等离子弧堆焊是阀门焊接应用最多的焊接技术之一。本文介绍了等离子弧焊的焊接原理，设备构成和特点，堆焊用粉末材料。结合阀门焊接实际情况，对等离子堆焊工艺进行了探讨，并对等离子堆焊中出现的工艺故障及焊接缺陷进行了研究，对故障排除及缺陷处理进行了阐述。
一、前言
    阀门技术的发展，依赖于材料科学，结构学的发展。近年，我国合成材料，新合金钢及新技术的发展，新兴金属材料的利用，取得了很大进展，这些都为阀门技术的发展增添了新的内容。合成材料更是层出不穷，如聚丙烯、聚碳酯、尼龙等材料制造阀门，已在化工领域使用。新型陶瓷阀门也正在逐步推广使用。这些新型的阀门介质复杂，特别是很多是在高温、高压及高腐蚀、高磨损等环境下工作，因此制造要求很高。
 
    工业中目前广泛应用的高、中压阀门（石油、化工、电站等设备）多以硬质合金作为阀门密封面材料。由于这些阀门工作条件恶劣，提高密封面的使用寿命是一个很切实际的问题。如果采用手工填充或埋弧焊工艺、氧-乙炔气焊、氩弧韩等进行焊接，不仅产品质量不能保证，而且劳动强度高，工时大，生产过程烦琐。使用等离子弧焊的方法在被磨损表面进行堆焊，不仅具有生产效率高，质量稳定，易于机械化、自动化；而且该焊接方法使用粉末作为填充材料，克服了硬质合金难于制丝等问题。目前，大部分阀门企业都有1台以上的等离子弧焊设备，很多企业的等离子弧焊设备占到了所有焊接设备1/3以上。这也从一个侧面说明了等离子弧焊在阀门制造中的重要性。
    要很好的应用这项技术，需要解决设备、工艺、材料等各方面存在的问题，需要全方位的进行介绍和阐述。本文就简要介绍了一些要点，并重点对可能出现的一些工艺故障及焊接缺陷进行了研究分析。
 
二、等离子焊设备及材料
 
    等离子是指在标准大气压下温度超过3000℃的气体，在温度谱上可以把其看作为继固态、液态、气态之后的第四种物质状态。等离子是由被激活的高子、电子、原子或分子组成。等离子弧焊是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法。钨极氩弧焊使用的热源是常压状态下的自由电弧，简称自由钨弧。等离子弧焊用的热源则是将自由钨弧压缩强化之后而获得电离度更高的电弧等离子体，称等离子弧。经压缩的电弧其能量密度更为集中，温度更高。等离子弧的最大电压降是在弧柱区里，这是由于弧柱被强烈压缩，使电场强度明显；增大的缘故。因此，等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属。等离子弧的特性是能量密度可达10000-100000W／cm2，其温度可达18000～24000K。
 
    等离子弧焊就是利用被压缩了的等离子弧的热量，由粉末输送装置将合金粉末输送到弧柱区域内，并利用压缩空气，将半熔或全熔的合金粉末喷射到母材（基体）表面上，形成所需的合金焊层的一种金属表面强化技术。
 
    等离子弧焊设备由以下几部分组成：焊接电源、控制箱、送粉器、喷枪、冷却系统和通风防护装置组成。焊接电源一般要求调节方便，可控性好，同时为了缓解等离子弧强大冲击电流对基体材料造成有害熔深，需要对电路增加电流递增装置，使电流可以衰减，以获得好的堆焊层。控制箱主要是对焊接过程进行控制，很多新的设备已经可以实现自动化控制。送粉器需要送粉量均匀，使用方便。对于喷枪，它是设备中非常关键的部件，需要保证堆焊工艺的稳定、可靠、持续运行；因此需要喷枪设计合理 、枪体紧凑 、重量轻体积小 、调节方便 、可适性好 、既适用于手持焊接，也可实现自动化焊接，灵活方便。一般说来，中小型零件的单道堆焊工作时间短，对喷枪的要求只限于使用柔性弧以便获得冲击小、硬度均匀、组织致密的高质量堆焊层。除了喷枪本身带有保护嘴外，对于大功率喷枪，还需要在喷口加上屏蔽罩。
 
    材料方面，等离子弧焊主要使用粉末材料。粉末材料的质量，成分的正确配比，以及工艺上的合理选用，直接影响到堆焊层的质量。目前我国的粉末生产厂家众多，产品系列基本可以满足各种应用要求，特别是阀门方面，目前的粉末已经比较成熟。阀门上应用的主要分为三大类：铁基、镍基和钴基。
 
三、等离子弧焊工艺分析
 
    等离子弧焊必须严格控制下列参数：粉末送给量的稳定和灵活的可调性，非转移弧与转移弧的电流规范送粉气与离子气的精确调节转动台速度的调节，喷枪摆幅与摆动频率的调节，喷嘴与工件的距离等。
 
    在焊接前，可以对工件进行简单机械清理，让工件表面有金属光泽，除去锈蚀、油污和氧化物，以达到更好的堆焊效果。要选取好合适的焊接电流，不能因为追求速度而过度调高电流。一般喷枪与工件的距离为5-20mm。某些较大的低碳、中碳及低合金钢零件需要进行预热，对于珠光体、马氏体钢，即便是较小的零件也必须预热，以防止堆焊层裂纹的出现。大的零件，以电炉做恒温预热较方便，保温一定的时间使工件的内部温度与表面温升相一致。然而由于大工件堆焊时间长，工件温度梯度大，刚性强，容易形成很大内应力，因此堆焊过程中应不间断加热；焊毕后做等温缓冷处理。如果采用的合金粉末具有较高的硬度，而堆焊的面积又较大则在堆焊过程中必须采用不同的手段进行不间断的预热，以防止堆焊层产生新的裂纹。因此，焊前预热及焊后热处理对堆焊层很重要。
 
    另外，对等离子堆焊工艺中几个重要参数也进行了分析。熔敷率指单位时间内合金粉末在零件上熔敷的效率。该参数必须严格控制，防止堆焊金属被稀释。冲淡率（混合比）指一般在在堆焊层中母材占成分的5-10%。冲淡率随填充材料不同而不同，如当堆焊高度为5mm时，Co-Cr-W混合比可打10%，而Co-Cr-W-B混合比为4%。冲淡率的测量一般采用作图法将堆焊层宏观照片放大，测量焊层熔深部分的面积与堆焊总面积的比值。但碳钢是采用化学成分分析的方法进行测量的。
 
    粉末送给系统要求稳定可靠，合金粉末一般应在干燥恒温箱内烘焙一小时。对于主弧转移电弧，若转移弧增加，则送粉量及离子气增加，使送粉发生困难，飞溅增加，熔敷率下降，焊接质量下降。喷枪与工件的距离若过大，则弧柱稳定性下降，电弧发生漂移，对熔池的保护效果显著下降。距离过小则熔深增加，冲淡率增加。经过大量实践，喷枪与工件的距离及机器的性能有密切关系。首先是与转移电弧的空载电压喷枪设计有直接关系。必须指出，某些自熔性差，熔点较高的粉末在变化堆焊参数的前提下（如离子气流量加大送粉气和送粉量增加，工件移动速度慢，摆动频率减小等），将喷枪与工件的距离适当提高，反而改善了堆焊的工艺性能。主要原因是具有高速动能的合金粉末，从喷枪最喷出后，有一个相对的较长时间在弧柱内停留，增加了合金粉末的受热时间，减弱了合金的动能，使粉末飞溅状况有明显改善。
 
    工件移动速度和喷枪摆动频率对稀释度、堆焊层的硬度及焊层的高度有很大影响。工件移动速度快，在其他工艺参数不变的情况下，堆焊层高度降低，冲淡率降低，合金粉末焊层金属与基本金属结合强度下降。若摆动频率过高，焊炬往返来回过快，从喷嘴喷出的粉末严重散失，沉积率下降。摆动频率在不超过特定范围的情况下，对堆焊高度的影响不明显，但对熔深影响很大。
 
四、结语
    由于等离子弧焊具有弧柱温度高，可用冶金粉末范围广等优点，可以大大简化堆焊材料的制造过程，特别是可以利用多种合金元素，在等离子弧的作用下得到不同性能的硬化密封面。故等离子弧堆焊是目前阀门制造中最重要的技术之一。