等离子弧堆焊综述
材料表面工程结课论文——
等离子弧堆焊
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摘要................................................................................................................... - 1 -
一、堆焊简介........................................................................................................... - 1 -
1.1堆焊定义 .............................................................................................. - 1 -
1.2堆焊材料 .............................................................................................. - 1 -
1.2.1 铁基堆焊合金 ........................................................................... - 1 -
1.2.2 钴基堆焊合金 ........................................................................... - 2 -
1.2.3 镍基堆焊合金 ........................................................................... - 2 -
1.2.4 铜基堆焊合金 ........................................................................... - 2 -
1.2.5 复合堆焊合金 ........................................................................... - 2 -
1.3堆焊的常用方法 .................................................................................. - 3 -
1.3.1 手工电弧堆焊 ........................................................................... - 3 -
1.3.2 氧—乙炔火焰堆焊 ................................................................... - 3 -
1.3.3埋弧堆焊 ................................................................................... - 4 -
1.3.4钨极氩弧堆焊 ........................................................................... - 4 -
1.3.5等离子弧堆焊 ........................................................................... - 5 -
二、等离子弧堆焊简介........................................................................................... - 5 -
2.1等离子弧的产生及特点 ...................................................................... - 5 -
2.2等离子弧堆焊的原理及特点 .............................................................. - 6 -
2.2.1 等离子弧堆焊的原理 ............................................................... - 6 -
2.2.2 等离子弧堆焊的特点 ............................................................... - 7 -
2.3等离子弧堆焊的分类 .......................................................................... - 8 -
2.4粉末等离子弧堆焊 .............................................................................. - 8 -
2.4.1 自熔性合金粉末 ....................................................................... - 8 -
2.4.2 复合合金粉末 ........................................................................... - 9 -
2.5等离子弧堆焊的应用 .......................................................................... - 9 -
2.5.1 修复机械零件 ........................................................................... - 9 -
2.5.2制造双金属零件 ....................................................................... - 9 -
三、等离子弧堆焊的发展趋势............................................................................. - 10 -参考文献........................................................................................................... - 11 -
摘要
等离子弧堆焊工艺是表面涂覆技术的一个分支，是焊接工艺方法在表面工程领域中的重要应用。与其它类型的表面工程技术如化学领域中的电镀、热处理领域中的表面热处理和化学热处理等相比，等离子弧堆焊是一种表面处理新技术在国内外获得了很快的发展[1]。本文就等离子弧堆焊技术在表面工程上的应用展开，从等离子弧的产生到等离子弧堆焊技术的应用，以及目前等离子弧堆焊的各个方面的研究进展进行了相关论述，对等离子弧堆焊技术进行了比较详尽的概括。
关键词：堆焊；表面涂敷；等离子弧；
一、堆焊简介
1.1堆焊定义
堆焊（Hard Surfacing）是利用焊接热源使基材表面与敷焊的材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程。它的目的不是为了联接零件，而是借用焊接的手段在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材料,以获得所需的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷层。
堆焊是一种改善机械表面耐磨性的简单、经济且行之有效的方法。它是用焊接方法在零件表面堆一层具有一定性能材料的工艺过程，将焊接中的零件连接技术移植到零件表面进行敷焊的技术，利用焊接热源使基材表面与敷焊材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程技术。用堆焊方法将耐磨材料覆盖在基体材料上，既提高了耐磨性、延长零件使用寿命,又节省了贵重材料，降低成本。它不是为了连接零件，其目的在于增加零件的耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能[2]。
1.2堆焊材料
1.2.1 铁基堆焊合金
铁基合金是应用最广泛的一类堆焊合金。铁基合金原材料来源广，价格低。由铁基合金获得的焊层有良好的耐磨性。此外，经过成分和组织的调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性，因此得到了广泛应用。根据堆焊层的成分和组织,铁基堆焊合金可分为珠光体、马氏体、奥氏体、莱氏体、碳化物等几种类型。
1.2.2 钴基堆焊合金
该系列堆焊合金以金属钴为基，是在司太立合金基础上发展起来的。它在司太立合金的基础上加入了微量元素改善了合金的某些特性，堆焊层的显微组织是奥氏体+共晶组织，当含碳量高时，组织中还会出现大块的合金碳化物。钴基合金的特点是在650℃以上时仍具有较高的强度和硬度，具有优良的热强性、抗氧化性、抗热疲劳性能，较好的耐磨性、耐擦伤、耐腐蚀性，比较适合在600℃-700℃的高温工作，如高温阀门密封面的堆焊，但是价格昂贵。
1.2.3 镍基堆焊合金
以镍为基的自熔合金统称为镍基合金。该类合金熔点低，流动性好，具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐热和抗氧化等综合性能，但成本较高。这种合金系统主要分为镍硼硅系统和镍铬硼硅系统。NiCrBSi系合金含B约1.5%-4.5%，堆焊层组织是奥氏体+硼化物+碳化物，堆焊层常温硬度一般为60HRC，耐低应力磨粒磨损性能优良，但冲击韧性一般，高温性能好，在540℃时仍能保持48HRC，且耐氧化耐腐蚀性能好，常用于阀门密封面的堆焊。
1.2.4 铜基堆焊合金
堆焊用的铜基合金主要是铝青铜、硅青铜、锡青铜，有时也用黄铜和紫铜。
在某些条件下，铜合金具有良好的耐蚀性能和抗黏着磨损性能，具有较低的摩擦系数，良好的抗海水和大气腐蚀性能，塑性好，易于加工。但铜基合金耐磨料磨损性能和抗高温蠕变能力差，易受硫化物和氨盐的腐蚀。硅青铜和铝青铜耐海水腐蚀的能力很强，铝青铜具有耐气蚀的性能，黄铜和青铜在金属与金属间的磨损场合性能优良，被广泛用于修理轴承表面。
1.2.5 复合堆焊合金
复合堆焊合金是由两种以上不同成分的固相材料所组成，是一种新型工程材料。复合粉末与由不同粉末机械混合而成的粉末相比存在显著差别，可实现不同综合性能要求的粉末(如金属与陶瓷的复合粉末)的制备，防止出现成分偏析，保证单颗粒的非均质性和粉末整体均匀性的统一。
WC系复合堆焊合金多用于承受冲击载荷的严重磨损情况。WC/镍基、WC/钴基是WC系复合堆焊材料中最重要的两个系列，加入极硬的WC作主体硬质相，目的是使整体材料的硬度和抗磨损性能有很大提高。
铬碳化合物的硬度高于石英砂磨粒的硬度，性能优于普通渗碳体，因而成为耐磨多元复合强化堆焊合金的主要硬质相。合金中加入B，可溶入碳化物或置换碳化物中的碳
原子，形成硬质硼化物或复合硼碳化合物相，硬化效果明显。
TiC的硬度极高。TiC/铁基合金表面抛光后，摩擦系数低，有自润滑功能。热处理后，坚韧强硬的基体相对TiC颗粒支撑特别坚固。
1.3堆焊的常用方法
1.3.1 手工电弧堆焊
用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为焊条电弧堆焊。其焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。焊条电弧堆焊在使用中有如下特点：（1）备简单，轻便，适合现场焊接。
（2）焊接时是明弧，便于焊工操作者观察，焊接灵活性大，特别是对一些形状不规则和零件的可达性不好的部位进行堆焊尤为合适。
（3）焊条电弧焊热量集中，通过选择不同的焊条能够获得几乎所有的堆焊合金成分。
（4）这种焊接方法的生产率较低，工件温度梯度大，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊2~3层，但是堆焊层太多会导致开裂。
1.3.2 氧—乙炔火焰堆焊
氧—乙炔焰用途较广，由于它的火焰温度较低（3100℃左右），而且可以调整火焰的能率，可以得到低的稀释率（1%~10%）和薄的堆焊层，一般采用碳化焰焊接，乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到广泛使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点。所以该焊接方法主要用于小零件的制造和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊。氧—乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷熔等工艺中。其原理示意图如图1。
图1. 氧—乙炔火焰堆焊示意图
1.3.3埋弧堆焊
埋弧堆焊的实质和一般的埋弧焊没有区别，它有生产效率高，劳动条件好，能获得成分均匀的堆焊层等优点，常用于轧辊、曲轴、化工容器和核反应堆压力容器衬里等大、中型零部件。又可分为：
（1）单丝埋弧堆焊。普通单丝埋弧焊是常用的堆焊方法。常用于堆焊面积小的场合，它的缺点是熔深大、稀释率高。因此，可以采用焊丝摆动法，加宽焊道，减小稀释率，也可通过加入填充焊丝的方法，减小稀释率并提高了熔敷率；除此，为了减少熔深，也采用下坡焊、增大伸出长度、焊丝前倾和减小焊道间距等措施。提高电流可以增加熔敷速度，但也必须导致熔深大大增加，所以不能采用。
（2）多丝埋弧堆焊。双丝、三丝及多丝堆焊，是将几根并列的焊丝接在电源的一个极上，并同时向焊接区送进。多丝堆焊，可以容许采用很大的焊接电流，而稀释率却很小。如用六根直径3mm的焊丝，总电流达700~750A，最大熔深仅1.7mm，焊道堆高5.1mm，熔宽50mm。双丝埋弧堆焊焊接时，前一条焊丝可以小电流，减小稀释率，后一条可用大电流，堆焊焊接金属，提高生产率。为了使两焊丝熔化均匀，通常采用交流电焊接。
（3）带极埋弧堆焊。带极埋弧堆焊用矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝，可提高填充金属的熔化量，并且有小的熔深。常采用宽60mm，厚0.4~0.8mm的带极堆焊，为提高生产率，可以将宽度提高到180mm。还可以采用双带极、多带极和加入冷带等方法提高熔敷速度。带极埋弧堆焊常用于设备表面的修复中，也可用于化工和原子能压力容器不锈钢衬里等。
此外，还有串联电弧埋弧堆焊，粉末填充金属埋弧焊等。
1.3.4钨极氩弧堆焊
这是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但是能够获得质量高的堆焊层金属，除此，还有稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。
南昌大学李玉龙等采用钨极氩弧焊方法对碳钢的堆焊成型进行了研究，建立了基于BP神经网络的模糊控制系统，并且对于堆焊成型过程中的视觉传感系统进行了研究，取得了较好的研究结果。同时，南昌大学罗勇等开发了TIG焊堆焊成型中神经网络PID 温度控制系统，以保证在堆焊不同层时都处在接近的温度，试验结果证明，采用温度控制系统之后获得的不同层间的组织差异有所减小[5]。
1.3.5等离子弧堆焊
等离子弧的温度很高，所以能堆焊难熔材料，并能提高堆焊速度，稀释率最低可达5%，堆焊层厚度在0.5~8mm，宽度约3~40mm，这种方法低稀释率、高熔敷率的堆焊，但设备成本较高，堆焊时有强烈的紫外线辐射及臭氧污染空间，所以要做好防护措施。常用于质量要求高的批量生产上。下面对等离子弧堆焊作重点介绍。
二、等离子弧堆焊简介
等离子弧堆焊工艺是表面强化技术的一个分支。它以联合型或转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，堆焊时将工件表面及堆焊材料同时熔化，并使两种材料相互混合构成熔池，熔池经冷凝结晶形成堆焊层。
等离子堆焊技术出现于20世纪60年代。发展初期，主要用于修复损坏的零件，如恢复零件的形状尺寸等。后逐渐将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合。80年代以后，等离子堆焊技术的应用领域进一步扩大，从表面修复扩展到制造业。进入90年代以来，受先进制造技术发展的影响，对等离子堆焊设备的研究越来越深入。国外设备对堆焊过程的主要工艺参数可进行自动检测和自动模拟控制，同时对试验数据建立数据库进行微机处理，从而大大提高了堆焊自动化程度。近年来，等离子堆焊技术与智能控制技术(CAD／CAM)和精密磨削技术相结合的近净型技术(Near Net Shape)引起制造业的广泛关注，同时其应用范围也不断扩大[3]。
2.1等离子弧的产生及特点
等离子弧是利用特制的焊枪，在阴极和冷喷嘴之间或者阴极和工件之间，使气体电离形成的电弧（又称压缩电弧）。当电弧穿过水冷喷嘴小孔时，受到冷气流和水冷喷嘴孔壁的冷却作用，电弧将产生以下三种压缩效应[1]：
(1)热压缩效应
紫铜喷嘴具有良好的导电性和导热性，由于受到水冷，喷嘴孔壁的温度很低。因此，进入喷枪气室内具有一定压力的气体离孔壁越近，其电离度越低，与孔壁贴近的冷气层基本上未电离，而是中性气体，这样使电弧和孔壁之间形成一圈既绝缘又隔热的中性气流层，电弧电流被迫集中到气体电离程度高的中心部位，电弧电流截面的收缩使电流密度增加，全部过程即为热压缩的有效反应。
(2)机械压缩效应
等离子弧柱周围的冷气层依附在喷嘴孔道的壁面。因此喷嘴孔径基本上确定了环形冷气流层的直径，也确定了等离子弧的粗细。显然喷嘴孔径及其几何尺寸除通过热压缩
效应实现对电弧不同程度的压缩外，还起到对电弧的机械压缩作用。
(3)自磁压缩作用
电弧电流有一定的流向，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，在电磁力的作用下，使弧柱受到指向弧柱中心的压缩力，从而弧柱受到压缩。
这三种压缩效应使电弧弧柱的截面积缩小，带电粒子密度增大，电场强度提高，这种压缩了的电弧称为等离子弧。
等离子弧具有如下特点[3]：
(1)等离子弧温度高、热量集中
由于等离子弧具有压缩作用，故其中心温度可达10000～50000K，能量密度可高达105～106W/cm2。由于等离子弧温度高，因此被加工材料一般不受熔点的限制。
(2)等离子弧热稳定性好
由于等离子弧中的气体是充分电离的，所以其电弧更稳定。等离子弧电流和电弧电压相对于弧长在一定范围内的变化不敏感，即在弧柱较长时仍能保持稳定燃烧，没有自由电弧易飘动的缺点。
(3)等离子弧具有可控性
等离子弧可以在很大范围内调节热效应，除了改变输入功率外，还可以通过改变气体的种类、流量及改变喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的热能和温度；可以通过选择不同的工作气体来调整等离子弧工作气氛；可以通过改变电弧电流、气体流量和喷嘴压缩比来调节电弧的刚度。
2.2等离子弧堆焊的原理及特点
2.2.1 等离子弧堆焊的原理
等离子弧按电源的连接方式分为转移型和非转移型两种基本形式。转移型的电源两极分别接于电极与工件，电弧在它们之间燃烧，水冷喷嘴起收缩作用。非转移型的电源两极分别接于电极和水冷喷嘴上，工件不接电源，喷嘴既是电极，又起收缩作用。转移型与非转移型同时存在的称为混合型等离子弧，堆焊是以混合型和转移型等离子弧为热源。图2为等离子弧堆焊原理示意图。
在采用联合型等离子弧堆焊时，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。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、
送粉量和其他工艺规范参数，来控制合金粉末的熔化及传递给工件的热量。随着焊枪和工件的相对移动合金熔池逐渐凝固，在工件上获得高密度、高结合强度的堆焊组织结构。
图1 等离子弧堆焊的原理示意图
2.2.2 等离子弧堆焊的特点
与其他表面堆焊方法如氧乙炔火焰堆焊、焊条电弧堆焊等相比较，等离子堆焊具有许多优点。
（1）生产率较高。等离子弧堆焊过程是在自动化控制下进行的，其生产率高，熔敷率高。现在国外的大功率等离子弧堆焊电流高达500A，熔敷率可达12kg/h。
（2）母材对合金稀释率低。由于工艺上可调规范参数多，因此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，降低母材对合金的稀释率。
（3）堆焊层成形较好。等离子弧堆焊一般采用氩气保护，堆焊层成形平整、光滑。通过改变工艺规范参数，可精确控制成形尺寸且尺寸范围宽。
（4）喷焊层质量和工艺稳定性好。由于等离子弧稳定性好，外界因素的干扰对电参数和电弧稳定性影响较小，从而使工艺易于稳定。由于等离子弧温度高，热量集中，喷焊速度快，一次熔成，使工件热影响区小，喷焊层合金组织晶粒细，硬度和化学成分均匀，喷焊层质量好。
（5）合金粉末制备简便，使用材料范围广。等离子弧区的温度高达(1.0-5.0)×l04K，因此可以堆焊各种金属。堆焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状的粉末，制备简便，可按需要的配方熔炼成成分不同的合金粉末，获得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。一般具有高硬度、耐磨损、耐高温和耐腐蚀的合金难以制成线材并用其他工艺方法堆焊，而将这些合金制成粉末，采用等离子喷焊却是简便易行的。
（6）可控性好。可以通过改变功率、改变气体的种类、流量及喷嘴的结构尺寸来调节等离子弧的气氛、温度等电弧参数，从而实现高效自动化生产。
（7）被堆焊的工件温度较低，一般不易变形，为了进一步降低堆焊时工件的温度，还可以用气体对工件进行冷却。
2.3等离子弧堆焊的分类
按照填充材料的填充方式不同，等离子堆焊可分为：
（1）冷丝等离子堆焊
冷丝等离子堆焊把焊丝作为填充材料，不经预热直接送入焊接区进行堆焊。
（2）热丝等离子堆焊
热丝等离子堆焊是利用焊丝自身的电阻进行预热后，再送入等离子区进行堆焊，可采用单丝或双丝送丝。
（3）预制型等离子堆焊
预制型的等离子堆焊是将堆焊合金预制成一定的形状并放置在待堆焊表面，然后将其用等离子熔化而形成堆焊层。
（4）粉末等离子堆焊
粉末等离子堆焊是将合金粉末送入等离子弧区并将其熔化而获得堆焊层的一种堆焊方法。绝大多数合金都可以制成粉末，故粉末等离子堆焊的材料来源十分广泛，而不像丝材那样受到材料延展性的限制。
2.4粉末等离子弧堆焊
粉末等离子弧堆焊常用的合金粉末主要有自熔性合金粉末及复合粉末。
2.4.1 自熔性合金粉末
自熔性合金粉末包括镍基、钴基、铁基、铜基等。其中铁基合金粉末因原材料来源广，价格低，性能好，得到了广泛应用。镍基和钴基合金粉末具有良好的综合性能，但镍和钴属于稀缺金属，成本高，一般只用于有特殊表面性能要求的堆焊。
（1）镍基自熔性合金粉末：以镍为基的自熔合金统称为镍基合金。它可分为两类：镍硼硅系列和镍铬硼硅系列。镍硼硅系列在镍中加入适量的硼、硅元素所形成的自熔合金；镍铬硼硅系列是在镍硼硅系合金中加入铬和碳，就能形成用途广泛、品种较多的镍铬硼硅系自熔合金。
（2）钴基自熔合金粉末：该系列自熔合金以金属钴为基，是在司太立合金基础上发展起来的。它在钴铬钨合金中加入B、Si元素形成。钴基自熔性合金具有优良的高温
性能、较好的热强性、抗腐蚀性及抗热疲劳性能，比较适合在600℃~700℃高温工作的抗氧化、耐腐蚀、耐磨损的表面涂层。如高压阀门密封面的堆焊。
（3）铁基自熔性合金粉末：铁基自熔性合金粉末是以铁为主，由铁、铬、硼、硅等几种主要元素组成。这类合金是在铬不锈钢和镍铬不锈钢的基础上发展起来的。可分为两种类型：奥氏体不锈钢型自熔合金（在奥氏体不锈钢中加入硼、硅元素，并调整碳和合金元素的含量）和高铬铸铁型自熔合金。
（4）铜基自熔性合金粉末：铜基合金具有较低的摩擦系数，良好的抗海水、大气腐蚀性能。铜基合金抗擦伤性好，塑性好，易于加工。目前我国研制并生产的铜基自熔合金粉末主要有两类，一种是锡磷青铜粉末，一种是加入镍的白铜粉末。
2.4.2 复合合金粉末
复合粉末是由两种或两种以上具有不同性能的固相所组成，不同的相之间有明显的相界面，是一种新型工程材料。组成复合粉末的成分，可以是金属与金属、金属（合金）与陶瓷、陶瓷与陶瓷、金属（合金）与塑料、金属（合金）与石墨等，范围十分广泛，几乎包括所有固态工程材料。
按照复合粉末的结构，一般可分为包覆型、非包覆型和烧结型等不同类别粉末。包覆型复合粉末其芯核颗粒被包覆材料完整的包覆着；非包覆型粉末的芯核材料，被包覆材料包覆的程度是不完整的，它取决于组分的配比，无论包覆型复合粉末或是非包覆型复合粉末，各组分之间的结合一般为机械结合[4]。
2.5等离子弧堆焊的应用
等离子堆焊主要应用于以下两个方面：修复各种由于磨损、腐蚀等造成损坏的机械零件；制造双金属零件[1]。
2.5.1 修复机械零件
修复各种由于磨损、腐蚀等造成损坏的机械零件，如：扎丝辊、轴类、各种模具等等。它们往往因为局部磨损，形状和尺寸不符和要求，以至于不能使用而报废，采用堆焊工艺修复旧件，不仅能够节约费用还能够大幅度提高使用寿命。
2.5.2制造双金属零件
制造双金属零件，在生产中常常对工件表面和基体有不同要求，采用堆焊方法妥善解决了一个工件表面和基体性能要求不同的矛盾，既节省了大量的贵重金属及合金，又能提高零件的使用性能。如：无缝钢管顶头顶部需采用高温钼基合金，才能达到要求，
可以通过堆焊的方式制造双金属复合顶头，代替昂贵的钼顶头。利用粉末等离子弧堆焊工艺可配制和堆焊含钼量高的高温合金。
三、等离子弧堆焊的发展趋势
等离子弧堆焊技术未来的发展趋势是提高生产效率，降低劳动成本，通过该技术获得具有高性能的堆焊层，最大程度上延长机械零部件的使用寿命。
由此趋势决定该技术今后的发展集中在以下几方面[3]：
（1）等离子弧堆焊设备的改进完善。相比较其它堆焊技术，目前等离子弧堆焊设备较复杂，成本高。加强对堆焊设备的研究工作，尤其是对堆焊枪体及配套系统的开发研制，以提高连续自动化作业条件下的生产的可靠性，进一步提高堆焊层质量、堆焊效率并降低成本是该技术今后的一个发展趋势。
（2）新型高性能堆焊复合粉末的开发研制。现代工业的发展对机械零部件的表面性能提出了越来越高的要求，应根据不同的工况条件，不断开发出具有更高性能的等离子弧堆焊粉末。
（3）适用于新型材料的堆焊工艺的研究。不同的堆焊材料具有不同的性能特点，应加强其相应的工艺研究，确定合理的等离子堆焊工艺参数，从而提高堆焊质量，获得预期性能，使它成为成熟的技术，尽快应用于工程实践。
（4）基础理论研究的发展。基础理论的深入研究会为等离子堆焊技术的更广泛应用提供理论依据。近年来主要的研究热点有：堆焊材料在等离子弧柱中的热行为分析；新型堆焊材料所形成的堆焊层的组织、性能特点及变化规律；工艺与性能的相互关系。
目前，国外的等离子堆焊设备、材料及相关产品的价格昂贵，技术附加值很高。我国应加强对该技术的研究，不断发展完善该技术，加速等离子堆焊技术在工程实践中的普及推广，使之在我国工业现代化生产中发挥重要作用。
我国堆焊技术已广泛应用于模具修复和压力容器等行业，并取得了显著的成效，为我国制造业的发展做出了突出贡献。但我国还不是堆焊技术发展强国，堆焊材料不够系列化，堆焊方法不够高效化、经济化，堆焊设备不够专业化。为了使堆焊技术更好地贡献于“循环经济”和“绿色再制造”的发展，国内相关研究者正在努力设计和改进堆焊材料和堆焊方法，使堆焊材料优质高效化，堆焊方法先进化，努力开发制备出更智能化、专业化的堆焊设备，使我国堆焊技术走向世界。只要堆焊行业能同相关行业紧密合作，不断跟踪国际上的先进技术和经验，不断创新，就一定能使我国成为堆焊技术发展的强国[6]。
参考文献
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补充：气体保护堆焊的特点是：焊层氧化轻，质量高，效率高，热影响区较小，明弧便于施工观察。电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热来熔化堆焊材料和母材的堆焊过程。目前用得较多的是带极电渣堆焊，具有比带极埋弧堆焊高50%的生产效率和更低的稀释率（可控制在10%以下）及良好的焊缝成型，不易有夹渣等缺陷。表面不平度小于0.5mm，单层堆焊即可满足要求，无需机加工。适用于压力容器内壁大面积堆焊。电渣堆焊用于堆焊在含氢介质中工作的工件时，由于焊接速度较低，热输入较大，造成母材和堆焊层之间的边界层晶粒粗大，使堆焊层抗氢致剥离性能下降。由于其热输入较大，一般只适用于堆焊大于50mm的厚壁工件。
等离子堆焊技术的原理与应用
等离子堆焊技术的原理与应用 ___宁波镭速激光科技有限公司 摘要：等离子弧堆焊是利用等离子弧作为热源将填加金属熔化，使之与基体金属作为实现冶金结合的一种堆焊方法。等离子堆焊技术具有节能、高效和质量稳定等特点，使其成为重要的绿色制造及再制造技术之一。随着国内制造业的迅速发展，焊接技术尤其是等离子堆焊技术也得到较快的发展。本文介绍了等离子堆焊技术的原理、应用以及发展前景。关键词：等离子堆焊技术原理设备与材料工艺及应用 引言：等离子堆焊于20世纪60年代开始投入工业应用。它是利用焊炬的钨极作为电流的负极和基体作为电流的正极之间产生的等离子体作为热量，并将热量转移至被焊接的工件表面，并向该热能区域送入焊接粉末，使其熔化后沉积在被焊接工件表面，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺。该堆焊技术具有生产率高，成型美观以及堆焊过程易于实现机械化及自动化等优点。与钨极氩弧焊相比，等离子堆焊具有熔深可控性强、熔敷速度大、生产率较高，堆焊后基体材料与堆焊材料之间的界面呈冶金结合状态，其结合强度高，热输入量低，稀释率小。更为重要的是，由于钨极承载电流的能力较差，因此在氩弧焊中较大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染，而等离子堆焊中钨极需要承受电流较小[2-3]；与手工电弧焊相比，虽然在应用灵活性、方便性上稍逊一筹，但在生产效率上枪体现出明显的优势，且手工电弧焊劳动强度较大、影响焊工健康，产品质量受焊工水平和焊条质量影响较大；与埋弧焊相比，在焊接位置上的灵活性比较大。另外等离子弧本身具有弧心热量集中、电弧稳定、稀释率低等优点。随着自控技术的发展，越来越多的堆焊设备中引入了CNC控制，从而实现对弧压、电流、送粉量、摆动幅度他摆动频率等堆焊重要参数的精确控制，另外在堆焊系统中引入数控系统，可以控制焊枪行走速度和工件运动，通过调节相关的堆焊参数，可以对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整[4]；与其他堆焊技术相比，等离子堆焊过程中基体材料与堆焊材料的互熔较少，堆焊材料特性变化小；另外采用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的自由度，使堆焊难熔材料成为可能，从而大幅度提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。因此等离子堆焊可广泛地用于石油、化工、工程机械、矿山机械等行业的新品制造与装备再制造中。 1、等离子堆焊技术的原理 等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。等离子粉末堆焊具有较高的生产率，美观的成型以及堆焊过程易于实现机械化及自动化。 等离子弧是属于高温高能束流，电弧温度可达30000℃，功率密度在 1.5×102～1.6×104W/mm2。高压缩程度的等离子弧用于焊接、切割和喷涂时，其效果可与激光、电子束方法相比；而较低压缩程度的堆焊等离子弧，是一种压缩性可调的柔性等离子弧，它既可以实现堆焊对高速熔敷的需求，又可以满足低稀释率的条件，同时还不易产生双弧，成为理想的堆焊热源。
堆焊原理
原理 粉末等离子弧堆焊（亦称等离子喷焊，国外称为PTA工艺），是采用氩气等离子弧作高温热源，采用合金粉末作填充金属的一种表面熔敷（堆焊）合金的工艺方法。 粉末等离子弧堆焊的基本过程如图1所示，利用等离子弧焊枪（或称喷枪，等离子弧发生器），在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使气体电离形成电弧，此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，在压缩孔道冷气壁的作用下，产生热收缩效应、机械压缩效应、自磁压缩效应，使弧柱受到强行压缩，这种电弧为“压缩电弧”，称为等离子弧。电弧被压缩后，和自由电弧相比会产生很大的变化，突出的是弧柱直径变细，促使弧柱电流密度显著提高，气体电离很充分，因而电弧具有温度高、能量集中、电弧稳定、可控性好等特点。等离子弧焊枪产生的等离子弧分非转移型弧（阴极与喷嘴间建立的电弧）和转移型弧(阴极与工件间建立的电弧)。等离子弧堆焊的主要热源是转移型等离子弧。 在采用联合弧堆焊时，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(简称“非弧”)和转移弧(简称“转弧”)。两个电源的负极并联在一起，通过水电缆接至焊枪的钨电级（阴极）。非弧电源的正极通过水电缆接至焊枪的喷嘴。转弧电源的正极接至工件。循环冷却水通过水电缆引至焊枪，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和流量调节器进入焊枪。非弧电源接通后，借助在电极和喷嘴之间产生的高频火花引燃非转移弧。转弧电源接通后，借助非弧在钨极和工件间造成的导电通道，引燃转弧。转弧引燃后，可保留或切断非弧，主要利用转弧的热量在工件表面产生熔池和熔化合金粉末。合金粉末按需要量连续供给，借助送粉气流送入焊枪，并吹入电弧中。粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态落入熔池，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧电流来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量，合金和工件表层熔合。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，便在工件上获得所需要的合金堆焊层。
等离子堆焊机介绍及应用
目录 公司发展历程 (2) 工艺及工作原理 (4) 应用领域 (5) 现场案例 (8) 常见问题解决方案 (9)
工艺及工作原理 PTA等离子转移弧堆（喷）焊工艺原理： 一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，利用等离子弧堆（喷）焊专枪（或称等离子弧发生器），在阴极和水冷紫铜喷嘴之间，或阴极和工件之间，使气体电离形成电弧，此电弧通过孔径较小的喷嘴孔道，弧柱的直径受到限制，在压缩孔道冷气壁的作用下，产生热收缩效应、机械压缩效应、自磁压缩效应，使弧柱受到强行压缩，这种电弧为“压缩电弧”，称为等离子弧。电弧被压缩后，和自由电弧相比会产生很大的变化，突出的是弧柱直径变细，促使弧柱电流密度显著提高，气体电离很充分，因而电弧具有温度高、能量集中、电弧稳定、可控性好等特点。等离子弧堆焊（喷）专枪产生的等离子弧分非转移型弧（阴极与喷嘴间建立的电弧）和转移型弧(阴极与工件间建立的电弧)，等离子弧堆焊的主要热源是转移型等离子弧。 PTA等离子转移弧堆（喷）焊工作原理： 是利用等离子弧作为热源，由送粉器向堆焊枪供粉，吹入电弧中，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、随堆焊枪和工件的相对移动，等离子弧离开后液态合金逐渐凝固，形成一层高性能的合金堆焊层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，
熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末熔覆后基体材料和堆焊材料之间形成融合接口，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；焊道平滑整齐，不加工或稍加工即可使用。利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性或耐冲击性！ 技术优势： 1、堆焊熔覆合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高； 2、堆焊熔覆速度快，低稀释率；粉末等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一15%或更低。 3、堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现高效自动化生产，提高劳动生产率，减轻劳动强度。 4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行粉末等离子弧堆焊； 5、与其他粉末等离子喷焊相比设备构造便利，低耗、高效、实用易操作，维修维护方便；
等离子弧焊接原理及设备
第4章等离子弧焊接等离子弧焊接设备
4.1 等离子弧的产生及其特性1. 等离子弧的产生 1 ）等离子弧概念 等离子电弧的形成及电弧形态比较 等离子弧是通过外部拘束 使自由电弧的弧柱被强烈 压缩形成的电弧。 通常情况下的GTA和GMA 电弧，为自由电弧，除受到电弧 自身磁场拘束和周围环境的冷却拘束 外，不受其他条件束缚，电弧相同相对比较扩展，电弧能量密度和温度较低。若把自由电弧缩进到喷嘴里，喷嘴的孔径小，电弧通过时，弧柱截面积受到限制，不能自由扩展，产生了外部拘束作用，电弧在径向上被强烈压缩，形成等离子弧。
2）等离子弧的工作方式 ①转移型等离子弧。 (a)等离子弧方式 在喷嘴内电极与被加工工件间 产生等离子弧。由于电极到工件的 距离较长，引燃电弧时，首先在电极 和喷嘴内壁间引燃一个小电弧，称作“引燃弧”， 电极被加热，空间温度升高，高温气流从喷嘴孔道中流出，喷射到工件表面，在电极与工件间有了高温气层，随后在主电源较高的空载电压下，电弧能够自动的转移到电极与工件之间燃烧，称为“主弧”或“转移弧”。
②等离子焰流 在钨电极与喷嘴内壁之间引燃等离子弧。由于保护气通过电弧区被加热，流出喷嘴时带出高温等离子焰流，堆被加工工件进行加热，称作“等离子焰流”。电极与喷嘴内壁间的电弧，其电流值较小，电弧温度低，故等离子焰流的温度也明显低于电弧，指向性不如等离子弧。 等离子焰流方式 ③混合型等离子弧 当电弧引燃并形成转移电弧后仍然能保持引燃弧的存在，即形成两个电弧同时燃烧的局面，效果是转移弧的燃烧更为稳定。
2. 等离子弧特性及用途 1）电弧静特性 与TIG电弧相比，等离子弧的静特性的特点： ①受到水冷喷嘴孔道壁的拘束，弧柱截面积小，弧柱电场强度增大，电弧电压明显提高，从大范围电流变化看，静特性曲线中平特性区不明显，上升特性区斜率增加。 等离子弧静特性变化特点 (a)等离子弧与TIG电弧静特性(b)小弧电流对等离子弧静特性影响
各种堆焊对比
1.等离子转移弧堆焊 等离子转移弧堆焊硬面装置是利用电弧电离气体在压缩电弧区形成物质第四态“等离子体”作为热源（负极），合金粉末（堆焊材料）通过等离子弧区输送到工件（正极）表面建立熔池，并快速冷却形成金相组织均一与工件呈冶金结合的合金焊层的先进设备。 等离子转移弧堆焊的优点 （1）弧柱区温度高，电流密度、堆焊线能量大；保证在高堆焊速度条件下，能形成与基体呈冶金结合，金相组织均一的焊层。 （2）热影响区小：基体材料机械强度损失少，对高合金基材，焊后残余应力和焊后开裂倾向小。 （3）焊层晶粒细化，呈树枝状：相同堆焊材料，PTA工艺焊层耐磨性高。 （4）焊层稀释率低：焊层稀释率与氧－乙炔工艺相当，比惰性气体钨极焊TIG(GTA)要低，稀释率的高低对常温硬度、高温硬度和耐磨性都有显著影响。 （5）焊层平整，加工量小（省料、省工） （6）便于自动控制，适于大批量、多品种流水作业。 粉末等离子弧堆焊主要工艺指标 （1）熔敷率：熔敷率是指单位试件内熔焊在工件上的合金粉末重量。计量单位是：kg/h 或g/min。熔敷率越高则生产效率越高。 （2）粉末利用率：粉末利用率是指单位时间内，从焊枪送出的合金粉末量和熔敷金属重量之比，用百分数表示。堆焊时，不可能使焊枪送出的合金粉末全部熔敷在工件上，部分粉末由于飞溅而未落入熔池，或以熔珠的形式而流失，并有少量粉末在堆焊过程中氧化，所以粉末利用率很难达到100％。 （3）冲淡率：冲淡率是指工件（基体金属）熔化后混入堆焊层，对堆焊合金的冲淡程度，即：冲淡率＝焊层中基体金属总量/焊层合金总量，由于堆焊层成形较平整，熔深基本一致，因此，冲淡率还可以按下式表示：冲淡率≈工件熔深/堆焊层厚度。 （4）堆焊层质量：堆焊层质量包括外观质量和内部质量。外观质量指成形好坏，宏观上有无明显弧坑、缩孔、裂纹、缺肉等缺陷。内部质量是指堆焊层内部有无气孔、夹渣、裂纹、未焊透等缺陷，微观组织结构的均匀性。 在冲淡率和堆焊质量符合要求的情况下，堆焊层的物理化学性能，如：硬度、耐磨性、耐蚀性、金相组织等主要取决于粉末合金材料的性能，而工艺规范的控制也会对焊层性能产生一定的影响。 （5）堆焊层的利用率：阀面堆焊后，要经过机加工达到成品尺寸。成品尺寸中的堆焊
等离子堆焊粉末参数要求
等离子堆焊粉末参数要求 一：Ni 60A是高硬度的镍铬硼硅合金粉末，自熔生、润湿性和喷焊性优良，而且熔点比较低，喷焊层具有硬度高、耐腐蚀、耐磨、耐热特点，难以切削，以湿式磨削为宜。适用于氧—乙炔火焰或等离子喷焊工艺，常用于耐蚀、耐磨、特别是耐滑动磨损零件的预防性保护和修复，如拉丝滚筒、凸轮、柱塞、轧钢机的输送辊、气门等。 粉末化学成份（W t℅） C Cr Si B Fe Ni 0.5-1 14-19 3.5-5.0 3.0-4.5 ﹤8.0 余量 粉末熔化温度:960-1040℃ 喷焊层硬度:HRC:58-62 注意事项:1.请严禁按氧-乙炔火焰或等离子喷焊工艺的要求施焊。 2．采用中小型喷枪时，宜选用-150目的粉末，采用大型喷焊枪时宜选用-150/+300目的粉粉末。 3．合金粉如有吸潮现象，使用前应进行干燥处理（120℃，保温1小时）。 二：Ni15是低硬度的镍硼硅自熔合金粉末。自熔性润湿性较好，喷涂层耐腐蚀，有较好的抗高温氧化性，机械加工性能很好，该产品是本公司专门为修复铸件而开发的，具有独特的喷焊特性和机械加工性能，熔合后铸件的热影响区很小。适用于氧-乙炔火焰焊工艺，主要用于铸造业，修补铸件缺陷，如发动机气缸、机床导轨等。 粉末化学成份（W t℅） C Li Si B Fe Cu Ni ﹤0.1 ﹤0.1 1.6-2.4 0.8-1.4 ﹤0.5 8.0-10 余量粉末熔化温度:1020-1150℃ 喷焊层硬度:HR:150-180 注意事项:1.请严禁按氧-乙炔火焰喷焊工艺的要求施焊。 2.在喷焊造型复杂的工件时,具体的操作工艺将影响成攻率,有问题请向本公司咨询 3．合金粉如有吸潮现象，使用前应进行干燥处理（120℃，保温1小时）。 三：Fe45是中等硬度的铁镍铬硅硼合金粉末。自熔性较好,具有较好的耐磨性,可以切削加工。适用于氧-乙炔火焰或等离子喷焊工艺，常用于阀门密封面以及农业、运输、建筑机械的易磨损部位的修复或预防性保护。如齿轮、刮板、车轴等。 粉末化学成份（W t℅） C Cr Si B Ni W Mo Fe 0.4-0.8 15-20 2.3-3.5 1.5-2.5 9.0-12 2.0-3.0 1.0-2.0 余量粉末熔化温度:1100-1200℃ 喷焊层硬度:HRC:40-45 注意事项:1.请严禁按氧-乙炔或等离子喷焊工艺的要求施焊。 2. 采用氧-乙喷焊枪时，宜选用-150目的粉末，采用等离子喷焊枪时宜选用-60/+150目的粉粉末。 3．合金粉如有吸潮现象，使用前应进行干燥处理（120℃，保温1小时）。
等离子体刻蚀机原理
等离子体刻蚀机原理 什么是等离子体？ ?随着温度的升高，一般物质依次表现为固体、液体和气体。它们统称为物质的 三态。 ?当气体的温度进一步升高时，其中许多，甚至全部分子或原子将由于激烈的相 互碰撞而离解为电子和正离子。这时物质将进入一种新的状态，即主要由电子和 正离子（或是带正电的核）组成的状态。这种状态的物质叫等离子体。它可以称 为物质的第四态。 等离子体的应用 等离子体的产生
等离子体刻蚀原理 ?等离子体刻蚀是采用高频辉光放电反应，使反应气体激活成活性粒子，如原子或游离基，这些活性粒子扩散到需刻蚀的部位，在那里与被刻蚀材料进行反应，形成挥发性反应物而被去除。 ?这种腐蚀方法也叫做干法腐蚀。 等离子体刻蚀反应
?首先，母体分子CF4在高能量的电子的碰撞作用下分解成多种中性基团或离子。 CF4→CF3，CF2，CF，C，F ?其次，这些活性粒子由于扩散或者在电场作用下到达SiO2表面，并在表面上发生化学反应。 ?生产过程中，在CF4中掺入O2，这样有利于提高Si和SiO2的刻蚀速率。 等离子体刻蚀工艺 ?装片 在待刻蚀硅片的两边，分别放置一片与硅片同样大小的玻璃夹板，叠放整齐，用夹具夹紧，确保待刻蚀的硅片中间没有大的缝隙。将夹具平稳放入反应室的支架上，关好反应室的盖子。 检验方法 ?冷热探针法 检验原理 ?热探针和N型半导体接触时，传导电子将流向温度较低的区域，使得热探针处
电子缺少，因而其电势相对于同一材料上的室温触点而言将是正的。 ?同样道理，P型半导体热探针触点相对于室温触点而言将是负的。 ?此电势差可以用简单的微伏表测量。 ?热探针的结构可以是将小的热线圈绕在一个探针的周围，也可以用小型的电烙 铁。 检验操作及判断 ?确认万用表工作正常，量程置于200mV。 ?冷探针连接电压表的正电极，热探针与电压表的负极相连。 ?用冷、热探针接触硅片一个边沿不相连的两个点，电压表显示这两点间的电压为负值，说明导电类型为p，刻蚀合格。相同的方法检测另外三个边沿的导电类型是否为p型。 ?如果经过检验，任何一个边沿没有刻蚀合格，则这一批硅片需要重新装片，进行刻蚀。 一．等离子体刻蚀工艺原理: 等离子体刻蚀机是基于真空中的高频激励而产生的辉光放电将四氟化碳中的氟离子电离出来从而获得化学活性微粒与被刻蚀材料起化学反应产生辉发性物质进行刻蚀的。同时为了保证氟离子的浓度和刻蚀速度必须加入一定比例的氧气生成二氧化碳。 二．主要用途及适用范围： 该设备主要对太阳能电池片周边的P—N结进行刻蚀，使太阳能电池片周边呈开路状态。也可用于半导体工艺中多晶硅，氮化硅的刻蚀和去胶。 三．使用环境及工作条件： 1）环境温度：5℃—40℃； 2）相对湿度：<70%； 3）环境净化等级：>10000级； 4）大气压强：一个标准大气压； 5）电源：三相交流380（1±10%）V，频率50 （1±10%）Hz； 6）所用气体压力：0.1Mpa—0.2 Mpa；所用气体为四氟化碳、氧气和氮气。 7）每台设备要有良好的，独立的接地且接地电阻最好小于0.1Ω；四．总体结构： 本设备由真空管路系统、气路系统、反应室、压力控制系统、SY型射频功率源、电源供电及控制部分组成。 1）真空管路系统主要由2X—15型旋片式真空泵、电磁隔断放气阀、波纹管、碟阀、预抽阀、电磁隔断阀组成。 2）气路系统主要由控制四氟化碳、氧气、尾气、稀释、氮气的电磁阀及不锈钢管和软管组成。其中为了精确控制四氟化碳和氧气10:1的混合比例，在控制四氟化碳和氧气电磁阀的后级加了质量流量计。（这里要附带讲一下关于工作压差的问题，我们所用的质量流量计的工作压差为0.1Mpa—0.5Mpa。而反应室的辉光工作压力为80Pa或更低，尤其是在充气瞬间。因此这就是为什么要求供气压力设定为0.1Mpa—0.2 Mpa的原因。以前出现过由于硅片刻不通，操作
传统喷焊与等离子堆焊的技术差异
传统喷焊与等离子堆焊的区别 宁波镭速激光科技有限公司氩弧焊技术是在普通电弧焊的原理的基础上，利用氩气对金属焊材的保护，通过高电流使焊材在被焊基材上融化成液态形成溶池，使被焊金属和焊材达到冶金结合的一种焊接技术，由于在高温熔融焊接中不断送上氩气，使焊材不能和空气中的氧气接触，从而防止了焊材的氧化，因此可以焊接铜、铝、合金钢等有色金属。 1.氩弧焊 氩弧焊因为热影响区域大工件在修补后常常会造成变形、硬度降低、砂眼、局部退火、开裂、针孔、磨损、划伤、咬边、或者是结合力不够及内应力损伤等缺点。尤其在精密铸造件细小缺陷的修补过程在表面突出。在精密铸件缺陷的修补领域可以使用冷焊机来替代氩弧焊由于冷焊机放热量小较好的克服了氩弧焊的缺点弥补了精密铸件的修复难题。 氩弧焊与焊条电弧焊相比对人身体的伤害程度要高一些氩弧焊的电流密度大发出的光比较强烈它的电弧产生的紫外线辐射约为普通焊条电弧焊的5-30倍红外线约为焊条电弧焊的1-1.5倍在焊接时产生的臭氧含量较高因此尽量选择空气流通较好的地方施工,不然对身体有很大的伤害。 2等离子焊 和其他焊机相比之下，等离子堆焊的优点体现在哪些方面呢? 1.钨极缩在水冷铜喷嘴内部，不可能与工件接触，因此可避免焊缝金属产生夹钨现象。电弧搅动性好，熔池温度高，有利于熔池内气体的释放。 2.等离子电弧由于压缩效应及热电离度较高，电流较小时仍很稳定。配用新型的电子电源，焊接电流可以小到0.1A，这样小的电流也能达到电弧稳定燃烧，特别适合于焊接微型精密零件。 3.可产生稳定的小孔效应，通过小孔效应，正面施焊时可获得良好的单面焊双面成形。 4.等离子堆焊的能量密度大、电弧方向性强、熔透能力强，在不开坡口、不加填充焊丝的情况下可一次焊透8～10mm厚的不锈钢板。与钨极氩弧焊相比，在相同的焊缝熔深情况下，等离子弧焊接速度要快得多。 5.焊缝质量对弧长的变化不敏感，这是由于等离子弧的形态接近圆柱形，发散角很小，约5°，且挺直度好，弧长变化时对加热斑点的面积影响很小，易获得均匀的焊缝形状。工件上受热区域小，热影响区窄，因而薄板焊接时变形小。 由于其焊接速度快，焊缝美观，焊缝质量好，成本低，等离子焊接已广泛运用于设备制造业中对各种型式的接头进行焊接、医疗设备、真空装置、薄板加工、波纹管、仪表、传感器、汽车部件、化工密封件等。 微束等离子焊更是在实际运用中显露出巨大的优势，其焊缝质量可与激光焊比肩。微束等离子技术已成功的应用于大多数金属的焊接，如钢、不锈钢、各种合金钢、铜、镍、钛、钼、钨、金、铂、铑、钯等各种金属及其合金材料。典型应用产品有传感器膜盒，焊接波纹管，微电机定子铁心，电子产品，不锈钢锅 喷涂工艺需要融化金属粒子，导致喷涂温度高，使机体内部产生热应力，机体表面产生热变形。其次，因为除火焰喷涂外都无法人工操作，操作危险。此外，传统热喷涂工艺很难控制喷涂面积与厚度，所以与喷涂效果差。并且设备不便携带。
等离子弧焊剖析
等离子弧焊接（WP 15） 一、等离子弧焊原理及方法分类 1. 等离子弧： 是等离子体组成。自由电弧被强迫压缩后，电流密度增加，导致电弧温度升高，电离度增大，中性气体充分电离，就形成等离子弧。 2.等离子弧产生的三要素 （1）机械压缩作用： 利用水冷喷嘴孔道限制弧柱直径，提高弧柱的能量密度和温度。 （2）热收缩作用： 由于水冷喷嘴，在喷嘴内壁建立一层冷气膜，迫使弧柱导电断面进一步减小，电流密度进一步提高。这叫热收缩，也叫热压缩。 （3）磁收缩作用： 弧柱电流本身产生的磁场对弧柱再压缩作用。也叫磁收缩效应。电流密度越大，磁收缩作用越强。 3.等离子弧的特点 （1）能量集中（能量密度105~6 W/cm2TIG自由电弧<10 4W/cm2）。 （2）温度高（18000K～24000K）。 图1 自由电弧和等离子弧的比较图
4.等离子弧的三种基本形式 （1）非转移型等离子弧 钨极为负，喷嘴为正，钨极与喷嘴之间产生等离子弧。（等离子束焊接） 图2 非转移型等离子弧示意图 （2）转移型等离子弧 钨极为负，工件为正，钨极与喷嘴之间先引弧后，转移到钨极与工件之间产生等离子弧。（等离子弧焊接） 图3 转移型等离子弧示意
（3）联合型等离子弧 非转移型和转移型弧同时并存。主要用于微束等离子弧焊、粉末堆焊等方面。 图4 联合型等离子弧示意图 5.等离子弧焊基本方法 （1）小孔型等离子弧焊（穿孔、锁孔、穿透焊） 利用能量密度大和等离子流力大的特 点，将工件完全熔透并产生一个贯穿工件的 小孔，熔化金属被排挤在小孔的周围，沿着 电弧周围的熔池壁向熔池后方移动，使小孔 跟着等离子弧向前移动，形成完全熔透的焊 缝。 一般大电流等离子弧（100～300安培） 时采用该方法。 图5 小孔型等离子弧焊焊缝成形原理
粉末等离子弧堆焊技术
粉末等离子弧堆焊技术 1. 产生背景 粉末等离子弧堆焊技术是现代工业生产中能适应各种高合金高性能材料堆焊要求的一种焊接方法，而且稀释率可控制在5％～15％之间。但如果使用常规的粉末等离子孤堆焊技术，希望得到小于5％稀释率时，所能获得的熔敷速度均在6kg ／h以下。随着现代工业的发展，特别是对大面积高性能耐磨堆焊的需求，国内外开展了先进的高效，低稀释率粉末等离子弧堆焊技术研究。70年代美国曾研究了“高能等离子孤堆焊技术”，其功率达80kW，后捷克又发展了一种液稳等离子孤堆焊设备，熔敷速度达56kg／h。但稀释率仍在20％以上，90年代德国成功地研制了熔敷速度高达70kg／h稀释率能控制在10％以下的粉末等离子孤堆焊技术；国内90年代中也开始研究该技术，并已取得熔敷速度达15kg／h，稀释率能控制在l％以下的可喜成果。 2. 技术内容和技术关键 传统的粉末等离子孤堆焊技术没能很好地解决熔敷速度和稀释率之间的矛盾，主要由于：第一，对焊接过程熔化粉末和母材的能量来源只注意来自电弧的热能，对其他形式的能量，如粉末飞行的动能注意不够。其次，以往偏重研究能量的来源而忽视对能量消耗的研究。 国内最近通过对等离子弧的压缩特性、焰流特性及粉末在等离子孤束中的运动和加热规律的研究了解了喷嘴直径、粉末会交点到工件的距离等因素对粉末飞行速度和粉末吸收热量的影响规律（见图1，图2），在此基础上得出了高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规粉末等离子孤堆焊技术的不同点，即它的关键技术参数是：焊枪喷嘴的压缩孔径D和粉末会交点到工件的距离L。 传统的粉末等离子弧堆焊技术为了获得小的稀释率，往往采用喷嘴内径较大，甚至接近自由电弧的直径(4.0～8.0mm)，压缩比较小(0.8～0.14)的弱压缩等离子弧。但如果考虑粉末飞行速度对结合效果的影响，则当粉末具有较高的速度和动能时，母材只须一微层处于熔化状态（即“发汗”状态），以高速飞行的粉末打到母材上，会产生良好的结合，此时母材的稀释率极低。从图1可见，为了获得高的粉末飞行速度，希望采用小的喷嘴直径和大的粉末会交点到工件的距离。 另外，从图2可看出，为了减小熔化单位重量粉末所消耗的热量，以达到在相同电流条件下，可加大送粉量，从而提高熔敷速度的目的可以有二条途径：采用小的吸嘴压如孔径，低的粉末会交点；或大的压缩孔径，高的粉末会交点。但后—种途径由于喷嘴孔径过大，等离子弧的温度，热量将减小，等离子弧发散，能量不集中，无法满足熔化大量粉末的需要。因此当电流即热输入固定的前提下，取小压缩孔径和适中的粉末会交点为宜。 当然压缩孔径也不能过小，不然极易引起双弧，目前推荐D在2.0～4.0mm之间为宜。粉末会交点到工件距离也不能过大，否则不利电弧的稳定燃烧，更严重时会产生未熔合或焊道中部分粉末未熔化等现象。推荐L取10～20mm为宜。 其次，在焊枪的设计上还需注意阴极和喷嘴有良好的同心度，枪体无漏水现象，易损件使用寿命长，能长时间稳定工作等问题。同时还需配备有足够大送粉量的送粉系统。再配以合理的堆焊规范参数，可实现优质、高效、低稀释率的目的。 3．优缺点及应用范围 高效低稀释率粉末等离子弧堆焊技术与常规粉末等离子弧堆焊技术相比，在相同
等离子粉末堆焊机
等离子粉末堆焊机：堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因此，喷焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。 而现代工业中（石油、化工、电站、煤矿等设备）很多机械设备零件由于工作条件恶劣，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，而提高材料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、氩弧焊等进行焊接，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。使用等离子弧喷焊的方法在被磨损表面进行喷焊，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；稀释率也从电弧堆焊的30 %～60 %降低到等离子弧的5% 我公司生产的等离子粉末堆焊机是将等离子弧作为热源，以一定成分合金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。其较高的生产率，美观的成型，堆焊过程易于实现机械化及自动化。采用等离子堆焊工艺方法，试验表明，这一工艺方法对提高材料耐磨，耐腐蚀及高温性能，延长使用寿命，节省贵重材料，降低产品成本具有实际意义。
等离子粉末堆焊系统是我公司自主研发的拥有完全自主知识产权的金属表面改性设备，该堆焊工艺是提高金属表面耐磨性、耐腐蚀性和耐冲击等性能的有效技术方法之一。 基本原理：等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。等离子粉末堆焊具有较高的生产率，美观的成型以及堆焊过程易于实现机械化及自动化。 等离子粉末堆焊控制范围： 一次堆焊的厚度－－－－－－－－－－0.5-5mm左右 一次堆焊的宽度－－－－－－－－－－2-10mm左右 粉末粒度－－－－－－－－－－－50－300目 粉末堆焊效率－－－－－－－－≥90% 稀释率－－－－－－－－－－－5%-10% 应用范围： 等离子粉末堆焊机可广泛的用于石油、化工、工程机械、矿山机械、工业机械（螺杆、螺旋、轴辊等），阀门等行业，如各类阀门密封面（常规的碟阀、球阀、闸阀、截止阀、止回阀、安全阀等）的耐磨喷焊，以及石油钻杆、轴承、轴、轧辊的磨损后的修复等，其应用前景非常广阔。 技术优势： 1、堆焊熔覆合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高； 2、堆焊熔覆速度快，低稀释率；等离子弧堆焊的稀释率可控制在5%一10%，或更低。 3、堆焊层组织致密，成型美观；堆焊过程易实现机械化、自动化； 4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行等离子喷
等离子喷涂粉料研究讲解
山东科技大学 等离子喷涂粉料的研究 课程论文：材料表面工程基础 学院：材料科学与工程学院 专业：无机非金属材料工程13-2 姓名：刘凤军 学号：201301130414 2016年4月12日
等离子喷涂粉料的研究 刘凤军无机非金属材料工程13-2 201301130414 摘要：随着科学技术的不断发展，人们对机器零部件表面性能的要求也越来越高，一股的金属材料和工程合金，在表面的耐磨性，耐腐蚀和耐高温等方面，已远远不能满足要求。等离子喷涂技术和其它喷涂方法(氧己快火馅喷涂、金属电弧喷涂)相比，可以熔化一切难熔金属和非金属粉末，使普通材质的零件表面获得一层具有耐磨、耐腐蚀、耐高温等各种不同性能的涂层。它可以达到提高机器设备零部件的表面质量、延长使用寿命、修复已损缺的旧件等目的。它还具有喷涂效率高，涂层致密、与基体的拈结强度高、零件热变形影响极小等优点。因此，等离子喷法技术在现代工业和尖端科学技术中得到了广泛的应用． 关键字：等离子喷涂陶瓷粉料氧化铝氧化锆碳化物等 一：等离子喷涂的基本原理及特点 基本原理：等离子喷涂基本原理是将金属（或非金属)粉末通过非转移型等离子弧焰流中加热到熔化或半熔化状态，并随同等离子焰流，以高速喷射并沉积到预先经过处理过的工件表面上，从而形成一种具有特殊性能的涂层。 喷涂特点：1．可以获得各种性能的涂层，2．喷涂后的涂层致密和粘接强度高，3．喷涂后涂层平整、光滑，并可精确控制，4.等离子喷涂能获得含氧化物少，杂质少，很纯洁的涂层，5.喷涂时对工件的热变形影响小，无组织变化，6.喷涂效率高，7.喷涂工艺规范稳定，调节性能好，容易操作。 喷涂缺点：小孔径孔内表面难以喷涂，原因是喷枪尺寸及喷距限制。其次是由于高温、高速等离子焰流产生剧烈噪声、强光辐射、有害气体[如具氧、氮氧化合物等)，金属蒸汽、粉尘、对人体有害，需采取防护措施。 二：喷涂材料的分类及特点 喷涂材料按形状分，可分为线材及粉末两大类；按成分组成分，可分为金属，非金属及复台材料三大类。 金属及其合金线材．一般用于火焰及电弧喷涂。金用及其合金粉末一般用于火焰喷涂及喷熔，等离于喷涂和等离子弧堆焊。陶瓷材料一般为高熔点材料．主要用于等离子喷涂和爆炸喷涂。塑料粉末一般用于火馅及等离子喷涂。复合材料线材可用于火焰及电弧喷涂，粉末则用于火焰、等离子及爆炸喷涂。 喷涂材料应具备的特点： 1．热稳定性好热喷涂材料在喷涂过程中，必须能够耐 高温。即在高温下不改变性能。2．使用性能好根据对工件的要求，由喷涂材料形成的 涂层应满足各种使用要求(如耐磨、耐蚀等)、即喷徐材料也必须具有相应性能。3．湿润性能好湿润性能的优劣关系到涂层与基体的结合强度，涂层自身的致密度。液态流动性好，则得到的徐层也平整。因此，要求喷涂材料具有良好的湿润性。4．固态流动性好(粉末) 为保证送粉的均匀，要求粉末材科具备良好的固态流动性。粉末固态流动性与粉末形状、 湿度、粒度等因素有关。5．热膨胀系数合适若涂层与工件热胀系数相差甚远，则可能导致工件在由涂后冷却过程中引起涂层龟裂。因此，喷涂材料应与工件有相近的热胀系数。
等离子体刻蚀..
等离子体刻蚀 ●集成电路的发展 1958年：第一个锗集成电路 1961年：集成8个元件 目前：集成20亿个元件 对比： 第一台计算机（EN IAC，1946），18000 只电子管, 重达30 吨, 占 地180 平方米, 耗电150 千瓦。奔II芯片：7.5百万个晶体管 ●集成电路发展的基本规律 穆尔法则：硅集成电路单位面积上的晶体管数，每18个月翻一番，特征尺寸下降一半。 集成度随时间的增长： 特征长度随时间的下降：
集成电路制造与等离子体刻蚀 集成电路本质：微小晶体管，MOS场效应管的集成 微小晶体管，MOS场的制作：硅片上微结构制作----槽、孔早期工艺：化学液体腐蚀----湿法工艺 5微米以上 缺点: (a)腐蚀性残液----->降低器件稳定性、寿命 (b)各向同性 (c)耗水量大（why） (d)环境污染
随着特征尺寸的下降，湿法工艺不能满足要求，寻求新的工艺----> 等离子体干法刻蚀，在1969引入半导体加工，在70年代开始广泛应用。
等离子体刻蚀过程、原理： 4
刻蚀三个阶段 (1) 刻蚀物质的吸附、反应 (2) 挥发性产物的形成; (3) 产物的脱附, 氯等离子体刻蚀硅反应过程 Cl2→Cl+Cl Si（表面）+2Cl→SiCl2 SiCl2+ 2Cl→SiC l4（why） CF4等离子体刻蚀SiO2反应过程 离子轰击作用 三种主要作用 （1）化学增强物理溅射(Chemical en2hanced physical sputtering) 例如,含氟的等离子体在硅表面形成的SiF x 基与元素 Si 相比,其键合能比较低,因而在离子轰击时具有较高 的溅射几率, （2）晶格损伤诱导化学反应(damage - induced chemical reaction) 离子轰击产生的晶格损伤使基片表面与气体物质的反 应速率增大 （3）化学溅射(chemical sputtering) 活性离子轰击引起一种化学反应,使其先形成弱束缚的 分子,然后从表面脱附。 其他作用 ?加速反应物的脱附 ---> 提高刻蚀反应速度 ?控制附加沉积物---> 提高刻蚀的各向异性
等离子弧堆焊综述
材料表面工程结课论文—— 等离子弧堆焊 学院（系）： 专业： 学生姓名： 学号： 教学老师： 完成日期：
目录 摘要- 1 - 一、堆焊简介........................................................................................................... - 1 - 1.1堆焊定义 ................................................................................................. - 1 - 1.2堆焊材料 ................................................................................................. - 1 - 1.2.1 铁基堆焊合金 ........................................................................... - 1 - 1.2.2 钴基堆焊合金 ........................................................................... - 2 - 1.2.3 镍基堆焊合金 ........................................................................... - 2 - 1.2.4 铜基堆焊合金 ........................................................................... - 2 - 1.2.5 复合堆焊合金 ........................................................................... - 2 - 1.3堆焊的常用方法 ..................................................................................... - 3 - 1.3.1 手工电弧堆焊 ........................................................................... - 3 - 1.3.2 氧—乙炔火焰堆焊 ................................................................... - 3 - 1.3.3埋弧堆焊 ...................................................................................... - 4 - 1.3.4钨极氩弧堆焊 .............................................................................. - 4 - 1.3.5等离子弧堆焊 .............................................................................. - 5 - 二、等离子弧堆焊简介........................................................................................... - 5 - 2.1等离子弧的产生及特点 ......................................................................... - 5 - 2.2等离子弧堆焊的原理及特点 ................................................................. - 6 - 2.2.1 等离子弧堆焊的原理 ............................................................... - 6 - 2.2.2 等离子弧堆焊的特点 ............................................................... - 7 - 2.3等离子弧堆焊的分类 ............................................................................. - 8 - 2.4粉末等离子弧堆焊 ................................................................................. - 8 - 2.4.1 自熔性合金粉末 ....................................................................... - 8 - 2.4.2 复合合金粉末 ........................................................................... - 9 - 2.5等离子弧堆焊的应用 ............................................................................. - 9 - 2.5.1 修复机械零件 ........................................................................... - 9 - 2.5.2制造双金属零件 .......................................................................... - 9 - 三、等离子弧堆焊的发展趋势............................................................................. - 10 -参考文献................................................................................................................. - 11 -
第六讲 等离子体刻蚀
干法体硅加工―― 深反应离子刻蚀技术 干法体硅加工的必要性： 高深宽比微结构是MEMS体系必不可少的特征之一，基于硅的优异机械特性和半导体工业的积累，硅被选择作为MEMS 的主要结构材料，但是，湿法刻蚀难以实现任意形状的图形转移，复杂微结构的硅材料在高深宽比硅干法刻蚀获得进展之前是非常困难和有很多限制条件的，因此，人们在硅的深刻蚀加工方面倾注了大量的精力，因此也取得了长足进步，发展称为独具特色的专用加工设备，大有取代湿法刻蚀的趋势。 内容： 等离子体刻蚀技术 硅的刻蚀与高深宽比机制 应用
等离子体刻蚀技术 等离子体的形成： 当一定量的化学气体进入一定压力的腔体，在上下电极加上高电压，产生电弧放电，生成大量的离子和自由电子，这种由部分离化的气体组成的气相物质被称为等离子体 对于气体分子AB，其等离子体中可能含有： A,B,A+,B+,AB+,A*,B*,AB*，e 其中激发态的粒子会自发放电，产生辉光，称为辉光放电现象。于是： 直流激发的辉光放电被称为直流辉光放电 射频电流激发的放电就称为射频放电 对于直流等离子体反应，其典型气压约在1mTorr，典型装置如下：
平板间距决定了激发电源的电压，大约是5厘米对应500V，10厘米对应1000V的水平 处于两极之间的等离子体，正电粒子向负极运动，电子向正极运动，电子更快。 离子最终撞击阴极将产生更多的二次电子，二次电子再向正极运动，并被极间电场加速，当能量足够高时，与腔室内的气体分子碰撞，又可以产生新的离子，如此反复，就可以维持腔室内一定区域的等离子状态。 研究表明：等离子体中绝大多数仍为气体分子，自由基和带电粒子只占很小部分，对于简单的直流放电等离子体，自由基约占1%，而离子更是只有大约0.01% 因此，一般等离子体刻蚀反应主要是由自由基去完成的