[发明专利]碳极氩气等离子弧堆焊方法

说明书

本发明涉及一种等离子弧堆焊方法。

工业生产上普遍使用的等离子弧堆焊方法(已列入美国金属学会主编《金属手册》)，一般是用钨棒做阴极，用氩气做工作介质气体，构成等离子弧堆热源。钨极氩气等离子弧做为焊热源是以弧柱温度高、能量密度集中而著称的。但做为堆焊热源，弧柱温度高、能量密度集中。对实现某些特殊的堆焊要求却很不利。例如，用钨极氩气等离子弧堆焊方法堆焊碳化钨硬质合金复合材料，由于弧柱温度高，往往会造成大量的碳化钨颗粒在弧柱的高温作用下发生分解和熔化而烧损；钨极氩气等离子弧堆焊方法的堆焊层母材稀释率也只能控制在5～10％的水平。因而，对堆焊层性能要求高时，不能获得理想的堆焊层质量。

本发明的目的是提供一种新的碳级氩气等离子弧堆焊方法，该方法易于实现高质量堆焊。

本发明的目的是这样实现的：用心部含有Na⁺阳离子无机盐的有芯碳棒或光谱纯石墨碳棒做阴极，用氩气做工作介质气体构成等离子弧堆焊热源。这里强调整的是二者的组合，缺一不可。

本发明依据的科学原理是：在电弧气氛中引入低电离电位物质时，由于低电离电位物质的作用，会使弧柱温度相应降低，弧柱的有效导电半径相应增大。

本发明以碳棒和电离电位为15.7Ve的氩气组合构成等离子弧热源体系，通过对阴极的冷却控制使等离子弧气氛中含有一定量的碳分压，碳的电离电位为11.2Ve；当使用有芯碳棒做阴极时，等离子弧气氛中除含有碳外，还含有电离电位为5.1Ve的钠。低电离电位物质钠和碳来自阴极物质的蒸发。

通过对由φ6～8mm直径的有芯碳棒和光谱纯石墨碳棒做阴极，工作气体流量0.1～0.5m³/h形成的200A～300A的等离子弧进行实际测量发现，等离子弧柱气氛中含有(1.0～4.5)×10³dyne/cm³的碳分压，弧柱温度9000～1300K，仅相当于同样电流规范条件下的钨极氩气等离子弧的1/2；弧柱的有效导电半径6～7mm，相当于钨极氩气等离子弧的2倍。同时，由于碳在等离子弧气氛中的分布特点，还造成等离子弧具有非常均匀的径向温度场分布。

本发明易于实现高质量堆焊的原因如下：

由于该等离子弧热源的弧柱温度较低，对其下方被堆焊母材的热作用较小，弧柱的有效导电加热半径较大，径向温度分布均匀，对其下方母材有较大面积的均匀加热，而且弧柱气氛中含有一定量的碳分压具有还原性，这样的热源对母材加热的结果，一方面表现为母材表面熔化度深线而均匀，另一方面，处于半熔化状态下的母材表面的氧化膜也能在碳离子的作用下发生分解和还原反应而得以去除，大大地提高了堆焊金属对母材表面的润湿能力。因此使用本法堆焊市售铁基、镍基、钴基合金堆焊材料，在母材稀释率≤1.0％时，堆焊层与母材界面的润湿角仍可保持在60～70°。

由于该等离子弧气氛具有较强的还原性，堆焊合金中易烧损元素碳，硼等的过渡系数，可达98％以上。

使用本方法进行碳化钨硬质合金复合材料堆焊时，一方面由于等离子弧的温度较低，另一方面，由于等离子弧柱气氛中有碳的分压存在，碳化钨颗粒在通过弧柱送入熔池的过程中既不会发生分解反应，也不会产生熔化，因而可有效地避免因高温分解和熔化而产生的烧损。

虽然本方法要求阴极物质有一定量的蒸发来实现所要求的等离子弧特性，但碳阴极的损耗速度较小，在电流规范为100～300A时，测得的电极损耗速度为为0.3～1.5mm/h，一支φ8×300mm的碳阴极可连续使用100小时以上。

实现本方法的最好实施方式是粉未等离子弧堆焊。其优点是：对于多种粉末堆焊合金材料，包括碳化钨硬质合金复合材料，在焊接电流150～300A、焊接电压25～35V，等离子气流量0.1～0.5m³/h，送粉气流量0.2～0.8m³/h、送粉量0.4～7.0Kg/h、堆焊速度30～150mm/min等工艺参数范围内，单层堆焊可得到厚度0.2～0.8mm，母材稀释率≤1.0％的高质量堆焊层。