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摘要：粉末等離子弧堆焊技術是現代工業生產中能適應各種高合金高性能材料堆焊要求的一種焊接方法，而且稀釋率可控制在5％～15％之間。但如果使用常規的粉末等離子孤堆焊技術，希望得到小于5％稀釋率時，所能獲得的熔敷速度均在6kg／h以下。隨著現代工業的發展，特別是對大面積高性能耐磨堆焊的需求，國內外開展了先進的高效，低稀釋率粉末等離子弧堆焊技術研究。

1. 產生背景

粉末等離子弧堆焊技術是現代工業生產中能適應各種高合金高性能材料堆焊要求的一種焊接方法，而且稀釋率可控制在5％～15％之間。但如果使用常規的粉末等離子孤堆焊技術，希望得到小于5％稀釋率時，所能獲得的熔敷速度均在6kg／h以下。隨著現代工業的發展，特別是對大面積高性能耐磨堆焊的需求，國內外開展了先進的高效，低稀釋率粉末等離子弧堆焊技術研究。70年代美國曾研究了“高能等離子孤堆焊技術”，其功率達80kW，后捷克又發展了一種液穩等離子孤堆焊設備，熔敷速度達56kg／h。但稀釋率仍在20％以上， 90年代德國成功地研制了熔敷速度高達70kg／h稀釋率能控制在10％以下的粉末等離子孤堆焊技術；國內90年代中也開始研究該技術，并已取得熔敷速度達15kg／h，稀釋率能控制在l％以下的可喜成果。

2. 技術內容和技術關鍵

傳統的粉末等離子孤堆焊技術沒能很好地解決熔敷速度和稀釋率之間的矛盾，主要由于：第一，對焊接過程熔化粉末和母材的能量來源只注意來自電弧的熱能，對其他形式的能量，如粉末飛行的動能注意不夠。其次，以往偏重研究能量的來源而忽視對能量消耗的研究。

國內最近通過對等離子弧的壓縮特性、焰流特性及粉末在等離子孤束中的運動和加熱規律的研究了解了噴嘴直徑、粉末會交點到工件的距離等因素對粉末飛行速度和粉末吸收熱量的影響規律（見圖1，圖2），在此基礎上得出了高效低稀釋率粉末等離子弧堆焊技術與常規粉末等離子孤堆焊技術的不同點，即它的關鍵技術參數是：焊槍噴嘴的壓縮孔徑D和粉末會交點到工件的距離L。

傳統的粉末等離子弧堆焊技術為了獲得小的稀釋率，往往采用噴嘴內徑較大，甚至接近自由電弧的直徑(4.0～8.0mm)，壓縮比較小(0.8～0.14)的弱壓縮等離子弧。但如果考慮粉末飛行速度對結合效果的影響，則當粉末具有較高的速度和動能時，母材只須一微層處于熔化狀態（即“發汗”狀態），以高速飛行的粉末打到母材上，會產生良好的結合，此時母材的稀釋率極低。從圖1可見，為了獲得高的粉末飛行速度，希望采用小的噴嘴直徑和大的粉末會交點到工件的距離。

另外，從圖2可看出，為了減小熔化單位重量粉末所消耗的熱量，以達到在相同電流條件下，可加大送粉量，從而提高熔敷速度的目的可以有二條途徑：采用小的吸嘴壓如孔徑，低的粉末會交點；或大的壓縮孔徑，高的粉末會交點。但后—種途徑由于噴嘴孔徑過大，等離子弧的溫度，熱量將減小，等離子弧發散，能量不集中，無法滿足熔化大量粉末的需要。因此當電流即熱輸入固定的前提下，取小壓縮孔徑和適中的粉末會交點為宜。

當然壓縮孔徑也不能過小，不然極易引起雙弧，目前推薦D在2.0～4.0mm之間為宜。粉末會交點到工件距離也不能過大，否則不利電弧的穩定燃燒，更嚴重時會產生未熔合或焊道中部分粉末未熔化等現象。推薦L取10～20mm為宜。

其次，在焊槍的設計上還需注意陰極和噴嘴有良好的同心度，槍體無漏水現象，易損件使用壽命長，能長時間穩定工作等問題。同時還需配備有足夠大送粉量的送粉系統。再配以合理的堆焊規范參數，可實現優質、高效、低稀釋率的目的。

3．優缺點及應用范圍

高效低稀釋率粉末等離子弧堆焊技術與常規粉末等離子弧堆焊技術相比，在相同的焊接電流下，它具有低的稀釋率的同時，具有比常規方法高2～5倍的熔敷速度（見表1），而且最大堆焊高度可達6～8mm，較易實現一次堆焊成功，減少堆焊層數量，降低產生缺陷的可能性

目前，該技術在國外已用于生產，如德國已將熔敷速度20kg／h，稀釋率＜2％的技術成功地用于汽車、化工、煤炭、核電等領域，尤其在大面積堆焊中更具特色。熔敷速度30kg／h，稀釋率＜2％的技術也已成熟。國內該技術已研究達到熔救速度15kg／h，稀釋率＜1％，目前正在向更高的熔敷速度和生產應用方向努力。

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先進的粉末等離子弧堆焊技術

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