等离子喷焊文献综述

1 文献综述1.1 等离子喷焊的概况和发展喷焊(spraying welding)是在热喷涂过程中同时对机体加热，使焊层在基体表面熔化，形成喷焊层的方法，又称热喷焊。

喷焊包括喷涂和重熔两个过程。

等离子喷焊技术是采用等离子弧作为热源加热基体，使其表面形成熔池，同时将喷焊粉末送入等离子弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态，被焰流喷射至熔池后，充分熔化并排除气体和熔渣，喷枪移开后合金熔池凝固，形成喷焊层的工艺过程[4]。

等离子喷焊是20 世纪60 年代出现的新技术，由于其具有的独特优越性，一直受到工程界人士的重视。

进入70 年代，等离子喷焊技术进一步被接受，开拓了新的应用领域，得到了新的发展，例如，在合金粉末中添加碳化物来增加表面性能，同时也出现了许多不同形式的喷焊枪。

80 年代初期，许多行业认识到等离子喷焊的优越性，促进了等离子喷焊的机械化和自动化进程，以及喷焊枪操作控制设备的发展，相应地产生了许多先进的等离子喷焊设备。

80 年代末到90 年代初，电力电子技术的发展，新型弧焊电源的出现，微机控制技术的应用，以及大功率喷焊枪的研制，推动了等离子喷焊设备和技术的进一步发展，使等离子喷焊的优点得到充分发挥，大大拓宽了等离子喷焊的应用领域和使用范围。

早期的等离子喷焊系统大多由中间继电器触点逻辑电路或二极管矩阵逻辑电路作为程序控制单元，系统组件的集成度不高。

由于等离子喷焊系统的被控对象较多，所以设备结构复杂，故障率较高，焊接规范的调节不太方便，适应性较差。

随着电子技术的发展，单片机、PLC 和工控机大量应用于等离子焊接的控制系统中[5]。

南昌航空工业学院的陈焕明等人利用欧姆龙的C40P 型PLC 实现对等离子喷焊系统的控制，所设计的系统能满足喷焊工艺要求，提高了抗高频干扰的能力[6]，济南大学的张智杰等人则使用siemens 的LOGO！模块实现对等离子喷焊工艺的控制，降低了系统的研发周期；华中科技大学的王伟等人则利用87C552 单片机，将I2C 总线引入到等离子喷焊控制系统中，简化了电路，提高了系统的抗干扰性，降低了成本；美国的Richard Ethen Marques使用微机进行等离子喷焊的研究，西北工业大学的李京龙等人则成功地将PC 机应用到对等离子喷焊系统的控制当中，实践证明PC 机控制系统设备运行可靠故障率低，并且故障易排除[13]。

1.2 等离子弧对自由电弧的弧柱进行强迫“压缩”，从而使能量更加集中，弧柱中气体充分电离，这样的电弧称为等离子弧。

1.2.1 等离子体气体在一定条件下发生电离现象，通常把已电离气体的离子与未电离的离子总数之比成为电离度。

电离度越高，气体中的正离子和电子就越多。

在物理学中把电离度大于0.1 % 的气体成为等离子体。

它是继固态、液态及气态以外的物质第四态。

与普通气体不同，由于等离子含有正离子和电子，因而呈现明显的导电性能。

等离子体具有三个基本特点：即很强的导电性、电准中性与磁场的可作用性。

等离子体的温度非常高，温度跨度也非成大。

按温度的高低可以将等离子体分为高温等离子体和低温等离子体。

低温等离子体又可分为热等离子体和冷等离子体。

在等离子喷焊中是热等离子体其温度可达16000 K。

1.2.2 等离子弧的产生电弧是一种气体放电现象，具有两种形态，即自由电弧和压缩电弧。

若气体放电现象不受任何拘束，则成为自由电弧。

由于自由电弧不受任何约束，弧柱一般较粗，热量比较分散，其电离度也较低，温度大约5000~6000 K。

等离子弧是受到压缩作用的电弧，与自由电弧的区别见表1.1。

表1.1 电弧形态特征电弧特征自由电弧电弧燃烧不受任何约束，电弧温度一般在5000~6000 k。

压缩电弧电弧燃烧由于冷却喷嘴的拘束作用而存在机械压缩效应、热压缩效应、自磁压缩效应。

1.2.3 等离子压缩效应自由电弧通过冷却喷嘴时受到三重压缩作用[7]。

(1) 机械压缩作用等离子通过等离子喷枪的喷嘴喷射出来，由于再循环冷却水的作用下水冷紫铜喷嘴孔道内壁的温度很低，喷嘴附近气体必然受到冷却，在喷嘴孔道内壁上形成一层冷气膜，从而限制等离子弧弧柱扩张，对等离子弧起到压缩作用。

这种对弧柱的压缩作用成为机械压缩效应。

喷嘴孔径越小、孔道越长，喷嘴对弧柱的机械压缩作用就越强。

(2) 热循环效应由于循环冷却水的作用而在喷嘴内壁形成的冷气膜，气体电离度很低，因而导电性很差，电流通过时阻力大，而电弧中心部位温度较高，电离度较高，因而电流通过时阻力较少。

电流的绝大部分只能从电弧的中心部位通过。

从而导致电弧中心部位的温度升高，电离度进一步增大，这又导致电流进一步集中，是电弧弧柱进一步压缩。

这种对弧柱的压缩作用成为热压缩作用。

它主要取决于其他的进气方式、流量大小和喷嘴内壁的冷却效果。

(3) 自磁压缩效应由电磁原理可知，当一根导线中通过电流时，在导线周围就会形成磁场。

当两根平行导线通以相同方向的电流时，由于磁场的相互作用，这两根导线产生相互吸引的电磁力。

等离子弧可以看作是由无数根相互靠近的、电流方向相同的平行导线所组成的。

这样由于电磁力的作用，弧柱内各部位产生指向弧柱中心部位的压缩力。

这种压缩作用成为自磁压缩作用。

1.2.4 等离子弧的组成等离子弧可化为阴极和阴极区、弧柱区、阳极和阳极区三个部分，如图1.1所示[7]。

图1.1等离子弧组成部分1―阴极2―阴极区3―弧柱4―阳极区5―阳极6―焰流(1) 阴极和阴极区等离子放电的绝大多数电子是由阴极发出的。

阴极表面放电部分的总和成为阴极斑点。

其电流密度高达103~106 A/cm-2。

阴极区是指靠近阴极电场强度很强的区域，其距阴极约为10-4 cm。

由于大量电子从阴极溢出，造成阴极区内正负离子数的不平衡，造成阴极区内正负离子数的不平衡，造成阴极位降区，电位度可达105~106 V/cm-1的数量级。

(2) 弧柱区弧柱区是由电弧长度上均匀分布的导电气体组成。

弧柱的电阻较小，电压降较小，电位梯度一般为10~50 V/cm-1。

弧柱中正负带点离子流虽然有很大的区别，但每瞬间每个单位体积中正、负带电粒子数量相等，这是由于弧柱中电子流所需的电子可以从阴极区得到充分的补充，而是弧柱从整体上呈中性。

因此，所谓等离子体即指弧柱部分。

(3) 阳极和阳极区阳极基本上仅受弧柱区流来的电子，电子流入阳极也集中在阳极表面的阳极斑点区内。

阳极区指靠近阳极斑点附近约10-3~10-4 cm电场强度较高的区，其电位梯度约为103~105 V/cm-1数量级。

进入阳极区的电子带来大量的热量，使阳极温度升高。

1.2.5 等离子弧的特点(1) 温度高，能量集中[8]由于等离子弧受到强烈的压缩作用，弧柱中心的电离度大，电流密度大，电压高，因而其温度高，能量集中。

图1.2是等离子喷涂的非转移型弧的温度分布。

图1.2 等离子非转移型弧温度分布由图可见，在等离子中心温度最高达32000 k。

图1.3是钨极自由电弧和转移弧的温度对比。

两者均采用氩气作为工作气体，氩气流量为1.1 m3/h，电流为200 A，钨极自由电弧的电压为14.5 V，转移弧的电压为29 V。

从图中可以看出，转移弧的温度最高可达240000 k 以上，儿女自由电弧只能达到18000 k，并且整个转移弧的温度均在14000 k以上。

这一特点可以使得等离子弧可以熔化任何难容材料，增加了等离子喷焊的应用范围。

(2) 焰流速度高、冲击力大进入喷枪的工作气体瞬时被加热到上万度高温，工作气体急剧膨胀，形成等离子焰流自喷嘴中高速喷出，具有很大的冲击力。

在喷嘴附近，焰流的喷射速度高达亚音速或超音速。

在等离子喷焊时，这一特点对提高涂层与基体的结合强度是非常有力的。

(3) 稳定性好由于等离子弧是一种压缩型电弧，弧柱挺拔，指向性好，电离度高，因而电弧位置、形状以及弧电压、弧电流均比自由电弧稳定，不易受外界干扰。

这对于保证等离子喷焊工艺过程的稳定可靠具有重要意义。

(4) 调节性好压缩型电弧可调节的因素较多，可以通过改变输入功率、工作气体的流量、喷嘴的尺寸以及电源的连接方法等来控制等离子弧的温度和热量；通过变换工作气体的种类可以得到氧化、中性或还原气氛；通过改变弧电压、喷嘴结构和气体流量等，可以控制等离子焰流的冲击力等。

图1.3 钨极自由电弧和转移弧的温度分布对比1.2.6 等离子弧的形式按电源的接线方式可以讲等离子弧分为非转移型等离子弧、转移型等离子弧和联合型等离子弧[8,9]，如图1.4所示。

(1) 非转移型等离子弧非转移弧如图1.4a所示。

电源的正负两极分别接在喷嘴和阴极上。

等离子弧子喷嘴和阴极之间形成。

工件上不接电源，等离子弧在喷嘴内部。

当连续送进工作气体时工作气体被等离子弧加热，就会形成高温等离子焰流从喷嘴内部喷射出来。

非转移弧常用于喷涂、表面处理以及焊接或切割较薄的金属或非金属。

(2) 转移型等离子弧转移型等离子弧如图1.4b所示。

电源的正负两极分别接在工件和阴极上。

在阴极和工件之间形成等离子弧。

在引燃转移弧时必须先引燃非转移弧，即现将电源正极接到喷嘴上，引燃非转移弧后，将电源正极从喷嘴切换到工件上，形成转移弧。

其温度较非转移弧高，能量集中，常用于切割、焊接及堆焊。

图1.4 等离子弧的形式(3) 联合型等离子弧联合型等离子弧如图1.4c所示。

工件、喷嘴均接在正极，在喷嘴与阴极之间形成非转移弧，在工件和阴极之间形成转移弧，这两种形式的电弧同时存在。

一般非转移弧是作为辅助热源，起着引燃转移弧及预热金属粉末的作用；转移弧主要用来加热粉末和工件，是喷出的粉末迅速进入熔池与工件融合。

由于非转移的存在能够提高转移弧的稳定性，因而在很小的电流下，连联合弧依然很稳定。

主要用于电流在100 A以下的微束等离子焊接。

1.3 等离子喷焊等离子喷焊是以转移型等离子弧为主要热源、在金属表面喷焊合金粉末的方法。

1.3.1等离子喷焊的基本原理图1.5 是等离子喷焊焊接原理图。

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践。

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。