螺杆等离子堆焊修复工艺介绍

中国塑料机械起始于20世纪五十年代末期，随着中国石油化学工业的发展，中国塑料机械工业逐步形成了一个独立的工业部门，并初具规模，中国已成为世界塑机台件生产的第一大国。塑料通过挤出机塑化成均匀的熔体，并在塑化中建立的压力作用下，并使螺杆连续地定温，定量，定压地挤出机头。大部份热塑性塑料均采用此方法，螺杆挤出机有多种不同的型号和规格，最常用的挤出机就是螺杆挤出机。塑料机械的完善程度直接影响塑料半制品或制品的质量、产量和成本，因而必须能适应塑料配混和加工过程的温度和应力的变化，以及由此而引起的熔融物料性能变化，并适应化学腐蚀和机械磨损等特殊条件。采用等离子堆焊技术修复的塑料机械更能适应行业需求，接下来以塑料行业螺杆修复为例介绍等离子堆焊修复。

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等离子粉末堆焊工艺综述

等离子粉末堆焊是一种先进的堆焊工艺，它是采用氩气等离子电弧作热源，采用粉末状合金作填充料的自动堆焊方法。相比于传统的电焊、氩弧焊等堆焊方式，等离子粉末堆焊存在着堆焊成型好、熔深可控、结合度高、致密度好、易于实现自动化等特点，因而也是阀门企业申请特种设备制造许可证（TS）A级认证时，相关认证部门要求必备的设备。

1.等离子粉末堆焊设备工作流程

（1）电弧产生设备内部有两种电弧发生装置，分别供给非转移弧和转移弧。两个电源的负极并联在一起，通过电缆接至堆焊枪的钨电极(负极)。非转移弧电源正极通过电缆接堆焊枪喷嘴，转移弧电源正极通过电缆接工件。冷却水通过水冷电缆引至焊枪，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和浮子流量计进入堆焊枪。电源接通后，借助高频火花引燃非转移弧。再借助非转移弧弧焰在钨电极和工件之间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧。其主要利用转移弧在工件表面产生熔池。

（2）焊粉输出合金粉末由送粉器按需要量连续供给，借助送粉气流(一般是氩气)送入焊枪，并吹入电弧中。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。（3）参数调节通过调节转移弧和非转移弧电流，送粉量和其他工艺规范参数，来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，在工件上获得所需要的合金熔敷层。

2.等离子粉末堆焊工艺特点

等离子堆焊由于利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其他表面堆焊方法相比较，具有许多优点。

（1）熔覆速度快，生产率较高。（2）熔深可控，稀释率低。稀释率主要指堆焊层与基体的重叠融合处，其作用是控制堆焊的结合强度。如稀释率过小则强度低（又冶金结合转变为机械结合形式）如稀释率大则会影响堆焊层材料的性能和造成堆焊层收缩应力大，出现开裂现象。一般控制在5%-10%左右。稀释率如下图：

（3）堆焊面平整光滑，致密度高，可实现0.5-5mm的堆焊面一次完成。（4）工艺稳定性好，喷焊层质量高，可长时间连续获得稳定的堆焊层，且堆焊面无气孔、沙眼等堆焊质量问题。（5）合金粉末制备简便，使用材料范围广，可选用钴基、镍基、铁基、铜基等粉末型焊材，且可以根据工况直接配方。（6）可根据需求配备专机、机器人等，易于实现自动化，减轻劳动强度。（7）粉末利用率高，利用率可达到90%以上。

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二、螺杆概述

螺杆作为塑料机械核心部件，其使寿命非常有限，属于易损备件。在行业应用中为提高生产效率，减少设备停机维护等。所以采用等离子堆焊实现螺杆做了表面强化处理（耐磨、耐高温、耐腐），从而达到工况需要。

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三、螺杆材料

塑料机械螺杆本体材料制造商90%以上要用38CrMoAl（高级氮化钢）还有一部分采用42CrMo。38CrMoAl材料是高级氮化钢，主要用于具有高耐磨性、高疲劳强度且热处理后尺寸精确的氮化零件，或各种受冲击负荷不大而耐磨性高的氮化零件，如镗杆、磨床主轴、自动车床主轴、蜗杆、精密丝杆、精密齿轮、高压阀门、阀杆、量规、样板、滚子、仿模、气缸体、压缩机活塞杆，汽轮机上的调速器、转动套、固定套，橡胶及塑料挤压机上的各种耐磨件等。

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螺杆等离子堆焊修复工艺

1.堆焊材料

镍基合金粉末（一般镍60）、镍基碳化物（根据产品需求以镍60为基粉加入对应比例的碳化物粉末）。

2.粉末要求

（1）根据产品所需性能（耐磨，耐腐，耐高温）选择合适的合金粉末。（2）选择合金粉末时尽量与基体材料的热膨胀系数接近。以免热膨胀系数过大，产生较大的收缩应力，造成产品开裂现象。也可通过预热与保温工艺来控制开裂。（3）合金粉末采用自熔型粉末，流动性能好（球型颗粒粉末最佳），粉末粒度均匀。可提高堆焊稳定性。（4）送粉速度均匀，速度一般为10-30g/min。粉末粒度范围-钼之间最佳。气体流量范围2.0-2.5L/min

3.螺杆要求

堆焊表面需要堆焊合金粉末的螺杆，前提保证螺杆表面无油，无锈，无明显缺陷。

4.设备要求

设备是由等离子粉末焊机及自动化堆焊工装（选配）组成。

（1）等离子粉末堆焊机

我公司生产的等离子粉末堆焊机主要机型有：DML-V02BD（A）、DML-V03AD（A）、DML-V03BD（A），功率有大有小，可根据实际工况需求选型。主机电源采用高度集成一体化设计，性能优越体积小，制冷水箱安装大功率压缩机，可保持制冷水长时间处于恒温状态，保证长时间连续工作需求。

（2）自动堆焊专机

针对塑料机械领域，我公司开发出自动堆焊专机，适用于螺杆和料筒的表面熔覆合金层，先后服务于舟山定海金石塑料机械有限公司、舟山欧盛达塑料机械有限公司、舟山市光明塑料机械有限责任公司等企业。专机总体采用变位机加机械臂方式，配合步进电机（可选伺服电机）、直线滑轨、摆动器、弧压跟踪装置（选配）等，行走精准，震动小。专机控制系统使用PLC系统，内置多种堆焊程序，可以针对各种复杂产品实现编程解决，比普通的数控系统操作更容易上手。另外，也可以根据客户需求添加CNC控制系统。旋转机构采用精密回转支撑机构驱动，承重大、旋转精度高，并采用伺服电机控制，旋转角度精准。

参考设计图如下：

5.工艺流程

螺杆表面去油处理-螺杆表面预热处理预热温度度-度保温时间（根据工件大小）预热温度均匀-螺杆堆焊（螺棱宽度〉10mm以上采用焊枪摆动焊）-焊完保温(石棉保温缓冷）注意，螺杆预热采用火焰预热，优点预热覆盖面大，成本低，预热时效高，可采用双枪预热而且与机床固定于螺杆同步螺旋行走，双枪可采用前置与后置法跟进，堆焊枪在中间，前枪目的以预热为主（工件发蓝即可且温度枪测试温度为-度之间）后枪目的以小火控制焊后温度为主。螺杆修复等离子堆焊机控制范围：一次堆焊的厚度－－－－－－－－－－0.5-5mm左右一次堆焊的宽度－－－－－－－－－－2-10mm左右粉末粒度－－－－－－－－－－－50－目粉末堆焊效率－－－－－－－－－－－≥90%稀释率－－－－－－－－－－－5%-10%

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五、案例分析

螺杆直径60mm，长度mm，螺距50mm，堆焊镍基合金粉末，单边槽焊,用时40分钟。

1.焊接参数

2.工艺效果

堆焊后的螺杆1)耐高温，高温下不容易变形；2)耐磨损，延长使用寿命；3)耐腐蚀，增加忍耐物料腐蚀性；4)高强度，可承受大扭矩，高转速；5)具有良好的切削加工性能；6）热处理后残余应力小，热变形小等。

应用案例

螺杆堆焊视频

综合评估：由于等离子弧焊具有弧柱温度高，使用粉末喷焊等优点，可以大大简化堆焊材料的制造过程，特别是可以利用多种合金元素，在等离子弧的作用下可以得到不同性能的硬面效果。且稀释率低、结合度强、工作效率高、工艺过程简单无需特殊处理；操作灵活、移动方便可现场施工、可自动或半自动不受工件特殊位置限制；堆焊过程易实现机械化、自动化；可用焊材广泛可根据客户要求自行配置等，特适于金属机械表面强化处理、再生修复。

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