火車輪修復設備之等離子堆焊方案.docx

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寧波鐳速激光科技有限公司 等離子堆焊技術應用之鐵路領域 火車輪修造設備選用技術方案 等離子粉末堆焊設備配制方案 編制單位: 寧波鐳速激光科技有限公司 編制人員：馬 球 聯(lián)系方式：13777042555 編制日期：2015年11月4日 第一章：車輪堆焊技術指標 如上圖所示，按照修造要求滿足輪子表面強化要求，使輪子的耐磨壽命延長，在修造工藝中使用等離子粉末堆焊工藝來完成表面合金化。車輪一般的損傷形式為：車輪踏面及輪緣的磨損、裂紋、缺損、剝離、擦傷、局部凹入、輾寬、踏面上粘有熔化金屬等。 堆焊電流：50-400A電流 堆焊氣體：氬氣 堆焊耗材：合金粉末 堆焊離子氣：1.5-15Mpa 堆焊保護氣：1.5-15Mpa 堆焊設備輸入電壓：380V5％ 堆焊設備輸入功率：22KV 堆焊設備負載持續(xù)率：60％ 堆焊設備維弧輸出：5-50A 堆焊車輪時堆焊層厚度：0.5-5mm 堆焊車輪自動擺幅寬度：10-35mm 堆焊車輪單道堆焊寬度：1-8mm 堆焊設備滿足多軸加工：四軸或五軸 堆焊設備自動堆焊系統(tǒng)：CNC專業(yè)堆焊加工系統(tǒng) 堆焊車輪時設備最大承載力：1.2噸 堆焊車輪時設備的堆焊效率550mm/分鐘 第二章：等離子堆焊原理 等離子粉末熔覆(堆焊)是以等離子弧作為熱源，應用等離子弧產(chǎn)生的高溫將合金粉末與基體表面迅速加熱并一起熔化、混合、擴散、凝固，等離子束離開后自激冷卻，形成一層高性能的合金層，從而實現(xiàn)零件表面的強化與硬化的堆焊工藝，由于等離子弧具有電弧溫度高、傳熱率大、穩(wěn)定性好，熔深可控性強，通過調(diào)節(jié)相關的堆焊參數(shù)，可對堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整。等離子粉末堆焊后基體材料和堆焊材料之間形成融合界面，結(jié)合強度高；堆焊層組織致密，耐蝕及耐磨性好；基體材料與堆焊材料的稀釋減少，材料特性變化??；利用粉末作為堆焊材料可提高合金設計的選擇性，特別是能夠順利堆焊難熔材料，提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。等離子粉末堆焊具有較高的生產(chǎn)率，美觀的成型以及堆焊過程易于實現(xiàn)機械化及自動化。針對鐵路領域的一些零部件批量化再制造可通過配套焊接機器人來實現(xiàn)完美修復，其冶金結(jié)合強度之高，外觀成型之美觀是其他焊接設備無法比擬的。 目前等離子熔覆所用到的材料大多是Ni鎳基、Co鈷基、Fe鐵基自熔合金粉末，在特殊耐磨要求下可添加Wc碳化鎢合金及Tic陶瓷粉末，等離子熔覆屬于一種表面快速冶金過程，因此在熔覆后所呈現(xiàn)出來的高結(jié)合強度是其他焊接工藝無法比擬的。熔覆材料的選配直接關系到能否滿足不同特性的需要。等離子熔覆加工過程中，因稀釋率較低，能滿足各類異形工件熔覆的要求，同時具有組織強化、沉淀強化等高性能的特點，與普通氬弧焊、埋弧焊、冷焊、激光熔覆、電子束熔覆等相比，等離子熔覆是一種更高效，更優(yōu)質(zhì)、成本更低的表面改性新技術，在國內(nèi)外已經(jīng)把等離子熔覆技術運用到煤礦、工礦、電力、石化、水泥、鋼鐵、大型能源等領域，成功應用到各類工件中。比如在煤礦開采中的截齒，在通過等離子熔覆后的截齒與沒有熔覆的作比較，等離子熔覆后的截齒耐磨壽命增加了10倍，為高效采煤提供了良好的技術裝備。等離子熔覆技術及工藝涉及多個學科領域，目前國內(nèi)專門從事等離子熔覆研究的機構(gòu)還不多，除了少數(shù)高校在進行一些學術上的研究，實際應用的研究還相對比較薄弱。在諸多的企業(yè)和機構(gòu)里面尋找到一家等離子熔覆設備制造商，不僅能夠制造出等離子熔覆設備，在表面合金化的應用領域也十分出色，寧波鐳速激光科技有限公司是國內(nèi)少有的研發(fā)制造和熔覆應用單位，為此我們對鐳速公司的等離子裝備進行了深入了解。 第三章：等離子熔覆技術特點 1、堆焊堆焊合金層與工件基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強度高； 2、堆焊堆焊速度快，低稀釋率；粉末等離子弧堆焊的稀釋率可控制在5%一10%或更低。 3、堆焊層組織致密，成型美觀；堆焊過程易實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率，減輕勞動強度。 4、可在銹蝕及油污的金屬零件表面不經(jīng)復雜的前處理工藝，直接進行粉末等離子弧堆焊； 5、與其他等離子堆焊相比設備構(gòu)造便利，低耗、高效、實用易操作，維修維護方便； 6、等離子弧溫度高、能量集中、工藝穩(wěn)定性好，外界因素干擾小，在工件上引起的殘余應力和變形小。 7、可控性好。可以通過調(diào)節(jié)電流大小、氣體流量、送粉速度、堆焊速度及等離子弧擺動幅度來控制堆焊效果，從而獲得質(zhì)量優(yōu)異的熔敷層。 8、使用材料范圍廣。堆焊合金粉末作為熔敷材料，不受 鑄造、軋制、拔絲等加工工藝的限制，可依據(jù)不同性能 要求配置不同成分的合金粉末，特別適用于那些難于制 絲但是易于制粉的硬質(zhì)耐磨合金，以獲得所需性能的堆 焊層。 9、堆焊大型工件效率高。一般采用的埋弧焊和氣保焊進行加工，但隨著很多工件表面要求越來越高，普通的電焊設備已經(jīng)不能滿足加工要求了，等離子自動熔覆設備能極大限度的解決工藝的完整性和高效率兩大難題，針對大型工件堆焊耐磨層或是修復大面積裂紋等有獨到的優(yōu)勢。工件表面溫度比氬弧焊焊接后低200℃。 第四章：等離子堆焊設備組成 1、等離子電源：鐳速激光自主研發(fā)的等離子電源采用純正高性能逆變整流電源，電流平穩(wěn)，起弧性能好，具有高安全性和適用性，是等離子堆焊的主要能量供給部件； 2、等離子堆焊槍：完全自助研發(fā)制造，結(jié)構(gòu)更為精簡，方便拆卸，便于維修調(diào)整，強大的冷卻水循環(huán)裝置，使堆焊槍的鎢極高效穩(wěn)定的工作，連續(xù)工作時間長，與市場上的其他品牌的堆焊槍相比，工作持續(xù)性超長，可連續(xù)工作8小時，同類裝備的自動堆焊機最多只能連續(xù)工作4小時。 3、等離子粉末送粉器： 型號 LS-PTS-3 送粉量 5~100（g/min） 送粉精度 ≤5％ 送粉器容量 5~10kg 電機功率 40w 電樞電壓調(diào)節(jié)范圍 0~90（V） 粉量控制方式 調(diào)節(jié)電樞電壓 送粉適宜粒度 -100~325目 送粉氣壓力 0.2（Mpa） 送粉氣流量 0.1~0.4(m/h) 送粉氣限壓 ≤0.4Mpa 4、精密冷水機：采用高效水冷循環(huán)系統(tǒng)，為等離子堆焊槍提供強勁的冷卻；保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行；最大制冷量240891 kcal/h。溫度控制精度： 3℃；冷卻水溫度可調(diào)范圍： 5～35℃；循環(huán)水溫度可調(diào)范圍： 5～35℃；冷卻水流量： 4.02 m3/h； 6、設備配置技術方案 LS-PTA-DGN400 一、等離子堆焊機的特點 1、堆焊及焊接合金層與工件基體呈冶金結(jié)合，結(jié)合強度高； 2、堆焊及焊接速度快，低稀釋率；粉末等離子弧堆焊的稀釋率可控制在5%一10%或更低。 3、堆焊及焊接層組織致密，成型美觀；加工過程易實現(xiàn)高效自動化生產(chǎn)，提高勞動生產(chǎn)率，減輕勞動強度。 4、可在銹蝕及油污的金屬零件表面不經(jīng)復雜的前處理工藝，直接進行粉末等離子弧堆焊或焊接； 5、與其他等離子堆焊設備相比設備構(gòu)造輕巧，低耗、高效、實用易操作，維修維護方便； 6、等離子弧溫度高、能量集中、工藝穩(wěn)定性好，外界因素干擾小，在工件上引起的殘余應力和變形小。 7、可控性好。可以通過調(diào)節(jié)電流大小、氣體流量、送粉速度、焊接速度，堆焊速度及等離子弧擺動幅度來控制堆焊效果，從而獲得質(zhì)量優(yōu)異的熔敷層。 8、使用材料范圍廣。也可不用加材料，作用于基材自熔。堆焊合金粉末作為熔敷材料，不受鑄造、軋制、拔絲等加工工藝的限制，可依據(jù)不同性能要求配置不同成分的合金粉末，特別適用于那些難于制絲但是易于制粉的硬質(zhì)耐磨合金，以獲得所需性能的堆焊層。 二、設備配置方案 設備配置 說明 單位 數(shù)量 備注 等離子焊接電控箱 LS-PTA-400 臺 1 加工機床 根據(jù)客戶產(chǎn)品堆焊要求定制 臺 1 控制系統(tǒng) X軸 行程2500mm 套 1 X、Y、C軸規(guī)格可根據(jù)客戶實際情況進行選擇定制 Y軸 行程1000mm Z軸 行程800mm C軸 臥式回轉(zhuǎn)（夾持直徑1000mm） 或使用焊接變位機 CNC數(shù)控 CNC數(shù)控編程控制系統(tǒng)，6軸 冷卻系統(tǒng) 水冷系統(tǒng) 臺 1 堆焊槍 高效冷卻堆焊槍 把 1 四、設備型號、特點、參數(shù) 型號規(guī)格：LS-PTA-DGN400 名 稱: CNC多功能等離子堆焊設備 適用范圍：該機適用于各種形狀復雜的異形工件表面合金化堆焊及教學用途，可用于軸類、平板類、孔類工件表面磨損修復。（如采煤截齒、火車輪、扎瓦托、道岔、軌道、轍叉、石油鉆桿表面耐磨合金化、軋棍表面硬度合金化、礦山破碎機襯板、顎板、錘頭、錘片、閥門閥座耐磨材料修復、煤礦液壓桿表面硬度合金化、水泥廠大型風機軸承位磨損修復等） 設備特點： 1、控制部分：CNC五軸聯(lián)動控制。操作直觀方便，具有較高的穩(wěn)定性和可靠性； 2、機械傳動部分：由高精度伺服電機驅(qū)動，具有精度高，運行平穩(wěn)，定位準確等優(yōu)點； 3、等離子專用電源：采用純正高性能逆變整流電源，電流平穩(wěn)，起弧性能好，具有高安全性和適用性，是等離子堆焊的主要能量供給部件；電源是鐳速科技自主研發(fā)制造，擁有發(fā)明專利，國內(nèi)其他大多數(shù)等離子電源是普通氬弧焊改裝而成。 4、冷卻系統(tǒng)：采用高效水冷循環(huán)系統(tǒng)，為等離子堆焊槍提供強勁的冷卻；保證系統(tǒng)長期穩(wěn)定運行； 5、專用焊槍：鐳速所研發(fā)的粉末等離子堆焊槍持有專利，高效、穩(wěn)定、強勁冷卻焊槍后端鎢針，使堆焊的持續(xù)性更好，堆焊槍方便拆卸維修，使用成本低，與國外的焊槍相比，鐳速的堆焊槍更適合各類修復及制造企業(yè)使用。 五、主要參數(shù): 1、輸入電壓 380 V5%　　50/60Hz三相　　 2、輸入功率 22KVA 3、輸出電流 20-400A　直流　正極性 4、負載持續(xù)率 60% 負載持續(xù)率≤30℃ 400A輸出 5、維弧輸出 5-50A，可調(diào)節(jié) 導弧輸出100%連續(xù)負載≤30℃ 6、保護特性 有一套內(nèi)置保險裝置，它能在所有時間中，對錯誤（故障）條件保證做出適當?shù)奶幚怼? √ 當冷卻水壓力不夠時，關閉電弧。 √　當機器過載或過熱時，關閉電弧。 7、氣源 等離子氣體——0.5-10L/min 保護氣體——3-30L/min 設備配置： 1、等離子電源； 2、工業(yè)冷水機； 3、等離子堆焊槍； 4、加工機床（根據(jù)加工產(chǎn)品類型進行定制，本設備采用卡盤）。性能特點 1、單次焊接厚度為0.5mm - 4mm； 2、能適應多種材料的焊接，稀釋率低，結(jié)合牢固； 3、焊接時不用開坡口，異形工件一樣好加工； 4、操作環(huán)境好，無煙塵，勞動強度低，生產(chǎn)效率高，能耗低。 5、生產(chǎn)效率比激光高 ，耗電比激光低，設備造價為激光的 1/5~1/10 ，設備體積小，占地面積小，移動方便。比激光對使用環(huán)境要求低，操作維護簡便。 6、 堆焊工件的成本估算及效益分析 合金粉末分為三類基材：鐵基、鎳基、鈷基合金； 堆焊厚度按照耐磨要求來估算，一般在3mm左右； 堆焊一塊100mm長，50mm寬，堆焊層為3mm的工件，需要合金粉末為2kg，按照鐵基60元/公斤計算，需要的材料成本為120元； 自動堆焊的效率為450~750mm/分鐘，比氬弧焊要快。耐磨、防腐、抗沖擊、耐高溫的壽命比傳統(tǒng)的工藝延長3~5倍。 設備投入占整體加工修復投入成本的1/5，設計使用壽命為 12~16年，等離子堆焊后的零部件報價是傳統(tǒng)電焊、氬弧焊、 明弧焊、埋弧工藝的2~10倍，不以修復面積來計算，而是以使用壽命和為客戶創(chuàng)造的最大經(jīng)濟價值來計算，修復工件面積的大小不是衡量收費的第一要素，而是工件本身的附加值，用于批量加工產(chǎn)品的堆焊，按照面積計算，如果是修復表面，增加耐磨壽命，則是按照上述原則收費。 第五章：與其他公司的優(yōu)勢比較 1、具有獨立自主的研發(fā)團隊，從等離子電源到等離子焊槍、都有專利，申請下來1項國家發(fā)明專利，6項實用新型專利，掌握核心技術，真正做到從應用入手，解決棘手難題，使設備高效率工作、穩(wěn)定性更強，熔覆效果更為美觀。 2、鐳速公司從1999年開始投入到特種零部件修復的工作中去，15年來積累了大量的零部件熔覆再制造案例，成功的為各行業(yè)修復與加工工件上萬例，切實做到不光制造裝備，還會使用裝備，使用好裝備，在企業(yè)與高校合作的經(jīng)歷中，不斷開發(fā)新的設備，研究新的工藝，不指望外界的技術，在整個過程中自行攻克各種工藝難關。 3、鐳速等離子電源穩(wěn)定性及壽命超長，焊槍具備獨特的設計結(jié)構(gòu)，可拆卸，維修方便，目前市場上的部分等離子熔覆設備一味追求銷量，忽略了用戶的工藝服務要求及售后保障，在價格上做惡性競爭，沒有自己的生產(chǎn)工廠，更談不上服務保障，鐳速公司隨時歡迎各行業(yè)客戶前來公司參觀考察。 4、鐳速等離子堆焊裝備在各領域的應用案例優(yōu)勢，本公司已成功對軍艦耐磨防腐工程、大型火電廠核心零部件修復、水泥廠、化工防腐件、鋼廠軋輥、煤機成套、礦山裝備、鐵路軌道、鉤舌、道岔等進行了修復再制造。積累了大量經(jīng)驗。 第六章：等離子熔覆設備與自動化配套 1、可配套PLC程序自動化控制系統(tǒng)； 2、可配套CNC數(shù)控自動化控制系統(tǒng)； 3、可配套焊接機器人實現(xiàn)自動堆焊； 4、可以一機多用，手動自動均可實現(xiàn)； 針對鐵路系統(tǒng)的以下零部件可配套等離子堆焊工藝： 火車輪、端頭、鉤舌、轍岔、扎瓦托、減速頂。 第七章：等離子熔覆設備的售后服務 1、服務機構(gòu) 鐳速激光重視產(chǎn)品的售前、售中、售后服務，設有專門的客戶服務部?？蛻舴詹績?nèi)容來自客戶需求，可為客戶提供形式靈活多樣的服務。 2、保修服務 對售出的設備實行“一年保修，終身維修”服務，保修期一年，時間從設備安裝、調(diào)試完成，客戶驗收合格開始計算。保修期內(nèi)由于設備質(zhì)量本身引起的故障免費進行維修，人為損壞以及由于非正常操作造成的損壞不在保修范圍內(nèi)（焊槍在保修期以后因人為原因不在保修范圍）。超出保修期的設備采取收費維修，費用包括維修費、差旅費、配件費。 3、售后服務 熱線電話服務：0574-82086828 提供24小時電話故障診斷熱線服務。 4、現(xiàn)場維修服務： 實行終身維修保障服務。接到用戶信息后，在商定時間內(nèi)到達現(xiàn)場，進行維修服務，保障用戶的有效使用。維修完成后，結(jié)合現(xiàn)場故障分析及解決方法對客戶進行培訓，提高客戶的設備維護及工藝操作能力。 5、定期巡檢服務：工程師對設備實施現(xiàn)場檢查，包括設備檢查、環(huán)境檢查和操作檢查，及時發(fā)現(xiàn)問題，減少故障發(fā)生率，保證設備穩(wěn)定運行。 6、不定期回訪服務：安排工程師專程或順路回訪，檢查設備，發(fā)現(xiàn)隱患并提出解決方案。 7、定制服務：為滿足客戶特定需求而設定的個性化服務，包括：培訓與研討服務、生產(chǎn)工藝開發(fā)服務、設備改造服務等，還可提供符合客戶自身情況的其他定制服務。 8、工藝交流：鐳速激光在適當?shù)臅r候，組織工藝交流會議，邀請所有的鐳速客戶參加，和鐳速下屬的維修廠一起交流工藝開發(fā)經(jīng)驗，促進共同提高。也可根據(jù)客戶需要組織一對一工藝技術交流。 9、材料配件支持：建立了消耗材料庫、配件庫，保證客戶能夠在第一時間得到經(jīng)濟實用的消耗材料及配件支持服務。 第八章：等離子熔覆設備的應用領域 隨著工業(yè)的高速發(fā)展，能源正在面臨更大的范圍的枯竭，我國是一個人口大國，在能源的消耗上世界第一，諸多的工業(yè)領域因設備零部件的磨損，斷裂，拉傷，尺寸超差，改變特性等情況下，需要重新購置大量的新零部件更換到設備中，每年浪費量很大，國家已經(jīng)在前幾年正式出臺了關于再制造業(yè)的相關政策，未來會有更多的企業(yè)加入到這一行業(yè)中來，也切實為國家節(jié)省掉大量的資源，學校在培養(yǎng)人才的學科規(guī)劃中，已經(jīng)有相當一部分高校把再制造業(yè)相關課題納入進去，以便更好地為社會提供新型行業(yè)高端人才。 下面是鐳速激光成功對各行業(yè)進行再制造的零部件清單： 應用行業(yè) 成功修復設備零件名稱 航空航天 軍工 風調(diào)冷卻器（飛機風洞） 飛船艙體 衛(wèi)星 制件放置平臺 模具 磨壓機輥 坦克零件（操縱 桿密封蓋發(fā)動機油底殼 變速箱等） 膠帶壓印輥 汽車制造 各類汽車模具 發(fā)動機缸體（瓦座等部位） 曲軸 液壓設備 齒輪 壓輥 缸筒 連桿（內(nèi)孔） 差速器（軸） 機械加工 各類機床導軌 軸類 機械加工超差 鑄造鍛造 各類液壓系統(tǒng)的零件（如液壓柱塞等） 各類配套設備零件，鑄造缺陷修復 石油化工 罐體 管道 液壓設備 軸類 泵類 減速機 抽油桿 鉆具 模具工件 沖壓模具 拉延模具 熱作模 注塑模具等各類模具的磨損 拉傷 崩損 碰傷 裂紋等導致模具失效的損傷 印刷機械 滾筒 油墨輥 水輥 水輥支架 偏心軸套 墻板孔 牙排桿 開牙板 凸輪 夾板 牙板芯軸 導軌 變速器變速輪 化肥制藥 管道 閥門 反應釜 電機轉(zhuǎn)子 空壓機 吹塑模具 液壓設備（柱塞 缸體） 食品飲料 滾筒 橡膠輥 模輥 曲軸 缸體 閥 壓榨機（齒輪 柱塞等） 各類模具（如吹瓶機模具等） 攪拌機 水泵 離心機（轉(zhuǎn)轂大活塞等） 風機轉(zhuǎn)子 啤酒釀造 軸類 導軌 糖化罐 糊化罐 管道 攪拌軸 閥 齒輪盤（內(nèi)孔） 渦輪渦桿 缸體 活塞 液壓桿 分配器 煤碳鐵礦 液壓設備 發(fā)電機（軸頭 端蓋等） 球磨機（軸） 齒輪 洗煤設備（傳動滾筒 傳輸帶 柱塞等） 鏈輪 刮板 液壓支架 煤用模具 紡織印染 錫林軸 羅拉軸 毛紡機細長軸 錠子軸 軋花機肋條 導布輥 膠輥 瓷臺 滾筒 變速箱（軸承孔） 水泥建筑 破碎機主軸 風機主軸 電機轉(zhuǎn)子軸 電機端蓋 攪拌機 球磨機 減速機齒輪軸 液壓缸 液壓桿 油缸 鋼鐵冶金 葉片 管道 泵 軋輥 液壓設備 減速機齒輪 各種軸類 瓦 變速箱軸承孔 電機轉(zhuǎn)子 風機轉(zhuǎn)子 電力設備 各類電機轉(zhuǎn)子 電機端蓋 各類提升機主軸 各類風機主軸 油泵 曲軸 柱塞 洗煤設備 振動篩主軸 減速箱 箱體 瓦座 油缸 液壓馬達 缸套 鉻桿 齒輪 法蘭 罐體 管道 閥門 鼓風機（軸 葉片） 工程機械 液壓缸 液壓缸端蓋 液壓桿 齒輪軸 柱塞 剎車盤 發(fā)動機缸體 曲軸 鐵路系統(tǒng) 發(fā)動機箱體 搗固機 軸類 車輪 液壓設備 齒輪 水套 抱軸承箱 曲軸 扎瓦托 鉤舌 導軌等 塑料包裝 鏡面輥 壓延輥 消光輥 壓紋輥 涂布輥 無紡布輥 模唇 螺桿螺筒 模頭 陶瓷衛(wèi)浴 大型液壓主油缸 增壓缸 柱塞 柱塞環(huán) 鎂鋁型材 大型擠壓機油缸 高壓油泵內(nèi)缸 造紙機械 造紙機烘缸 膠滾筒軸 上壓榨棍 打漿機軸 毛毯棍 網(wǎng)籠軸承座 泵體 紙漿推進器 蒸球機 刀棍切草機 旋風除塵機 壓光機 各類電動機軸 第九章：等離子熔覆的“智”造工藝 目前工業(yè)自動化程度越來越高，傳統(tǒng)的PLC顯然不能作為高校教學的自動化系統(tǒng)，當前鐳速所有的等離子熔覆設備都采用的是CNC(Computerized Numerical Control)數(shù)控加工中心，目前國外焊接自動化領域常規(guī)也是采用CNC編程。針對焊接工件的不同形狀，在得知尺寸后進行焊接軌跡編程，操作較為簡單，自動熔覆后工件表面外觀成型美觀，熔覆效率明顯提升，是一般手動熔覆的3倍以上。目前鐳速等離子長軸操作系統(tǒng)又增加了三軸遙控操作，更方便更省時，一些非常特殊的異形工件，在需要進行大面積熔覆時，需要設計5軸聯(lián)動或6軸聯(lián)動，為此鐳速專業(yè)成立了自動化系統(tǒng)發(fā)展小組，為各高校和企業(yè)攻克堆焊領域難題做出不懈努力。智能操作，智能保護，更好的站在客戶的層面為更多更廣泛的行業(yè)做好“智慧”服務！配套具備機器人研發(fā)制造的企業(yè)一道開發(fā)具有先進制造工藝的高標準裝備。 第十章：等離子設備在制造過程中的缺陷解決 1、等離子堆焊質(zhì)量缺陷分析-氣孔 堆焊層中出現(xiàn)的氣孔是一種工藝缺陷。按照氣孔出現(xiàn)的部位可分為表面氣孔和內(nèi)部氣孔。前者位于焊層的表層，后者位于焊層的內(nèi)部。按氣孔分布情況，又可分為少量的疏散氣孔、某一部位的密集氣孔和連續(xù)氣孔。氣孔的形狀有球形、隨圓形和蜂窩狀之分。氣孔的大小，有的小至顯微尺寸，有的大至幾個毫米。氣孔的存在破壞了焊層的致密性，按質(zhì)量要求，一般不允許氣孔存在，特別是作為密封面用的堆焊層，連少量的疏散氣孔也是不允許有的。 熔池液態(tài)金屬中的氣體，在熔池冷凝過程中來不及充分排出，殘留在焊層中便形成氣孔。造成這種情況的原因主要有以下幾方面： （1）合金粉末工藝性能不好，堆焊用的自熔性合金，容易避免氣孔出現(xiàn)。但如果合金成分控制不當，熔煉中除氧、造渣排氣不嚴，或渣系控制不好，會在熔池中產(chǎn)生大量氣體，這些氣體不能充分排除，殘留在焊層中形成邊續(xù)氣孔。堆焊用合金粉末要注渣量少，渣的熔點低。如渣多，熔點高，那么當液態(tài)金屬還未凝固時，表面己經(jīng)結(jié)渣，氣體無法排除，極易形成表面氣孔。如噴焊中反復調(diào)整工藝規(guī)范仍不能避免氣孔，則主要是這方面的原因造成的。 （2）堆焊前粉未經(jīng)烘干處理，潮濕的粉末進入熔池后，產(chǎn)生氣體，易造成疏松氣孔。 （3）工件噴焊面未經(jīng)很好處理，工件堆焊表面上殘留有水、油、銹或較厚的氧化渣皮，這些特質(zhì)在熔池中分解成氣體，易造成氣孔。 （4）氬氣不純或?qū)θ鄢乇Ｗo不良，堆焊過程中，如果液態(tài)金屬得不到良好的保護，空氣中的O2、N2、H2侵入熔池，造成氣孔。 （5）工藝規(guī)范調(diào)整不當或規(guī)范受外界因素干擾波動太 主要工藝規(guī)范參數(shù)應配合適當，使合金粉末充分熔化，熔池中的氣體能充分排出。如發(fā)現(xiàn)焊層中有蜂窩狀氣孔，特別是在噴焊熔點較高的鐵基合金粉末時，出現(xiàn)氣孔的原因，多是由于電弧規(guī)范相當于工件移動速度和送粉量過小的緣故。但規(guī)范電流過大，基體熔化過甚體熔化過甚，噴焊層混入較多的有害元素，也會造成氣孔，在碳鋼上噴焊銅合金，尤為明顯。另外，由于外界因素的突然干擾，如電網(wǎng)電壓的波動，造成規(guī)范變動，特別是電弧的強烈不穩(wěn)定，則會造成局部密集氣孔。 （6）工藝故障，出現(xiàn)嚴重的雙弧，結(jié)珠等工藝故障時，熔化粉末和過渡至工件的熱量大幅度降低，熔池中的氣體不能充分排除，造成氣孔。 （7）焊槍漏水，焊槍微量的滲漏都會造成氣孔。漏水造成的氣孔，一般尺寸較大，氣孔光亮。 （8）起始部位工藝動作程序控制不當，起始部位工件溫度低，而且轉(zhuǎn)移弧電流是遞增的，如無“延時轉(zhuǎn)動”環(huán)節(jié)，會因粉末熔化的熱量不夠，而出現(xiàn)氣孔。 焊層發(fā)現(xiàn)氣孔后，要視氣孔的形狀，發(fā)生的部位分析產(chǎn)生的具體原因，從而采取相應的措施予以避免。 2、等離子堆焊未焊透、縮孔的質(zhì)量缺陷 1、未焊透有兩種情況：一種是合金粉末在熔池里熔化不充分，在焊層中形成疏松狀組織。這種情況多發(fā)生在收弧時粉末仍繼續(xù)送給，在收弧部位產(chǎn)生夾帶著未熔化粉末的疏松狀組織。另一種情況是：堆焊層與基體熔合不好，未形成牢固的冶金結(jié)合，嚴重時整個焊道會剝落。這種情況多發(fā)生在焊道較厚的情況。產(chǎn)生示焊透的主要原因是：電流規(guī)范太小，噴焊速度太快，送粉量過大，收弧時未停粉?；驀娮煸O計不合理，電弧太柔，穿透力不夠。 2、縮孔一般出現(xiàn)在收弧部位。當收弧時電弧電流衰減太快，熔池溫度急劇下降，在快速冷凝過程中得不至液態(tài)金屬的補充，于是就產(chǎn)生組織疏松的縮孔，明顯的縮孔在機加工后就能發(fā)現(xiàn)，而有的縮孔在受到腐蝕介質(zhì)的侵蝕后才被發(fā)現(xiàn)。在焊道寬，合金熔點較高，液態(tài)流動性較差的情況下，更易出現(xiàn)縮孔。 避免產(chǎn)生縮孔的主要措施是：通過調(diào)節(jié)電流衰減斜率，控制收疑難部位熔池冷凝的速度;必要時，在收弧部位降低工件的轉(zhuǎn)動速度，或加快擺動頻率。 3、等離子堆焊工件預熱和焊后處理 等離子堆焊和其它堆焊方法一樣，在焊接過程中，金屬從室溫加熱到熔化，甚至達到沸騰溫度，然后又很快冷卻。在這段時間里，由于焊件各處的溫度相關很大，以及母材和合金的膨脹系數(shù)不同，造成體積膨脹和收縮不勻，產(chǎn)生體積應力和溫度應力。高溫熔池在冷凝過程中金相組織的變化和工件熱影響區(qū)組織的變化，也產(chǎn)生應力。當這些應力的總和超過焊層金屬內(nèi)部結(jié)合力時，就產(chǎn)生了裂縫。在工件剛性較大。 工件預熱和焊后處理，是避免產(chǎn)生裂縫的最有效措施。工件經(jīng)過預熱后，減緩了合金熔池的冷卻速度，從而降低了高溫金屬的變形速度，提高了金屬的塑性，同時使一次結(jié)晶的速度變慢，減弱了液態(tài)金屬的結(jié)晶楄析，增加結(jié)晶的間隔時間，減少了熱應力的產(chǎn)生及避免結(jié)晶裂縫等，因而能有效的避免裂縫的產(chǎn)生，至于預熱溫度，是與多種因素有關，如工件的材質(zhì)，厚度，結(jié)構(gòu)剛性，堆焊合金的化學成分等。焊后采取保溫。緩冷或一定的熱處理措施，能消除焊件中的應力，避免焊后出現(xiàn)裂縫。具體工件的預熱和焊后處理規(guī)范見下一節(jié)的應用實例。 4、等離子堆焊質(zhì)量缺陷分析-裂縫 裂縫按其產(chǎn)生的部位不同可分為縱向裂縫、橫向裂縫、大口裂縫、弧坑裂縫以及熱影響區(qū)裂縫等。按裂縫產(chǎn)生的溫度和時間的不同，可分為熱裂縫和冷裂縫兩種。裂縫產(chǎn)生的主要原因有以下幾方面： （1）堆焊合金硬度高，抗裂性差 噴焊合金中如含有較高碳量、硅量和硼量，它們與其它合金元素形成合金化合物。這些化合物硬度高、韌性差、產(chǎn)生裂縫的傾向大。對于剛性大的工件，如不采取有效的工藝措施，極易造成裂縫。 （2）工件的剛性大 如果合金的膨脹系數(shù)和母材的膨脹系數(shù)相差過大，對剛性大的工件，在液態(tài)合金凝固時，產(chǎn)生的拉應力和變形增加，超過合金的強度極限而產(chǎn)生裂縫。 （3）工件堆焊面有缺陷 工件堆焊面上有裂縫、缺口、鑄造砂眼等缺陷時，焊道在缺陷處易形成應力集中而產(chǎn)生裂縫。 （4）焊道寬厚比小，焊道本身抗裂性差。 （5）工藝規(guī)范選擇不適當 由于工藝規(guī)范選擇不當，堆焊層和工件熔合不好、成形差，或噴焊層有缺肉、夾渣等缺陷，易產(chǎn)生裂縫。 （6）在拾接部位電流衰減太快 在焊道搭接時，如電流衰減太快，焊道急熱急冷，液態(tài)金屬急驟收縮，易造成大口裂縫或弧坑裂縫。 （7）堆焊過程中受冷氣流的影響 堆焊過程如冷氣流太大（所謂“穿堂風”），使焊件冷卻速度太快，易產(chǎn)生裂縫。 （8)焊前預熱和焊后緩冷的措施不當。 根據(jù)以上分折的各種原因，防止產(chǎn)生裂縫的主要措施是： 【1】提高合金粉末材料的抗裂性。 【2】消除工件噴焊面上的缺陷，并從毛坯噴焊面結(jié)構(gòu)設計上盡量改善剛性，如留凸臺、變形槽等。 【3】合理地決定焊道成形尺寸，并控制好工藝規(guī)范，使成形平整光滑，消除質(zhì)量缺陷。 【4】拫據(jù)工件的結(jié)構(gòu)剛性和噴焊材料，采取適宜的焊前預熱，焊后緩冷措施，必要時還要采取堆焊過程中保溫和焊后熱處理措施。 5、對等離子堆焊用合金粉末的基本要求 堆焊用合金粉末的成分設計和制造，不僅要考慮到使用性能方面的要求，同時要滿足堆焊工藝性能方面的要求，這些要求可以歸納成以下幾方面。 1、 具有良好的使用性能 合金材料的使用性能是多方面的，要找到同時具備各種優(yōu)良性能的合金材料是非常困難的，只能根據(jù)零件表面所處的工作條件，和受至破壞的類型，使堆焊的合金具備一定的耐磨、耐蝕、耐熱，或兼有兩種以上的性能，提高零部件的使用壽命。 2、 具有良好的因態(tài)流動性 所謂粉末固態(tài)流動性，是指粉末填充一定形狀容器的能力。測定時，取一定重量（通常50克）的粉末倒入流速漏斗，記錄粉末全部通過流出孔的時間—秒數(shù)，即用流速表示粉末的流動性。所需流也的秒數(shù)越多表示流動性越差。 具有良好的固態(tài)流動性的粉末，利用自重和借助一定的氣流吸力就能順利地在粉路中流動，流暢地經(jīng)焊槍送進迷熔池。粉末的固態(tài)流動性取決于粉末的顆粒的形狀。球狀的粉粒固態(tài)流動性最好。異形的、針形的、片形的粉末流動性差。此外，粉末的濕度對其流動性也有影響，粉末愈濕，流動性愈差。因此，堆焊用合金粉末都希戶是求形的，在焊前要烘干。 3、 具有較高的松裝比重 粉末松裝時的單位容積重最，叫粉末松裝比重，單位為克/厘米立方。粉末的松裝比重是一個綜合性能，受粒度、料度組成、粉粒形狀、粉粒內(nèi)空隙等的影響。粉末粒度越細、球化越好，則松裝比重越大。霧化法制取的粉末會出現(xiàn)一部分所謂空心粉，即粉粒內(nèi)有孔隙，空心粉越多、松裝比重越小?？招姆郯阒鴼怏w，進入電弧后產(chǎn)生“爆炸”，造成熔粒飛濺而粘結(jié)在噴嘴的壁面上，影響工藝穩(wěn)定。因此，堆焊用合金粉末應盡量減少空心粉。 4、 具有良好的潤濕性 潤濕性是指合金在熔融狀態(tài)時，在工件表面（固相表面）鋪開熔合的性能。潤濕性可用所謂潤濕角表示。潤濕角O越小，液態(tài)流動性越好。合金液態(tài)流動性越好容易獲得整光滑的焊道。 5、 具有良好的造渣、除氣、隔氣性能 合金粉末不可避免的會存在表面氧化物，未還原的氧化物和雜質(zhì)等，在堆焊過程中也會熔解氣體。合金在容融狀態(tài)時應具有脫氧的能力，把各種氧化物和雜質(zhì)變成低熔點的熔渣飄浮在液態(tài)金屬表面，并排出熔池中的氣體和隔絕空氣的影響。 6、 合金熔點應較低、固相和液相之間應具有較寬的溫度區(qū)間，合金熔點越低，愈容易控制工藝規(guī)范而獲得沖淡率低的噴焊層。固相和液相之間溫度區(qū)間愈寬，合金的液態(tài)流動性愈好。 7、 提高合金的抗裂性 在噴焊過程中，由于各種應力的作用，使焊層存在著產(chǎn)生裂縫的傾向，合金本身抗裂縫產(chǎn)生的能力，即所謂抗裂性。通過合金成分的適當調(diào)整，在滿足使用性能的情況下，提高合金的抗死裂性能，給噴焊工藝帶來很大的方便便。特別是對于大工年件噴焊，往往受至預熱、保溫、緩冷等條件的限制，能否獲得成功的應用，合金的抗裂性是一個很重要和因素。 十、針對閥門行業(yè)的堆焊成本和效率進行分析： 等離子堆焊由于利用等離子弧作熱源和采用合金粉末作填充金屬，從而與其他表面堆焊方法相比較，具有以下特點： （1） 生產(chǎn)率較高，目前熔敷率達到了8公斤/小時，接近生產(chǎn)率高的埋弧自動焊，超過了常用的手工電弧堆焊和氧炔焰堆焊。 （2）母材對合金沖淡率低，由于工藝上可調(diào)規(guī)范差數(shù)多，能主動控制熱量輸入；合金粉末在弧柱中被預先加熱，呈噴射狀過渡到熔池，對電弧吹力有緩沖作用，熔池受熱均勻，因而可控制母材熔深，降低母材對合金的沖淡率。沖淡率可控制在5-15%范圍內(nèi)，接近氧炔堆焊，而大大低于其他方式的堆焊。 （3）堆焊層成形平整、光滑，成形尺寸范圍寬并可精確控制，通過改變規(guī)范參數(shù)，一次噴焊可控制寬度3-40毫米，厚度0.25-8毫米，這是其他堆焊方法難以實現(xiàn)的。 （4）堆焊層質(zhì)量和工藝穩(wěn)定性好，由于等離子弧穩(wěn)定性好，外界因素的干擾（周圍氣流的流動，噴焊槍距工件的高低，角度的微小變化等）對電參數(shù)（弧壓、弧電流）和電弧穩(wěn)定性影響較小，從而使工藝易于穩(wěn)定。合金粉末熔化充分，飛濺少，熔池中熔渣和氣體易于排除，容易消除焊層內(nèi)氣孔，夾渣等質(zhì)量缺陷。由于等離子弧溫度高，熱量績中。噴焊速度快，一次熔成，使工件熱影響區(qū)小。堆焊層合金組織晶粒細，硬度和化學成分均一，噴焊層質(zhì)量好。 （5）合金粉末制備簡便，使用材料范圍廣。堆焊用合金粉末系熔煉后直接霧化成球狀粉末，制備簡便，不象絲極材料那樣，受鑄造、軋制、拔絲、磨削等加工工藝限制?？砂葱枰浞剑蹮挸筛鞣N成分不同的合金粉末，獲得各種不同性能的合金熔焊層，以適應不同條件下對零部件表面性能的要求。噴焊合金材料的種類多，有鈷基、鎳基、鐵基、銅基等。一般具有硬度高、耐磨、耐熱、耐腐蝕的合金，是難以制成線材和用其他工藝方法堆焊，而將這些合金制成粉末，用等離子噴焊卻是簡便易行的。 8、在金屬表面制造上應用的優(yōu)越性 　　在金屬表面制造上采用PTA(等離子堆焊)工藝代替手工電弧堆焊（或手工火焰堆焊），最能充分發(fā)揮PTA工藝的特點，而顯現(xiàn)出獨特的優(yōu)越性。這是因為諸多工件的核心要求是耐磨，表面和金堆焊的制造工藝和材料直接關系到耐磨面的質(zhì)量和使用壽命，也關系到工件的制造成本。對于工件表面要求有一定的硬度范圍和硬度的均勻性，要求有良好的耐擦傷性能和一定的耐腐蝕性，對合金的成分也有相應的要求。 對于數(shù)量龐大涉及面廣的鐵路系統(tǒng)各種耐磨堆焊件，其合金化再制造基本上是采用合金粉末堆焊。普遍采用的手工電弧堆焊，由于母材沖淡率高，單層堆焊達不到硬度和合金成分的要求，一般要堆焊2-3層。對工件母材的耐磨面要求堆焊昂貴的鈷基或鎳基合金，采用手工堆焊，不僅材料利用率低，而且質(zhì)量難以保證。手工堆焊成形很差，機械切削量大，這也是影響制造成本的因素之一。采用PTA工藝，其工藝特點正好是解決耐磨面手工堆焊諸多問題的最佳方案，其突出優(yōu)越性有： 1、 由于可控制母材沖淡率，單層堆焊就能達到硬度均勻性和合金成分的要求，節(jié)省合金用量。 2、 尤其適合堆焊昂貴的鈷基和鎳基合金，噴焊層質(zhì)量好，合金利用率高，不僅保證了質(zhì)量而且降低了密封面制造成本。 3、 由于堆焊層成形好，表面平整光滑，可以較精確地控制成形尺寸，因而容易切削，減少機械加工工時。 4、 用鐵基合金噴焊代替手工堆焊2Cr13不需要進行退火處理，省掉了退火—淬火的處理程序。 5、 生產(chǎn)效率高，是手工堆焊的3倍以上。 由于有上述的優(yōu)越性，因而在閥門密封面的制造上采用PTA工藝，是優(yōu)質(zhì)、高效、低耗的制造方法，有顯著的社會效益和直接的經(jīng)濟效益。 9、經(jīng)濟性分析 　對于鐵路機務段（全國每年需要修復的工件達上萬件），目前制造廠大都采用簡單易行的二保焊或埋弧焊。用PTA工藝能否代替二保焊堆焊或埋弧焊，關鍵在于能否高效穩(wěn)定的制造出成本合算的精致工件。耐磨堆焊工件制造成本主要由：（1）堆焊材料成本；（2）堆焊工時成本；（3）堆焊層機加工成本；（4）熱處理成本等構(gòu)成。現(xiàn)就這四方面分析經(jīng)濟性。 1、 堆焊材料成本 　　堆焊材料成本主要由堆焊材料的消耗量和材料的價格所決定。對于某一型號是規(guī)格的閥門密封面堆焊層的厚度、寬度是有設計要求的，堆焊材料的消耗量取決于堆焊合金的利用率。堆焊合金的利用率又取決于母材沖淡率和外觀成形。由于手工電弧堆焊母材沖淡率高，要堆焊兩遍以上才能符合要求，因此堆焊層成品設計厚度一般要大于3mm。而PTA工藝，母材沖淡率低，只要焊一遍即達到要求，堆焊層成品設計厚度可降低到2mm。由于手工堆焊成形差，高低不平，一般要加厚加寬，合金堆焊層的利用率僅在40%左右。PTA工藝合金堆焊層的利用率可達70%。 手工電弧堆焊除去焊條的藥皮和焊條頭，材料的利用率僅70%，而PTA工藝合金粉末的利用率可達95%。 表1 將兩種工藝堆焊材料消耗量及材料成本費用作了比較。分析比較結(jié)果表明，雖然焊條比合金粉末便宜，但由于焊條手工堆焊的利用率低，耗費材料的重量是PTA工藝的3倍多，因而手工電弧堆焊材料成本費用是PTA工藝的1.9倍。這是一個很驚人的數(shù)字，如果各閥門廠每年消耗的2Cr13焊條總計為100T，材料費為330萬人民幣，用PTA工藝，鐵基合金粉末消耗為33T，材料費用約為182萬，僅材料費用就節(jié)省148萬。 2、 堆焊工時成本 堆焊工時成本取決于每一個勞動力的生產(chǎn)效率，手工電弧堆焊和PTA工藝堆焊都只需要一個工人操作，手工電弧堆焊每班一個工人的堆焊量平均為12Kg左右，而PTA工藝，每班一個工人的堆焊量可達到20 Kg，按照堆焊材料消耗之比，手工電弧堆焊每班一個工人如果堆焊閘板為12件，那么PTA工藝可噴焊閘板為60件，生產(chǎn)效率是手工電弧堆焊的5倍。如果手工電孤堆焊每一件工時費為10元，那么PTA工藝的工時費每件僅為2元。堆焊工時成本大幅度降低。 3、堆焊層機械加工成本　　由于PTA工藝，噴焊層平整光滑，切削量少，雖然焊層硬度提高，但可實現(xiàn)連續(xù)切削，不打刀，總的機械加工工時要低于手工電孤堆焊，機械加工成本約降低20%。 4、熱處理成本 埋弧焊或二保焊堆焊后，按照制造工藝，堆焊完畢后，由于焊層很硬無法加工，要經(jīng)退火處理才能加工。機械加工完畢后為了達到耐磨面規(guī)定的硬度，又必須經(jīng)高頻淬火，再車削加工磨削。使用PTA工藝，噴焊層硬度在規(guī)定要求的范圍之內(nèi)，不需要再經(jīng)過熱處理（噴焊合金無淬硬性），而是直接經(jīng)機械加工成成品，可省去耗電量大，容易出現(xiàn)質(zhì)量問題的熱處理工序。PTA工藝，不僅提高了耐磨面質(zhì)量，而且降低了制造成本。 從以上合金堆焊制造成本的經(jīng)濟性分析，可以顯示PTA工藝在鐵路機務段再制造上應用有著可提高質(zhì)量，降低成本，提高效率等顯著的優(yōu)越性。如果能在鐵路機務段行業(yè)較全面的推廣應用PTA工藝，代替落后的手工電孤堆焊，二保焊、埋弧焊將獲得明顯的社會效益和企業(yè)經(jīng)濟效益。 寧波鐳速激光科技有限公司市場支持部 馬球