PDF《新型等离子弧粉末堆焊机理》

新型等离子弧粉末堆焊机理 王红英

1 , 程志国

2 , 赵昆2, 董祖珏

2 (

1 .

深圳职业技术学院 , 深圳

518055 ;

2 . 哈尔滨焊接研究所, 哈尔滨 150008) 摘要: 人们衡量堆焊方法一般总是从两个方面进行, 一是熔敷速度, 二是稀释率. 在追求大熔敷速度的同时总是希望将稀释率控制得尽量小. 目前, 国内堆焊方法大都 处于高熔敷速度高稀释率或低稀释率低熔敷速度的状态. 熔敷速度的提高和稀释率的 降低是矛盾的两个方面, 二者相互制约. 能否协调熔敷速度与稀释率之间的矛盾关系, 是能否实现高效、高质的堆焊工艺的关键. 等离子弧作为粉末堆焊的热源, 其焰流特性 参数是影响堆焊质量和效率的主要因素. 本文从理论上定性分析了等离子弧的焰流特 性参数和粉末在电弧中获得的动量和热能情况, 阐述了实现高效、低稀释率等离子堆焊 的机理, 并据此提出了新型焊枪结构的设计原则, 为进一步研制高效、低稀释率等离子 堆焊系统奠定了理论及试验基础. 关键词: 等离子弧焰流特性;

等离子堆焊;

熔敷速度;

稀释率 中图分类号: TG455 文献标识码: A 文章编号: 0253-360X( 2002) 02-47-05 王红英

0 序言从等离子粉末堆焊的发展现状[ 1,

2 ] 可知, 目前 堆焊水平普遍处于高熔敷速度高稀释率或低熔敷速 度低稀释率两种状态 .高稀释率意味着所堆敷的贵 重合金被母材金属严重冲淡, 堆焊效果变差, 而低熔 敷速度又造成生产效率低下.人们在追求大熔敷速 度的同时总是希望将稀释率控制得尽量小.稀释率 的大小决定着堆焊层的质量及贵重合金的利用率 , 稀释率越低意味着堆焊层合金成分被母材冲淡的程 度越小,其合金纯度也越高,在同样满足使用要求的 前提下 , 堆焊层数少 [ 3] .同时, 因无需进行多层焊 接,堆焊质量也容易保证 .为实现高效 、 低稀释率等 离子堆焊效果, 本文首先对等离子弧进行了分析和 研究 .

1 等离子弧的特性分析 等离子弧作为堆焊的热源 ,其性质同一般自由 电弧相比 ,主要是受到喷嘴的电弧通道压缩、气体压 缩和水冷压缩, 使得电弧更加集中, 电流密度增大 . 若能知道其压缩情况和电弧温度 、 电场强度以及其 它特性参数之间的关系, 对焊枪的合理设计和工艺 参数的正确选择是十分有益的 . 收稿日期 : 2001-10-15 基金项目 : 机械工业部技术发展基金资助项目( 96JA0404) 1.

1 等离子弧的压缩特性分析 因氩气是等离子弧最常见的保护气体, 所以以 下均以氩等离子电弧作为研究对象.首先确定假定 条件 [

4 ,5] : ( 1) 电弧弧柱是柱对称的 ;

( 2) 电弧弧柱内 部与外部无宏观介质流动;

( 3) 电弧弧柱的辐射忽略 不计;

( 4) 定常工况 ,则有 Elenbaas - Heller 能量平衡 方程 ,并根据弧压最小原理, 采用数值近似求解法 求解 ,从而求出了随电流和喷嘴半径 R 变化时的温 度变化情况 ,如图

1 所示. 图1不同喷嘴半径下电流与弧柱温度的关系 Fig.

1 Relationship between current and arc temperature with different orifice diameter 由图可见 ,当电流增大时 , 等离子弧温度升高;

当喷嘴尺寸减小时 ,等离子弧温度升高,且电场强度 也增大.这说明喷嘴尺寸减小, 增大了电弧的压缩 程度,使电弧温度升高 ,同时也使弧压升高 . 第23 卷第2期2002年4月焊接学报TRANSACTIONS OF THE CHINA WELDING INSTITUT ION Vol .

23 No .

2 April

2 0

0 2 1.

2 等离子弧焰流特性分析 等离子弧焰流特性参数的精确测量是十分困难 的.只能从一些统计公式和边界条件出发,近似、定 性地描述等离子体的焰流特性[ 6] .根据沙哈公式 , 一次电离氩等离子体的状态方程, 热焓公式, 在喷嘴 出口处的等离子焰流的能量方程 , 气体连续方程 , 应用迭代的方法对方程组求解并编制计算程序 , 通 过计算机求解, 结果如图

2 所示. 图2不同电流情况下喷嘴直径对焰流速度的影响 Fig.

2 Influence of orifice diameter on the velocity of arc flame with different current 从图中可以看出 ,随着喷嘴直径的增大, 焰流速 度明显下降, 即喷嘴直径减小, 可明显增大焰流速 度.且随着电弧功率的增大, 等离子体的焰流速度 增大.由此可见 ,减小喷嘴直径是提高焰流速度的 有效途径 .

2 粉末在等离子弧束中的运动和加热 前面从等离子弧本身特性出发, 分析了其压缩 特性和焰流特性 ,但在等离子粉末堆焊中,从粉末加 入电弧中到运动到母材表面的加热和运动情况 , 却 是影响到粉末能否熔化、粉末利用率以及粉末堆焊 层与母材的结合情况的重要因素[

7 ] . 2.

1 粉粒在电弧中的运动 在等离子弧压缩程度较大的情况下 ,假定电弧 从喷嘴到工件表面是一束均匀的圆柱体电弧, 而且 弧束中只有沿喷嘴轴线方向的速度分量而没有径向 的分量 ,因此焰流只对粉粒沿轴线方向加速.粉粒 加入弧束中的情况如图

3 所示 , 粉粒是从左右两边 斜向加入到弧束中去的 .假定粉粒在聚焦之前 , 没 有被焰流加热和加速, 而两边粉粒碰撞点作为粉粒 在电弧中被加热和加速的起点 .设两边送粉量相 等,且送粉气相同, 那么, 粉粒进入电弧时的速度两 边相等( v01 =v02 =v0) , 因粉末一般为

70 ~

120 目 的细小颗粒, 为简化计算从宏观上假设粉粒之间发 生弹性碰撞 ,碰撞后只有轴线方向的速度分量, 联立 粉粒在弧束工作段的运动方程组为 dvx d t =1 t ( vo -vx). ( 1) dvy d t =-

1 t vy ( 2) 即可求出粉粒到达工件时的轴向速度和所需时间. 图3粉粒运动示意图 Fig.

3 Sketch map of powder movement 2.

2 粉粒在电弧中的加热 粉粒在电弧中受到加速的同时,又从电弧中吸收 热量,使得粉粒温度升高,到达熔点后,粉粒熔化.当 熔化后粉粒到达工件时 ,由于粉粒具有一定动能 ,就 会很容易同工件表面的熔化金属结合 ,形成熔敷层. 设粉粒 t 时刻的温度为 T , 当粉粒到达工件表 面时,至少粉粒应被加热到熔点 ,否则对堆焊效果是 很不利的,很容易出现堆焊缺陷 .因此,到达工件时 吸收的比焓增量为 H = ∫ T m T

0 Csd T +Qm +∫ T T m CL d T , ( 3) 式中 : Cs 为固态粉末的比热 ;

T0 为起始温度 ;

Tm 为粉末熔点;

Qm 为粉末熔化热 ;

CL 为液态时粉末 的比热 .粉粒被加热到熔点时吸收热量为 Q =H・

4 3 πR

3 ・ρ, ( 4) 式中 : ρ 为粉粒密度 ;

R 为粉粒半径.而粉粒在电 弧中运动从弧中吸收的热量为 Q =4πR

2 ・α ・ΔT・t . ( 5) 根据不稳态传热原理 , 考虑到粉粒在弧束中运动应 满足第三类边界条件, 即αΔT=λTrr=R , ( 6) 式中 : λ为弧束导热子数;

r 为粉粒半径 ;

Δ T 是弧 束与粉粒边界层的温差;

t 为粉粒运动时间;

α 为弧 束对粉粒的放热系数. 由式( 1) ~ ( 6) , 即可求出在给定弧束参数和电........