的沖淡率。沖淡率可控制在5-15%范圍內(nèi)，接近氧炔堆焊，而大大低于其他方式的堆焊。
（3）堆焊層成形平整、光滑，成形尺寸范圍寬并可精確控制，通過(guò)改變規(guī)范參數(shù)，一次噴焊可控制寬度3-40毫米，厚度0.25-8毫米，這是其他堆焊方法難以實(shí)現(xiàn)的。
（4）堆焊層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性好，由于等離子弧穩(wěn)定性好，外界因素的干擾（周圍氣流的流動(dòng)，噴焊槍距工件的高低，角度的微小變化等）對(duì)電參數(shù)（弧壓、弧電流）和電弧穩(wěn)定性影響較小，從而使工藝易于穩(wěn)定。合金粉末熔化充分，飛濺少，熔池中熔渣和氣體易于排除，容易消除焊層內(nèi)氣孔，夾渣等質(zhì)量缺陷。由于等離子弧溫度高，熱量績(jī)中。噴焊速度快，一次熔成，使工件熱影響區(qū)小。堆焊層合金組織晶粒細(xì)，硬度和化學(xué)成分均一，噴焊層質(zhì)量好。
（5）合金粉末制備簡(jiǎn)便，使用材料范圍廣。堆焊用合金粉末系熔煉后直接霧化成球狀粉末，制備簡(jiǎn)便，不象絲極材料那樣，受鑄造、軋制、拔絲、磨削等加工工藝限制�？砂葱枰浞�，熔煉成各種成分不同的合金粉末，獲得各種不同性能的合金熔焊層，以適應(yīng)不同條件下對(duì)零部件表面性能的要求。噴焊合金材料的種類多，有鈷基、鎳基、鐵基、銅基等。一般具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕的合金，是難以制成線材和用其他工藝方法堆焊，而將這些合金制成粉末，用等離子噴焊卻是簡(jiǎn)便易行的。
（6）堆焊過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。
三、在閥門密封面制造上應(yīng)用的優(yōu)越性
在閥門密封面制造上采用PPW工藝代替手工電弧堆焊（或手工火焰堆焊），最能充分發(fā)揮PPW工藝的特點(diǎn)，而顯現(xiàn)出獨(dú)特的優(yōu)越性。這是因?yàn)殚y門密封面是閥門的“心臟”，閥門密封面的制造工藝和材料直接關(guān)系到閥門的質(zhì)量和使用壽命，也關(guān)系到閥門的制造成本。對(duì)于閥門密封面要求有一定的硬度范圍和硬度的均勻性，要求有良好的耐擦傷性能和一定的耐腐蝕性，對(duì)合金的成分也有相應(yīng)的要求。
對(duì)于量大面廣的中溫中壓閥門和高壓閥門，耐腐蝕閥門，其密封面制造基本上是采用合金堆焊。普遍采用的手工電弧堆焊，由于母材沖淡率高，單層堆焊達(dá)不到硬度和合金成分的要求，一般要堆焊2-3層。對(duì)高溫高壓閥和耐腐蝕閥門的密封面要求堆焊昂貴的鈷基或鎳基合金，采用手工堆焊，不僅材料利用率低，而且質(zhì)量難以保證。手工堆焊成形很差，機(jī)械切削量大，這也是影響制造成本的因素之一。采用PPW工藝，其工藝特點(diǎn)正好是解決閥門密封面手工堆焊諸多問(wèn)題的最佳方案，其突出優(yōu)越性有：
1、 由于可控制母材沖淡率，單層堆焊就能達(dá)到硬度均勻性和合金成分的要求，節(jié)省合金用量。
2、 尤其適合堆焊昂貴的鈷基和鎳基合金，噴焊層質(zhì)量好，合金利用率高，不僅保證了質(zhì)量而且降低了密封面制造成本。
3、 由于堆焊層成形好，表面平整光滑，可以較精確地控制成形尺寸，因而容易切削，減少機(jī)械加工工時(shí)。
4、 用鐵基合金噴焊代替手工堆焊2Cr13不需要進(jìn)行退火處理，省掉了退火—淬火的處理程序。
5、 生產(chǎn)效率高，是手工堆焊的3倍以上。
由于有上述的優(yōu)越性，因而在閥門密封面的制造上采用PPW工藝，是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的制造方法，有顯著的社會(huì)效益和直接的經(jīng)濟(jì)效益。
四、經(jīng)濟(jì)性分析
對(duì)于量大面廣的中溫中壓閥（全國(guó)每年產(chǎn)量是數(shù)十萬(wàn)噸），目前制造廠大都采用簡(jiǎn)單易行的手工堆焊2Cr13。用PPW工藝能否代替手工堆焊2Cr13，關(guān)鍵在于能否降低密封制造成本。密封面制造成本主要由：（1）堆焊材料成本；（2）堆焊工時(shí)成本；（3）堆焊層機(jī)加工成本；（4）熱處理成本等構(gòu)成。現(xiàn)就這四方面分析經(jīng)濟(jì)性。
1、 堆焊材料成本
堆焊材料成本主要由堆焊材料的消耗量和材料的價(jià)格所決定。對(duì)于某一型號(hào)是規(guī)格的閥門密封面堆焊層的厚度、寬度是有設(shè)計(jì)要求的，堆焊材料的消耗量取決于堆焊合金的利用率。堆焊合金的利用率又取決于母材沖淡率和外觀成形。由于手工電弧堆焊母材沖淡率高，要堆焊兩遍以上才能符合要求，因此堆焊層成品設(shè)計(jì)厚度一般要大于3mm。而PPW工藝，母材沖淡率低，只要焊一遍即達(dá)到要求，堆焊層成品設(shè)計(jì)厚度可降低到2mm。由于手工堆焊成形差，高低不平，一般要加厚加寬，合金堆焊層的利用率僅在40%左右。PPW工藝合金堆焊層的利用率可達(dá)70%。手工電弧堆焊除去焊條的藥皮和焊條頭，材料的利用率僅70%，而PPW工藝合金粉末的利用率可達(dá)95%。
表1 將兩種工藝堆焊材料消耗量及材料成本費(fèi)用作了比較。分析比較結(jié)果表明，雖然焊條比合金粉末便宜，但由于焊條手工堆焊的利用率低，耗費(fèi)材料的重量是PPW工藝的3倍多，因而手工電弧堆焊材料成本費(fèi)用是PPW工藝的1.9倍。這是一個(gè)很驚人的數(shù)字，如果各閥門廠每年消耗的2Cr13焊條總計(jì)為100T，材料費(fèi)為330萬(wàn)人民幣，用PPW工藝，鐵基合金粉末消耗為33T，材料費(fèi)用約為182萬(wàn)，僅材料費(fèi)用就節(jié)省148萬(wàn)。
|
PPW工藝 |
手工電弧堆焊 |
密封面堆焊層合金有效重量，Kg |
1.5 |
1 |
堆焊層合金利用率% |
45% |
70% |
堆焊層合金重量, Kg1.43 |
3.33 |
1.43 |
堆焊材料利用率 % |
70% |
95% |
堆焊合金材料消耗量，Kg |
4.76 |
1.5 |
合金材料單價(jià)，元/公斤 |
33 |
55 |
材料成本費(fèi)用，元 |
157 |
82.5 |
材料成本費(fèi)用之比 |
1.9 |
1 |
2、 堆焊工時(shí)成本
堆焊工時(shí)成本取決于每一個(gè)勞動(dòng)力的生產(chǎn)效率，手工電弧堆焊和PPW工藝堆焊都只需要一個(gè)工人操作，手工電弧堆焊每班一個(gè)工人的堆焊量平均為12Kg左右，而PPW工藝，每班一個(gè)工人的堆焊量可達(dá)到20 Kg，按照堆焊材料消耗之比，手工電弧堆焊每班一個(gè)工人如果堆焊閘板為12件，那么PPW工藝可噴焊閘板為60件，生產(chǎn)效率是手工電弧堆焊的5倍。如果手工電孤堆焊每一件工時(shí)費(fèi)為10元，那么PPW工藝的工時(shí)費(fèi)每件僅為2元。堆焊工時(shí)成本大幅度降低。
3、堆焊層機(jī)械加工成本 由于PPW工藝，噴焊層平整光滑，切削量少，雖然焊層硬度提高，但可實(shí)現(xiàn)連續(xù)切削，不打刀，總的機(jī)械加工工時(shí)要低于手工電孤堆焊，機(jī)械加工成本約降低20%。
4、熱處理成本
手工電孤堆焊2Cr13，按照制造工藝，堆焊完畢后，由于焊層很硬無(wú)法加工，要經(jīng)退火處理才能加工。機(jī)械加工完畢后為了達(dá)到密封面規(guī)定的硬度，又必須經(jīng)高頻淬火，再研磨。很多閥門廠不重視密封面質(zhì)量，退火機(jī)械加工后，不再進(jìn)行高頻淬火處理，這樣密封面硬度低，耐擦傷性能差。
PPW工藝，噴焊層硬度在規(guī)定要求的范圍之內(nèi)，不需要再經(jīng)過(guò)熱處理（噴焊合金無(wú)淬硬性），而是直接經(jīng)機(jī)械加工成成品，可省去耗電量大，容易出現(xiàn)質(zhì)量問(wèn)題的熱處理工序。PPW工藝，不僅提高了閥門密封面質(zhì)量，而且降低了制造成本。
從以上密封面制造成本的經(jīng)濟(jì)性分析，可以顯示PPW工藝在閥門制造上應(yīng)用有著可提高質(zhì)量，降低成本，提高效率等顯著的優(yōu)越性。如果能在閥門制造行業(yè)較全面的推廣應(yīng)用PPW工藝，代替落后的手工電孤堆焊，將獲得明顯的社會(huì)效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
