碳極氬氣等離子弧堆焊方法技術

本發明專利技術涉及一種等離子弧堆焊方法。該方法用碳棒做陰極，氬氣做工作介質氣體，構成等離子弧堆焊熱源。通過對陰極的冷卻控制使等離子弧氣氛中含有（１．０～４．５）×１０↑［３］ｄｙｎｅ／ｃｍ↑［３］碳分壓，弧柱溫度９０００～１３０００Ｋ，僅相當于同等規范條件下的鎢極氬氣等離子弧的１／２，弧柱有效導電半徑６～７ｍｍ，相當于鎢極氬氣等離子弧的２倍，而且弧柱具有均勻的徑向溫度場分布。該方法易于實現高質量堆，可將堆焊層母材稀釋率控制在≤１．０％以下，獲得碳化鎢顆粒無燒損的高質量硬質合金復合材料堆焊層。（*該技術在2016年保護過期，可自由使用*）

【技術實現步驟摘要】

本專利技術涉及一種等離子弧堆焊方法。工業生產上普遍使用的等離子弧堆焊方法(已列入美國金屬學會主編《金屬手冊》)，一般是用鎢棒做陰極，用氬氣做工作介質氣體，構成等離子弧堆熱源。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。對實現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合金復合材料，由于弧柱溫度高，往往會造成大量的碳化鎢顆粒在弧柱的高溫作用下發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，對堆焊層性能要求高時，不能獲得理想的堆焊層質量。本專利技術的目的是提供一種新的碳級氬氣等離子弧堆焊方法，該方法易于實現高質量堆焊。本專利技術的目的是這樣實現的用心部含有Na+陽離子無機鹽的有芯碳棒或光譜純石墨碳棒做陰極，用氬氣做工作介質氣體構成等離子弧堆焊熱源。這里強調整的是二者的組合，缺一不可。本專利技術依據的科學原理是在電弧氣氛中引入低電離電位物質時，由于低電離電位物質的作用，會使弧柱溫度相應降低，弧柱的有效導電半徑相應增大。本專利技術以碳棒和電離電位為15.7Ve的氬氣組合構成等離子弧熱源體系，通過對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；當使用有芯碳棒做陰極時，等離子弧氣氛中除含有碳外，還含有電離電位為5.1Ve的鈉。低電離電位物質鈉和碳來自陰極物質的蒸發。通過對由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的等離子弧進行實際測量發現，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，僅相當于同樣電流規范條件下的鎢極氬氣等離子弧的1/2；弧柱的有效導電半徑6～7mm，相當于鎢極氬氣等離子弧的2倍。同時，由于碳在等離子弧氣氛中的分布特點，還造成等離子弧具有非常均勻的徑向溫度場分布。本專利技術易于實現高質量堆焊的原因如下由于該等離子弧熱源的弧柱溫度較低，對其下方被堆焊母材的熱作用較小，弧柱的有效導電加熱半徑較大，徑向溫度分布均勻，對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，這樣的熱源對母材加熱的結果，一方面表現為母材表面熔化度深線而均勻，另一方面，處于半熔化狀態下的母材表面的氧化膜也能在碳離子的作用下發生分解和還原反應而得以去除，大大地提高了堆焊金屬對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，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的還原性，堆焊合金中易燒損元素碳，硼等的過渡系數，可達98％以上。使用本方法進行碳化鎢硬質合金復合材料堆焊時，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發生分解反應，也不會產生熔化，因而可有效地避免因高溫分解和熔化而產生的燒損。雖然本方法要求陰極物質有一定量的蒸發來實現所要求的等離子弧特性，但碳陰極的損耗速度較小，在電流規范為100～300A時，測得的電極損耗速度為為0.3～1.5mm/h，一支φ8×300mm的碳陰極可連續使用100小時以上。實現本方法的最好實施方式是粉未等離子弧堆焊。其優點是對于多種粉末堆焊合金材料，包括碳化鎢硬質合金復合材料，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等工藝參數范圍內，單層堆焊可得到厚度0.2～0.8mm，母材稀釋率≤1.0％的高質量堆焊層。權利要求1.一種等離子弧堆焊方法，采用氬氣做工作介質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+陽離子無機鹽的有芯碳棒或光譜純石墨碳棒做陰極。2.根據權利1所述的堆焊方法，其特征是工作介質氣體流量為0.1～0.5m3/h。3.根據權利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.根據權利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧柱溫度為9000～13000K。5.根據權利1所述的堆焊方法，其特征是等離子弧柱的有效導電半徑6～7mm。6.根據權利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。全文摘要本專利技術涉及一種等離子弧堆焊方法。該方法用碳棒做陰極，氬氣做工作介質氣體，構成等離子弧堆焊熱源。通過對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B23K10/02GK1168308SQ96106510公開日1997年12月24日 申請日期1996年6月14日 優先權日1996年6月14日專利技術者于鳳福, 黃文哲, 孟工戈 申請人:機械工業部哈爾濱焊接研究所本文檔來自技高網...

【技術保護點】
一種等離子弧堆焊方法，采用氬氣做工作介質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↑［＋］陽離子無機鹽的有芯碳棒或光譜純石墨碳棒做陰極。

【技術特征摘要】

【專利技術屬性】
技術研發人員：于鳳福，黃文哲，孟工戈，
申請(專利權)人：機械工業部哈爾濱焊接研究所，
類型：發明
國別省市：93[中國|哈爾濱]