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分析比較等離子熔覆與激光熔覆的優缺點

  發表時間:2015年07月23日 

  【摘要】激光熔覆最重要特點是熱量集中,加熱快冷卻快熱影響區小,特別對不同材質之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點,也正是這一特殊的加熱和冷卻過程,在熔鑄區域産生的組織結構也不同于其

  【關鍵字】等離子熔覆,激光熔覆

  筆者多年從事激光熔覆和微束等離子熔覆工藝的應用實踐,對此有一些認識和總結。

  一、 激光熔覆特點

  1. 技術特點

  激光熔覆最重要特點是熱量集中,加熱快冷卻快熱影響區小,特別對不同材質之間熔融有著其它熱源無法比擬的特點,也正是這一特殊的加熱和冷卻過程,在熔鑄區域産生的組織結構也不同于其它熔覆(噴焊·堆焊·普通焊接等)手段,甚至可以産生非晶態組織,特別是脈沖激光更爲明顯。這就是所謂激光熔覆不變形無退火的原因。但我以爲這只是從工件整體宏觀講,而當你對熔覆層和熱影響區進行微觀分析時,你會看到另一種景象,這一點我將在後面講到。

  2. 設備特點

  激光熔覆目前國內采用采用兩種機型;CO2激光器,YAG激光器。前者爲連續輸出,熔覆用機一般在3KW以上;YAG激光爲脈沖輸出,一般在600W左右。對于設備,一般使用者很難吃透,嚴重依賴生産方的服務,購買價格昂貴,維護成本、零部件價格很高,再加上設備穩定性和耐受性與國外比較普遍都有差距。因此激光熔覆機一般用在特殊領域,普通工業制造、維修領域難有效益。

  3. 工藝特點

  第一 前期處理:激光熔覆一般只需將工件打磨幹淨,除油,除鏽,去疲勞層等,比較簡單。

  第二 送粉:CO2激光器功率較大,一般用氩氣送粉;YAG激光功率小,一般用自然落粉的方式。這兩種方式在熔覆時都基本在水平位置形成熔池,傾斜稍大粉末便不能正常送達,激光的使用範圍受到限制,特別是YAG激光器。

  第三 從熔池形成的狀態看:由于激光的控制精度高,輸出功率恒定,且沒有電弧接觸,所以熔池大小深度一致性好。

  第四 加熱快冷卻快:影響金屬相形成的均勻度,也對排氣浮渣不利,這也是造成激光熔覆形成氣孔,硬度不均的重要原因,特別是YAG激光傾向更嚴重。

  第五 材料選擇:由于不同材料對不同波長激光的吸收能力不同,造成激光熔覆材料選擇限制較大,激光更適于鎳基自熔性合金等一些材料,對碳化物,氧化物的熔覆更困難一些。

  二、 微束等離子熔覆特點

  1. 技術特點:

  微束等離子熔覆機所采用的等離子束,是一種電離弧,比弧焊機熱量更集中,所以加熱速度更快,爲了獲得更集中的離子束,一般采用高壓縮比孔徑,小電流,以便控制基體溫度不致太高,避免引起退火變形。當然這與YAG激光器加熱速度無法比擬。由于等離子弧爲連續工作,造成機體冷卻相對較慢,形成的過渡區域比激光熔覆要深一些,這對硬面材料熔覆來說,應力會釋放的好一些。

  2.設備特點:

  微束等離子熔覆設備是在直流焊機的基礎上發展而來,其電源·噴槍·送粉器·擺動器等,技術門檻低,容易制造,可靠性好,維護使用簡單,耗電少,使用成本低,通用性好,生産成本低,適應性好,便于規模化生産,效益顯著,對環境要求低,對材料適應廣泛。隨著電氣技術的進步,我國的焊機技術水平已經具備足夠的支持能力。另外設備體積小,重量小,焊槍可以手持把握,這使它使用起來更靈活方便,輔助工裝的造價便宜。

  3. 工藝特點:

  第一 前期處理簡單:只需除鏽去汙去疲勞層即可。

  第二 送粉:采用氩氣送粉,送分精度要求低,可以有一定的傾斜度。這樣就允許手工操作,對于金屬修複比較適用。

  第三 微束等離子穩定性好:微束等離子的穩定性好,熔池的形成也易于控制,敷材與機體融合充分,區域過度較好。

  第四 加熱和冷卻速度低于激光:熔融狀態維持時間長,有利于金相組織均勻形成,排氣浮渣較好,在粉末噴出過程中就已經加熱,且有氩氣和離子氣的保護,所以熔覆層均勻度更好,氣孔夾渣等缺陷更少。

  第五 材料選擇:等離子加熱方式對材料限制少,材料選擇更廣泛,對碳化物,氧化物的熔覆更容易一些。

  三、 關于熔覆中的幾個問題

  1. 關于焊接應力:我們必須建立一個概念,不管使用了什麽樣的名詞(如焊接·堆焊·噴焊·熔覆等)都是在加熱的情況下,在金屬基體上的熔鑄,那麽從加熱到熔鑄,再到冷卻這一過程中,必然産生應力。除了極特殊材料,一般影響最大的還是收縮應力,不同的焊接方式,無非是從加熱方式速度,填充材料和一些其它條件不盡相同。那麽減少這種應力對基體及熔鑄層的影響,都是我們追求焊接質量時要考慮的重要方面。我以爲,收縮應力無法避免,那麽應力釋放才是解決焊接應力問題的關鍵。也就是說這種收縮應力釋放到哪裏,從機體到熔鑄區域應力如何分配,才是我們需要而且能夠解決的問題。

  2. 爲什麽激光焊接(熔覆)變形小:主要是熔鑄區域小,過渡區域小,收縮量小。那麽材料在收縮過程中所産生的收縮力,不足以使整個機體變形。這就是所謂激光熔覆不變性的原因(所以當機體尺寸過小時同樣會産生變形)這也是激光焊接(熔覆)的優勢。那麽這種焊接應力到哪裏去了呢?它主要是釋放到熔鑄區域和過渡區域了。那麽這就産生了兩個問題。一是熔鑄區容易産生裂紋,所以激光熔覆對材料的延展性要求比較高,如鎳基粉末;二是過渡區應力大,由于激光焊接過程中加熱快冷卻快,産生的過渡區尺寸過小,造成這一區域應力集中,這就影響了激光焊接(熔覆)的結合效果。特別是在基體與焊材機械性能相差較大時,傾向更嚴重,甚至産生脫落現象,這就要求在激光熔覆時格外注意過渡層的材質和厚度設計。

  3. 爲什麽等離子熔覆(堆焊)不易産生裂紋·氣孔等缺陷:主要原因有三。一是等離子做熱源進行熔覆(堆焊)與埋弧焊氣保焊等熱量更加集中,離子弧穩定性更好,沒有電極熔耗,輸出熱量均勻,便于控制,這樣使得熔鑄區熱量分布均勻,材料熔合充分均勻,排氣浮渣都充分,收縮應力分布均勻。二是由于等離子設備控制精度高,對熔鑄區和過渡區的控制方便,且均勻度好,應力分配更容易控制合理。三是用氩氣保護不需要各種添加劑,也不存在排氫,氧化等問題,所以等離子熔覆(堆焊)更適合大面積,大厚度,高質量的硬面熔鑄(如高錳·高鉻陶瓷材料等)適合于制造耐磨板、閥門、軋輥等。

  4. 熔覆的工藝性:關于激光熔覆和等離子熔覆,有許多同行發表了很多文章,大部分都強調激光的優勢,這也是大家所追求的目標。然而,多數是從微觀角度用金相分析的方法評價激光的。但凡事都有其兩面性,激光熔覆也有其劣勢。在工藝方面就有許多限制,在生産實際中更需要高的操作技能,給許多客戶造成困難。我認爲主要是加熱快,冷卻快造成的熔覆層熔融時間過短造成光斑外緣和內緣差別大,組織形成不均勻,應力分配不勻,排氣浮渣不充分,造成硬度不均,易形成氣孔夾渣等問題,難以獲得大面積完美的熔覆層,YAG激光尤其爲甚。所以激光熔覆從選材到操作都應格外細致。等離子熔覆相對激光講輸入熱量大,基體變形量比激光大。但其熔融充分,硬度分布均勻,排氣浮渣徹底。材料選擇範圍廣,易于操作,易獲較爲完好的整體熔覆層,成本低,效益好。因此在大面積,大厚度,熔覆方面有著明顯優勢。

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