一、基本原理

　　等離子粉末堆焊（簡(jiǎn)稱(chēng)PTA）是一種先進(jìn)的堆焊工藝。它是采用氬氣等離子電弧作熱源（轉移型等離子弧為主，非轉移型等離子弧為輔），采用粉末狀合金作填充料的自動(dòng)堆焊方法。圖1是PTA基本過(guò)程示意圖。在采用聯(lián)合型等離子弧噴焊時(shí)，一般采用一體化等離子焊機電源，分別供給非轉移弧和轉移弧。兩個(gè)電源的負極并聯(lián)在一起，通過(guò)電纜接至噴焊槍的鎢電極（負極）。非轉移弧電源正極通過(guò)電纜接噴焊槍噴嘴，轉移弧電源正極通過(guò)電纜接工件。冷卻水通過(guò)水冷電纜引至焊槍?zhuān)�冷卻噴嘴和電極。氬氣通過(guò)電磁氣閥和浮子流量計進(jìn)入噴焊槍。電源接通后，借助高頻火花引燃非轉移弧。再借助非轉移弧弧焰在鎢電極和工件之間造成的導電通道，引燃轉移弧。轉移弧引燃后，可保留或切斷非轉移弧。主要利用轉移弧在工件表面產(chǎn)生熔池。合金粉末由送粉器按需要量連續供給，借助送粉氣流（也用氬氣）送入焊槍?zhuān)�并吹入電弧中。合金粉末在弧柱中被預先加熱，呈熔化或半熔化狀態(tài)，噴射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出氣體和浮出熔渣。通過(guò)調節轉移弧和非轉移弧電流，送粉量和其它工藝規范參數，來(lái)控制熔化合金粉末和傳遞給工件的熱量。隨著(zhù)焊槍和工件的相對移動(dòng)，合金熔池逐凝固，便在工件上獲得所需要的合金熔敷層。

二、特點(diǎn)

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(diǎn)：

（1） 生產(chǎn)率較高，目前熔敷率達到了9公斤/小時(shí)，接近生產(chǎn)率高的埋弧自動(dòng)焊，超過(guò)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，由于工藝上可調規范差數多，能主動(dòng)控制熱量輸入；合金粉末在弧柱中被預先加熱，呈噴射狀過(guò)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，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(guò)改變規范參數，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(shí)現的。

（4）堆焊層質(zhì)量和工藝穩定性好，由于等離子弧穩定性好，外界因素的干擾（周?chē)鷼饬鞯牧鲃?dòng)，噴焊槍距工件的高低，角度的微小變化等）對電參數（弧壓、弧電流）和電弧穩定性影響較小，從而使工藝易于穩定。合金粉末熔化充分，飛濺少，熔池中熔渣和氣體易于排除，容易消除焊層內氣孔，夾渣等質(zhì)量缺陷。由于等離子弧溫度高，熱量績(jì)中。噴焊速度快，一次熔成，使工件熱影響區小。堆焊層合金組織晶粒細，硬度和化學(xué)成分均一，噴焊層質(zhì)量好。

（5）合金粉末制備簡(jiǎn)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(jiǎn)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�配方，熔煉成各種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(lèi)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(xiàn)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(jiǎn)便易行的。

（6）堆焊過(guò)程自動(dòng)進(jìn)行，易于實(shí)現機械化和自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強度。

三、在閥門(mén)密封面制造上應用的優(yōu)越性

　　在閥門(mén)密封面制造上采用PTA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(diǎn)，而顯現出獨特的優(yōu)越性。這是因為閥門(mén)密封面是閥門(mén)的“心臟”，閥門(mén)密封面的制造工藝和材料直接關(guān)系到閥門(mén)的質(zhì)量和使用壽命，也關(guān)系到閥門(mén)的制造成本。對于閥門(mén)密封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。

對于量大面廣的中溫中壓閥門(mén)和高壓閥門(mén)，耐腐蝕閥門(mén)，其密封面制造基本上是采用合金堆焊。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。對高溫高壓閥和耐腐蝕閥門(mén)的密封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(diǎn)正好是解決閥門(mén)密封面手工堆焊諸多問(wèn)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(shí)。

4、 用鐵基合金噴焊代替手工堆焊2Cr13不需要進(jìn)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(mén)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(zhù)的社會(huì )效益和直接的經(jīng)濟效益。

四、經(jīng)濟性分析

　對于量大面廣的中溫中壓閥（全國每年產(chǎn)量是數十萬(wàn)噸），目前制造廠(chǎng)大都采用簡(jiǎn)單易行的手工堆焊2Cr13。用PTA工藝能否代替手工堆焊2Cr13，關(guān)鍵在于能否降低密封制造成本。密封面制造成本主要由：（1）堆焊材料成本；（2）堆焊工時(shí)成本；（3）堆焊層機加工成本；（4）熱處理成本等構成�，F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(jià)格所決定。對于某一型號是規格的閥門(mén)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(guān)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(gè)很驚人的數字，如果各閥門(mén)廠(chǎng)每年消耗的2Cr13焊條總計為100T，材料費為330萬(wàn)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(wàn)，僅材料費用就節省148萬(wàn)。

2、 堆焊工時(shí)成本

堆焊工時(shí)成本取決于每一個(gè)勞動(dòng)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(gè)工人操作，手工電弧堆焊每班一個(gè)工人的堆焊量平均為12Kg左右，而PTA工藝，每班一個(gè)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(gè)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(shí)費為10元，那么PTA工藝的工時(shí)費每件僅為2元。堆焊工時(shí)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(shí)現連續切削，不打刀，總的機械加工工時(shí)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

手工電孤堆焊2Cr13，按照制造工藝，堆焊完畢后，由于焊層很硬無(wú)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密封面規定的硬度，又必須經(jīng)高頻淬火，再研磨。很多閥門(mén)廠(chǎng)不重視密封面質(zhì)量，退火機械加工后，不再進(jìn)行高頻淬火處理，這樣密封面硬度低，耐擦傷性能差。

PTA工藝，噴焊層硬度在規定要求的范圍之內，不需要再經(jīng)過(guò)熱處理（噴焊合金無(wú)淬硬性），而是直接經(jīng)機械加工成成品，可省去耗電量大，容易出現質(zhì)量問(wèn)題的熱處理工序。PTA工藝，不僅提高了閥門(mén)密封面質(zhì)量，而且降低了制造成本。

從以上密封面制造成本的經(jīng)濟性分析，可以顯示PTA工藝在閥門(mén)制造上應用有著(zhù)可提高質(zhì)量，降低成本，提高效率等顯著(zhù)的優(yōu)越性。如果能在閥門(mén)制造行業(yè)較全面的推廣應用PTA工藝，代替落后的手工電孤堆焊，將獲得明顯的社會(huì )效益。  

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