2.4.1 等离子弧堆焊的原理及特点
1.等离子弧堆焊的原理
等离子弧堆焊是利用等离子弧的高温（15000～32000K）熔化堆焊材料和母材进行堆焊的。等离子弧也叫压缩电弧，它是由特别的喷嘴（见图2-7）产生的，在制成圆形通道的阳极中装有钨制的棒状阴极，在阳极与阴极间加充惰性气体（如氩），并接通焊接电源，在起弧装置作用下，阳极与阴极间便产生电弧，电弧通过通道时，由于喷嘴的“机械压缩效应”、“热收缩效应”和“电磁收缩效应”的压缩作用，使弧流径向收缩，电流密度增加，能量更为集中，而成为温度很高的等离子弧。
图2-7 等离子弧堆焊示意图
1—工件 2—涂层 3—绝缘套 4—后枪体 5—钨极 6、8—水电接头 7—进气管 9—送粉管 10—钢枪体
2.等离子弧堆焊的特点
1）由于等离子弧热量集中、温度高，可以堆焊高熔点的合金材料，提高零件的耐磨、耐热、耐腐蚀性能。由于热量集中，则堆焊效率高，熔透能力强。一次可焊透的厚度如表2-12所示，在同样熔深下其焊接速度比惰性气体钨极保护焊高，故可提高焊接生产率。
表2-12 等离子弧堆焊一次可焊透的厚度
2）由于等离子弧的压缩效应及热电离充分，所以电弧工作稳定，特别当联合型等离子弧在小电流（0.1A）焊时，仍具有较平的静特性。配用恒流（垂降）电源，能保证焊接过程非常稳定，故可以焊接超薄构件。
3）等离子弧具有好的可控性，适当地改变参数及送粉量，可获得0.30～4.0mm厚度的均匀的焊层，多用于磨损零件的堆焊。
4）等离子弧对焊件的热输入相对较小，焊缝截面形状较窄，深宽比大。
3.等离子弧堆焊设备
等离子弧堆焊设备包括电源、电控、等离子弧堆焊枪、送粉器及辅助设备，如枪体摆动机构、工件转动机构或行走机构等。
（1）电源 等离子弧堆焊用电源要求具有陡降的外特性，空载电压不低于70V。常用电源有：普通旋转式直流弧焊机，如AX1—500、AX3—500和AX—320等；硅整流式弧焊机，如ZXG—500等。
（2）粉末等离子弧堆焊枪 堆焊枪是高温等离子弧的发生装置。整个等离子的电流、水流、气流和粉流都通过枪体而参与堆焊。枪体结构大致可分两部分，上枪体如图2-8所示，其中包括主气管、阴极冷却水套，出水管、阴极及其夹持部分等；下枪体如图2-9所示，其中包括进水管、下枪体冷却水套和送粉管等。
图2-8 堆焊枪的上枪体
1—出水管 2—进气管 3—钨极 4—套
制作堆焊枪时必须满足以下要求：
1）密封性。工作时，枪内同时通有电流、工件气体、冷却水和合金粉流。如果密封不良，漏气、漏水，都会造成漏电、粉路堵塞、工作气不足等现象，影响等离子弧的稳定性和破坏堆焊工艺的正常进行。枪体密封可用橡胶或粘结剂。
图2-9 堆焊枪的下枪体
1—保护气管 2—进水管 3—送粉管 4—冷却水套
2）绝缘性。工作时上、下枪体分别接电源的负极和正极，因此上、下枪体之间的绝缘必须可靠，以免漏电和短路。上、下枪体之间可用聚四氟乙烯绝缘。由于被冷水浸泡，长期工作时，电木不如聚四氟乙烯好。
3）同心性。上、下枪体必须同心，以保证钨极与喷嘴同心。否则会使等离子弧发生畸变，甚至燃烧不稳定。
堆焊枪的全部零件要用导电、导热性好的纯铜和黄铜制造。
（3）送粉器 送粉器的主要用途是通过焊枪向零件表面输送粉末。对送粉器有如下要求：
1）能长时间连续均匀送粉。
2）送粉量可调，以适应不同工艺的要求，并且调整方便准确。
3）适于输送各种粉末，结构简单工作可靠。
4.等离子弧堆焊材料
粉末等离子弧堆焊材料主要有工作气体和合金粉末。
（1）工作气体 常用做粉末等离子弧堆焊主气的是惰性气体氩。氩气可取自空气。它不参与焊接时的化学反应，而且对焊道起保护作用。另外最主要的是氩气很易电离，即容易形成离子弧。
（2）合金粉末 合金粉末是形成堆焊层的主要材料。粉粒直径一般在ϕ2.5mm以下，常用粉末粒度为20～200目/in（25.4mm）为宜。根据工件的工作条件，选用合适的合金粉末，以便达到成本低、寿命长的目的。要求粉末具有以下性能：
① 良好的自熔性。
② 较低的熔点。
③ 液态时对母材的浸润性好。
④ 液态流动性好。
⑤ 焊层不进行热处理就能自行硬化。
⑥ 焊道要有一定的韧性和延展性。
⑦ 焊层要有一定的抗腐蚀及其他性能。
自熔性是指在施焊过程中，在液态合金表面形成很薄一层熔渣，熔渣的熔点低于焊层熔点。它一直保护着焊层金属不被氧化，保证焊层金属和母材良好地熔合在一起。自熔性常靠调整合金粉末的成分来达到。合金粉末熔点低，母材熔深浅，堆焊层的冲淡率低，能充分发挥堆焊合金的潜力。良好的浸润性可保障熔化了的合金均匀铺展开来，焊层光滑整洁。固态流动性保证送粉流畅，液态流动性可使合金熔融后易于摊开而不聚缩或流失。其他几项性能都是保证焊道不崩、不裂、完整耐用的起码条件。
1）合金粉末牌号编制规则 等离子弧堆焊用合金粉末牌号编制规则按JB/T 7744—1995标准，编制方法如下：
① 第一部分PT表示等离子弧堆焊用合金粉末。
② 第二部分用两个数字表示合金类型，第一个数字表示大类，1代表镍基，2代表钴基，3代表铁基，4代表铜基。第二个数字表示该合金粉末的序号。
③ 第三部分用两个数字（01-99）表示合金粉末材料序号。
2）镍基合金粉末 镍基合金粉末是以镍为主要合金元素，适量加入一些铬、硼、硅等。人们常称为镍-铬-硼-硅。性能如下：
① 抗氧化性能好，能完全抗大气、盐水、盐雾的腐蚀，对于较弱的酸和许多化学介质有抗腐蚀能力。
② 耐磨性好，抵抗低压力摩擦效果良好，尤其适合在磨损和腐蚀同时存在的环境下工作。
③ 这类合金对金属间摩擦因数低，抗擦伤性能好。
④ 焊后不须热处理，在熔点以下硬度稳定，随温度变化少。
⑤ 抗冲击性能较好。
3）钴基合金粉末。钴基合金粉末是以钴为主要元素，加入适量铬、钨等合金元素。因此人们常称之为钴-铬-钨。这类合金有较高的热硬性、耐磨性，但成本较高。
4）铁基合金粉末。铁基合金粉末是以铁为主，加入适量铬、硼、硅，人们常称之为铁-铬-硼-硅。这类合金抗磨粒磨损能力较高，抗氧化性能良好，成本较低，易于推广。
5）其他合金粉末。堆焊承受严重磨损和腐蚀零件时，可用碳化钨与镍基合金的混合粉末。根据需要可加入质量分数为10%、20%、35%甚至45%的碳化钨粉末。
在堆焊时，也可将一些合金粉末混合使用。