等离子熔覆与激光熔覆的优缺点比较

 

本人多年从事激光熔覆和微束等离子熔覆工艺的应用实践，对此有一些认识和总结。今发文与广大同仁交流  
　　
一、 激光熔覆特点
1. 技术特点
激光熔覆**重要特点是热量集中，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（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不变形无退火的原因。但我以为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，这一点我将在后面讲到。
2. 设备特点
激光熔覆目前国内采用采用两种机型；CO2激光器，YAG激光器。前者为连续输出，熔覆用机一般在3KW以上；YAG激光为脉冲输出，一般在600W左右。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
** 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。
第二 送粉：CO2激光器功率较大，一般用氩气送粉；YAG激光功率小，一般用自然落粉的方式。这两种方式在熔覆时都基本在水平位置形成熔池，倾斜稍大粉末便不能正常送达，激光的使用范围受到限制，特别是YAG激光器。
第三 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。
第四 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。
第五 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：
** 前期处理简单：只需除锈去污去疲劳层即可。
第二 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。
第三 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。
第四 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。
第五 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**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，从机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性的原因（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**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。
     以上拙见供同行们在进行工艺选择时有所参考