等離子堆焊于 20 世紀(jì)60 年代開始投入工業(yè)應(yīng)用。它是利用焊炬的鎢極作為電流的負(fù)極和基體作為電流的正極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱量，并將熱量轉(zhuǎn)移至被焊接的工件表面，并向該熱能區(qū)域送入焊接粉末，使其熔化后沉積在被焊接工件表面，從而實現(xiàn)零件表面的強(qiáng)化與硬化的堆焊工藝。該堆焊技術(shù)具有生產(chǎn)率高，成型美觀以及堆焊過程易于實現(xiàn)機(jī)械化及自動化等優(yōu)點，符合綠色制造的發(fā)展趨勢，在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。

1 等離子堆焊設(shè)備

等離子堆焊設(shè)備包括焊接電源、電氣控制系統(tǒng)、冷卻水系統(tǒng)、送粉系統(tǒng)、數(shù)控行走系統(tǒng)等。

1.1 電源 采用一臺具有陡降外特性的500 A 直流電源。非轉(zhuǎn)移弧是從電源上接水冷電阻后供電。即共用端是負(fù)極，從正極上引出兩頭，一頭接工件，一頭經(jīng)水冷電阻后到噴嘴的下槍體，構(gòu)成兩電源回路。

1.2 電氣控制部分 三股氣路即等離子形成氣、送粉氣、保護(hù)氣、均采用氬氣，氣路與高頻振蕩器串聯(lián)使用。控制動作程序：離子氣→高頻→非轉(zhuǎn)移弧(小弧)→轉(zhuǎn)移弧(大弧)(電流穩(wěn)定到100 A 時，切斷高頻和小弧)、轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)動、槍體擺動、送粉氣、保護(hù)氣接通→送粉→焊到終點處電流衰減，切斷送粉氣，保護(hù)氣衰減→總停。

1.3 冷卻系統(tǒng) 等離子堆焊機(jī)的冷卻系統(tǒng)主要是將焊槍工作時由等離子非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧所產(chǎn)生的熱量帶走，使焊槍的溫升保持在安全的范圍之內(nèi)。雖然不同設(shè)備的冷卻系統(tǒng)在細(xì)節(jié)上可能有所不同，但其原理都是一致的：通過水泵不斷將冷卻水送到槍體中，回流的溫度較高的水則通過換熱器降溫。為保證冷卻效果，循環(huán)水箱需要達(dá)到一定的體積，為防止滋生微生物及避免對流道中金屬部件的腐蝕，其中最好盛裝去離子水。由于焊槍中的水流通道比較狹小，為保證能夠迅速將熱量帶走，需要冷卻系統(tǒng)的水泵能夠達(dá)到一定的壓力，為了保護(hù)焊槍，目前越來越多的設(shè)備在冷卻水管中裝有水壓和水溫傳感器，當(dāng)冷卻水的壓力降低并且水溫升高到一定程度時，系統(tǒng)將報警，以避免燒損焊槍。

水冷系統(tǒng)中水的流動方向大致分為兩種：第一種是水從內(nèi)部流動循環(huán)，即通過導(dǎo)電水管(電纜在水管內(nèi))從作為正極的下槍體水套流入噴嘴，從噴嘴經(jīng)絕緣部分流入作為負(fù)極的上槍體水套，最后流回到循環(huán)水箱，此種循環(huán)系統(tǒng)外部走線較整齊，冷卻效果也較好，但對絕緣部分的可靠性有著較高的要求，一旦漏水，槍體難以修理；第二種水循環(huán)方式是水從下槍體流入噴嘴，再從噴嘴流入外部水管，最后經(jīng)上槍體水套流回到循環(huán)水箱。這種水管路較上面顯得繁瑣，但易于維修。

1.4 槍體 等離子堆焊槍的核心部分是等離子弧發(fā)生器，輔以水管路、氣管路及送粉管路。焊槍的品質(zhì)對于堆焊質(zhì)量起著至關(guān)重要的作用。等離子焊槍主要有兩部分組成，即上槍體和下槍體，是由絕緣體來連結(jié)的，性能良好的焊槍應(yīng)滿足：在堆焊過程中，穩(wěn)定性好，安全性高，堆焊效率高，焊后質(zhì)量好，噴嘴使用壽命長，操作方便，易于更換，小巧靈活，手工半自動、自動焊皆可用。

槍體主要由鎢電極、離子氣管、陶瓷管、進(jìn)水管、送粉氣管、保護(hù)氣管、出水管、噴嘴組成。為保證焊槍具有良好的使用性，必須保證鎢極與噴嘴之間同心度要好。目前比較先進(jìn)的焊槍是通過電極垂直升降滑動來進(jìn)行調(diào)整，電極本身與上槍體之間采用圓柱面接觸的精密配合，通過轉(zhuǎn)動調(diào)節(jié)螺帽來控制電極的升降，調(diào)節(jié)時電極只能上下滑動而不旋轉(zhuǎn)，以確保電極與槍體保持良好的同心度。鎢極尖端不正時，可以適當(dāng)旋轉(zhuǎn)絕緣帽來對鎢極進(jìn)行微調(diào)。

2 等離子堆焊工藝

2.1 等離子弧種類

等離子電弧分為非轉(zhuǎn)移弧、轉(zhuǎn)移弧和聯(lián)合型電_弧三種。三種電弧形式均是鎢極接電源負(fù)極，工件和噴嘴接電源正極。

(1) 非轉(zhuǎn)移型電弧。電弧形成于鎢極與噴嘴之間，隨著等離子氣流的輸送，形成的弧焰從噴嘴中噴出，形成高溫等離子焰，主要適用于導(dǎo)熱性較好的材料的焊接。但由于電弧能量主要是通過噴嘴傳輸，噴嘴的使用壽命較短，且能量不宜過大，不太適合于長時間的連續(xù)焊接，目前非轉(zhuǎn)移弧在焊接領(lǐng)域應(yīng)用得越來越少了。

(2) 轉(zhuǎn)移型電弧。轉(zhuǎn)移型電流是在噴嘴與工件之間形成，由于轉(zhuǎn)移弧難以直接形成，需要先在鎢極與噴嘴之間形成細(xì)小的非轉(zhuǎn)移弧作為引導(dǎo)，之后過渡到轉(zhuǎn)移弧，當(dāng)生成轉(zhuǎn)移電弧后，非轉(zhuǎn)移弧同時切斷。由于這種方式可以將更多的能量傳遞給工件，用于焊接，因此轉(zhuǎn)移型電弧普遍地應(yīng)用于金屬材料焊接和切割領(lǐng)域中。

(3) 混合型電弧。顧名思義，轉(zhuǎn)移電弧和非轉(zhuǎn)移電弧并存，主要用于微束等離子弧焊接和粉末堆焊中。

2.2 等離子堆焊重要參數(shù)

2.2.1 焊接電流

在等離子堆焊過程中，最重要的工藝參數(shù)是焊接電流，隨著焊接電流的增加，等離子弧能量增大，熔化和穿透能力增加。在堆焊過程中如果電流過小，填充金屬不易熔化，堆焊層與工件無法形成良好的冶金結(jié)合，電弧不穩(wěn)定，容易造成氣孔、夾雜及未熔合等多種缺陷。反之，如果電流過大，工件熔化過較多，在增加稀釋率的同時，增加了堆焊材料的燒損，降低堆焊層硬度；此外，由于較大的熱輸入量，工件還易燒穿焊壞，造成保護(hù)不良、氧化物多、咬邊等嚴(yán)重的焊接缺陷，影響堆焊質(zhì)量。焊接電流主要根據(jù)工件材料及堆焊速度和焊粉種類來選定的，電流過大過小都會影響焊后性能。此外，較大的焊接電流還可能引起雙弧現(xiàn)象。

因此，在選定焊槍及噴嘴的結(jié)構(gòu)后，焊接電流只能限定在一定范圍之內(nèi)，而這個范圍是與其他焊接參數(shù)，如等離子氣流量和焊接速度等參數(shù)相關(guān)。在設(shè)定了其他堆焊參數(shù)后，焊接電流和焊接速度的對應(yīng)關(guān)系：焊接速度增加，相應(yīng)焊接電流也須增加；反之，焊接速度降低，焊接電流要減小，當(dāng)?shù)入x子氣流量增加時，焊接電流要減??；反之，當(dāng)?shù)入x子氣流量減小時，焊接電流須增加。

2.2.2 電弧電壓

電弧電壓過低時，不易引燃電弧，電弧較軟，穿度能力弱，不過電弧電壓小可以減小母材對于堆焊材料的稀釋率。電弧電壓過高，溫度升高，沖淡率也增加，不易焊接，難于掌控，不過電壓過高，容易引弧。

2.2.3 氣體的作用及流量

(1) 氣體作用。氬氣在堆焊過程中起輸送焊粉、引燃電弧和保護(hù)電弧穩(wěn)定燃燒的作用，在噴嘴內(nèi)壁和弧柱之間起堆焊熱源的作用，并對電弧進(jìn)行壓縮，增加能量集中度。氬氣作為電離介質(zhì)與電弧的熱導(dǎo)體，起熔化堆焊粉末和基材金屬作用，并保護(hù)鎢極、堆焊層和工件在堆焊過程中不被氧化，因此對氣體純度要求較高，以保證電弧穩(wěn)定燃燒，提供良好的攜熱性能，同時氬氣對鎢極和工件與噴嘴沒有腐蝕作用。

(2) 氣體流量。氣體流量包括離子氣、保護(hù)氣和送粉氣，在堆焊過程中需要對其分別進(jìn)行控制。

進(jìn)氣口直徑一般為6～8 mm，調(diào)節(jié)氣體流量時，如果流量過大，容易使電弧噴射速度加快，弧流沖力過大造成翻渣現(xiàn)象，易把噴嘴燒壞。氣體流量過小，對電弧壓縮能力減小，電弧軟弱無力，堆焊熱量減少。氣體流量對焊接質(zhì)量影響較大，因此需要慎重選擇。

2.2.4 焊接速度

焊接速度是影響堆焊質(zhì)量的一個重要參數(shù)。在其他條件一定時，焊接速度增加，工件表面的熱輸入量減小。反之，如果焊速太低，會出現(xiàn)過熱現(xiàn)象，直接影響焊接質(zhì)量。焊接速度和焊接電流以及氣體流量之間是相互影響的，它們之間的關(guān)系如前所述。

2.2.5 焊槍距離

堆焊過程中，焊槍噴嘴和工件之間的距離對其他參數(shù)的影響不是很明顯，因為等離子電弧的挺度好，等離子焊接的擴(kuò)散角僅為5°，基本上是圓柱形。

但如果距離過大，熔透能力降低，氣體保護(hù)質(zhì)量降低；距離過小則易造成噴嘴被飛濺物粘附，堵塞送粉孔，一般應(yīng)控制在4～8 mm 范圍內(nèi)。

2.2.6 轉(zhuǎn)臺轉(zhuǎn)速

轉(zhuǎn)臺是堆焊設(shè)備的主要部件，轉(zhuǎn)臺的運轉(zhuǎn)平穩(wěn)性和速度會影響到堆焊質(zhì)量，太快容易造成焊道不易成型，或者堆焊層太薄，電流小時還可能出現(xiàn)未熔合，焊道不美觀，堆焊質(zhì)量低等問題。太慢則容易造成溫度過高，焊道過厚，表面不光，燒穿等問題。因此合理地選擇轉(zhuǎn)速對獲得良好的焊接質(zhì)量有著重要的作用。

2.3 堆焊粉末分類

目前國內(nèi)外所采用的等離子堆焊粉末主要有自熔性合金粉末和復(fù)合粉末兩大類。

2.3.1 自熔性合金粉末

自熔性合金粉末主要由鎳基、鈷基、鐵基、銅基等幾類構(gòu)成。雖具有良好的綜合性能，但由于鎳和鈷屬稀缺金屬，成本高，一般也只用于有特殊表面性能要求的堆焊中。而鐵基合金粉末具有原材料來源廣，價格低的特點，同時具有良好的性能，因而得到越來越廣泛的應(yīng)用。

(1) 鎳基自熔性合金粉末。以鎳為基的自熔性合金粉末統(tǒng)稱為鎳基合金粉末。鎳基自熔性合金粉末熔點低(950～1150 ℃)，具有良好的抗磨損、抗腐蝕、抗熱、抗氧化性等優(yōu)異性能。它可分為兩類：

鎳硼硅系列和鎳鉻硼硅系列。鎳硼硅系列是在鎳中加入適量的硼、硅元素所形成的自熔性合金粉末；鎳鉻硼硅系列是在鎳硼硅系合金中加入鉻和碳，形成用途廣泛、品種繁多的鎳鉻硼硅系自熔合金。

(2) 鈷基自熔性合金粉末。以金屬鈷為基，在司太立合金基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，在鈷鉻鎢合金中加入硼、硅元素形成的自熔合金粉末統(tǒng)稱為鈷基合金粉末。鈷基自熔性合金具有良好的流動性、紅硬性、抗腐蝕性及抗熱疲勞性能，可以應(yīng)用于在600～700℃高溫下工作的抗氧化、耐腐蝕、耐磨損的表面涂層，如高壓閥門密封面的堆焊。

(3) 鐵基自熔合金粉末。以鐵為主，適當(dāng)添加鉻、硼、硅等元素所形成的自熔合金粉末統(tǒng)稱為鐵基合金粉末。這類合金是在鉻不銹鋼和鎳鉻不銹鋼的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的?？煞譃閮煞N類型：奧氏體不銹鋼型自熔合金和高鉻鑄鐵型自熔合金。

(4) 銅基自熔合金粉末。目前我國研制并生產(chǎn)應(yīng)用的銅基自熔性合金粉末主要有兩類，一種是錫磷青銅粉末，另外一種是加入鎳的白銅粉末。其具有較低的摩擦因數(shù)，良好的抗海水、大氣腐蝕等性能，并且具有抗擦傷性好、塑性好、易于加工等特性。

2.3.2 復(fù)合粉末復(fù)合粉末

近年來日益成為研究和應(yīng)用的熱點，它是由兩種或兩種以上具有不同性能的固相所組成，不同的相之間有明顯的相界面，是一種新型工程材料。組成復(fù)合粉末的成分，可以是金屬與金屬、金屬(合金)與陶瓷、陶瓷與陶瓷、金屬(合金)與塑料、金屬(合金)與石墨等，范圍十分廣泛，幾乎包括所有固態(tài)工程材料。

3 等離子堆焊的應(yīng)用行業(yè)

由于等離子堆焊的特點和優(yōu)越性，其已廣泛應(yīng)用于石油、化工、工程機(jī)械、礦山機(jī)械等行業(yè)。

3.1 閥門密封面堆焊

閥門在使用過程中，常處在較高溫度和較高的流體壓力下，且閥門經(jīng)常啟閉，在此過程中，由于密封面間的相互摩擦、擠壓、剪切，加之流體的沖刷和腐蝕等作用極易受到損傷。一旦密封面出現(xiàn)損傷，就會導(dǎo)致泄露量增加，喪失閥門的使用性，成為廢品，甚至造成嚴(yán)重的安全事故。因此，閥門密封面堆焊材料質(zhì)量的好壞，將直接關(guān)系到閥門的使用壽命和生產(chǎn)的安全可靠性。通過采用等離子堆焊工藝將高合金粉末材料堆焊在普通材料上，以提高其耐磨損、耐腐蝕及高溫性能，延長閥門使用壽命，同時節(jié)省貴重材料，降低產(chǎn)品的成本，這一方法已在電站閥門行業(yè)得到普遍應(yīng)用。

3.2 石油化工裝備

石化工業(yè)中，生產(chǎn)設(shè)備工況條件具有三高(即高腐蝕、高磨損及高溫)的特點，采用等離子粉末堆焊工藝，將鎳基或鈷基高合金材料堆焊在設(shè)備密封面上，達(dá)到提高設(shè)備使用壽命和運轉(zhuǎn)安全性的目的。這種表面改性方法對提高材料耐磨、耐腐蝕及高溫性能，延長使用壽命，節(jié)省貴重材料，降低產(chǎn)品成本具有重要意義。采用此方法將高合金粉末材料堆焊在普通材料上，可以獲得優(yōu)異的表面性能。因此，這一方法已在石油、化工行業(yè)中得到廣泛應(yīng)用。

3.3 礦山機(jī)械

采煤機(jī)截齒對強(qiáng)度，耐磨性，壽命要求較高，采用等離子堆焊設(shè)備在表面堆焊特殊合金粉末，可以顯著提高采煤機(jī)截齒耐磨、耐沖擊性能，可保護(hù)截齒頭免遭強(qiáng)烈的磨損而過早失效，在機(jī)械化綜合采煤生產(chǎn)作業(yè)中獲得了推廣應(yīng)用。截齒耐磨堆焊層的出現(xiàn)和使用，將截齒刀頭與被切割煤巖之間的摩擦、沖擊等作用，轉(zhuǎn)換為或部分轉(zhuǎn)換為堆焊層與被切割煤巖之間的摩擦、沖擊等作用，從而達(dá)到了保護(hù)截齒刀頭的目的。另外將報廢截齒修復(fù)再利用，則截齒耐磨堆焊工藝技術(shù)，將成為煤礦裝備實現(xiàn)節(jié)約型循環(huán)經(jīng)濟(jì)技術(shù)的重要組成部分。因此，近年來在多種可供選用的防止截齒過早失效的冶金技術(shù)中，截齒耐磨堆焊以其工藝簡便和效果較好等優(yōu)勢，在工業(yè)生產(chǎn)中最受歡迎。

4 等離子堆焊存在的主要問題及發(fā)展前景

因為等離子堆焊主要以金屬粉末作為堆焊材料，并且大部分堆焊材料系自熔性合金，堆焊質(zhì)量對粉末質(zhì)量的依賴性很大。在堆焊過程中會有少量粉末飄散而造成浪費。在堆焊過程中因粉末飛濺，長時間施焊易產(chǎn)生粘噴嘴現(xiàn)象，在堆焊較粘人材料，例如鎳基合金時，這個問題尤其突出，已經(jīng)成為影響工藝穩(wěn)定性的重要因素。以上問題除了與堆焊合金本身的特性有關(guān)之外，主要與焊粉的粒度、形狀及焊槍(特別是噴嘴)密切相關(guān)。

目前焊粉的生產(chǎn)已經(jīng)從水霧化逐漸過渡到氣霧化，從而使得焊粉的顆粒保持很規(guī)則的球形。而焊粉的粒度組成則可以通過篩分環(huán)節(jié)嚴(yán)格控制。但現(xiàn)在關(guān)于焊槍的設(shè)計和加工過程中仍有許多問題，例如送粉孔的數(shù)量、分布以及焊槍表面防粘涂層的選擇和應(yīng)用都值得進(jìn)一步深入探索。

在系統(tǒng)控制方面，由于等離子堆焊工藝參數(shù)比較復(fù)雜，因此等離子焊接設(shè)備中要控制的對象比較多，主要包括轉(zhuǎn)移弧整流電源、高頻振蕩電源、氣量、冷卻水、堆焊數(shù)控機(jī)床、送粉器和擺動器等，其中任何一個參數(shù)的變化都可能影響堆焊層的質(zhì)量和性能。剛開始采用手動控制，堆焊質(zhì)量與操作者有非常大的關(guān)系。

為了進(jìn)一步實現(xiàn)等離子堆焊設(shè)備的小型化、控制系統(tǒng)化和操作自動化，目前在設(shè)備控制方面，越來越多研究者在等離子堆焊設(shè)備中引入可編程控制器對設(shè)備進(jìn)行系統(tǒng)控制，但是許多人只是將 PLC 作為一種替代傳統(tǒng)的繼電器控制系統(tǒng)的邏輯順序控制器，未能充分發(fā)揮 PLC 的軟件功能，因此通過充分發(fā)揮 PLC 控制的軟件功能，在增強(qiáng)設(shè)備的自動化和智能化程度方面，在提高設(shè)備工藝適應(yīng)性和運轉(zhuǎn)穩(wěn)定性方面，仍有廣闊的研究前景。

盡管目前仍存在著許多問題，由于其優(yōu)異的技術(shù)特性，等離子堆焊技術(shù)在國內(nèi)外仍得到了大量應(yīng)用。在實際的工業(yè)生產(chǎn)中，等離子堆焊主要用于表面技術(shù)，以提高工件(閥門密封面、氣閥密封面、模具刃口、輸煤機(jī)中部槽板、槽幫、無縫鋼管頂頭、運動部件摩擦副等)的耐磨性能，以及石化工業(yè)設(shè)備的耐腐蝕性能，同時延長使用壽命為主要目標(biāo)。采用各種堆焊材料提高零部件的性能，也是生產(chǎn)和研究的重點。但這些研究工作僅限于材料的表面改性上。如今高溫合金已應(yīng)用于航空航天、工業(yè)燃汽輪機(jī)及高速機(jī)車等方面，在長期使用中就要求具有高的強(qiáng)度、較佳的抗氧化性能、耐蝕性能和良好的低周疲勞抗力，通常合金的成分及組織對其性能有重大的影響，因此通過等離子堆焊技術(shù)在高溫合金的成形及加工方面的應(yīng)用，獲得均勻細(xì)小的組織結(jié)構(gòu)成為改進(jìn)合金綜合性能的重要手段。隨著制造業(yè)的快速發(fā)展，為了滿足各種行業(yè)的需要，尤其是在快速制造領(lǐng)域，等離子沉積制造技術(shù)也得到人們的注意。

等離子沉積制造技術(shù)是在等離子粉末堆焊和快速成型技術(shù)的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的一種新的材料增量制造技術(shù)，它首先是在計算機(jī)中生成零件的三維 CAD 模型，然后將該模型根據(jù)具體工藝方法，按照一定的厚度進(jìn)行分層剖分，將零件的三維數(shù)據(jù)信息轉(zhuǎn)換成一系列二維輪廓數(shù)據(jù)，再經(jīng)過逐層熔覆的方式制造出三維零件，也被稱之為 3D 打印。由于等離子弧的溫度極高，粉末融化充分，從而得到的熔覆層材料組織細(xì)小、均勻、致密，同時具有柔性好、加工速度快、對零件的復(fù)雜程度基本沒有限制等特點，能直接制造出滿足實際使用要求的組織致密的金屬零件。并且?guī)缀醪皇茉戏N類限制，因此在縮短制造加工周期、節(jié)省資源與能源、發(fā)揮材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大的潛力，因而受到越來越多的關(guān)注，可見等離子堆焊技術(shù)在未來具有很好的發(fā)展前景。

5 展望

21 世紀(jì)是一個倡導(dǎo)綠色制造的時代，中國經(jīng)濟(jì)的迅速崛起和制造業(yè)的蓬勃發(fā)展，必然對焊接技術(shù)提出更高的要求。等離子堆焊技術(shù)具有諸多與綠色相符的特征，因而等離子堆焊技術(shù)的研究與應(yīng)用必將成為綠色制造技術(shù)的重要組成部分。