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气门自动堆焊机 气门的锥面等离子堆焊技术 Plasma transferred arc (PTA) 一、什么是等离子体 物质的存在有四种状态,即气态、固态、液态和等离子态。在等离子喷焊过程中,合金粉末,工件等是固态。冷却水、熔化中的金属是液态。氩气是气态。 气门自动堆焊机,气门自动喷焊机,365bet官网

气门的锥面等离子堆焊技术

                  Plasma transferred arc (PTA)

  一、什么是等离子体

物质的存在有四种状态,即气态、固态、液态和等离子态.在等离子喷焊过程中,合金粉末,工件等是固态.冷却水、熔化中的金属是液态.氩气是气态.

喷焊过程中,钨棒是负极,喷嘴接正极.在两电极之间是气体(氩气).原本氩气是不导电的,但在电场的作用下,气的分子和原子受到从电极发射出的大量高速运动的粒子(如电子)的碰撞和加热,使电子脱离原子,成分带"一"电的自由电子,失去电子的原子成为带"+"的正离子,气体产生电离.被充分电离的气体中充满着带正电的正离子和带负电的电子——负离子.这两种带电离子共同存在于一个统一体中,其正电量总数和负电量总数相等,大家把这种已充分电离,正负离子数目相等的气体称为等离子体.

二、自由电弧与离子弧

    没有受到外界约束的电弧为自由电弧,或敞开电弧.手工电弧焊和氩弧焊的电弧就是自由电弧.这种电弧弧柱区的中心部位也是处于等离子态.但是电弧柱较粗,气体电离较低,电弧区内的气体没有充分电离,它的温度低,能量分散.其温度在6000~10000℃左右,自由电弧见图一.

等离子喷枪内的电弧存在于阴极与水冷喷嘴之间或阴极与工件之间,受到孔径较小的喷嘴孔的强行压缩.压缩后的电弧柱直径较细,电流密度提高,气体电离充分.大家把这种被压缩的电弧叫做等离子孤见图二.

等离子孤除变小喷嘴孔的强行压缩作用外还受到其它三种

效应的作用,即热收缩效应,机械压缩效应和自磁压缩效应.

1.热收缩效应:紫铜喷咀具有良好的导电性和导热性,由于冷却水的作用,靠近壁面的气流形成冷气流层(冷气壁).电流几乎不能通过这温度低、电离度很低的冷气壁,迫使电弧电流往电离高的中心部位流过,形成压缩效应,这种压缩效应称为热收缩效应.

2.机械压缩效应:喷咀孔内环形冷气壁直径越小对电弧的压缩作用越强.而冷气壁直径取决于喷咀孔直径.因此喷咀孔径及几何尺寸除通过热收缩效应压缩电弧外,也起着机械压缩的作用.

3.自磁压缩效应:弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体.每根通电导体都在它周围产生磁场.在磁场互相作用下,根据左手定则每根导体受到的电磁力都是指向这一束导体的中心见图三.这种自身磁场产生的电磁力作用的结果.使孤柱受到一个指向弧柱轴心的压缩力,从而电弧受到压缩.热压缩和机械压缩效应使弧柱变细,而弧柱变细后自磁压缩效应更强.

以上三个效应对电弧作用的结果产生等离子弧.三个效应的作用又是互相依存,共同作用的.热收缩效应和机械压缩效应是外因作用.自磁压缩效应是电弧本身具有的现象,属内在因素.

三、等离子弧的特点

等离子弧和自由弧相比,显著的不同点是弧柱细,电流密度大,气体电离很充分,因此它具有如下特点:

1.温度高,能量集中:等离子弧具有很高的导电性,电流密度大,高于自由电弧.热功率密度也高于自由电弧.通电导体的热功率密度为:式中 —电流密度(A/cm2), —是导电率(),从式中可看出,热功率密度与电流密度的平方成正比,所以等离子弧温度高,能量集中.其温度可达10000~50000 .要想选择高的温度用其它工艺方法是很难达到的.如氧—乙炔火焰最高温度区为3200 左右,手工电弧焊电弧温度为5000~6000 左右,氩弧焊也只有9000~10000 .(以-273.15℃为起点计算的温度称为绝对温度,单位K,通常在摄氏温度加上273.15就是绝对温度,0℃等于273.15 ,100℃等于373.15 )

2.稳定性好:等离子弧弧柱挺直,没有象自由电弧出现自由漂动的现象.在整个弧长中弧柱直径变化不大,在弧柱较长时仍能保持正常燃烧.

3.可控性好:电弧的刚度和其它参数可以通过气体的选择和流量的调整及改变压缩效应等外因条件来控制.

四、等离子弧的形式

1.当喷嘴接正极,钨棒接负极时,建立在喷嘴与钨棒之间的电弧叫做非转移弧.

2.当工件接正极,钨棒接负极建立在工件与钨极之间的电弧叫转移弧.

3.非转移弧和转移弧并存时叫做联合型等离子弧.分别由单独的电源供电.两台电源负极相联,都以独立回路,电流可以调,互不干扰.

当采用联合型弧工作时非转移弧一般是做为辅助热源.

五、等离子弧的工作气体

产生等离子弧的工作气体(也称离子气),常用的有氮(N2)、氢(H2)、氩(Ar)、氦(He)等.具体要选用哪种气体做为工作气体,须从工艺要求、经济效益、运输方便、使用安全等因素考虑.实践证明使用氩气(Ar)有以下优点:

1.氩气吸取热量后温度升高快,电离容易,引弧性能好.

2.氩气的导热系数低,分解度低,弧压低,能保持电弧的柔软性.

3.惰性气体氩在空气中所占的比例较多,制取方便,成本低.

4.氩气具有良好的保护性,不与液态金属起化学作用,而且不溶于金属中,在喷焊过程中金属烧损少,也不容易产生气孔.

5.使用安全.

六、等离子喷焊的基本过程

等离子弧粉末喷焊是应用氩气等离子弧做为高温热源,采用合金粉未做为填充金属,对气门锥面进行强化的工艺手段,合金粉未有斯太立粉等.

 

 

 

 图五  等离子喷焊过程示意图

 

1.2 直流弧焊机;3 高频振荡器;4 喷焊枪;5 送粉器;6 工件;7 浮子流量计;8 调节阀;9 电磁阀;10 氩气 

喷焊过程简述如下:采用两台独立的弧焊机做电源,分别供给非转移弧和转移弧,两个电源的负极并联在一起,接到喷焊枪的钨电极.电源正极分别接到喷焊枪喷咀和工件.电源接通后,借助于高频火花引燃非转移弧.借助非转移弧弧焰在钨极和工件之间造成的导电通道,过渡引燃转移弧.转移弧引燃后可保留或切断非转移弧,利用转移弧在工作表面产生熔池.合金焊粉通过送粉器实现连续供给,借助送粉气流送入焊枪,并吹入电弧.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,并排出气体和浮出溶渣.熔化合金粉末和在工件上形成熔池的热量可以通过调整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,随着焊枪和工件的相对移动,合金熔池逐渐凝固,在气门锥面上获得了所需要的强化层.

七、工艺故障分析及防止措施

工艺故障的频繁出现会严重影响焊层质量,因此认识产生工艺故障的原因和掌握预防工艺故障的措施是很重要的.

1.双弧

双弧是破坏转移弧稳定性的重要故障.在正常情况下,转移弧稳定地燃烧在钨极与工件之间,弧柱有清晰的轮廓线.当由于某种原因除了直接燃烧在钨极与工件之间的转移弧(主弧)外,还在钨极与喷嘴之间,喷嘴与工件之间形成电弧.这种与主弧并列的电弧,大家把它叫做双弧.

双弧的形成会有影响工作的等离子弧的稳定性.在外观上,弧柱的轮廓线变得模糊,电弧发散.主弧电流大大减少,弧柱电流密度大幅度降低,因而热能减少,热量分散,造成工件和合金粉末熔化不好.以至喷嘴的双弧使喷嘴冷却效果恶化,易造成结珠故障,严重时烧蚀喷嘴.

采取以下几点措施来防止双弧的产生:

1)扩大喷嘴孔径,减少压缩比,改变喷嘴孔出口的形状.喷嘴孔不宜细而长,出口逐渐扩散,且孔壁面与端面相交呈圆角过度,以防止夹角放电.

2)加强喷嘴孔壁和端面的冷却效果.增加冷气膜的厚度.

3)适当提高离子气的流量.增加冷气膜的厚度.

4)提高钨极与喷嘴的同心度,防偏斜时冷气膜局部薄面被击穿.

5)适当限制转移弧电流规范,电流密度大,冷气膜变薄,易被击穿.

2.结珠

合金粉末熔化后,粘附在喷嘴压缩孔壁面上,结成较大的熔柱,沿着孔道壁面往下流淌的现象,叫做"结珠"或"滴珠".严重影响气门锥面堆焊质量.

避免结珠的措施是:

1)制造的喷嘴送粉孔能保证粉流的对称性和粉末汇集点的位置.

2)喷嘴送粉孔能保证粉末输送的连续、均匀、流畅.

3)保证电弧的稳定性,避免双弧产生.

4)合金粉末应在使用前烘干,进行筛选,粒度分组,尽量保证颗粒均匀.

5)合理地使用非转移弧和选择转移弧的电流规范.

6)调整好钨极与喷嘴孔的同心度.

3.转移弧不稳定

转移弧不稳定出现的原因主要有以下几点:a. 双弧;b. 钨极尖端烧损;c. 钨极与喷嘴不同心.其表现为电弧发散,偏斜和跳动.

为了保持转移弧的稳定性,除采取一些避免双弧的措施外,还要注意焊枪使用一段时间后注意检查修磨电极,清理喷嘴和调整钨极与喷嘴的同心度.

八、气门锥面堆焊层质量缺陷及原因分析

1.气孔

熔池液态金属中的气体,在熔池冷凝过程中来不及逸出,残留在焊层中便形成气孔,气孔是焊层中的较常见的一种缺陷,但气门锥面不允许有气孔存在.产生气孔的原因主要有以下几个方面:

1)在喷焊中如果反复调整工艺参数仍不能减少气孔,则可认为是合金粉末工艺性能不好所致.合金焊粉工艺性能不好的原因是合金成分控制不当或熔炼制造中除氧,造渣排气不严.这种粉末在使用时熔池就会出现大量气体.粉末的熔渣太多,熔点偏高,当液态金属还没有凝固时,表面已经结渣,气体无法逸出焊层就会出现气孔.

2)受潮的合金粉末未经烘干处理使用,水份进入熔池.

3)工件喷焊面没经认真擦洗,残留有水、油或较多的氧化渣皮等杂物.

4)氩气不纯或在喷焊过程中氩气对熔池保护不良,使空气中O2N2H2侵入熔池造成气孔.

5)工艺规范造成,如转移弧电流太大,基体熔化过多,焊层中混入较多的有害元素.若转移弧电流过小,则使焊粉没有充分熔化,焊层疏松状态,孔洞多.

6)出现严重的双弧,结珠等工艺故障时,熔化粉末的和过渡到工件上的热量大幅度减少,溶池中的气体不能充分排除.

7)喷焊枪冷却水道密封不严,焊枪渗漏水.

8)转移弧起始时,无冲击值或冲击值小,焊层起始部位温度低,熔化粉末的热量不足.

2.夹渣

熔池液态金属中的熔渣未能充分浮出而残留在焊层里便形成夹渣.

1)产生夹渣的原因有以下几种情况:

a. 焊层塔接时,前焊道表面或边缘粘附的熔渣因电弧功率不足而不能充分浮出,残留在焊层里形成夹渣.

b. 合金焊粉的含渣量多,熔点高,粘度大.

2)避免夹渣的措施主要有:

a. 提高合金焊粉的质量,减少所含氧化物和夹杂物,增加粉末的脱渣能力.

b. 在喷焊中要选择适当电流,提高电弧的穿透能力,使熔渣得以充分逸出.

c. 多层喷焊要清除前一层焊道表面的熔渣.

3.裂纹

1)气门锥面焊层裂纹主要为横向裂纹,产生的原因有

a. 喷焊合金中含有较高碳量、硅量和硼量(C、Si、B),它们与其它合金元素形成合金化合物.这些化合物硬度高,韧性差,产生裂纹的倾向大.对于刚性大的工件,在液态合金凝固时产生的拉应力以及变形增加,超过合金的强度极限面产生裂纹.

b. 由于工艺规范参数选择不当,使焊层和基材熔化不好,成型差,或喷焊层有气孔夹渣等缺陷,产生应力集中,出现裂纹.

c. 焊层搭接部位电流衰减太快,液态金属冷却急剧收缩,产生弧坑裂纹.

d. 喷焊后焊层冷却速度太快,室温太低.焊层与基体热膨胀系数相差太大.

2)根据以上产生裂纹的原因应采取的防止措施是:

a. 选择热膨胀系数与母材相近的合金焊粉.

b. 工件喷焊面上避免有裂纹等缺陷.

c. 选择合适的喷焊工艺程序和工艺参数.

d. 如需要应对工件采取焊前预热,焊后缓冷的措施.

4.未焊透

由于转移弧电流过小,喷焊速度太快,送粉量过多,收弧未提前停粉等原因都可使合金焊粉在熔池里熔化不充分,焊层形成疏松组织.严重时焊层与基体熔合不良,出现焊层剥落现象.

5.缩孔

收弧时电流衰减太快,熔池温度急剧下降,在快速冷凝过程中得不到液态金属的补充,就会产生缩孔.在焊道宽,合金熔点高,液态流动性较差的情况下更容易出现缩孔.

避免产生缩孔的措施主要是适当调整转移弧电流衰减斜率,减慢收弧部位熔池的冷凝速度.

6.弧坑

焊层在熄弧处出现下陷的现象称弧坑.产生弧坑的原因是熄弧时断流电流太大,在弧坑处极易产生弧坑裂纹.

避免产生弧坑的措施是适当调整电弧衰减斜率以减少断弧时的电流.

7.粘豆 

在焊层两倾或某一侧粘结着较多的合金熔粒.这种现象称为粘豆.此现象不但影响焊层的美观,也会给机加工带来困难,还会造成合金的浪费.因此应尽量避免粘豆的产生.

产生粘豆的主要原因是

1)合金粉末空心颗粒多或潮湿,造成熔池液态金属飞溅严重.

2)出现双弧,结珠,电弧偏斜等工艺故障,使电弧不稳.

3)送粉偏向一侧,弧电流小,熔化不充分.

8.焊层成型不符合要求

焊层成型不好指焊层高低不平,宽窄不一,缺陷.

出现的原因是:

1)工件旋转不稳定.

2)转移弧电流不稳定.

3)结珠后熔滴进入熔池.

4)喷枪位置不当.

7. 8. 防止的措施都是完善设备,工艺规范参数适宜,熟悉操作技术,能根据喷焊情况随时调整喷枪位置和工艺规范.

九、开机前后工作及注意事:

1.开机前检查

1)检查各工艺动作程序是否完善,要求精确可调,其可调精度电压为1-2V,电流为1-2A,并且要求动作具有可靠性、重复性、稳定性.

2)检查喷焊枪使用性能完好,特别是不能漏水.

3)检查工件夹持转台应有良好冷却效果,转速应无级调速.

4)检查送粉器是否送粉连续、均匀(送粉误差+1%)灵敏度高,适应强,调节性好.

5)检查氩气瓶表压.

6)检查是否有良好的通风防扩装置.

2.开机

根据工艺参数(电流、弧压、氩气流量、工件转速、喷粉量等)调整妥当后,准备开机.

1)先开冷却水和氩气.

2)进后打开电源.

3.注意事项:

1)必须先开冷却水,若冷却水不开就开电源要烧坏焊枪.目前新设备都有联锁保护装置即冷却水不开电源不通.

2)气门必须洗干净,洗去油污,并且晾干.若有水迹,造成气孔.

3)气门锥面上不应该有氧化皮脏东西,否则造成气孔.

4)工艺三参数,在更换产品时必须调整好.

a. 电流大小(若调整不好,夹生过熔都会产生)

b. 转台转速(若调整不好,若不恒速则焊层高低不平)

c. 送粉量多少(取决于焊层厚薄)

 

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