堆焊（Hard Surfacing）是利用焊接热源使基材表面与敷焊的材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程。它的目的不是为了联接零件，而是借用焊接的手段在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材料,以获得所需的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷层。

  堆焊是一种改善机械表面耐磨性的简单、经济且行之有效的方法。它是用焊接方法在零件表面堆一层具有一定性能材料的工艺过程，将焊接中的零件连接技术移植到零件表明上进行敷焊的技术，利用焊接热源使基材表面与敷焊材料之间形成熔化冶金结合的一种表面工程技术。用堆焊方法将耐磨材料覆盖在基体材料上，既提高了耐磨性、延长零件常规使用的寿命,又节省了贵重材料，减少相关成本。它不是为了连接零件，其目的是增加零件的耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能[2]。

  （2）多丝埋弧堆焊。双丝、三丝及多丝堆焊，是将几根并列的焊丝接在电源的一个极上，并同时向焊接区送进。多丝堆焊，可以容许采用很大的焊接电流，而稀释率却很小。如用六根直径3mm的焊丝，总电流达700~750A，最大熔深仅1.7mm，焊道堆高5.1mm，熔宽50mm。双丝埋弧堆焊焊接时，前一条焊丝可以小电流，减小稀释率，后一条可用大电流，堆焊焊接金属，提高生产率。为了使两焊丝熔化均匀，一般会用交流电焊接。

  这三种压缩效应使电弧弧柱的截面积缩小，带电粒子密度增大，电场强度提高，这种压缩了的电弧称为等离子弧。

  由于等离子弧具有压缩作用，故其中心温度可达10000～50000K，单位体积内的包含的能量可高达105～106W/cm2。由于等离子弧温度高，因此被加工材料一般不受熔点的限制。

  等离子弧是利用特制的焊枪，在阴极和冷喷嘴之间或者阴极和工件之间，使气体电离形成的电弧（又称压缩电弧）。当电弧穿过水冷喷嘴小孔时，受到冷气流和水冷喷嘴孔壁的冷却作用，电弧将产生以下三种压缩效应[1]：

  紫铜喷嘴拥有非常良好的导电性和导热性，由于受到水冷，喷嘴孔壁的温度很低。因此，进入喷枪气室内具有很多压力的气体离孔壁越近，其电离度越低，与孔壁贴近的冷气层基本上未电离，而是中性气体，这样使电弧和孔壁之间形成一圈既绝缘又隔热的中性气流层，电弧电流被迫集中到气体电离程度高的中心部位，电弧电流截面的收缩使电流密度增加，全部过程即为热压缩的有效反应。

  等离子弧堆焊工艺是表面涂覆技术的一个分支，是焊接工艺方法在表面工程领域中的重要应用。与别的类型的表面工程技术如化学领域中的电镀、热处理领域中的表面热处理和化学热处理等相比，等离子弧堆焊是一种表面处理新技术在国内外获得了很快的发展[1]。本文就等离子弧堆焊技术在表面工程上的应用展开，从等离子弧的产生到等离子弧堆焊技术的应用，以及目前等离子弧堆焊的每个方面的研究进展进行了相关论述，对等离子弧堆焊技术进行了比较详尽的概括。

  在某些条件下，铜合金拥有非常良好的耐蚀性能和抗黏着磨损性能，具有较低的摩擦系数，良好的抗海水和大气腐蚀性能，塑性好，易于加工。但铜基合金耐磨料磨损性能和抗高温蠕变能力差，易受硫化物和氨盐的腐蚀。硅青铜和铝青铜耐海水腐蚀的能力很强，铝青铜具有耐气蚀的性能，黄铜和青铜在金属与金属间的磨损场合性能优良，被大范围的使用在修理轴承表面。

  等离子弧堆焊工艺是表面强化技术的一个分支。它以联合型或转移型等离子弧作为热源，采用合金粉末或焊丝作为填充金属，堆焊时将工件表面及堆焊材料同时熔化，并使两种材料相互混合构成熔池，熔池经冷凝结晶形成堆焊层。

  等离子堆焊技术出现于20世纪60年代。发展初期，大多数都用在修复损坏的零件，如恢复零件的形状尺寸等。后逐渐将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合。80年代以后，等离子堆焊技术的应用领域逐步扩大，从表面修复扩展到制造业。进入90年代以来，受先进制造技术发展的影响，对等离子堆焊设备的研究越来越深入。国外设备对堆焊过程的主要工艺参数可进行自动检验测试和自动模拟控制，同时对试验数据建立数据库进行微机处理，从而大幅度的提升了堆焊自动化程度。近年来，等离子堆焊技术与智能控制技术(CAD／CAM)和精密磨削技术相结合的近净型技术(Near Net Shape)引起制造业的广泛关注，同时其应用场景范围也逐步扩大[3]。

  铬碳化合物的硬度高于石英砂磨粒的硬度，性能优于普通渗碳体，因而成为耐磨多元复合强化堆焊合金的主要硬质相。合金中加入B，可溶入碳化物或置换碳化物中的碳原子，形成硬质硼化物或复合硼碳化合物相，硬化效果明显。

  TiC的硬度极高。TiC/铁基合金表面抛光后，摩擦系数低，有自润滑功能。热处理后，坚韧强硬的基体相对TiC颗粒支撑特别坚固。

  以镍为基的自熔合金统称为镍基合金。该类合金熔点低，流动性好，拥有非常良好的耐磨、耐腐蚀、耐热和抗氧化等综合性能，但成本较高。这种合金系统大致上可以分为镍硼硅系统和镍铬硼硅系统。NiCrBSi系合金含B约1.5%-4.5%，堆焊层组织是奥氏体硼化物碳化物，堆焊层常温硬度一般为60HRC，耐低应力磨粒磨损性能优良，但冲击韧性一般，高温性能好，在540℃时仍能保持48HRC，且耐氧化耐腐蚀和抗老化性能好，常用于阀门密封面的堆焊。

  南昌大学李玉龙等采用钨极氩弧焊方法对碳钢的堆焊成型进行了研究，建立了基于BP神经网络的模糊控制管理系统，并且对于堆焊成型的过程中的视觉传感系统来进行了研究，取得了较好的研究结果。同时，南昌大学罗勇等开发了TIG焊堆焊成型中神经网络PID温度控制管理系统，以保证在堆焊不同层时都处在接近的温度，试验结果证明，采取了温度控制管理系统之后获得的不同层间的组织差异有所减小[5]。

  用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为焊条电弧堆焊。其焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。焊条电弧堆焊在使用中有如下特点：

  （2）焊接时是明弧，便于焊工操作者观察，焊接灵活性大，特别是对一些形状不规则和零件的可达性不好的部位进行堆焊尤为合适。

  复合堆焊合金是由两种以上不同成分的固相材料所组成，是一种新型工程材料。复合粉末与由不同粉末机械混合而成的粉末相比存在非常明显差别，可实现不同综合性能要求的粉末(如金属与陶瓷的复合粉末)的制备，防止出现成分偏析，保证单颗粒的非均质性和粉末整体均匀性的统一。

  WC系复合堆焊合金多用于承受冲击载荷的严重磨损情况。WC/镍基、WC/钴基是 WC系复合堆焊材料中最重要的两个系列，加入极硬的WC作主体硬质相，目的是使整体材料的硬度和抗磨损性能有很大提高。

  等离子弧的温度很高，所以能堆焊难熔材料，并能提高堆焊速度，稀释率最低可达5%，堆焊层厚度在0.5~8mm，宽度约3~40mm，这种方法低稀释率、高熔敷率的堆焊，但设备成本比较高，堆焊时有强烈的紫外线辐射及臭氧污染空间，所以要做好保护措施。常用于质量发展要求高的批量生产上。下面对等离子弧堆焊作重点介绍。

  埋弧堆焊的实质和一般的埋弧焊没有区别，它有生产效率高，劳动条件好，能获得成分均匀的堆焊层等优点，常用于轧辊、曲轴、化工容器和核反应堆能承受压力的容器衬里等大、中型零部件。又可分为：

  （1）单丝埋弧堆焊。普通单丝埋弧焊是常用的堆焊方法。常用于堆焊面积小的场合，它的缺点是熔深大、稀释率高。因此，能够使用焊丝摆动法，加宽焊道，减小稀释率，也可通过加入填充焊丝的方法，减小稀释率并提高了熔敷率；除此，为减少熔深，也采用下坡焊、增大伸出长度、焊丝前倾和减小焊道间距等措施。提高电流能增加熔敷速度，但也必须导致熔深大幅度提升，所以不能采用。

  该系列堆焊合金以金属钴为基，是在司太立合金基础上发展起来的。它在司太立合金的基础上加入了微量元素改善了合金的某些特性，堆焊层的显微组织是奥氏体共晶组织，当含碳量高时，组织中还会出现大块的合金碳化物。钴基合金的特点是在650℃以上时仍具有较高的强度和硬度，具有优良的热强性、抗氧化性、抗热疲劳性能，较好的耐磨性、耐擦伤、抵抗腐蚀能力，更适合在600℃-700℃的高温工作，如高温阀门密封面的堆焊，但是价格昂贵。

  这是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但能获得质量高的堆焊层金属，除此，还有稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。

  铁基合金是应用最广泛的一类堆焊合金。铁基合金原材料来源广，价格低。由铁基合金获得的焊层有良好的耐磨性。此外，经过成分和组织的调整，铁基合金可以在很大范围内改变堆焊层的强度、韧性、耐磨性、耐蚀性、耐热性和抗冲击性，因此得到了广泛应用。根据堆焊层的成分和组织,铁基堆焊合金可分为珠光体、马氏体、奥氏体、莱氏体、碳化物等几种类型。

  （3）带极埋弧堆焊。带极埋弧堆焊用矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝，可提高填充金属的熔化量，并且有小的熔深。常采用宽60mm，厚0.4~0.8mm的带极堆焊，为提高生产率，可以将宽度提高到180mm。还可以采用双带极、多带极和加入冷带等方法提高熔敷速度。带极埋弧堆焊常用于设备表面的修复中，也可用于化工和原子能压力容器不锈钢衬里等。

  （3）焊条电弧焊热量集中，通过选择不同的焊条能轻松的获得几乎所有的堆焊合金成分。

  （4）这种焊接方法的生产率较低，工件温度梯度大，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊2~3层，但是堆焊层太多会导致开裂。

  氧—乙炔焰用途较广，由于它的火焰温度较低（3100℃左右），还能够调整火焰的能率，能够获得低的稀释率（1%~10%）和薄的堆焊层，一般都会采用碳化焰焊接，乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到普遍使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点。所以该焊接方法大多数都用在小零件的制造和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊。氧—乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷熔等工艺中。其原理示意图如图1。

  等离子弧柱周围的冷气层依附在喷嘴孔道的壁面。因此喷嘴孔径基本上确定了环形冷气流层的直径，也确定了等离子弧的粗细。显然喷嘴孔径及其几何尺寸除通过热压缩效应实现对电弧不同程度的压缩外，还起到对电弧的机械压缩作用。

  电弧电流有一定的流向，弧柱相当于一束电流方向相同的平行导体。每根通电导体都在它周围产生磁场，在电磁力的作用下，使弧柱受到指向弧柱中心的压缩力，从而弧柱受到压缩。