特種焊考試總結(jié)

第一部分：熱噴涂技術概念——什么是熱噴涂？概念——什么是熱噴涂？

熱噴涂技術是指利用某種熱源（如電弧、燃燒火焰、等離子弧等）將噴涂材料（粉末、絲材或棒材）加熱到熔融或者半熔融的狀態(tài)，然后借助高溫、高速焰流動力或者外加高速氣流霧化，以一定的速度噴射到預處理過的基體表面，快速鋪展、冷卻、凝固并與基體黏著、堆垛形成涂層，從而賦予零件表面某些特殊功能的處理方法。（1）可在不同基材上制備各種涂層；（2）基材溫度低（30～200℃），熱影響區(qū)淺，變形??；（3）涂層厚度范圍寬（0.05～5mm）；（4）操作靈活，可在不同尺寸和形狀的工件上噴涂；（5）加熱效率低，噴涂材料利用率低，（6）涂層與基體結(jié)合強度低（相對堆焊）。熱噴涂技術的特點

包括涂層與基材之間、涂層中顆粒與顆粒之間的結(jié)合，結(jié)合形式有：（1）機械結(jié)合：撞成扁平狀的顆粒和凸凹不平的基材表面互相嵌合(即拋錨效應)而結(jié)合在一起。涂層的結(jié)合（2）物理結(jié)合：熔融粒子的原子與基材表面原子之間距離達到晶格常數(shù)范圍時，產(chǎn)生范德華力，形成物理結(jié)合。（3）冶金-化學結(jié)合：熔融粒子撞擊基材表面時釋放出的能量使噴涂材料與基材之間發(fā)生局部擴散和焊合，形成冶金結(jié)合。如噴涂鎳包鋁復合粉末時的放熱反應。熱噴涂的涂層與基材的結(jié)合主要以機械結(jié)合為主，結(jié)合強度較差(<70MPa)。涂層的結(jié)合1熱噴涂技術的分類按熱源分類，各噴涂方法的焰流溫度和粒子速度不同。熱噴涂技術的分類（1）熱穩(wěn)定性好，在高溫焰流中不升華，不分解(復合粉末）。（2）有較寬的液相區(qū)，使熔滴在較長時間內(nèi)保持液相。（3）與基材有相近的熱膨脹系數(shù)，以防止因膨脹系數(shù)相差過大產(chǎn)生較大的熱應力。（4）噴涂材料在熔融狀態(tài)下應和基材有較好的浸潤性，以保證涂層與基材之間有良好的結(jié)合性能。熱噴涂材料的選材要求（1）要把實用性、工藝性和經(jīng)濟性結(jié)合起來考慮，盡量選擇合理的噴涂材料。（2）對于重要的部件以獲得最優(yōu)涂層性能為準則；不十分重要的部件則以獲得最大的經(jīng)濟效益為準則。（3）根據(jù)工件的工作環(huán)境選擇合適的工作涂層。（4）為滿足噴涂工件的使用要求，可采用復合涂層和梯度涂層。熱噴涂材料的選材原則

質(zhì)量控制要素（4M）：設備（Machine）、材料（Materials）、工藝（Methods）和人員（Man）。熱噴涂工藝流程包括基材表面預處理、熱噴涂、后處理和精加工等過程。熱噴涂工藝流程和質(zhì)量控制熱噴涂工藝流程（1）凈化處理：清除表面污垢。（2）粗化處理：提高涂層與基體之間的結(jié)合牢度。

粗化處理可提高涂層結(jié)合強度的理由是：1）提供表面壓應力；2）提供與涂層顆?；ユi機會；3）增大結(jié)合面積；4）凈化表面?；谋砻骖A處理

封孔處理的目的：（1）防止或阻止涂層界面處的腐蝕；（2）在某些機械部件中防止液體和壓力的密封泄露；（3）防止污染或研磨碎屑碎片進入涂層；（4）保持陶瓷涂層的絕緣強度。封孔處理是在噴涂之后、機加工之前進行。涂層的后處理（封孔處理）熱噴涂技術的分類按熱源分類，各噴涂方法的焰流溫度和粒子速度不同。熱噴涂技術的分類火焰噴涂技術電弧噴涂技術等離子噴涂技術其他噴涂技術利用燃料燃燒作為加熱源，用燃氣或惰性壓縮氣體霧化并加速噴涂材料，在基材表面沉積形成涂層。第一節(jié)火焰噴涂

火焰噴涂是歷史上第一個熱噴涂技術，20世紀初瑞士工程師肖普（Schoop,1912）發(fā)明。最初只用于低熔點金屬，如錫和鉛。而后逐漸拓展至難熔的金屬甚至于陶瓷材料。火焰噴涂包括線材火焰噴涂和粉末火焰噴涂。1.1火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式工業(yè)燃料分為固體燃料、液體燃料和氣體燃料3類。氣體燃料的特點是燃燒迅速，易于控制燃燒狀態(tài)。因此，火焰噴涂通常使用氣體燃料以及部分液體燃料。主要有乙炔、丙烷、丙烯、天然氣、煤油等。

此外，由于乙炔和氧氣的燃燒溫度和火焰速度較高，因此在火焰噴涂中最為常用。助燃劑（氧氣）的供給量直接影響燃燒狀況。此外，良好的燃燒工況還要三個基本條件：足夠的溫度；充足的燃燒時間；燃料與氧氣的充分混合。1.1火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式氣體燃料的燃燒分為擴散燃燒和預混燃燒兩種方式。前者燃燒火焰穩(wěn)定性好，但溫度不高；后者燃燒速度快，能實現(xiàn)高負荷燃燒，是火焰熱噴涂常采用的燃燒方式。

預混燃燒按照燃氣與助燃氣的混合方式不同，分為射吸式混合和等壓式混合。射吸式混合是以一定壓力的助燃氣為噴射氣體，高速噴到射吸管中，使噴嘴周圍形成低壓環(huán)境，將乙炔通過導管吸入射吸管，再經(jīng)混合管混合后，噴出點燃即成火焰。射吸式中的乙炔是靠氧氣的射吸作用進入混合室的，所以不論低壓乙炔還是中壓乙炔噴槍都可以工作，這是射吸式混合的優(yōu)點。但其缺點是噴涂過程中混合氣體的溫度和壓力升高導致噴嘴周圍真空度降低，乙炔流量減少而使火焰變成氧化焰。1.1火焰噴涂原理1.1.1、氣體燃料及其燃燒方式等壓式混合的工作過程是使氧氣和燃氣均以臨界速度同時進入混合室，經(jīng)混合后由噴嘴噴出，點燃形成火焰。等壓式混合的優(yōu)點是由于氧氣和燃氣壓力相近，故混合均勻而不受溫度變化的影響，火焰穩(wěn)定。而且火焰功率以及調(diào)節(jié)范圍也較大，回火的可能性比射吸式混合小。

但是等壓式混合必須使用中壓或者高壓燃氣。1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性火焰是可燃物與助燃物發(fā)生氧化反應是釋放出光和熱量的一中現(xiàn)象?；鹗俏镔|(zhì)分子分裂后重組到低能態(tài)分子的過程中分離、碰撞、重新結(jié)合時釋放的能量。因此，火中的粒子是高速運動的。燃燒的火焰內(nèi)部就是不停被激發(fā)而游動的氣態(tài)分子，高溫下可以認為是電離的氣體，即等離子氣體。

火焰是能量的梯度場，在形貌上它由內(nèi)向外溫度依次增加的3個焰區(qū)組成：焰心、內(nèi)焰和外焰。1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性調(diào)節(jié)混合氣中氧氣和乙炔的不同比例值可使火焰具有不同的性質(zhì)，據(jù)此又可分為中性焰、碳化焰和氧化焰。1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性產(chǎn)生中性焰時：1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性產(chǎn)生碳化焰時：1.1火焰噴涂原理1.1.2、火焰的構成和特性產(chǎn)生氧化焰時：1.1火焰噴涂原理1.1.3、預防回火問題在氧——燃氣燃燒時，如果混合氣體的噴射速度太小，將會發(fā)生氣體火焰進入噴嘴內(nèi)逆向燃燒的現(xiàn)象，稱為“回火”?；鼗饡鼓嫒蓟鹧娣等肴細猓ㄒ胰玻┰?，引發(fā)爆炸事故，因此必須防止和避免。

回火的發(fā)生與氣體、火焰?zhèn)鞑サ姆€(wěn)定性有關。在火焰鋒面的法線方向，當氣體的運動速度等于火焰?zhèn)鞑ニ俣葧r，火焰是穩(wěn)定的。當前者大于后者時，發(fā)生“脫火”現(xiàn)象；當前者小于后者時，就會發(fā)生“回火”。1.1火焰噴涂原理1.1.3、預防回火問題在熱噴涂操作中，脫火會造成作業(yè)中斷，但危害不是很大。需要特別注意的是回火。預防回火可采取的措施如下：（1）降低火焰速度。在噴嘴設計中，盡量選擇小徑多孔和深噴口的噴嘴，以增大噴嘴的冷卻作用。采用火焰?zhèn)鞑ニ俣容^低的燃氣；對噴嘴進行冷卻，防止燃氣初始溫度上升和減小火焰?zhèn)鞑ニ俣取＃?）提高燃氣噴出速度。適當提高噴嘴內(nèi)氣壓。（3）使用回火防止器。1.1火焰噴涂原理1.1.3、預防回火問題水封式回火防止器原理1.1火焰噴涂原理1.1.3、預防回火問題干式回火防止器原理1.4超音速火焰噴涂拉瓦爾(Laval)噴嘴菱形沖擊波（馬赫錐）高速粒子撞擊基體、沉積形成涂層1.4.1、基本原理（HighVelocityOxygen-Fuel(HVOF)、HighVelocityAir-Fuel(HVAF)）1.4超音速火焰噴涂1.4.1、基本原理其中，S—管器截面積，M=V/V聲（馬赫數(shù)），V—流速當V<V聲，即M<1時，則dv與ds符號相反，截面變小，流速增大當V>V聲，即M>1時，則dv與ds符號相同，截面增大，流速增大流體在低速時，經(jīng)過足夠壓縮即可在管器某一截面達到聲速，過了這截面將獲得超音速噴嘴——Laval管的膨脹管流體力學原理，對一維可壓縮流體1.4超音速火焰噴涂1.4.1、基本原理亞音速的氣體通過收縮的第一段噴口加速到音速，然后通過擴張的第二段噴口進一步加速到超音速，最后噴出去。該收縮-擴張噴口（也叫Laval噴管）是流體速度通過音速時的一個有趣現(xiàn)象。1.4超音速火焰噴涂超音速火焰噴涂系統(tǒng)是在20世紀80年代最初由美國James.A.Browning研制成功，至今主要經(jīng)歷了3個發(fā)展階段：第一代超音速火焰噴涂系統(tǒng)以“Jet–Kote”為代表，粒子速度可達450m/s。第二代的HVOF系統(tǒng)以1989年出現(xiàn)的DiamondJet，Top–Gun和CDS為代表，性能較一代有所改進。第三代的HVOF設備以JP-5000噴涂系統(tǒng)為代表。第三代HVOF系統(tǒng)大多都有一個比較大的燃燒室或者一個比較長的槍筒，噴涂粒子的速度可以達到600-650m/s，有的甚至超過1000m/s，因此制備的涂層性能優(yōu)越。1.4.2、發(fā)展歷程1.4超音速火焰噴涂1.4.3、超音速火焰噴涂的工藝

工藝流程：工件表面預處理→（噴涂打底層）→噴涂工作層→后處理。主要工藝參數(shù)：

粉末特性與送粉量

氧氣——燃料的流量、壓力和比例噴涂距離與噴槍移動速度

噴嘴（槍管）長度

基體狀態(tài)（溫度、表面粗糙度）1.4超音速火焰噴涂1.4.4、超音速火焰噴涂的特點1）焰流速度高但溫度相對較低，適合噴涂含碳化物材料。2）涂層致密（99.9％），表面粗糙度低。3）結(jié)合強度大幅度提高，達70MPa以上。4）噴涂效率高，但燃料消耗大，噴涂成本比較高。；5）噪音大(>120dB)，需有隔音和防護裝置。第二節(jié)電弧噴涂

電弧噴涂是由肖普（Schoop）博士1913年提出設計，并于1916年研制成功。1924年英國人首次將電弧噴涂用于實際工程。電弧噴涂的大規(guī)模應用是在二戰(zhàn)后由德國和挪威所做的大量工作和研究開始的。20世紀50年代，電弧噴涂已經(jīng)傳入中國，當時因涂層質(zhì)量問題被認為落后的工藝而未受重視。直到80年代中期，我國的電弧噴涂技術與設備的研究開發(fā)才真正開始，至今已有相當?shù)囊?guī)模。

第二節(jié)電弧噴涂

電弧噴涂的特點：熱效率高60~70%（火焰只有5~15%）

生產(chǎn)效率高（3倍于火焰噴涂以上）操作簡單、安全可靠，生產(chǎn)成本低（比火焰約低30%）可制備假合金涂層結(jié)合強度比較低（20MPa,高于普通火焰，但遠低于超音速火焰）孔隙率高第二節(jié)電弧噴涂

2.1電弧噴涂原理2.2電弧噴涂設備2.3電弧噴涂工藝2.4高速電弧噴涂技術2.1電弧噴涂的原理

在兩根金屬絲之間產(chǎn)生電弧，因電弧產(chǎn)生的熱使金屬絲逐漸熔化，熔化部分被壓縮空氣氣流噴向基體表面而形成涂層。2.1.1、金屬電弧噴涂過程2.1電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程

電弧噴涂是一個不斷重復進行熔化－霧化－噴射－沉積的過程。

熔化(~6000K)噴射(~250m/s)

沉積(~100m/s)

霧化（0.01~0.04mm）2.1電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程金屬液滴在飛行過程中與周圍的空氣環(huán)境進行著能量轉(zhuǎn)換。同時，還伴隨著金屬液滴的氧化。由于金屬顆粒與空氣的接觸狀況不同，在垂直于噴射金屬流的方向上，靠近外緣的金屬氧化更嚴重些。

動能、溫度、化學成分和氧化程度不同的大量顆粒撞擊到噴涂表面上，相互填塞堆積形成涂層。

動能越大、溫度越高、氧化越少、顆粒尺寸越均勻，得到的涂層質(zhì)量越好。2.1電弧噴涂的原理2.1.1、金屬電弧噴涂過程噴涂工作電壓低于35伏時，噴涂電弧過程基本上上是“短路一電弧一斷路”過程。噴涂工作電壓高于35伏時，噴涂電弧過程基本上上是“電弧一斷路”過程。

每一個循環(huán)的周期只有千分之幾秒，電弧過程熔化的金屬溫度遠遠高于短路過程熔化的溫度。2.1電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構噴涂層是由不同的金屬顆?；ハ嗵钊逊e成的。組成涂層的金屬顆粒又被氧化膜隔成非金屬接觸。因此，涂層具有某種金相結(jié)構的說法是不嚴格的，一般說的涂層結(jié)構都是指金屬顆粒的結(jié)構。金屬顆粒在飛行過程中受空氣冷卻，冷卻速率約為105K/s，撞擊到基體表面時冷卻速率可達106K/s~107K/s?；w對于金屬顆粒相當于熱容量無限大的物體。先沉積的涂層又收到后面噴涂過程的再次加熱。若冷卻速率很快和熱擴散均勻相結(jié)合，就可獲得細晶粒結(jié)構。2.1電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構噴涂金屬顆粒的冷卻速度是在奧氏體穩(wěn)定性最低的范圍內(nèi)。因此，噴涂鋼涂層的金相結(jié)構是由奧氏體和殘余奧氏體轉(zhuǎn)變的各種產(chǎn)物混合的(馬氏體、索氏體和鐵素體等)細晶粒結(jié)構組成。在噴涂層中哪一種金相結(jié)構占優(yōu)勢，不僅取決于金屬微粒的冷卻條件，還取決于金屬微粒的化學成分。

盡可能的降低金屬絲在噴涂過程中的燒損，是提高涂層物理機械性能的有效途徑之一。2.1電弧噴涂的原理2.1.2、涂層的組織結(jié)構氧化物和孔隙主要由噴涂工藝決定。

一般的說，普通電弧噴涂的氧化物在5%~25%，孔隙率在2%~15%范圍內(nèi)。2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求從減少噴涂金屬氧化的角度出發(fā)，要求熔化金屬的溫度愈低愈好，希望短路熔化過程要長、電弧溶化過程要短。

直流弧焊機這類陡降特性電源的電弧穩(wěn)定燃燒電壓是35~40V，在這樣高的電壓下，金屬絲間容易起弧。利用這種電源噴涂時，噴涂金屬的熔化過程主要是電弧熔化過程，即“電弧一斷路’、“電弧一斷路”的循環(huán)過程。熔化金屬的溫度高，噴涂金屬的氧化強烈。2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求

陡降特性的電源對送絲速度變化的適應能力差。在噴涂過程中當送絲速度增加時，工作電流增加，工作電壓相應降低，當降低到某一值后，由于短路電流增長速度慢，不能使短路的金屬絲熔化而使噴涂過程中斷。為保證噴涂過程穩(wěn)定，必須降低送絲速度，維持原來的工作電壓不變。2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要求電源有良好的動特性，即一定的短路電流增長速度。這種電源可以在較低電壓(20~25V)情況下工作。由于工作電壓低，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)椤岸搪贰娀　獢嗦贰?、“短路—電弧—斷路”。熔化溫度顯著降低，氧化程度減弱。此外，這種電源對送絲速度有較強的適應能力。2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求金屬電弧噴涂過程要求采用平硬外特性的電源并要求電源有良好的動特性，即一定的短路電流增長速度。這種電源可以在較低電壓(20~25V)情況下工作。由于工作電壓低，放電電弧短，熔化金屬的過程變?yōu)橹饕嵌搪啡刍^程，噴涂過程循環(huán)將變?yōu)椤岸搪贰娀　獢嗦贰?、“短路—電弧—斷路”。熔化溫度顯著降低，氧化程度減弱。此外，這種電源對送絲速度有較強的適應能力。2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求2.2電弧噴涂設備2.2.1、電弧噴涂對電源特性的要求1為電源外特性2為電弧靜特性2.4高速電弧噴涂技術20世紀90年代，通過采用拉瓦爾噴嘴設計提高霧化氣體速度成功研制了超音速電弧噴涂。

霧化效果明顯改善（霧化粒度是AS的1/8~1/3）

涂層內(nèi)部組織均勻致密（孔隙率1~3%）

涂層結(jié)合強度高（可達50MPa）

電弧穩(wěn)定性好，設備通用性強。第五章熱噴涂技術分類第三節(jié)等離子噴涂56熱噴涂技術一般按熱源分類的。熱噴涂技術的分類火焰噴涂技術電弧噴涂技術等離子噴涂技術其他噴涂技術熱噴涂技術57第三節(jié)等離子噴涂等離子噴涂技術出現(xiàn)于20世紀50年代。當時，由于現(xiàn)代航空航天和原子能工業(yè)技術的出現(xiàn)和發(fā)展，對高熔點、高純度、高強度的涂層提出需求，促使人們對高熱源、高噴速、改善噴涂氣氛等方面進行了研究。在這種背景下，美國Plasma-dyne公司首先研制出了等離子噴涂設備。發(fā)展初期（60年代），市場份額只有15%，但是到了80年代就升至55%躍居首位；后來由于其他熱噴涂技術的發(fā)展而略有下降，但20世紀末，等離子噴涂仍占據(jù)著48%的最大比例。583.1等離子噴涂原理3.1.1等離子態(tài)和等離子體等離子狀態(tài)是指物質(zhì)原子內(nèi)的電子在高溫下脫離原子核的吸引，使物質(zhì)成為正負帶電粒子的狀態(tài)；由于其獨特的屬性，被稱為物質(zhì)的第四態(tài)。等離子體是一種由自由電子、正離子、中性原子和分子組成的電離氣體云。593.1等離子噴涂原理3.1.2等離子體的特點與分類導電性由于存在自由電子和帶正、負電荷的離子，因此等離子體具有很強的導電性。

電準中性雖然等離子體內(nèi)部具有很多荷電粒子，但在足夠的空間和時間尺度上，粒子所帶的正電荷數(shù)總是等于負電荷數(shù)，所以稱之為電準中性。因為任何微小的空間電荷密度的存在，將產(chǎn)生巨大的電場強度使其恢復原狀而保持電中性，所以等離子體中電荷分離的空間尺度和時間尺度是很小的。與磁場的可作用性由于等離子體是由荷電粒子組成的導電體，因此可用磁場控制它的位置、形狀和運動，例如電弧的旋轉(zhuǎn)、電弧的穩(wěn)定以及電弧熄滅等現(xiàn)象。與此同時，荷電粒子集體運動的結(jié)果又可以形成電磁場。等離子體的特點：603.1等離子噴涂原理3.1.2等離子體的特點與分類高溫等離子體熱等離子體按溫度分為：低溫等離子體冷等離子體100000~10000000K3000~30000K重粒子室溫，電子上萬度。致密（高壓）等離子體按粒子密度分為：稀?。ǖ蛪海┑入x子體N>1015~1018/cm3N<1012~1014/cm3613.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體熱等離子體：粒子溫度較高，約103~104的數(shù)量級，以及接近于局域熱力學平衡狀態(tài)（不要與熱平衡相混淆）。這時，其中電子、離子和中性粒子具有相同的特征溫度，所以可象普通氣體那樣用統(tǒng)一的熱力學溫度來描述熱等離子體的狀態(tài)。熱力學平衡狀態(tài)：當體系的性質(zhì)不隨時間而改變，此時體系就處于熱力學的平衡態(tài)。熱平衡狀態(tài)：體系和環(huán)境的溫度相等且不變。注：623.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體氣體放電：

施加一電場于某氣體介質(zhì)，如氣體介質(zhì)中存在自由電子，則此自由電子受到電場的加速當其速度（或能量）達到一定數(shù)值時，就能使中性的原子或分子電離，從而獲得更多的自由電子值時，就能電離更多的中在電場中同樣被加速，當能量超過其個這種類似于雪崩現(xiàn)象的電離過程使氣體介質(zhì)中出現(xiàn)大量性粒。同時，荷電粒子的定向運的自由電子，從而使氣體成為導電介質(zhì)這種物理現(xiàn)象。湯遜放電：電流極小，不發(fā)光。輝光放電：有輝光產(chǎn)生，電流較小（幾毫安），溫度不高電弧放電：電壓較低，電流很大（0.1~1000安），發(fā)出很強的光和熱633.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體弧區(qū)劃分：陰極位降區(qū)、弧柱區(qū)和陽極位降區(qū)在一般情況下，沿弧柱長度方向上電場強度近似為常數(shù)，電位曲線在弧柱區(qū)為一直線。而在陰極區(qū)和陽極區(qū)（它們的空間尺度很小，在大氣壓的條件下僅為10-4cm左右），電場強度變化劇烈，而且其數(shù)量級可高達105-6V/cm，比弧柱中的電場強度高幾個數(shù)量級其原因就在于陰極區(qū)和陽極區(qū)中存在空間電荷。一般來說，電極區(qū)的位降值與電極材料、氣體壓力和弧參數(shù)等有關。643.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體電場中電子的優(yōu)先加速若初速度為零，則：下標i表示離子，下標e表示電子電子在電場中獲得的能量比離子高的多。653.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體電場中電子的優(yōu)先加速另一方面，由于電子的碰撞截面比離子的碰撞截面小，因此，通過與其它粒子碰撞而損失能量的幾率也就小。也就是說，電子與離子相比，在電場中能保持更高的速度（或能量）。這樣，在電場中，電子能比離子獲得更大的加速，稱為電子的優(yōu)先加速。663.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體1、電場的能量主要是通過對電子的加速給予電子，然后，再由電子與重粒子的碰撞把能量傳給了重粒子；

2、因為氣體或等離子體的溫度是以它粒子的平均動能來定義的，所以電場中電子的溫度（指電子氣溫度）總是高于重粒子的溫度（指重粒子氣溫度）電子溫度與重粒子溫度的差別恰恰反映了偏離局域熱力學平衡的程度。電子優(yōu)先加速的現(xiàn)象中可以得出如下兩點結(jié)論：673.1等離子噴涂原理3.1.3電弧及熱等離子體當電子在兩次碰撞之間從電場中所得到的能量（即

）愈大時，電子溫度高于重粒子溫度就愈多。這說明當電場強度增大時，或當氣體壓力降低（）時，偏離熱力學平衡的程度也就愈大。為電子的平均自由程683.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生電弧有各種形態(tài)。按電流種類分為交流電弧、直流電弧和脈沖電弧，按電極材料可以分為熔化極電弧和不熔化極電弧。而按電弧的狀態(tài)則可以分為自由電弧和壓縮電弧。壓縮電弧是指電弧燃燒時受到冷卻噴嘴的拘束作用而產(chǎn)生的機械壓縮效應、熱壓縮效應和自磁壓縮效應的高能量密度電弧，溫度可達30000K。693.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生熱壓縮效應機械壓縮效應703.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生對于電弧來說，若以冷機械壁或者冷卻氣流對其外圍降溫，電弧溫度不但不會下降反而會上升。外圍介質(zhì)溫度的降低意味著不能再導電，導電截面減小所以弧柱直徑被壓縮，由于弧電流是不變的，所以弧中電流密度增加，弧內(nèi)溫度升高。713.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生自磁壓縮效應723.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生自磁壓縮效應733.1等離子噴涂原理3.1.4壓縮電弧的產(chǎn)生自磁壓縮效應若電流密度為常數(shù)，即：則有：若電流密度為拋物型分布，即：則有：743.1等離子噴涂原理3.1.4等離子弧的特性1、高溫特性：由于受到以上三種壓縮效應，因而具有不同于一般電弧的特點：753.1等離子噴涂原理3.1.4等離子弧的特性2、高速特性：工作氣體被加熱至高溫而迅速膨脹，所形成的焰流從噴嘴高速噴射而出，在噴嘴處可達亞音速甚至超音速（~1000m/s）。高速沖擊可使涂層強度顯著改善。3、穩(wěn)定性：等離子弧弧柱筆直，不易產(chǎn)生飄動，指向性好，電離度高。電弧的位置、形狀和弧電壓、電流都比自由電弧穩(wěn)定而不易受外界干擾。4、可控性：等離子弧可調(diào)節(jié)因素較多，可在一定范圍內(nèi)控制各種參數(shù)以適應不同條件下的噴涂工藝要求。763.1等離子噴涂原理3.1.5等離子噴涂的基本原理與特點工業(yè)上用的等離子發(fā)生設備有三種形式：非轉(zhuǎn)移弧，轉(zhuǎn)移弧與聯(lián)合式等離子弧。773.1等離子噴涂原理3.1.5等離子噴涂的基本原理與特點而等離子噴涂是采用剛性非轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源，以噴涂粉末材料為主的熱噴涂方法。等離子弧焊接、切割、冶煉均采用轉(zhuǎn)移型等離子弧為熱源。等離子噴焊采用聯(lián)合型等離子弧為熱源。783.1等離子噴涂原理3.1.5等離子噴涂的基本原理與特點等離子噴涂過程示意圖793.1等離子噴涂原理3.1.5等離子噴涂的基本原理與特點等離子噴涂的特點1、工藝穩(wěn)定，涂層質(zhì)量好。2、噴涂材料廣泛，可獲得的涂層種類多。3、基體受熱少，工件變形小，組織不發(fā)生變化。4、設備容量大，輸出功率高，沉積效率高，可實現(xiàn)高質(zhì)量大面積涂層連續(xù)生產(chǎn)。803.1等離子噴涂原理3.1.5等離子噴涂的分類根據(jù)形成等離子體的介質(zhì)和環(huán)境氣氛，可分為氣穩(wěn)和液穩(wěn)等離子噴涂兩大類。大氣等離子噴涂技術保護氣體等離子噴涂技術低壓等離子噴涂技術氣體穩(wěn)定等離子噴涂水穩(wěn)等離子噴涂技術其他液穩(wěn)等離子噴涂技術液體穩(wěn)定等離子噴涂813.2大氣等離子噴涂3.2.1概念與特點大氣等離子噴涂(APS)方法是用Ar、N2和H2等作為介質(zhì)產(chǎn)生等離子體，并在大氣環(huán)境下噴涂操作的熱噴涂方法。其特點是：1、環(huán)境氣氛是大氣；2、工作氣體(或介質(zhì))Ar+H2、Ar+N2、N2+H2或Ar+N2+H2；3、噴涂顆粒速度一般低于音速，最高為100~200m/s，高能等離子噴涂系統(tǒng)中可達到或超過音速；4、噴涂效率高，涂層致密，與基體結(jié)合強度高，基體受熱小，涂層平整、光滑，可精確控制涂層厚度，噴涂工藝規(guī)范調(diào)節(jié)范圍寬。第二部分：堆焊技術概念——什么是堆焊？堆焊：是用焊接的方法，即利用火焰、電弧、等離子弧等熱源將堆焊材料熔化，靠自身重力在工件表面堆焊成耐磨、耐蝕、耐熱涂層的工藝方法。具有修復與表面強化兩大功能。2.1堆焊技術簡介堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一層金屬的工藝過程。一方面可以恢復零件因磨損或加工過程中的失誤而造成的尺寸不足，即恢復零件的尺寸另一方面可以對零件表面進行改性，以獲得所需要的特殊性能，即賦予零件表面特殊的性能。必須盡量控制稀釋率合理地選擇堆焊層的合金系統(tǒng)綜合考慮堆焊方法堆焊技術的特點堆焊技術的特點(1)影響堆焊層性能的主要因素是堆焊層的合金成分和組織性能。(2)由于堆焊主要在于發(fā)揮堆焊層的特殊性能，所以除修補零件可用相同或相近于基體金屬的焊接材料外，一般都使用具有特殊成分和性能的焊接材料，所以堆焊又有異種材料焊接的特點。(3)為了保證堆焊層的特殊性能堆焊時要盡量降低稀釋率。

稀釋率：表示堆焊焊縫中含有母材金屬的百分率。(4)堆焊合金與基體金屬的相變溫度和膨脹系數(shù)等物理性能要盡量接近。堆焊技術的特點堆焊的分類2.2氧-乙炔火焰堆焊氧-乙炔火焰堆焊是用氧-乙炔火焰將合金粉末加熱后，噴灑，沉積并熔化在零件表面上形成堆焊層，多采用粉末合金法。優(yōu)點：多用途堆焊熱源，火焰溫度低，可調(diào)整火焰能率，小稀釋率，熔深淺，母材熔化量少。堆焊層表面光滑美觀，質(zhì)量好，操作簡便靈活，成本低。缺點：熱源分散，溫度不高，效率低，勞動強度大。適用于小批量的中小型零件的堆焊。2.2氧-乙炔火焰堆焊氣焊用的時氧炔焰的溫度進行焊接，氧炔焰大概3000度，與電弧溫度相比要低不少，所以加熱時間要久而且對母材的熱影響要大很多。在一般的焊接領域性能比電弧焊性能要低，但也有機動靈活和能適合對薄壁件焊接的電弧焊不能取代的優(yōu)點，所以在不少領域運用。

氧-乙炔火焰的分類及性質(zhì)①中性焰最高溫度為3050~3150度，主要用于焊接低碳鋼、低合金鋼不銹鋼、紫銅、鋁及合金

②氧化焰最高溫度3100~3300度，用于焊接黃銅、錳黃銅、鍍鋅鐵皮等。③碳化焰最高溫度2700~3000度，用于高碳鋼、高速鋼、硬質(zhì)合金、鋁、青銅等。氧-乙炔火焰堆焊工藝①堆焊前的準備②火焰的選擇③堆焊工藝參數(shù)

(a)焊絲直徑太細，焊絲熔化太快，易造成熔合不良和表面焊層高低不平，降低焊縫質(zhì)量；太粗，造成過熱組織。

(b)火焰能率取決于被焊件厚度、金屬材料的性質(zhì)以及焊件的空間位置。氧-乙炔火焰堆焊工藝(c)堆焊速度(d)焊嘴的傾斜角度2.3手工電弧堆焊原理：電弧堆焊是將焊條與工件分別接在電源上，通過氣體電弧放電產(chǎn)生的熱量將焊條周期性的熔化成滴，并使焊條金屬、藥皮與工件表面局部融化，形成熔池，冷卻后形成堆焊層的工藝方法。2.3手工電弧堆焊特點：設備簡單、使用可靠、操作方便靈活、成本低；缺點：生產(chǎn)效率低、勞動條件差、稀釋率高。主要用于堆焊形狀不規(guī)則或機械化堆焊可焊性差的工件。2.3手工電弧堆焊熔渣向熔池中過度有兩種形式：

(a)以薄膜形式包在金屬溶液表面或夾在熔滴內(nèi)一起落入熔池；

(b)熔渣直接從焊條端部流入熔池或以滴狀落入熔池，隨后覆蓋于熔池表面。2.3手工電弧堆焊一定條件下，熔渣可以脫氧、脫硫、脫氫等，還可進行焊層合金化，為此，熔渣具有適宜的熔點、粘度、表面張力、透氣性、脫渣性、相對密度小于液體金屬。熔渣分類：第一類是氧化性熔渣，用來焊接低碳鋼和低碳合金鋼。第二類是鹽-氧化物型渣，主要用來焊接高合金鋼。第三類是鹽類渣，主要用于焊接鋁、鈦等金屬及合金。2.3手工電弧堆焊多用于磨損失效件的修復。2.3手工電弧堆焊工藝①焊前清洗清除表面鐵銹、油污，焊條使用前烘干，350~400度，保溫2h。②焊條的選用③電源種類和極性④焊條直徑及焊接電流⑤堆焊層數(shù)電弧堆焊質(zhì)量及常見缺陷的

預防措施①堆焊質(zhì)量(a)防止焊縫層金屬開裂進行焊前預熱和焊后緩冷(b)防止堆焊層金屬的硬度不符合要求(c)防止堆焊件變形(d)提高堆焊效率2.3手工電弧堆焊②常見缺陷及預防措施(a)氣孔主要是焊前處理和堆焊工藝參數(shù)的影響。(b)裂紋主要受基體材料處理和工藝參數(shù)的影響。(c)夾渣的未焊透主要是由工藝參數(shù)不穩(wěn)定和操作不當引起。(d)焊道成形不良主要是操作不當所致。2.4二氧化碳氣體保護自動堆焊

二氧化碳氣體保護自動堆焊原理二氧化碳氣體保護自動堆焊的主要優(yōu)點堆焊層質(zhì)量好，抗腐蝕、抗裂能力強堆焊變形小堆焊層硬度均勻。生產(chǎn)率高成本低，適應性強2.4二氧化碳氣體保護自動堆焊

二氧化碳氣體保護自動堆焊的主要缺點不便調(diào)整堆焊層成分稀釋率高元素易燒損設備較復雜，對焊工的技術水平要求較高2.4二氧化碳氣體保護自動堆焊

二氧化碳氣體保護自動堆焊裝置堆焊電源、控制系統(tǒng)、堆焊機架、焊炬、焊炬運行機構、焊件運轉(zhuǎn)機構、送絲機構、供氣系統(tǒng)2.4二氧化碳氣體保護自動堆焊

二氧化碳氣體保護自動堆焊材料CO2氣體的標準是：CO2>99％，O2<0.1％，H2O<1.22g/m3。焊絲有：H10MnSi，H08MnSi，H08MnSiA，，H08Mn2SiA，H04Mn2SiTiA，H10MnSiM，H08MnSiCrMo，H08Cr3Mn2MoA等2.4二氧化碳氣體保護自動堆焊

2.5埋弧堆焊原理：埋弧堆焊是在電弧高溫作用下使焊劑熔化，形成一個覆蓋在熔池上面的熔焊層，隔絕大氣對堆焊金屬的作用，熔化的金屬與溶劑蒸發(fā)形成的蒸氣在熔渣層下形成一個密封的空腔，電弧在空腔內(nèi)燃燒，使焊條熔化，即電弧埋在熔劑層下面進行堆焊，叫埋弧堆焊。埋弧自動堆焊設備堆焊電源送絲機構堆焊機床電感器2.5埋弧堆焊2.5埋弧堆焊埋弧自動堆焊過程：埋弧自動堆焊的分類單絲埋弧堆焊多絲埋弧堆焊帶極堆焊串聯(lián)電弧堆焊粉末埋弧堆焊2.5埋弧堆焊2.5埋弧堆焊埋弧焊的優(yōu)點：

①焊縫層質(zhì)量好，由于熔渣層對電弧空間的保護，減少了堆焊層的氮、氫、氧含量。②埋弧堆焊層存在殘余壓應力，有利于提高修復零件的疲勞強度。③埋弧堆焊在焊渣層下面進行，減少了金屬飛濺，消除了弧光對工人的傷害，有害氣體少，改善勞動條件。④埋弧堆焊都是機械化，生產(chǎn)率高。用于尺寸大，不易變形的零件的表面強化與修復。埋弧焊的缺點對工藝要求高大電流時產(chǎn)生較大的熱影響區(qū)埋弧自動堆焊工藝材料主要由焊絲和焊劑兩部分組成。埋弧自動堆焊常用H08、H08A、H08Mn、H15、H15Mn等低碳鋼絲，也有采用可得到高硬度和耐磨層的H2Cr13、H3Cr13、H30CrMnSiA和H3Cr2W8V的合金焊絲。埋弧自動堆焊工藝材料埋弧堆焊用焊劑目的：保證電弧穩(wěn)定燃燒；保護熔池不受空氣侵入，防止焊縫金屬的氧化和氮化；過渡合金元素，改善堆焊層的化學成分和組織；防止堆焊層產(chǎn)生裂紋、氣孔和疏松；減少金屬飛濺和燒損等。為了改善堆焊層性能，可在焊劑中加入其它合金元素，例如，為了補充燒損的碳，可在焊劑中添加碳粉。用“焊劑431”與低碳鋼焊絲配合堆焊曲軸時，應在焊劑中加入1.2％的碳，用中碳鋼焊絲時，應添加1％的碳，如果焊劑中碳的加入量少，補充不了堆焊過程中碳的燒損，就會造成堆焊層硬度降低、脫渣困難。如果加入量太多，就容易使堆焊層形成淬硬層；造成堆焊層硬度高、出現(xiàn)裂紋等缺陷。

2.6等離子弧堆焊等離子弧堆焊是利用等離子弧高溫加熱的一種熔化堆焊方法。具有堆焊層性能好、工件熔深淺、堆焊層稀釋率低、成形好，加工余量小等一系列優(yōu)點，且易實現(xiàn)機械化和自動化。2.6等離子弧堆焊等離子弧的原理.2.6等離子弧堆焊等離子弧的型式轉(zhuǎn)移型（a）、非轉(zhuǎn)移型（d）、聯(lián)合型等離子弧（b和c）.2.6等離子弧堆焊優(yōu)點：（1）自動化操作，堆焊質(zhì)量優(yōu)良，生產(chǎn)率高，勞動環(huán)境得到改善。（2）熔覆率高，工件變形小，熱影響區(qū)小。熔覆率：單位時間熔敷的金屬質(zhì)量，手工電弧焊≤2kg/h,等離子弧堆焊在0.5~6kg/h之間可調(diào)節(jié)。（3）稀釋率低，使用材料范圍廣。等離子弧能量集中，堆焊速度快，有利于減小稀釋率。手工電弧焊稀釋率0.2~0.3,等離子弧堆焊稀釋率在0.05~0.15。2.6等離子弧堆焊優(yōu)點：（4）成形良好。氬氣保護，焊縫成形好，表面光潔，氣孔夾雜少，尺寸范圍寬，且精確控制。（5）工藝穩(wěn)定性好。等離子弧極為穩(wěn)定，指向性強。等離子弧堆焊適合修復受沖擊載荷較大的零件和強化高溫應力交變負荷的零件。等離子弧堆焊設備等離子弧堆焊設備——電源單一電源接法：鎢極接負極，正極分兩支路，一路接經(jīng)高頻觸發(fā)器接前槍體，供產(chǎn)生非轉(zhuǎn)移弧使用；另一路接工件，形成轉(zhuǎn)移弧。這種方式節(jié)省一個電源，但是電弧轉(zhuǎn)化時會相互干擾，調(diào)節(jié)性不好。另一方案為雙電源：一個電源供非轉(zhuǎn)移弧使用，另一個供轉(zhuǎn)移弧使用。此方案能在較寬范圍內(nèi)對堆焊參數(shù)進行調(diào)節(jié)，起弧容易，工作穩(wěn)定，被廣泛應用。等離子弧堆焊設備——控制裝置等離子弧堆焊設備——送粉器80目對應180微米，230目對應于62微米等離子弧堆焊材料①自熔性合金粉末包括鎳基、鈷基、鐵基、銅基等。（自熔合金是指：含有B和（或）Si元素，熔點較低，大約在950～1150℃之間，本身具有脫氧、造渣、除氣和良好浸潤性能的合金。）②復合粉末由兩種或兩種以上具有不同性能的固相所組成，不同相之間有明顯相界面。2.8堆焊方法的選擇選擇合適的堆焊方法，應著重考慮以下因素（1）堆焊層的性能質(zhì)量要求（2）堆焊件結(jié)構形狀特性（3）堆焊層尺寸特征（4）堆焊合金冶金性質(zhì)特性（5）低成本126第三部分：激光焊接與熔覆127一、激光及激光器20世紀四大發(fā)明：原子能，計算機，半導體激光器英文名：LASER(LightAmplificationbyStimulatedEmissionofRadiation)“鐳射”、“萊塞”中文名：1964年按照我國著名科學家錢學森建議將“光受激發(fā)射”改稱“激光”“最快的刀”“最準的尺”“最亮的光”二.激光原理128(a)：自發(fā)輻射處于高能級態(tài)的原子自發(fā)躍遷到低能級態(tài)，并同時向外輻射出一個光子；宏觀表現(xiàn)：發(fā)光光子能量：129(b)：受激吸收處于低能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，吸收一個光子，躍遷到高能級態(tài)；宏觀表現(xiàn)：光被吸收130(c)：受激輻射處于高能級態(tài)的原子在一定條件下的輻射場作用下，躍遷到低能級態(tài)，并同時輻射出一個與入射光子完全一樣的光子。宏觀表現(xiàn)：光被放大自發(fā)輻射與受激輻射的區(qū)別自發(fā)輻射：完全是一種隨機過程，各發(fā)光原子的發(fā)光過程各自獨立，互不關聯(lián)，即所輻射的光在發(fā)射方向上是無規(guī)則的射向四面八方，另外位相、偏振狀態(tài)也各不相同。由于激發(fā)能級有一個寬度，所以發(fā)射光的頻率也不是單一的，而有一個范圍。受激輻射：

原子可發(fā)出與誘發(fā)光子全同的光子，不僅頻率（能量）相同，而且發(fā)射方向、偏振方向以及光波的相位都完全一樣。131結(jié)論：受激輻射是產(chǎn)生激光的唯一渠道。132受激輻射占主導之必要條件；受激輻射>受激吸收實現(xiàn)受激輻射>受激吸收的方法：133使處在高能級的原子數(shù)目比處在低能級的多—粒子數(shù)反轉(zhuǎn)；如何從技術上實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)？形成激光的三個條件

產(chǎn)生激光必要條件1.實現(xiàn)粒子數(shù)反轉(zhuǎn)

２.使原子被激發(fā)

３.要實現(xiàn)光放大

——工作物質(zhì)

——光學諧振腔——激勵能源

部分反射鏡

激勵能源

全反射鏡

激光輸出

工作物質(zhì)

光學諧振腔L泵浦源：用外界能量來激勵工作物質(zhì)，建立粒子數(shù)反轉(zhuǎn)分布狀態(tài)、使粒子從低能級抽運到高能級態(tài)的裝置泵浦方式：光激勵方式，氣體輝光放電或高頻放電方式，直接注入電子方式，化學反應方式還有熱激勵、沖擊波、電子束、核能等方式。136四、激光器的基本結(jié)構常用激光器由三部分組成：

工作物質(zhì)泵浦源光學諧振腔激光工作物質(zhì)激勵能源諧振腔激光器結(jié)構示意圖138二、激光的特點及應用1.方向性好：發(fā)散角?。杭す馄靼l(fā)射的激光，天生就是朝一個方向射出，光束的發(fā)散角極小，大約為0.001rad，接近平行。1962年，人類第一次用激光照射月球，地球距離月球的距離大約為38萬公里，但激光在月球表面的光斑不到兩公里；139亮度高：由于激光的發(fā)射能力強和能量的高度集中，所以亮度很高，它比普通光源高億萬倍，比太陽表面的亮度高幾百億倍。亮度是衡量一個光源質(zhì)量的重要指標，若將中等強度的激光束經(jīng)過會聚，可在焦點出產(chǎn)生幾千到幾萬度的高溫。激光能量在時間和空間上高度集中，能在極小區(qū)域產(chǎn)生幾百萬度的高溫。激光加工、激光手術、激光武器等就利用了高亮度的特點。激光切割1402.單色性好：單色性好：光的顏色由光的不同波長決定，不同的顏色，是不同波長的光作用于人的視覺的不同而反映出來。激光的波長基本一致，譜線寬度很窄，顏色很純，單色性很好。由于這個特性，激光傳遞信息的容量大，實現(xiàn)光通信。3.相干性好：相干性是所有波的共性，但由于各種光波的品質(zhì)不同，導致它們的相干性也有高低之分。普通光是自發(fā)輻射光，不會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。激光不同于普通光源，它是受激輻射光，具有極強的相干性，所以稱為相干光。相干條件（CoherentCondition）：①振動方向相同；②振動頻率相同；③相位相同或相位差保持恒定那么在兩束光相遇的區(qū)域內(nèi)就會產(chǎn)生干涉現(xiàn)象。

激光焊激光焊（LaserBeamWelding，LBW）是利用能量密度極高的激光束作為熱源的一種高效精密焊接方法。反射激光激光器材料表面吸收電子動能熱能10－9s（λ，Pd，T，材料性質(zhì)、表面狀況）激光焊接與熔覆激光焊的熱效應取決于焊件吸收光束能量的程度，常用吸收率來表征。金屬對激光的吸收率，主要與激光波長、金屬的性質(zhì)、溫度、表面狀況以及激光功率密度等因素有關。金屬對激光的吸收率隨著溫度的上升而增大，隨著電阻率的增加而增大。金屬表面越粗糙，對激光的吸收率越高。為增大激光吸收率，可對金屬表面進行噴砂處理；或應用機械或化學方法對金屬表面進行涂層，都可有效增大金屬對激光的吸收率。激光焊分類發(fā)生器工作性質(zhì)作用方式和能量功率密度（Pd）固體：YAG，

λ＝1.06,脈沖氣體：CO2，

λ＝10.6,連續(xù)液體和半導體脈沖：圓形焊點，微型、精密電子元件連續(xù)：連續(xù)焊縫，厚板對接和搭接傳熱焊：Pd<106W/cm2，

熔點與沸點之間，適于薄小工件（t<1mm）深熔焊（鎖孔焊）：Pd>106W/cm2,

沸點，厚大工件由于工作物質(zhì)是固體，因此輸出功率低，且光束質(zhì)量差傳熱焊由于激光光斑的功率密度小于106W