上海多木实业有限公司

一、基本原理

　　等离子粉末堆焊（Plasma Powder Welding 简称PPW）是一种先进的堆焊工艺。它是采用氩气等离子电弧作热源（转移型等离子弧为主，非转移型等离子弧为辅），采用粉末状合金作填充料的自动堆焊方法。图1是PPW基本过程示意图。在采用联合型等离子弧喷焊时，一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧和转移弧。两个电源的负极并联在一起，通过电缆接至喷焊枪的钨电极（负极）。非转移弧电源正极通过电缆接喷焊枪喷嘴，转移弧电源正极通过电缆接工件。冷却水通过水冷电缆引至焊枪，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和浮子流量计进入喷焊枪。电源接通后，借助高频火花引燃非转移弧。再借助非转移弧弧焰在钨电极和工件之间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧。主要利用转移弧在工件表面产生熔池。合金粉末由送粉器按需要量连续供给，借助送粉气流（也用氩气）送入焊枪，并吹入电弧中。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧和非转移弧电流，送粉量和其它工艺规范参数，来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐凝固，便在工件上获得所需要的合金熔敷层。

二、特点

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9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。

（6）堆焊过程自动进行，易于实现机械化和自动化操作，减轻劳动强度。

三、在阀门密封面制造上应用的优越性

　等离子堆焊的特点：

1. 堆焊熔覆速度快，稀释率低。

2. 结合度高，堆焊合金层与基体呈冶金结合。

3. 堆焊层组织致密，成型美观。

4. 等离子弧温度高，能量密度大，堆焊材料选择广泛，尤其对一些不易制成焊丝，但可制成粉末的硬质合金，可获得良好的堆焊层。

高集成度等离子粉末堆焊一体机DML-V03AD/BD(160A/300A)

一. 功能配置:1.连续离子焊 2.脉冲离子焊 3.精密氩焊+精密脉冲焊。

二. 焊机电源特点：1.采用DSP数字处理技术，速度快，控制精确。

2. 独特数字逆变技术，电流输出稳定，调节范围宽。

3. 高电压设计，确保电弧的挺度和电弧的长度。

4. 起弧电流，基值电流可调。

5. 小维弧电流，减小焊枪负荷，且维弧电流大小可调，气体延时时间可调。

6. 数据存储模块，可多通道存储焊接数据，存储方便，调用灵活。

7. 数字通信端口，可实现焊接的远程控制。

四、经济性分析

　对于量大面广的中温中压阀（全国每年产量是数十万吨），目前制造厂大都采用简单易行的手工堆焊2Cr13。用PPW工艺能否代替手工堆焊2Cr13，关键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PPW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。PPW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PPW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PPW工艺的3倍多，因而手工电弧堆焊材料成本费用是PPW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PPW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PPW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PPW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PPW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PPW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PPW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

手工电孤堆焊2Cr13，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密封面规定的硬度，又必须经高频淬火，再研磨。很多阀门厂不重视密封面质量，退火机械加工后，不再进行高频淬火处理，这样密封面硬度低，耐擦伤性能差。

PPW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。PPW工艺，不仅提高了阀门密封面质量，而且降低了制造成本。

从以上密封面制造成本的经济性分析，可以显示PPW工艺在阀门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。如果能在阀门制造行业较全面的推广应用PPW工艺，代替落后的手工电孤堆焊，将获得明显的社会效益和企业经济效益。