火车轮修复设备之等离子堆焊方案.docx

宁波镭速激光科技有限公司 等离子堆焊技术应用之铁路领域火车轮修造设备选用技术方案 等离子粉末堆焊设备配制方案编制单位: 宁波镭速激光科技有限公司编制人员：马 球 联系方式：13777042555 编制日期：2015年11月4日 第一章：车轮堆焊技术指标 如上图所示，按照修造要求满足轮子表面强化要求，使轮子的耐磨寿命延长，在修造工艺中使用等离子粉末堆焊工艺来完成表面合金化。车轮一般的损伤形式为：车轮踏面及轮缘的磨损、裂纹、缺损、剥离、擦伤、局部凹入、辗宽、踏面上粘有熔化金属等。堆焊电流：50-400A电流堆焊气体：氩气堆焊耗材：合金粉末堆焊离子气：1.5-15Mpa堆焊保护气：1.5-15Mpa堆焊设备输入电压：380V5堆焊设备输入功率：22KV堆焊设备负载持续率：60堆焊设备维弧输出：5-50A堆焊车轮时堆焊层厚度：0.5-5mm堆焊车轮自动摆幅宽度：10-35mm堆焊车轮单道堆焊宽度：1-8mm堆焊设备满足多轴加工：四轴或五轴堆焊设备自动堆焊系统：CNC专业堆焊加工系统堆焊车轮时设备最大承载力：1.2吨堆焊车轮时设备的堆焊效率550mm/分钟 第二章：等离子堆焊原理等离子粉末熔覆(堆焊)是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。等离子粉末堆焊具有较高的生产率，美观的成型以及堆焊过程易于实现机械化及自动化。针对铁路领域的一些零部件批量化再制造可通过配套焊接机器人来实现完美修复，其冶金结合强度之高，外观成型之美观是其他焊接设备无法比拟的。目前等离子熔覆所用到的材料大多是Ni镍基、Co钴基、Fe铁基自熔合金粉末，在特殊耐磨要求下可添加Wc碳化钨合金及Tic陶瓷粉末，等离子熔覆属于一种表面快速冶金过程，因此在熔覆后所呈现出来的高结合强度是其他焊接工艺无法比拟的。熔覆材料的选配直接关系到能否满足不同特性的需要。等离子熔覆加工过程中，因稀释率较低，能满足各类异形工件熔覆的要求，同时具有组织强化、沉淀强化等高性能的特点，与普通氩弧焊、埋弧焊、冷焊、激光熔覆、电子束熔覆等相比，等离子熔覆是一种更高效，更优质、成本更低的表面改性新技术，在国内外已经把等离子熔覆技术运用到煤矿、工矿、电力、石化、水泥、钢铁、大型能源等领域，成功应用到各类工件中。比如在煤矿开采中的截齿，在通过等离子熔覆后的截齿与没有熔覆的作比较，等离子熔覆后的截齿耐磨寿命增加了10倍，为高效采煤提供了良好的技术装备。等离子熔覆技术及工艺涉及多个学科领域，目前国内专门从事等离子熔覆研究的机构还不多，除了少数高校在进行一些学术上的研究，实际应用的研究还相对比较薄弱。在诸多的企业和机构里面寻找到一家等离子熔覆设备制造商，不仅能够制造出等离子熔覆设备，在表面合金化的应用领域也十分出色，宁波镭速激光科技有限公司是国内少有的研发制造和熔覆应用单位，为此我们对镭速公司的等离子装备进行了深入了解。第三章：等离子熔覆技术特点1、堆焊堆焊合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；2、堆焊堆焊速度快，低稀释率；粉末等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一10%或更低。3、堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现高效自动化生产，提高劳动生产率，减轻劳动强度。4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行粉末等离子弧堆焊；5、与其他等离子堆焊相比设备构造便利，低耗、高效、实用易操作，维修维护方便；6、等离子弧温度高、能量集中、工艺稳定性好，外界因素干扰小，在工件上引起的残余应力和变形小。7、可控性好。可以通过调节电流大小、气体流量、送粉速度、堆焊速度及等离子弧摆动幅度来控制堆焊效果，从而获得质量优异的熔敷层。 8、使用材料范围广。堆焊合金粉末作为熔敷材料，不受 铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制，可依据不同性能 要求配置不同成分的合金粉末，特别适用于那些难于制 丝但是易于制粉的硬质耐磨合金，以获得所需性能的堆 焊层。9、堆焊大型工件效率高。一般采用的埋弧焊和气保焊进行加工，但随着很多工件表面要求越来越高，普通的电焊设备已经不能满足加工要求了，等离子自动熔覆设备能极大限度的解决工艺的完整性和高效率两大难题，针对大型工件堆焊耐磨层或是修复大面积裂纹等有独到的优势。工件表面温度比氩弧焊焊接后低200。 第四章：等离子堆焊设备组成1、等离子电源：镭速激光自主研发的等离子电源采用纯正高性能逆变整流电源，电流平稳，起弧性能好，具有高安全性和适用性，是等离子堆焊的主要能量供给部件；2、等离子堆焊枪：完全自助研发制造，结构更为精简，方便拆卸，便于维修调整，强大的冷却水循环装置，使堆焊枪的钨极高效稳定的工作，连续工作时间长，与市场上的其他品牌的堆焊枪相比，工作持续性超长，可连续工作8小时，同类装备的自动堆焊机最多只能连续工作4小时。3、等离子粉末送粉器： 型号LS-PTS-3送粉量5100（g/min）送粉精度5送粉器容量510kg电机功率40w电枢电压调节范围090（V）粉量控制方式调节电枢电压送粉适宜粒度-100325目送粉气压力0.2（Mpa）送粉气流量0.10.4(m/h)送粉气限压0.4Mpa4、精密冷水机：采用高效水冷循环系统，为等离子堆焊枪提供强劲的冷却；保证系统长期稳定运行；最大制冷量240891 kcal/h。温度控制精度： 3；冷却水温度可调范围： 535；循环水温度可调范围： 535；冷却水流量： 4.02 m3/h；6、设备配置技术方案LS-PTA-DGN400一、等离子堆焊机的特点1、堆焊及焊接合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；2、堆焊及焊接速度快，低稀释率；粉末等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一10%或更低。3、堆焊及焊接层组织致密，成型美观；加工过程易实现高效自动化生产，提高劳动生产率，减轻劳动强度。4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行粉末等离子弧堆焊或焊接；5、与其他等离子堆焊设备相比设备构造轻巧，低耗、高效、实用易操作，维修维护方便；6、等离子弧温度高、能量集中、工艺稳定性好，外界因素干扰小，在工件上引起的残余应力和变形小。7、可控性好。可以通过调节电流大小、气体流量、送粉速度、焊接速度，堆焊速度及等离子弧摆动幅度来控制堆焊效果，从而获得质量优异的熔敷层。8、使用材料范围广。也可不用加材料，作用于基材自熔。堆焊合金粉末作为熔敷材料，不受铸造、轧制、拔丝等加工工艺的限制，可依据不同性能要求配置不同成分的合金粉末，特别适用于那些难于制丝但是易于制粉的硬质耐磨合金，以获得所需性能的堆焊层。二、设备配置方案设备配置说明单位数量备注等离子焊接电控箱LS-PTA-400台1加工机床根据客户产品堆焊要求定制台1控制系统X轴行程2500mm套1X、Y、C轴规格可根据客户实际情况进行选择定制Y轴行程1000mmZ轴行程800mmC轴卧式回转（夹持直径1000mm）或使用焊接变位机CNC数控CNC数控编程控制系统，6轴 冷却系统水冷系统台1堆焊枪高效冷却堆焊枪把1四、设备型号、特点、参数型号规格：LS-PTA-DGN400名 称: CNC多功能等离子堆焊设备适用范围：该机适用于各种形状复杂的异形工件表面合金化堆焊及教学用途，可用于轴类、平板类、孔类工件表面磨损修复。（如采煤截齿、火车轮、扎瓦托、道岔、轨道、辙叉、石油钻杆表面耐磨合金化、轧棍表面硬度合金化、矿山破碎机衬板、颚板、锤头、锤片、阀门阀座耐磨材料修复、煤矿液压杆表面硬度合金化、水泥厂大型风机轴承位磨损修复等）设备特点：1、控制部分：CNC五轴联动控制。操作直观方便，具有较高的稳定性和可靠性；2、机械传动部分：由高精度伺服电机驱动，具有精度高，运行平稳，定位准确等优点； 3、等离子专用电源：采用纯正高性能逆变整流电源，电流平稳，起弧性能好，具有高安全性和适用性，是等离子堆焊的主要能量供给部件；电源是镭速科技自主研发制造，拥有发明专利，国内其他大多数等离子电源是普通氩弧焊改装而成。4、冷却系统：采用高效水冷循环系统，为等离子堆焊枪提供强劲的冷却；保证系统长期稳定运行；5、专用焊枪：镭速所研发的粉末等离子堆焊枪持有专利，高效、稳定、强劲冷却焊枪后端钨针，使堆焊的持续性更好，堆焊枪方便拆卸维修，使用成本低，与国外的焊枪相比，镭速的堆焊枪更适合各类修复及制造企业使用。五、主要参数:1、输入电压380 V5%50/60Hz三相2、输入功率22KVA3、输出电流20-400A直流正极性4、负载持续率 60% 负载持续率30 400A输出5、维弧输出 5-50A，可调节导弧输出100%连续负载306、保护特性有一套内置保险装置，它能在所有时间中，对错误（故障）条件保证做出适当的处理。 当冷却水压力不够时，关闭电弧。当机器过载或过热时，关闭电弧。7、气源等离子气体0.5-10L/min保护气体3-30L/min设备配置：1、等离子电源；2、工业冷水机；3、等离子堆焊枪；4、加工机床（根据加工产品类型进行定制，本设备采用卡盘）。性能特点 1、单次焊接厚度为0.5mm - 4mm； 2、能适应多种材料的焊接，稀释率低，结合牢固； 3、焊接时不用开坡口，异形工件一样好加工； 4、操作环境好，无烟尘，劳动强度低，生产效率高，能耗低。 5、生产效率比激光高 ，耗电比激光低，设备造价为激光的 1/51/10 ，设备体积小，占地面积小，移动方便。比激光对使用环境要求低，操作维护简便。6、 堆焊工件的成本估算及效益分析合金粉末分为三类基材：铁基、镍基、钴基合金；堆焊厚度按照耐磨要求来估算，一般在3mm左右；堆焊一块100mm长，50mm宽，堆焊层为3mm的工件，需要合金粉末为2kg，按照铁基60元/公斤计算，需要的材料成本为120元；自动堆焊的效率为450750mm/分钟，比氩弧焊要快。耐磨、防腐、抗冲击、耐高温的寿命比传统的工艺延长35倍。设备投入占整体加工修复投入成本的1/5，设计使用寿命为1216年，等离子堆焊后的零部件报价是传统电焊、氩弧焊、明弧焊、埋弧工艺的210倍，不以修复面积来计算，而是以使用寿命和为客户创造的最大经济价值来计算，修复工件面积的大小不是衡量收费的第一要素，而是工件本身的附加值，用于批量加工产品的堆焊，按照面积计算，如果是修复表面，增加耐磨寿命，则是按照上述原则收费。第五章：与其他公司的优势比较1、具有独立自主的研发团队，从等离子电源到等离子焊枪、都有专利，申请下来1项国家发明专利，6项实用新型专利，掌握核心技术，真正做到从应用入手，解决棘手难题，使设备高效率工作、稳定性更强，熔覆效果更为美观。2、镭速公司从1999年开始投入到特种零部件修复的工作中去，15年来积累了大量的零部件熔覆再制造案例，成功的为各行业修复与加工工件上万例，切实做到不光制造装备，还会使用装备，使用好装备，在企业与高校合作的经历中，不断开发新的设备，研究新的工艺，不指望外界的技术，在整个过程中自行攻克各种工艺难关。3、镭速等离子电源稳定性及寿命超长，焊枪具备独特的设计结构，可拆卸，维修方便，目前市场上的部分等离子熔覆设备一味追求销量，忽略了用户的工艺服务要求及售后保障，在价格上做恶性竞争，没有自己的生产工厂，更谈不上服务保障，镭速公司随时欢迎各行业客户前来公司参观考察。4、镭速等离子堆焊装备在各领域的应用案例优势，本公司已成功对军舰耐磨防腐工程、大型火电厂核心零部件修复、水泥厂、化工防腐件、钢厂轧辊、煤机成套、矿山装备、铁路轨道、钩舌、道岔等进行了修复再制造。积累了大量经验。第六章：等离子熔覆设备与自动化配套1、可配套PLC程序自动化控制系统；2、可配套CNC数控自动化控制系统；3、可配套焊接机器人实现自动堆焊；4、可以一机多用，手动自动均可实现；针对铁路系统的以下零部件可配套等离子堆焊工艺：火车轮、端头、钩舌、辙岔、扎瓦托、减速顶。第七章：等离子熔覆设备的售后服务1、服务机构镭速激光重视产品的售前、售中、售后服务，设有专门的客户服务部。客户服务部内容来自客户需求，可为客户提供形式灵活多样的服务。2、保修服务对售出的设备实行“一年保修，终身维修”服务，保修期一年，时间从设备安装、调试完成，客户验收合格开始计算。保修期内由于设备质量本身引起的故障免费进行维修，人为损坏以及由于非正常操作造成的损坏不在保修范围内（焊枪在保修期以后因人为原因不在保修范围）。超出保修期的设备采取收费维修，费用包括维修费、差旅费、配件费。3、售后服务热线电话服务：0574-82086828提供24小时电话故障诊断热线服务。4、现场维修服务： 实行终身维修保障服务。接到用户信息后，在商定时间内到达现场，进行维修服务，保障用户的有效使用。维修完成后，结合现场故障分析及解决方法对客户进行培训，提高客户的设备维护及工艺操作能力。5、定期巡检服务：工程师对设备实施现场检查，包括设备检查、环境检查和操作检查，及时发现问题，减少故障发生率，保证设备稳定运行。6、不定期回访服务：安排工程师专程或顺路回访，检查设备，发现隐患并提出解决方案。7、定制服务：为满足客户特定需求而设定的个性化服务，包括：培训与研讨服务、生产工艺开发服务、设备改造服务等，还可提供符合客户自身情况的其他定制服务。8、工艺交流：镭速激光在适当的时候，组织工艺交流会议，邀请所有的镭速客户参加，和镭速下属的维修厂一起交流工艺开发经验，促进共同提高。也可根据客户需要组织一对一工艺技术交流。9、材料配件支持：建立了消耗材料库、配件库，保证客户能够在第一时间得到经济实用的消耗材料及配件支持服务。第八章：等离子熔覆设备的应用领域随着工业的高速发展，能源正在面临更大的范围的枯竭，我国是一个人口大国，在能源的消耗上世界第一，诸多的工业领域因设备零部件的磨损，断裂，拉伤，尺寸超差，改变特性等情况下，需要重新购置大量的新零部件更换到设备中，每年浪费量很大，国家已经在前几年正式出台了关于再制造业的相关政策，未来会有更多的企业加入到这一行业中来，也切实为国家节省掉大量的资源，学校在培养人才的学科规划中，已经有相当一部分高校把再制造业相关课题纳入进去，以便更好地为社会提供新型行业高端人才。下面是镭速激光成功对各行业进行再制造的零部件清单：应用行业成功修复设备零件名称 航空航天 军工风调冷却器（飞机风洞） 飞船舱体 卫星 制件放置平台 模具 磨压机辊 坦克零件（操纵 杆密封盖发动机油底壳 变速箱等） 胶带压印辊汽车制造 各类汽车模具 发动机缸体（瓦座等部位） 曲轴 液压设备 齿轮 压辊 缸筒 连杆（内孔） 差速器（轴）机械加工各类机床导轨 轴类 机械加工超差铸造锻造各类液压系统的零件（如液压柱塞等） 各类配套设备零件，铸造缺陷修复石油化工罐体 管道 液压设备 轴类 泵类 减速机 抽油杆 钻具模具工件冲压模具 拉延模具 热作模 注塑模具等各类模具的磨损 拉伤 崩损 碰伤 裂纹等导致模具失效的损伤印刷机械滚筒 油墨辊 水辊 水辊支架 偏心轴套 墙板孔 牙排杆 开牙板 凸轮 夹板 牙板芯轴 导轨 变速器变速轮化肥制药管道 阀门 反应釜 电机转子 空压机 吹塑模具 液压设备（柱塞 缸体）食品饮料滚筒 橡胶辊 模辊 曲轴 缸体 阀 压榨机（齿轮 柱塞等） 各类模具（如吹瓶机模具等） 搅拌机 水泵 离心机（转毂大活塞等） 风机转子啤酒酿造轴类 导轨 糖化罐 糊化罐 管道 搅拌轴 阀 齿轮盘（内孔） 涡轮涡杆 缸体 活塞 液压杆 分配器煤碳铁矿液压设备 发电机（轴头 端盖等） 球磨机（轴） 齿轮 洗煤设备（传动滚筒 传输带 柱塞等） 链轮 刮板 液压支架 煤用模具 纺织印染 锡林轴 罗拉轴 毛纺机细长轴 锭子轴 轧花机肋条 导布辊 胶辊 瓷台 滚筒 变速箱（轴承孔）水泥建筑破碎机主轴 风机主轴 电机转子轴 电机端盖 搅拌机 球磨机 减速机齿轮轴 液压缸 液压杆 油缸钢铁冶金 叶片 管道 泵 轧辊 液压设备 减速机齿轮 各种轴类 瓦 变速箱轴承孔 电机转子 风机转子 电力设备各类电机转子 电机端盖 各类提升机主轴 各类风机主轴 油泵 曲轴 柱塞 洗煤设备 振动筛主轴 减速箱 箱体 瓦座 油缸 液压马达 缸套 铬杆 齿轮 法兰 罐体 管道 阀门 鼓风机（轴 叶片）工程机械液压缸 液压缸端盖 液压杆 齿轮轴 柱塞 刹车盘 发动机缸体 曲轴铁路系统 发动机箱体 捣固机 轴类 车轮 液压设备 齿轮 水套 抱轴承箱 曲轴 扎瓦托 钩舌 导轨等塑料包装镜面辊 压延辊 消光辊 压纹辊 涂布辊 无纺布辊 模唇 螺杆螺筒 模头陶瓷卫浴 大型液压主油缸 增压缸 柱塞 柱塞环镁铝型材大型挤压机油缸 高压油泵内缸造纸机械造纸机烘缸 胶滚筒轴 上压榨棍 打浆机轴 毛毯棍 网笼轴承座 泵体 纸浆推进器 蒸球机 刀棍切草机 旋风除尘机 压光机 各类电动机轴 第九章：等离子熔覆的“智”造工艺目前工业自动化程度越来越高，传统的PLC显然不能作为高校教学的自动化系统，当前镭速所有的等离子熔覆设备都采用的是CNC(Computerized Numerical Control)数控加工中心，目前国外焊接自动化领域常规也是采用CNC编程。针对焊接工件的不同形状，在得知尺寸后进行焊接轨迹编程，操作较为简单，自动熔覆后工件表面外观成型美观，熔覆效率明显提升，是一般手动熔覆的3倍以上。目前镭速等离子长轴操作系统又增加了三轴遥控操作，更方便更省时，一些非常特殊的异形工件，在需要进行大面积熔覆时，需要设计5轴联动或6轴联动，为此镭速专业成立了自动化系统发展小组，为各高校和企业攻克堆焊领域难题做出不懈努力。智能操作，智能保护，更好的站在客户的层面为更多更广泛的行业做好“智慧”服务！配套具备机器人研发制造的企业一道开发具有先进制造工艺的高标准装备。第十章：等离子设备在制造过程中的缺陷解决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：（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，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。（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。（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。（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。（5）工艺规范调整不当或规范受外界因素干扰波动太 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。（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。（7）焊枪漏水，焊枪微量的渗漏都会造成气孔。漏水造成的气孔，一般尺寸较大，气孔光亮。（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。 2、等离子堆焊未焊透、缩孔的质量缺陷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。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。 3、等离子堆焊工件预热和焊后处理 等离子堆焊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，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。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：（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。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。（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。（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。（4）焊道宽厚比小，焊道本身抗裂性差。（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。（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，易造成大口裂缝或弧坑裂缝。（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。（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。 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。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。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。具有良好的固态流动性的粉末，利用自重和借助一定的气流吸力就能顺利地在粉路中流动，流畅地经焊枪送进迷熔池。粉末的固态流动性取决于粉末的颗粒的形状。球状的粉粒固态流动性最好。异形的、针形的、片形的粉末流动性差。此外，粉末的湿度对其流动性也有影响，粉末愈湿，流动性愈差。因此，堆焊用合金粉末都希户是求形的，在焊前要烘干。3、 具有较高的松装比重粉末松装时的单位容积重最，叫粉末松装比重，单位为克/厘米立方。粉末的松装比重是一个综合性能，受粒度、料度组成、粉粒形状、粉粒内空隙等的影响。粉末粒度越细、球化越好，则松装比重越大。雾化法制取的粉末会出现一部分所谓空心粉，即粉粒内有孔隙，空心粉越多、松装比重越小。空心粉包裸着气体，进入电弧后产生“爆炸”，造成熔粒飞溅而粘结在喷嘴的壁面上，影响工艺稳定。因此，堆焊用合金粉末应尽量减少空心粉。4、 具有良好的润湿性润湿性是指合金在熔融状态时，在工件表面（固相表面）铺开熔合的性能。润湿性可用所谓润湿角表示。润湿角O越小，液态流动性越好。合金液态流动性越好容易获得整光滑的焊道。5、 具有良好的造渣、除气、隔气性能合金粉末不可避免的会存在表面氧化物，未还原的氧化物和杂质等，在堆焊过程中也会熔解气体。合金在容融状态时应具有脱氧的能力，把各种氧化物和杂质变成低熔点的熔渣飘浮在液态金属表面，并排出熔池中的气体和隔绝空气的影响。6、 合金熔点应较低、固相和液相之间应具有较宽的温度区间，合金熔点越低，愈容易控制工艺规范而获得冲淡率低的喷焊层。固相和液相之间温度区间愈宽，合金的液态流动性愈好。7、 提高合金的抗裂性在喷焊过程中，由于各种应力的作用，使焊层存在着产生裂缝的倾向，合金本身抗裂缝产生的能力，即所谓抗裂性。通过合金成分的适当调整，在满足使用性能的情况下，提高合金的抗死裂性能，给喷焊工艺带来很大的方便便。特别是对于大工年件喷焊，往往受至预热、保温、缓冷等条件的限制，能否获得成功的应用，合金的抗裂性是一个很重要和因素。十、针对阀门行业的堆焊成本和效率进行分析：等离子堆焊由于利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其他表面堆焊方法相比较，具有以下特点： （1） 生产率较高，目前熔敷率达到了8公斤/小时，接近生产率高的埋弧自动焊，超过了常用的手工电弧堆焊和氧炔焰堆焊。 （2）母材对合金冲淡率低，由于工艺上可调规范差数多，能主动控制热量输入；合金粉末在弧柱中被预先加热，呈喷射状过渡到熔池，对电弧吹力有缓冲作用，熔池受热均匀，因而可控制母材熔深，降低母材对合金的冲淡率。冲淡率可控制在5-15%范围内，接近氧炔堆焊，而大大低于其他方式的堆焊。 （3）堆焊层成形平整、光滑，成形尺寸范围宽并可精确控制，通过改变规范参数，一次喷焊可控制宽度3-40毫米，厚度0.25-8毫米，这是其他堆焊方法难以实现的。 （4）堆焊层质量和工艺稳定性好，由于等离子弧稳定性好，外界因素的干扰（周围气流的流动，喷焊枪距工件的高低，角度的微小变化等）对电参数（弧压、弧电流）和电弧稳定性影响较小，从而使工艺易于稳定。合金粉末熔化充分，飞溅少，熔池中熔渣和气体易于排除，容易消除焊层内气孔，夹渣等质量缺陷。由于等离子弧温度高，热量绩中。喷焊速度快，一次熔成，使工件热影响区小。堆焊层合金组织晶粒细，硬度和化学成分均一，喷焊层质量好。 （5）合金粉末制备简便，使用材料范围广。堆焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状粉末，制备简便，不象丝极材料那样，受铸造、轧制、拔丝、磨削等加工工艺限制。可按需要配方，熔炼成各种成分不同的合金粉末，获得各种不同性能的合金熔焊层，以适应不同条件下对零部件表面性能的要求。喷焊合金材料的种类多，有钴基、镍基、铁基、铜基等。一般具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀的合金，是难以制成线材和用其他工艺方法堆焊，而将这些合金制成粉末，用等离子喷焊却是简便易行的。 8、在金属表面制造上应用的优越性 在金属表面制造上采用PTA(等离子堆焊)工艺代替手工电弧堆焊（或手工火焰堆焊），最能充分发挥PTA工艺的特点，而显现出独特的优越性。这是因为诸多工件的核心要求是耐磨，表面和金堆焊的制造工艺和材料直接关系到耐磨面的质量和使用寿命，也关系到工件的制造成本。对于工件表面要求有一定的硬度范围和硬度的均匀性，要求有良好的耐擦伤性能和一定的耐腐蚀性，对合金的成分也有相应的要求。 对于数量庞大涉及面广的铁路系统各种耐磨堆焊件，其合金化再制造基本上是采用合金粉末堆焊。普遍采用的手工电弧堆焊，由于母材冲淡率高，单层堆焊达不到硬度和合金成分的要求，一般要堆焊2-3层。对工件母材的耐磨面要求堆焊昂贵的钴基或镍基合金，采用手工堆焊，不仅材料利用率低，而且质量难以保证。手工堆焊成形很差，机械切削量大，这也是影响制造成本的因素之一。采用PTA工艺，其工艺特点正好是解决耐磨面手工堆焊诸多问题的最佳方案，其突出优越性有： 1、 由于可控制母材冲淡率，单层堆焊就能达到硬度均匀性和合金成分的要求，节省合金用量。 2、 尤其适合堆焊昂贵的钴基和镍基合金，喷焊层质量好，合金利用率高，不仅保证了质量而且降低了密封面制造成本。 3、 由于堆焊层成形好，表面平整光滑，可以较精确地控制成形尺寸，因而容易切削，减少机械加工工时。 4、 用铁基合金喷焊代替手工堆焊2Cr13不需要进行退火处理，省掉了退火淬火的处理程序。 5、 生产效率高，是手工堆焊的3倍以上。 由于有上述的优越性，因而在阀门密封面的制造上采用PTA工艺，是优质、高效、低耗的制造方法，有显著的社会效益和直接的经济效益。 9、经济性分析 对于铁路机务段（全国每年需要修复的工件达上万件），目前制造厂大都采用简单易行的二保焊或埋弧焊。用PTA工艺能否代替二保焊堆焊或埋弧焊，关键在于能否高效稳定的制造出成本合算的精致工件。耐磨堆焊工件制造成本主要由：（1）堆焊材料成本；（2）堆焊工时成本；（3）堆焊层机加工成本；（4）热处理成本等构成。现就这四方面分析经济性。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价格所决定。对于某一型号是规格的阀门密封面堆焊层的厚度、宽度是有设计要求的，堆焊材料的消耗量取决于堆焊合金的利用率。堆焊合金的利用率又取决于母材冲淡率和外观成形。由于手工电弧堆焊母材冲淡率高，要堆焊两遍以上才能符合要求，因此堆焊层成品设计厚度一般要大于3mm。而PTA工艺，母材冲淡率低，只要焊一遍即达到要求，堆焊层成品设计厚度可降低到2mm。由于手工堆焊成形差，高低不平，一般要加厚加宽，合金堆焊层的利用率仅在40%左右。PTA工艺合金堆焊层的利用率可达70%。 手工电弧堆焊除去焊条的药皮和焊条头，材料的利用率仅70%，而PTA工艺合金粉末的利用率可达95%。 表1 将两种工艺堆焊材料消耗量及材料成本费用作了比较。分析比较结果表明，虽然焊条比合金粉末便宜，但由于焊条手工堆焊的利用率低，耗费材料的重量是PTA工艺的3倍多，因而手工电弧堆焊材料成本费用是PTA工艺的1.9倍。这是一个很惊人的数字，如果各阀门厂每年消耗的2Cr13焊条总计为100T，材料费为330万人民币，用PTA工艺，铁基合金粉末消耗为33T，材料费用约为182万，仅材料费用就节省148万。2、 堆焊工时成本 堆焊工时成本取决于每一个劳动力的生产效率，手工电弧堆焊和PTA工艺堆焊都只需要一个工人操作，手工电弧堆焊每班一个工人的堆焊量平均为12Kg左右，而PTA工艺，每班一个工人的堆焊量可达到20 Kg，按照堆焊材料消耗之比，手工电弧堆焊每班一个工人如果堆焊闸板为12件，那么PTA工艺可喷焊闸板为60件，生产效率是手工电弧堆焊的5倍。如果手工电孤堆焊每一件工时费为10元，那么PTA工艺的工时费每件仅为2元。堆焊工时成本大幅度降低。 3、堆焊层机械加工成本由于PTA工艺，喷焊层平整光滑，切削量少，虽然焊层硬度提高，但可实现连续切削，不打刀，总的机械加工工时要低于手工电孤堆焊，机械加工成本约降低20%。 4、热处理成本 埋弧焊或二保焊堆焊后，按照制造工艺，堆焊完毕后，由于焊层很硬无法加工，要经退火处理才能加工。机械加工完毕后为了达到耐磨面规定的硬度，又必须经高频淬火，再车削加工磨削。使用PTA工艺，喷焊层硬度在规定要求的范围之内，不需要再经过热处理（喷焊合金无淬硬性），而是直接经机械加工成成品，可省去耗电量大，容易出现质量问题的热处理工序。PTA工艺，不仅提高了耐磨面质量，而且降低了制造成本。 从以上合金堆焊制造成本的经济性分析，可以显示PTA工艺在铁路机务段再制造上应用有着可提高质量，降低成本，提高效率等显著的优越性。如果能在铁路机务段行业较全面的推广应用PTA工艺，代替落后的手工电孤堆焊，二保焊、埋弧焊将获得明显的社会效益和企业经济效益。宁波镭速激光科技有限公司市场支持部 马球