專利名稱：碳極氬氣等離子弧堆焊方法
技術(shù)領(lǐng)域：
本發(fā)明涉及一種等離子弧堆焊方法。
工業(yè)生產(chǎn)上普遍使用的等離子弧堆焊方法(已列入美國金屬學(xué)會(huì)主編《金屬手冊(cè)》)，一般是用鎢棒做陰極，用氬氣做工作介質(zhì)氣體，構(gòu)成等離子弧堆熱源。鎢極氬氣等離子弧做為焊熱源是以弧柱溫度高、能量密度集中而著稱的。但做為堆焊熱源，弧柱溫度高、能量密度集中。對(duì)實(shí)現(xiàn)某些特殊的堆焊要求卻很不利。例如，用鎢極氬氣等離子弧堆焊方法堆焊碳化鎢硬質(zhì)合金復(fù)合材料，由于弧柱溫度高，往往會(huì)造成大量的碳化鎢顆粒在弧柱的高溫作用下發(fā)生分解和熔化而燒損；鎢極氬氣等離子弧堆焊方法的堆焊層母材稀釋率也只能控制在5～10％的水平。因而，對(duì)堆焊層性能要求高時(shí)，不能獲得理想的堆焊層質(zhì)量。
本發(fā)明的目的是提供一種新的碳級(jí)氬氣等離子弧堆焊方法，該方法易于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量堆焊。
本發(fā)明的目的是這樣實(shí)現(xiàn)的用心部含有Na+陽離子無機(jī)鹽的有芯碳棒或光譜純石墨碳棒做陰極，用氬氣做工作介質(zhì)氣體構(gòu)成等離子弧堆焊熱源。這里強(qiáng)調(diào)整的是二者的組合，缺一不可。
本發(fā)明依據(jù)的科學(xué)原理是在電弧氣氛中引入低電離電位物質(zhì)時(shí)，由于低電離電位物質(zhì)的作用，會(huì)使弧柱溫度相應(yīng)降低，弧柱的有效導(dǎo)電半徑相應(yīng)增大。
本發(fā)明以碳棒和電離電位為15.7Ve的氬氣組合構(gòu)成等離子弧熱源體系，通過對(duì)陰極的冷卻控制使等離子弧氣氛中含有一定量的碳分壓，碳的電離電位為11.2Ve；當(dāng)使用有芯碳棒做陰極時(shí)，等離子弧氣氛中除含有碳外，還含有電離電位為5.1Ve的鈉。低電離電位物質(zhì)鈉和碳來自陰極物質(zhì)的蒸發(fā)。
通過對(duì)由φ6～8mm直徑的有芯碳棒和光譜純石墨碳棒做陰極，工作氣體流量0.1～0.5m3/h形成的200A～300A的等離子弧進(jìn)行實(shí)際測量發(fā)現(xiàn)，等離子弧柱氣氛中含有(1.0～4.5)×103dyne/cm3的碳分壓，弧柱溫度9000～1300K，僅相當(dāng)于同樣電流規(guī)范條件下的鎢極氬氣等離子弧的1/2；弧柱的有效導(dǎo)電半徑6～7mm，相當(dāng)于鎢極氬氣等離子弧的2倍。同時(shí)，由于碳在等離子弧氣氛中的分布特點(diǎn)，還造成等離子弧具有非常均勻的徑向溫度場分布。
本發(fā)明易于實(shí)現(xiàn)高質(zhì)量堆焊的原因如下由于該等離子弧熱源的弧柱溫度較低，對(duì)其下方被堆焊母材的熱作用較小，弧柱的有效導(dǎo)電加熱半徑較大，徑向溫度分布均勻，對(duì)其下方母材有較大面積的均勻加熱，而且弧柱氣氛中含有一定量的碳分壓具有還原性，這樣的熱源對(duì)母材加熱的結(jié)果，一方面表現(xiàn)為母材表面熔化度深線而均勻，另一方面，處于半熔化狀態(tài)下的母材表面的氧化膜也能在碳離子的作用下發(fā)生分解和還原反應(yīng)而得以去除，大大地提高了堆焊金屬對(duì)母材表面的潤濕能力。因此使用本法堆焊市售鐵基、鎳基、鈷基合金堆焊材料，在母材稀釋率≤1.0％時(shí)，堆焊層與母材界面的潤濕角仍可保持在60～70°。
由于該等離子弧氣氛具有較強(qiáng)的還原性，堆焊合金中易燒損元素碳，硼等的過渡系數(shù)，可達(dá)98％以上。
使用本方法進(jìn)行碳化鎢硬質(zhì)合金復(fù)合材料堆焊時(shí)，一方面由于等離子弧的溫度較低，另一方面，由于等離子弧柱氣氛中有碳的分壓存在，碳化鎢顆粒在通過弧柱送入熔池的過程中既不會(huì)發(fā)生分解反應(yīng)，也不會(huì)產(chǎn)生熔化，因而可有效地避免因高溫分解和熔化而產(chǎn)生的燒損。
雖然本方法要求陰極物質(zhì)有一定量的蒸發(fā)來實(shí)現(xiàn)所要求的等離子弧特性，但碳陰極的損耗速度較小，在電流規(guī)范為100～300A時(shí)，測得的電極損耗速度為為0.3～1.5mm/h，一支φ8×300mm的碳陰極可連續(xù)使用100小時(shí)以上。
實(shí)現(xiàn)本方法的最好實(shí)施方式是粉未等離子弧堆焊。其優(yōu)點(diǎn)是對(duì)于多種粉末堆焊合金材料，包括碳化鎢硬質(zhì)合金復(fù)合材料，在焊接電流150～300A、焊接電壓25～35V，等離子氣流量0.1～0.5m3/h，送粉氣流量0.2～0.8m3/h、送粉量0.4～7.0Kg/h、堆焊速度30～150mm/min等工藝參數(shù)范圍內(nèi)，單層堆焊可得到厚度0.2～0.8mm，母材稀釋率≤1.0％的高質(zhì)量堆焊層。
權(quán)利要求
1.一種等離子弧堆焊方法，采用氬氣做工作介質(zhì)氣體的等離子弧堆焊熱源，其特征在于等離子弧堆焊熱源采用心部含有Na+陽離子無機(jī)鹽的有芯碳棒或光譜純石墨碳棒做陰極。
2.根據(jù)權(quán)利1所述的堆焊方法，其特征是工作介質(zhì)氣體流量為0.1～0.5m3/h。
3.根據(jù)權(quán)利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧氣氛中含有(1.0～4.5)×103dyne/cm3的碳分壓。
4.根據(jù)權(quán)利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧柱溫度為9000～13000K。
5.根據(jù)權(quán)利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧柱的有效導(dǎo)電半徑6～7mm。
6.根據(jù)權(quán)利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧具有均勻的徑向溫度場分布。
全文摘要
本發(fā)明涉及一種等離子弧堆焊方法。該方法用碳棒做陰極，氬氣做工作介質(zhì)氣體，構(gòu)成等離子弧堆焊熱源。通過對(duì)陰極的冷卻控制使等離子弧氣氛中含有(1.0～4.5)×10
文檔編號(hào)B23K10/02GK1168308SQ96106510
公開日1997年12月24日 申請(qǐng)日期1996年6月14日 優(yōu)先權(quán)日1996年6月14日
發(fā)明者于鳳福, 黃文哲, 孟工戈 申請(qǐng)人:機(jī)械工業(yè)部哈爾濱焊接研究所