一、基本原理
等離子粉末堆焊（Plasma Powder Welding 簡稱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堆焊方法。圖1是PPW基本過程示意圖。在采用聯(lián)合型等離子弧噴焊時，一般采用兩臺獨(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。兩個電源的負(fù)極并聯(lián)在一起，通過電纜接至噴焊槍的鎢電極（負(fù)極）。非轉(zhuǎn)移弧電源正極通過電纜接噴焊槍噴嘴，轉(zhuǎn)移弧電源正極通過電纜接工件。冷卻水通過水冷電纜引至焊槍，冷卻噴嘴和電極。氬氣通過電磁氣閥和浮子流量計進(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移動，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，接近生產(chǎn)率高的埋弧自動焊，超過了常用的手工電弧堆焊和氧炔焰堆焊。
（2）母材對合金沖淡率低，由于工藝上可調(diào)規(guī)范差數(shù)多，能主動控制熱量輸入；合金粉末在弧柱中被預(yù)先加熱，呈噴射狀過渡到熔池，對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，噴焊槍距工件的高低，角度的微小變化等）對電參數(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?？砂葱枰浞剑蹮挸筛鞣N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便易行的。
（6）堆焊過程自動進(jìn)行，易于實現(xiàn)機(jī)械化和自動化操作，減輕勞動強(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。這是因為閥門密封面是閥門的“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，對合金的成分也有相應(yīng)的要求。
對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。
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，有顯著的社會效益和直接的經(jīng)濟(jì)效益。
四、經(jīng)濟(jì)性分析
對于量大面廣的中溫中壓閥（全國每年產(chǎn)量是數(shù)十萬噸），目前制造廠大都采用簡單易行的手工堆焊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）堆焊工時成本；（3）堆焊層機(jī)加工成本；（4）熱處理成本等構(gòu)成?，F(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格所決定。對于某一型號是規(guī)格的閥門密封面堆焊層的厚度、寬度是有設(shè)計要求的，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。這是一個很驚人的數(shù)字，如果各閥門廠每年消耗的2Cr13焊條總計為100T，材料費(fèi)為330萬人民幣，用PPW工藝，鐵基合金粉末消耗為33T，材料費(fèi)用約為182萬，僅材料費(fèi)用就節(jié)省148萬。
堆焊方法
成本項目
|
PPW工藝
噴焊Fe基合金
|
手工電弧堆焊
2Cr13
|
| 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，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、 堆焊工時成本
堆焊工時成本取決于每一個勞動力的生產(chǎn)效率，手工電弧堆焊和PPW工藝堆焊都只需要一個工人操作，手工電弧堆焊每班一個工人的堆焊量平均為12Kg左右，而PPW工藝，每班一個工人的堆焊量可達(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費(fèi)為10元，那么PPW工藝的工時費(fèi)每件僅為2元。堆焊工時成本大幅度降低。
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，但可實現(xiàn)連續(xù)切削，不打刀，總的機(jī)械加工工時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)過熱處理（噴焊合金無淬硬性），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，將獲得明顯的社會效益和企業(yè)經(jīng)濟(jì)效益。
