CN108746959B

CN108746959B - 陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法及其送粉装置

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Publication number: CN108746959B
Application number: CN201810814246.0A
Authority: CN
Inventors: 王华君; 江欣谕; 程旭东; 曾鲜; 饶润胤; 刘维; 刘松; 高野
Original assignee: Wuhan University of Technology WUT
Current assignee: Wuhan University of Technology WUT
Priority date: 2018-07-23
Filing date: 2018-07-23
Publication date: 2020-04-21
Anticipated expiration: 2038-07-23
Also published as: CN108746959A

Abstract

本发明公开了一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，包括以下步骤：对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理；根据金属基体材料设定等离子堆焊工艺参数，并确定送粉装置的送粉温度；将金属基体放置工作台，开启等离子堆焊机和送粉装置，送粉装置自动行走，温度感应装置检测金属熔池温度分布并将温度场传输给送粉装置的控制装置，控制装置计算设定的送粉温度在熔池的位置从而确定送粉装置的位置，通过调整外送粉管的夹角，使陶瓷粉末落入熔池中指定的温度区域；控制送粉装置的外送粉管进行钟摆运动。本发明提出的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，方便确定外送粉粉末落点，同时解决了粉末烧损严重和粉末利用率不高的问题。

Description

陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法及其送粉装置

技术领域

本发明涉及等离子堆焊制备硬化表面技术领域，尤其涉及一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法及其送粉装置。

背景技术

现代工业迅猛发展，要求机械部件能够在恶劣的工作环境下正常运转，设备在长期服役的过程中由于受到磨损、腐蚀、应力、冷热交替等作用，使得设备的使用寿命大大减少。这就需要工作在高温、高应力下的设备具有优异的耐磨性、抗氧化性及耐腐蚀性。为了提高材料性能，材料表面改性技术成为一个热门关注点，其中，堆焊技术简单有效，成本低，近年来在工件表面改性技术领域发展迅猛。等离子堆焊技术出现早期主要应用于机械部件表面修复领域，80 年代以后，其应用范围逐渐扩大，在制造业中开始得到应用；90 年代以后，随着先进制造业的发展，等离子堆焊技术的研究逐渐成为极为活跃的研究热点。等离子堆焊是采用高频发生器做引导，点燃钨极与喷嘴之间的非转移弧，之后在钨极与工件之间，转移弧被引燃，弧柱通过压缩作用变得细小，合金粉末吸热熔化形成熔池，合金粉末与工件表面形成良好的冶金结合，并排出气体浮出熔渣，实现材料表面改性的技术。与其它表面改性技术相比，等离子堆焊技术稀释率更低，工件变形更小，且堆焊层成型美观，便于实现自动化，因此在机械零部件等的表面强化和修复中得到广泛应用。但是等离子热源能量密度高，等离子焰的焰心产生的高温容易使合金粉末发生严重的烧损，极大地减少粉末的利用率，影响堆焊层的性能。上个世纪80年代，美国海军研究实验室（United States NavalResearch Laboratory，简称NRL）Robert J.Schaefer为了解决激光熔敷过程中，激光温度过高导致粉末烧损严重的问题，发明了一种激光熔注技术，将粉末注射至激光尾部避免直接注入激光柱柱心，有效的减少了粉末的烧损。该技术在随后的发展过程中逐渐成熟。然而等离子堆焊在采用类似的尾部注射增强粉末方法时存在较多的困难。存在的主要困难有：一、等离子堆焊过程中喷嘴与工件的距离短，远小于激光器和工件的距离，外送粉的可使用空间小；二、外送粉粉末注射落点没有合适的确定方法，落入温度过高的区域粉末烧损严重，落入温度过低的区域粉末无法熔入焊层，落点的确认很大程度上决定了粉末的利用效率及堆焊效果；三、影响等离子堆焊的因素较多，对于不同陶瓷的粉末，不同的工艺条件下，保证粉末有效的利用率是一个难题。

专利CN104096958B，“一种陶瓷增强金属基复合焊层的等离子堆焊制备方法”中提及的等离子熔注粉末的注射落点的理论计算方法，是根据熔池的几何尺寸以及观察基体在焊后的组织粗略判断熔池的温度场分布状态，由此确定粉末的落点的位置，进而计算出送粉管的夹角及位置，从而实现粉末注射至熔池尾部的目的。但是，该方法存在不足和应用局限性。首先，外送粉管位置的计算结果只适用于本次实验的工艺参数，如果工艺参数发生改变例如焊接电流变化，熔池的温度分布也会随之发生变化，熔池的几何尺寸也会变化，原先工艺下计算的数据将不再适用于变化后的工艺。因此一旦工艺参数发生变化，就需要重新计算，重新设置外送粉管置，从装置的实用性角度讲，该方法效率低，操作过程繁琐，适用性较差。其次，专利中的计算方法是依据熔池的几何尺寸，最终得到送粉管的夹角大小。其专利中基体在焊后的图片所显示的圆形尺寸熔池是等离子焰静止状态下对基体加热后形成的熔池，运动状态下熔池的形状应近似于椭圆形，所以在此基础上计算出的送粉管夹角大小并不适用于运动状态下的等离子双轴送粉。

为了解决外送粉粉末落点的计算，粉末烧损严重，粉末利用率不高的问题以及增强外送粉装置的适用性，提高等离子堆焊双轴送粉的工作效率，本发明在等离子堆焊机可用的有限空间内提供了一种新的解决方案。

发明内容

本发明的主要目的在于提供一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法及其送粉装置，旨在方便确定外送粉粉末落点，同时解决粉末烧损严重、粉末利用率不高以及增强外送粉装置适用性问题。

为实现上述目的，本发明提供一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，包括以下步骤：

对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理；

根据金属基体材料设定等离子堆焊工艺参数，并根据陶瓷粉末性质确定送粉装置的送粉温度；

将预先处理好得到金属基体放置工作台，开启等离子堆焊机和送粉装置，并控制送粉装置自动行走，送粉装置的温度感应装置检测金属熔池温度分布并将温度场传输给送粉装置的控制装置，控制装置将当前温度场数据与预先设定的送粉温度进行匹配并计算该设定的送粉温度在熔池的位置从而确定送粉装置的位置，通过调整外送粉管的位置，使陶瓷粉末落入熔池中指定的温度区域；

控制送粉装置的外送粉管进行钟摆运动。

优选地，所述对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理的步骤具体包括：

将金属基体待焊表面进行除锈、除尘、清洗和烘干；

将合金粉末和陶瓷粉末放置于100～150℃下烘干，待冷却至室温后将合金粉末装进同步送粉容器中，陶瓷粉末装入外送粉容器中。

优选地，所述控制送粉装置的外送粉管进行钟摆运动时，根据温度场确定出外送粉管夹角后，以当前角度为中心，向前或向后以预设夹角转动。

优选地，所述外送粉管的前后摆幅为2°~5°，摆动速度为10°/S~20°/S。

优选地，送粉温度设定原则是：陶瓷粉末落入该温度下的熔池中不会发生分解。

本发明进一步提出一种基于上述陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置，包括送粉气瓶、送粉容器、外送粉管固定装置、控制装置、温度传感装置以及外送粉管，其中，

所述送粉气瓶、送粉容器和外送粉管通过管路依次连接，外送粉管固定装置包括电机固定梁以及固定于电机固定梁上的电机，外送粉管与电机的输出轴连接，电机转动带动外送粉管转动，温度传感装置固定于外送粉管外侧壁，控制装置与温度传感装置以及电机连接。

优选地，所述外送粉管固定于第一齿轮上，电机的输出轴上固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮。

优选地，所述温度传感装置为非接触式温度感应装置。

本发明提出的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，具有以下有益效果。

1、很方便即可确定外送粉粉末落点，外送粉装置适用性强。无论怎么改变焊接工艺参数，或使用不同的陶瓷粉末，通过送粉装置保证粉末在熔池的落入点温度合适，不至于温度过高而导致粉末烧损过多，或者温度过低粉末无法熔入焊层，确保良好的堆焊效果，提高粉末的使用效率，减少粉末的浪费，降低了堆焊成本。

2、提升了粉末的利用效率，避免粉末因高温导致严重烧损烧损，或因温度过低而无法熔入焊层。

3、使焊层内的粉末分布更加均匀，增加粉末的厚度和层数。

4、对于密度较大的粉末颗粒，可通过增加外送粉管的摆动频率，向熔池中多次覆盖送粉，能有效缓解粉末沉底问题。

5、外送粉管的摆动能够实现向熔池中增量送粉，大大的提高粉末利用率，增加焊层单位深度内粉末的厚度和层数，同时改善粉末的分布情况，使粉末在整体焊层内分布更加均匀。

附图说明

图1为本发明陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置的结构示意图；

图2为本发明陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置在使用时局部结构示意图。

图中，1-钨极，2-外送粉管，3-非接触式温度感应装置，4-电机，5-基体，6-焊层，7-送粉容器，8-控制装置，9-送粉气瓶，10-合金粉末入口，11-内冷却水入口，12-外冷却水入口，13-电机固定梁，14-等离子气入口，15-紧固螺栓，16-焊枪。

本发明目的的实现、功能特点及优点将结合实施例，参照附图做进一步说明。

具体实施方式

应当理解，此处所描述的具体实施例仅仅用以解释本发明，并不用于限定本发明。

需要说明的是，在本发明的描述中，术语“横向”、“纵向”、“上”、“下”、“前”、“后”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“顶”、“底”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，并不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”等仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。

本发明提出一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法

参照图1和图2，一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，包括以下步骤：

步骤S10，对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理；

步骤S20，根据金属基体材料设定等离子堆焊工艺参数，并根据合金粉末性质确定送粉装置的送粉温度；

步骤S30，将预先处理好得到金属基体放置工作台，开启等离子堆焊机和送粉装置，并控制送粉装置自动行走，送粉装置的温度感应装置检测金属熔池温度分布并将温度场传输给送粉装置的控制装置8（可采用计算机），控制装置8将当前温度场数据与预先设定的送粉温度进行匹配并计算该设定的送粉温度在熔池的位置从而确定送粉装置的位置，通过调整外送粉管2的位置（具体为夹角），使陶瓷粉末落入熔池中指定的温度区域；

步骤S40，控制送粉装置的外送粉管2进行钟摆运动。

具体地，步骤S10具体包括：

将金属基体待焊表面进行除锈、除尘、清洗和烘干（对于碳当量CE=0.40%～0.60%的钢由于淬硬倾向较大需要进行预热）；

待冷却至室温后将合金粉末装进同步送粉容器中，陶瓷粉末装入外送粉容器中。盖上密封盖，打开送粉气，开启送粉气，检查焊枪和外送粉管2是否有均匀的粉末送出，若有则送粉正常，若粉末堵塞管道，则需要拔掉送粉管，疏通管道。

具体地，送粉装置的温度传感装置为非接触式温度感应装置3。

步骤S20中，送粉温度设定原则是：陶瓷粉末落入该温度下的熔池中不会发生分解。送粉温度的设定决定了外送粉管2的定位。

步骤S40中，控制送粉装置的外送粉管2进行钟摆运动时，根据温度场确定出外送粉管2的夹角后，以当前角度为中心，向前或向后以预设夹角转动。在外送粉管2夹角确定后，以该夹角为0°，前后以一定的摆动幅度和摆动频率做钟摆运动。这样，陶瓷粉末由点注射变成在外送粉管2运动弧线上的线注射，实现粉末在熔池中的多层覆盖，达到增量送粉的目的，有利于解决单层送粉经常出现的沉底现象。这是因为，摆动送粉借助钟摆运动使单层送粉变为多层送粉，外送粉管2向前摆动时，粉末第一次进入熔池时，温度较高，熔池黏度小，下沉阻力小加上送粉气流向下的作用力，粉末容易沉积在焊层底部，而焊层表面粉末分布较少。外送粉管2来回摆动时，粉末第二次进入熔池，后续进入熔池的粉末由于熔池的温度下降，熔池的黏度增大，粉末下沉的阻力增大，因此粉末分布在第一道粉末的上方。外送粉管2一边送粉一边摆动，使粉末在焊层内的分布更加均匀。

本实施例中，外送粉管2的前后摆幅为2°~5°，摆动速度为10°/S~20°/S。参数这样控制的好处在于前后摆幅的调控可以控制粉外送粉的送粉范围，摆幅越大送粉范围越大，但粉末落入熔池时的温度范围越大，易出现粉末烧损的情况，焊后堆焊层内粉末组织也不均匀。摆动速度的调整有利于在单位时间内多次送粉，速度过快则存在摆动惯性不利于粉末准确的落入基体熔池中。

以下以两实施例为例进行具体说明。

实施例1

选取金属基体材料热作模具钢4Cr5MoSiV1也称H13钢，H13钢具有较大的淬硬倾向，直接在其表面堆焊，焊层易出现裂纹。因此需要对H13钢进行焊前预处理，将H13钢放入保温炉中预热至300℃并保温半小时，随后用打磨机快速打磨基体表面，去除表面的氧化皮。实验采用的粉末为Ni60A镍基自熔性合金粉末、WC陶瓷粉末，粉末使用前需放置烘箱中100～150℃保温2小时随炉冷却至室温，将Ni60A粉末装进同步送粉气，WC陶瓷粉末装入外送粉容器，盖上密封盖，检查焊机送粉是否正常，有没有粉末堵塞管道的情况。若送粉工作正常，把处理好的H13钢放入工作台。打开计算机、等离子气、保护气、送粉气，启动焊机，启动数控运行。等离子焊枪开始向前进的同时，外送粉管2上的非接触式温度感应装置3检测基体熔池的温度，将熔池温度场的数据传输给计算机，计算机把基体的温度数据与设定的送粉温度进行比对，根据温度的分布计算出熔池中设定温度的位置，随后调节电机4的转动，带动齿轮改变外送粉管2的夹角，使外送粉管2的粉末注射至计算机指定熔池部位。调整好送粉角度后，计算机自动记录当前送粉位置，并以此时的送粉角度为0°以焊枪前进方向为正方向，分别向前摆至4°，向后摆至-4°，摆动速度为16°/S来回做钟摆运动。WC陶瓷粉末熔点高，热稳定性好，可适当增加外送粉管的摆动范围以及摆动速度，提高送粉效率。实验中使用的焊接电流为95A，焊枪前进速度为20mm/min，设定弧压为30V，摆动幅度为3mm，焊枪摆动频率为50c/min，外送粉管2送粉温度设为2300℃，焊枪喷嘴距基体距离为10mm，焊枪送粉速度为12g/min，离子气氩气流量为3L/min，保护气氩气流量为6L/min，送粉气氩气流量为5L /min，外送粉速度为6g/min，外送粉气氩气流量为5L /min。外送粉管2的喷嘴至另一端齿轮中心的长度为50mm，电机4中心距离焊枪轴线56.6mm，电机4齿轮中心距基体表面37.7mm。

实施例2

金属基体选择H13钢，合金粉末选择Ni60A，陶瓷粉末选择Cr₃C₂。清理H13钢基体表面并预热，粉末烘干冷却，Ni60A装入同步送粉器，Cr₃C₂装入外送粉器。送粉装置的送粉温度设为2000℃，焊接电流80A，同步送粉速度10g/min，焊枪前进速度50mm/min，摆幅12mm，摆动频率50c/min，喷嘴距离9mm。外送粉速度6g/min。外送粉管2前后摆幅3°，摆动速度12°/S。Cr₃C₂粉末熔点低，温度过高时易烧损，因此可适当降低外送粉摆幅、摆动速度，减小送粉范围。

图2的数据基于实施例1，焊枪距基体10mm，外送粉管2摆动送粉喷射至基体表面的有效送粉范围为0～15mm。

3、使焊层内的粉末分布更加均匀，增加粉末的厚度和层数。

4、对于密度较大的粉末颗粒，可通过增加外送粉管2的摆动频率，向熔池中多次覆盖送粉，能有效缓解粉末沉底问题。

5、外送粉管2的摆动能够实现向熔池中增量送粉，大大的提高粉末利用率，增加焊层单位深度内粉末的厚度和层数，同时改善粉末的分布情况，使粉末在整体焊层内分布更加均匀。

本发明进一步提出一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置。

本实施例中，一种基于上述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置，包括送粉气瓶9、送粉容器7、外送粉管固定装置、控制装置8、温度传感装置以及外送粉管2，其中，

送粉气瓶9、送粉容器7和外送粉管2通过管路依次连接，外送粉管固定装置包括电机固定梁以及固定于电机固定梁上的电机4，外送粉管2与电机4的输出轴连接，电机4转动带动外送粉管2转动，温度传感装置固定于外送粉管2外侧壁，控制装置8与温度传感装置以及电机4连接。

进一步地，外送粉管2固定于第一齿轮上，电机4的输出轴上固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮。通过设置第一齿轮和第二齿轮，来实现电机4与外送粉管2的连接，这样方便调整外送粉管2的转动角度，且转动角度调整精度高。

本发明提出的送粉装置，通过采用电机4转动的方式带动外送粉管2转动，从而在有限的空间内实现了外送粉粉末注射位置的自动控制，提升了等离子堆焊双轴送粉的适用性，可用于不同的粉末、不同的焊接工艺、不同的焊接基体，无需重新计算外送管夹角。

以上仅为本发明的优选实施例，并非因此限制本发明的专利范围，凡是利用本发明说明书及附图内容所作的等效结构变换，或直接或间接运用在其他相关的技术领域，均同理包括在本发明的专利保护范围内。

Claims

1.一种陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，其特征在于，包括以下步骤：

对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理；

将预先处理好得到金属基体放置于工作台上，开启等离子堆焊机和送粉装置，并控制送粉装置自动行走，送粉装置的温度感应装置检测金属熔池温度分布并将温度场传输给送粉装置的控制装置，控制装置将当前温度场数据与预先设定的送粉温度进行匹配并计算该设定的送粉温度在熔池的位置从而确定送粉装置的位置，通过调整外送粉管的位置，使陶瓷粉末落入熔池中指定的温度区域；

控制送粉装置的外送粉管进行钟摆运动。

2.如权利要求1所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，其特征在于，所述对金属基体、合金粉末及陶瓷粉末进行预处理的步骤具体包括：

将金属基体待焊表面进行除锈、除尘、清洗和烘干；

3.如权利要求1所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，其特征在于，所述控制送粉装置的外送粉管进行钟摆运动时，根据温度场确定出外送粉管夹角后，以当前角度为中心，向前或向后以预设夹角转动。

4.如权利要求3所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，其特征在于，所述外送粉管的前后摆幅为2°~5°，摆动速度为10°/S~20°/S。

5.如权利要求1所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法，其特征在于，送粉温度设定原则是：陶瓷粉末落入该温度下的熔池中不会发生分解。

6.一种基于权利要求1至5中任意一项所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置，其特征在于，包括送粉气瓶、送粉容器、外送粉管固定装置、控制装置、温度传感装置以及外送粉管，其中，

7.如权利要求6所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置，其特征在于，所述外送粉管固定于第一齿轮上，电机的输出轴上固定有与第一齿轮啮合的第二齿轮。

8.如权利要求6所述的陶瓷粉末增强金属基焊层的制备方法的送粉装置，其特征在于，所述温度传感装置为非接触式温度感应装置。