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分析比较等离子熔覆与激光熔覆的优缺点

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关键词:激光熔覆 等离子熔覆

2018-03-24

 

一.激光熔覆特点

1.技术特点

激光熔覆最重要的特点是热量集中、加热快、冷却快、热影响区小,特别对不同材质之间熔融有着其它热源无法比拟的特点,也正是这一特殊的加热和冷却过程,在熔铸区域产生的组织结构也不同于其它熔覆(如喷焊、堆焊、普通焊接等)手段,甚至可以产生非晶态组织,特别是脉冲激光更为明显。

这就是所谓激光熔覆无退火、不变形的原因,但是,这只是从工件整体宏观讲,而当你对熔覆层和热影响区进行微观分析时,你会看到另一种景象。

2.设备特点

激光熔覆,目前国内采用的机型有:CO2激光器和YAG激光器。前者为连续输出,熔覆功率一般在3KW以上;YAG激光为脉冲输出,一般在600W左右。其次,最近几年推出的还有半导体固体激光器,体积小,熔覆功率可达到6000W,甚至更高。

对于设备,一般使用者很难吃透,严重依赖生产方的服务,购买价格昂贵,维护成本、零部件价格很高,再加上设备稳定性和耐受性与国外比较普遍都有差距,因此,激光熔覆机一般用在特殊领域,普通工业制造、维修领域难有效益。

3.工艺特点

(1)前期处理

激光熔覆,一般只需将工件打磨干净,除油,除锈,去疲劳层等,比较简单。

(2)送粉

几种激光器的送粉形式比较多样,一般都有,预置送粉,异步送粉,同步送粉(旁轴送粉,同轴送粉)。

(3)从熔池形成的状态看

由于激光的控制精度高,输出功率恒定,且没有电弧接触,所以熔池大小深度一致性好。

(4)加热快、冷却快

影响金属相形成的均匀度,也对排气浮渣不利,这也是造成激光熔覆形成气孔、硬度不均的重要原因,特别是YAG激光倾向更严重。

(5)材料选择

由于不同材料对不同波长激光的吸收能力不同,造成激光熔覆材料选择限制较大,激光更适于镍基自熔性合金等一些材料,对碳化物、氧化物的熔覆更困难一些。

二.微束等离子熔覆特点

1.技术特点

微束等离子熔覆机所采用的等离子束,是一种电离弧,比弧焊机热量更集中,所以加热速度更快。为了获得更集中的离子束,一般采用高压缩比孔径、小电流,以便控制基体温度不致太高,避免引起退火变形。当然,这与YAG激光器加热速度无法比拟。由于等离子弧为连续工作,造成机体冷却相对较慢,形成的过渡区域比激光熔覆要深一些,这对硬面材料熔覆来说,应力会释放的好一些。

2.设备特点

微束等离子熔覆设备是在直流焊机的基础上发展而来,其电源、喷枪、送粉器、摆动器等,技术门槛低,容易制造,可靠性好,维护使用简单,耗电少,使用成本低,通用性好,生产成本低,适应性好,便于规模化生产,效益显著,对环境要求低,对材料适应广泛。

随着电气技术的进步,我国的焊机技术水平已经具备足够的支持能力。另外,设备体积小,重量小,焊枪可以手持把握,这使它使用起来更灵活方便,辅助工装的造价便宜。

3.工艺特点

(1)前期处理简单

只需除锈、去污、去疲劳层即可。

(2)送粉

采用氩气送粉,送分精度要求低,可以有一定的倾斜度。这样就允许手工操作,对于金属修复比较适用。

(3)微束等离子稳定性好

微束等离子的稳定性好,熔池的形成也易于控制,敷材与机体融合充分,区域过度较好。

(4)加热和冷却速度低于激光

熔融状态维持时间长,有利于金相组织均匀形成,排气浮渣较好,在粉末喷出过程中就已经加热,且有氩气和离子气的保护,所以熔覆层均匀度更好,气孔夹渣等缺陷更少。

(5)材料选择

等离子加热方式对材料限制少,材料选择更广泛,对碳化物、氧化物的熔覆更容易一些。

三.关于熔覆中的几个问题

1.关于焊接应力

我们必须建立一个概念,不管使用了什么样的名词(如焊接、堆焊、喷焊、熔覆等)都是在加热的情况下,在金属基体上的熔铸。那么从加热到熔铸,再到冷却这一过程中,必然产生应力。

除了极特殊材料,一般影响最大的还是收缩应力。不同的焊接方式,无非是从加热方式、速度、填充材料和一些其它条件不尽相同。那么,减少这种应力对基体及熔铸层的影响,都是我们追求焊接质量时要考虑的重要方面。

我以为,收缩应力无法避免,那么,应力释放才是解决焊接应力问题的关键。也就是说,这种收缩应力释放到哪里,从基体到熔铸区域应力如何分配,才是我们需要而且能够解决的问题。

2.为什么激光焊接(熔覆)变形小

主要是熔铸区域小,过渡区域小,收缩量小。那么材料在收缩过程中所产生的收缩力,不足以使整个机体变形,这就是所谓激光熔覆不变形的原因(所以当机体尺寸过小时同样会产生变形),这也是激光焊接(熔覆)的优势。

那么,这种焊接应力到哪里去了呢?它主要是释放到熔铸区域和过渡区域了。那么,这就产生了两个问题:

一是熔铸区容易产生裂纹,所以,激光熔覆对材料的延展性要求比较高,如镍基粉末;

二是过渡区应力大,由于激光焊接过程中加热快冷却快,产生的过渡区尺寸过小,造成这一区域应力集中,这就影响了激光焊接(熔覆)的结合效果。特别是在基体与焊材机械性能相差较大时,倾向更严重,甚至产生脱落现象,这就要求在激光熔覆时,格外注意过渡层的材质和厚度设计。

3.为什么等离子熔覆(堆焊)不易产生裂纹、气孔等缺陷

主要原因有三:

一是等离子做热源进行熔覆(堆焊)与埋弧焊气保焊等热量更加集中,离子弧稳定性更好,没有电极熔耗,输出热量均匀,便于控制,这样使得熔铸区热量分布均匀,材料熔合充分均匀,排气浮渣都充分,收缩应力分布均匀。

二是由于等离子设备控制精度高,对熔铸区和过渡区的控制方便,且均匀度好,应力分配更容易控制合理。

三是用氩气保护不需要各种添加剂,也不存在排氢、氧化等问题,所以等离子熔覆(堆焊)更适合大面积、大厚度、高质量的硬面熔铸(如高锰、高铬陶瓷材料等),适合于制造耐磨板、阀门、轧辊等。

4.熔覆的工艺性

关于激光熔覆和等离子熔覆,有许多同行发表了很多文章,大部分都强调激光的优势,这也是大家所追求的目标。然而,多数是从微观角度用金相分析的方法评价激光的。

但凡事都有其两面性,激光熔覆也有其劣势。在工艺方面就有许多限制,在生产实际中更需要高的操作技能,给许多客户造成困难。我认为,主要是加热快冷却快造成的熔覆层熔融时间过短造成光斑外缘和内缘差别大,组织形成不均匀,应力分配不匀,排气浮渣不充分,造成硬度不均,易形成气孔夹渣等问题,难以获得大面积完美的熔覆层,YAG激光尤其为甚。所以,激光熔覆从选材到操作都应格外细致。

等离子熔覆相对激光讲输入热量大,基体变形量比激光大。但其熔融充分,硬度分布均匀,排气浮渣彻底,材料选择范围广,易于操作,易获较为完好的整体熔覆层,成本低,效益好,因此,在大面积、大厚度熔覆方面有着明显优势。