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等离子堆焊存在的主要问题及发展前景
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因为等离子堆焊主要以金属粉末作为堆焊材料,并且大部分堆焊材料系自熔性合金,堆焊质量对粉末质量的依赖性很大。在堆焊过程中会有少量粉末飘散而造成浪费。在堆焊过程中因粉末飞溅,长时间施焊易产生粘喷嘴现象,在堆焊较粘人材料,例如镍基合金时,这个问题尤其突出,已经成为影响工艺稳定性的重要因素。以上问题除了与堆焊合金本身的特性有关之外,主要与焊粉的粒度、形状及焊枪(特别是喷嘴)密切相关。

目前焊粉的生产已经从水雾化逐渐过渡到气雾化,从而使得焊粉的颗粒保持很规则的球形。而焊粉的粒度组成则可以通过筛分环节严格控制。但现在关于焊枪的设计和加工过程中仍有许多问题,例如送粉孔的数量、分布以及焊枪表面防粘涂层的选择和应用都值得进一步深入探索。

在系统控制方面,由于等离子堆焊工艺参数比较复杂,因此等离子焊接设备中要控制的对象比较多,主要包括转移弧整流电源、高频振荡电源、气量、冷却水、堆焊数控机床、送粉器和摆动器等,其中任何一个参数的变化都可能影响堆焊层的质量和性能。刚开始采用手动控制,堆焊质量与操作者有非常大的关系。后来发展到使用继电器逻辑电路及二极管矩阵逻辑电路作为程控系统,系统集成程度不高,给维修或因加工对象改变而修改工艺程序带来巨大的不便。为提高系统反应速度,兰州理工大学在设备中引入单片机或可编程控制器,研制了以高性能单片机80C196KC为核心组成的自动等离子堆焊控制系统,大幅度提高了设备的稳定性、可靠性和工艺适应性。南昌航空工业学院进行了用可编程控制器改进等离子堆焊装置的研究,并通过试验证明该控制系统抗高频干扰能力强,运行可靠。

为了进一步实现等离子堆焊设备的小型化、控制系统化和操作自动化,目前在设备控制方面,越来越多研究者在等离子堆焊设备中引入可编程控制器对设备进行系统控制,但是许多人只是将PLC作为一种替代传统的继电器控制系统的逻辑顺序控制器,未能充分发挥PLC的软件功能,因此通过充分发挥PLC控制的软件功能,在增强设备的自动化和智能化程度方面,在提高设备工艺适应性和运转稳定性方面,仍有广阔的研究前景。

尽管目前仍存在着许多问题,由于其优异的技术特性,等离子堆焊技术在国内外仍得到了大量应用。在实际的工业生产中,等离子堆焊主要用于表面技术,以提高工件(阀门密封面、气阀密封面、模具刃口、输煤机中部槽板、槽帮、无缝钢管顶头、运动部件摩擦副等)的耐磨性能,以及石化工业设备的耐腐蚀性能,同时延长使用寿命为主要目标。采用各种堆焊材料提高零部件的性能,也是生产和研究的重点。但这些研究工作限于材料的表面改性上。如今高温合金已应用于航空航天、工业燃汽轮机及高速机车等方面,在长期使用中即要求具有高的强度、较佳的抗氧化性能、耐蚀性能和良好的低周疲劳抗力,通常合金的成分及组织对其性能有重大的影响,因此通过等离子堆焊技术在高温合金的成形及加工方面的应用,获得均匀细小的组织结构成为改进合金综合性能的重要手段。随着制造业的快速发展,为了满足各种行业的需要,尤其是在快速制造领域,等离子沉积制造技术也得到人们的注意。

等离子沉积制造技术是在等离子粉末堆焊和快速成型技术的基础上发展起来的一种新的材料增量制造技术,它首先是在计算机中生成零件的三维CAD模型,然后将该模型根据具体工艺方法,按照一定的厚度进行分层剖分,将零件的三维数据信息转换成一系列二维轮廓数据,再经过逐层熔覆的方式制造出三维零件,也被称之为3D打印。由于等离子弧的温度极高,粉末融化充分,从而得到的熔覆层材料组织细小、均匀、致密,同时具有柔性好、加工速度快、对零件的复杂程度基本没有限制等特点,能直接制造出满足实际使用要求的组织致密的金属零件。并且几乎不受原料种类限制,因此在缩短制造加工周期、节省资源与能源、发挥材料性能、提高精度、降低成本方面具有很大的潜力,因而受到越来越多的关注,可见等离子堆焊技术在未来具有很好的发展前景。

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