熱絲激光熔覆技術(shù)在垃圾處理行業(yè)的應(yīng)用

方裕存 余寧 李振偉

摘要：在膜式壁受熱面堆焊一層薄且均勻的Inconel 625鎳基合金耐高溫腐蝕表面改性層，經(jīng)證明是一種能有效延長(zhǎng)垃圾焚燒爐使用壽命、性價(jià)比最高、可行且可靠的解決方案。傳統(tǒng)的膜式壁電弧堆焊技術(shù)存在堆焊層稀釋率高、熔覆效率低、工件需豎立施焊等弊端。熱絲激光熔覆技術(shù)采用大功率、能量平頂分布的特殊波長(zhǎng)半導(dǎo)體激光器，配合35 kHz超高頻脈沖低壓熱絲電源，利用龍門式焊車，在水平放置的膜式壁曲面上大面積堆焊Inconel 625鎳基合金，可得到稀釋率5%以下、熔覆效率達(dá)到8.8 kg/h的優(yōu)質(zhì)堆焊層。在提高堆焊層品質(zhì)的同時(shí)，可顯著提高生產(chǎn)效率，簡(jiǎn)化工件安裝程序，降低用工成本，避免安全隱患。

關(guān)鍵詞：激光熔覆;水冷膜式壁;稀釋率;Inconel 625;熱絲

中圖分類號(hào)：TG442 文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A 文章編號(hào)：1001-2303（2020）07-0127-07

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.07.20

0 前言

隨著工業(yè)發(fā)展、人口增長(zhǎng)、城鎮(zhèn)化加快，我國(guó)已經(jīng)步入城市生活垃圾高產(chǎn)國(guó)的行列。根據(jù)對(duì)418個(gè)大中城市的調(diào)查統(tǒng)計(jì)，我國(guó)城市的垃圾產(chǎn)量以每年超過(guò)10%的速度遞增。垃圾的長(zhǎng)期露天堆放對(duì)大氣環(huán)境、地下水和土壤等造成了嚴(yán)重的威脅和危害。因此，大力發(fā)展我國(guó)城市垃圾焚燒技術(shù)研究和設(shè)備開發(fā)應(yīng)用勢(shì)在必行。

垃圾焚燒法具有處理量大、減容量大、熱能可回收等優(yōu)點(diǎn)。水冷膜式壁是垃圾焚燒爐核心部件。通過(guò)分析研究垃圾焚燒爐的高溫腐蝕機(jī)理[1]，根據(jù)垃圾特有的燃燒工況，作為鍋爐受熱面的水冷膜式壁需要具有耐高溫、耐磨、耐腐蝕、抗附著、抗堿、抗氧化、抗高溫氯腐蝕等性能。但同時(shí)具備上述特性的材料（如鎳基合金Inconel 625）價(jià)格非常昂貴。因此，若膜式壁整體采用具有上述耐高溫腐蝕性能的材料來(lái)制作，成本非常高。在價(jià)格低廉的普通鍋爐鋼的表面增加一層較薄的特性層，同時(shí)兼顧使用性能和成本，是現(xiàn)階段大家認(rèn)可的解決問(wèn)題的思路，該思路即“表面改性”。

1 表面改性方法及特點(diǎn)

表面改性是兼顧產(chǎn)品使用性能和成本經(jīng)濟(jì)性的最佳手段。表面改性技術(shù)路線如圖1所示。

金屬表面涂料處理是一種快捷、低成本的防腐防銹辦法[1]，但因其涂層的耐磨性能差和不耐高溫而不適用于膜式壁的應(yīng)用場(chǎng)景。研發(fā)制造適用于特定應(yīng)用場(chǎng)合的、自帶耐磨、耐腐蝕、耐高溫并導(dǎo)熱的表面特性的特種新型材料一直是材料工程專家們的努力方向，但目前尚未有質(zhì)優(yōu)價(jià)廉的適用材料可應(yīng)用到膜式壁的表面改性行業(yè)。

采用物理氣相沉積（PVD）[2]、化學(xué)沉積（CVD）、超音速噴涂、火焰或電弧噴涂[3]等方法獲得的涂層具有硬度高、均勻度好、致密、耐腐蝕耐磨等性能，但涂層薄、成本高、不適合大面積施工，因而不適合用于膜式壁的表面改性。

實(shí)踐證明，在價(jià)格低廉的普通鍋爐管/板材表面堆焊一層性能優(yōu)異但價(jià)格昂貴的Inconel 625耐高溫腐蝕耐磨層，是性價(jià)比最高、可操作性強(qiáng)的一種特定環(huán)境下耐腐蝕的表面改性技術(shù)方案。Inconel 625是以鉬、鈮為主要強(qiáng)化元素的固溶強(qiáng)化型鎳基變形高溫合金，具有優(yōu)良的耐腐蝕和抗氧化性能，從低溫到980 ℃均有良好的拉伸性能和疲勞性能，并能耐鹽霧氣氛下的應(yīng)力腐蝕。將其應(yīng)用于垃圾焚燒鍋爐、生物質(zhì)鍋爐、冶金行業(yè)余熱鍋爐水冷壁能顯著延長(zhǎng)使用壽命。

多種電弧焊工藝均可用于表面改性的堆焊。王成文等人對(duì)比了焊條電弧焊和鎢極氬弧焊在碳鋼法蘭密封面堆焊鎳基合金的工藝優(yōu)缺點(diǎn)[4];伍鋼采用CMT雙絲焊在不銹鋼基體上堆焊鎳基合金[5];萬(wàn)謙研究了等離子弧粉末堆焊機(jī)和外加激磁電源和激磁線圈對(duì)堆焊性能影響[6];顧永剛等人將帶極電渣焊應(yīng)用于核電蒸發(fā)器管板大面積鎳基合金堆焊[7]。各種電弧堆焊工藝的優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比匯總?cè)绫?所示。

針對(duì)膜式壁堆焊固有的工況條件及其大面積堆焊的需要，熔覆效率低的常規(guī)TIG堆焊無(wú)法滿足其高效率生產(chǎn)要求;生產(chǎn)過(guò)程中要在小曲率半徑表面施焊，需要精確控制熔池的成型，這限制了帶極堆焊工藝的應(yīng)用;要求熱輸入量小以減少產(chǎn)品變形，要求稀釋率低以便在滿足使用性能的前提下盡量減少堆焊層厚度以降低成本，而焊條電弧焊、埋弧焊無(wú)法達(dá)到品質(zhì)控制要求的。由此可見，并非所有的電弧焊工藝都適合膜式壁的Inconel 625堆焊。

近年來(lái)，由于焊接設(shè)備的技術(shù)進(jìn)步，新型焊接電源以及性能卓越的送絲機(jī)構(gòu)不斷涌現(xiàn)，加之專業(yè)技術(shù)人員持續(xù)的、有針對(duì)性的工藝研究，越來(lái)越多的改良型MIG焊設(shè)備被用于膜式壁鎳基合金堆焊，在降低熔池稀釋率方面成效顯著。Fronius公司的CMT設(shè)備及工藝已廣泛應(yīng)用于膜式壁和其他領(lǐng)域的堆焊生產(chǎn)，效率高、工作穩(wěn)定，熔覆效率可達(dá)到5.5～7.8 kg/h，稀釋率約為2%～6%①。

為解決現(xiàn)有堆焊設(shè)備熔覆效率低、稀釋率偏高或不穩(wěn)定、生產(chǎn)時(shí)工件不能平放施焊造成操作不便和效率低下等問(wèn)題，經(jīng)過(guò)大量調(diào)研，開出一套獨(dú)特的熱絲激光熔覆堆焊系統(tǒng)，用于將耐高溫腐蝕的鎳基合金Inconel 625焊絲熔覆堆焊于普通鍋爐膜式壁表面，以實(shí)現(xiàn)表面改性的目的，從而以最低的成本最大限度地延長(zhǎng)垃圾焚燒爐的使用壽命。該系統(tǒng)的獨(dú)特之處在于：（1）所選激光發(fā)生器輸出的激光束波長(zhǎng)對(duì)應(yīng)于鎳基合金吸收率最高的波段、激光束光斑為能量平頂分布（非高斯分布）的大功率半導(dǎo)體激光，這樣的激光器針對(duì)鎳基合金焊絲的熔覆能效最高、適合大范圍移動(dòng)作業(yè);（2）熱絲電源采用35 kHz超高頻脈沖電流、超低電壓型電源，其優(yōu)勢(shì)是焊絲加熱效率更高、更穩(wěn)定，紅熱的焊絲不容易熔斷而產(chǎn)生電弧造成干擾;（3）系統(tǒng)配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便實(shí)時(shí)遠(yuǎn)程觀察熔覆生產(chǎn)過(guò)程;（4）前述設(shè)備的三個(gè)核心組成部件的個(gè)性化特性，能夠保證熔池穩(wěn)定可控，因此可將工件平放作業(yè)。該系統(tǒng)既大大提高生產(chǎn)效率，降低用工人員數(shù)量，又消除了安全隱患。經(jīng)實(shí)驗(yàn)證明，熔覆層稀釋率可達(dá)5%以下，熔覆效率達(dá)8.8 kg/h。

2 設(shè)備組成及其特點(diǎn)

整套熱絲激光熔覆堆焊系統(tǒng)包括：激光系統(tǒng)（包括激光發(fā)生器、激光頭、光纖線纜、專用冷卻水箱）、熱絲系統(tǒng)（包括熱絲電源、熱絲送絲機(jī)）、視頻監(jiān)控系統(tǒng)，以及龍門式焊接工裝（包括龍門式焊車和固定工件的臺(tái)架），如圖2所示。

2.1 激光系統(tǒng)

鎳基合金熱絲激光堆焊對(duì)激光系統(tǒng)有特殊的要求：

（1）由于金屬材料對(duì)不同波長(zhǎng)的激光的吸收率不同，Ehsan Toyserkani等人[8]提出波長(zhǎng)900～980 nm的半導(dǎo)體激光在堆焊鎳基合金時(shí)的能量吸收率最高。

德國(guó)Fraunhofer-Institut fur Lasertechnik[9]將不同波長(zhǎng)的激光器用于鎳基合金焊絲熔覆的對(duì)比實(shí)驗(yàn)，證明了采用波長(zhǎng)940 nm的半導(dǎo)體激光，當(dāng)輸出功率為1.4 kW時(shí)，其熔覆效率與波長(zhǎng)為10 600 μm的CO2激光的輸出功率為3.9 kW時(shí)的熔覆效率相當(dāng)。

德國(guó)Laserline公司采用5 kW的CO2激光器和3 kW半導(dǎo)體激光器在粉末激光熔覆實(shí)驗(yàn)結(jié)果的對(duì)比如表2所示?？梢钥闯?，3 kW的半導(dǎo)體激光器的工作效能與5 kW的CO2激光器相當(dāng)。

由此可見，激光器的波長(zhǎng)選擇對(duì)熱絲激光熔覆堆焊系統(tǒng)的性能起決定性作用。

（2）激光光斑能量平頂分布與高斯分布對(duì)堆焊稀釋率的影響。

Ehsan Toyserkani等人[10]的研究報(bào)告指出，粉末的激光熔覆宜采用激光斑點(diǎn)能量高斯分布的激光系統(tǒng)，而焊絲的激光熔覆應(yīng)采用激光斑點(diǎn)能量平頂分布的激光器。這是因?yàn)槟芰扛咚狗植技す夤獍咧胁繀^(qū)域過(guò)熱，增大了中部開裂風(fēng)險(xiǎn)，熔覆材料的稀釋率高。從試樣的截面可明顯看出，堆焊層與母材之間的熔合線是彎曲的，說(shuō)明母材有很大一部分熔化到堆焊層，如圖3所示。

能量平頂分布的激光束使整體熱輸入低，母材稀釋率低，相同功率的激光，平頂分布的激光生產(chǎn)效率更高。從對(duì)比的樣品可以看出，采用能量平頂分布的激光器堆焊層和母材之間的熔合線平直均勻，如圖4所示。

本系統(tǒng)選用功率平頂分布的激光器，避免了高斯分布的激光器的弊端。

（3）為保證高的熔覆效率，需要采用足夠大功率的激光器。經(jīng)實(shí)驗(yàn)驗(yàn)證，4～10 kW的激光器才能滿足膜式壁熱絲激光熔覆堆焊的要求。同時(shí)，由于工件面積大，采用經(jīng)柔軟光纖耦合的半導(dǎo)體激光更便于操作。

本系統(tǒng)采用大功率激光器作為熱源，可最大可能地提高熔覆效率，同時(shí)，激光束的高能量密度可使熔池區(qū)瞬間達(dá)到金屬熔覆所需溫度，既保證了堆焊層和母材之間的結(jié)合強(qiáng)度，又使熔池易于控制，成型美觀，還保證了焊縫整體熱輸入小，工件變形小。

考慮到設(shè)備的性價(jià)比，系統(tǒng)采用4 kW激光器。隨著大功率半導(dǎo)體激光器的成本的逐漸降低，采用6～10 kW的激光器能進(jìn)一步提高熔覆效率，并配置雙熱絲系統(tǒng)，熔覆效率可達(dá)14～16 kg/h。

2.2 熱絲系統(tǒng)

目前，大部分增材制造（3D打?。┘す馊鄹捕疾捎盟头鄯绞絒11]。針對(duì)粉末激光熔覆工藝中粉末利用率低、Inconel 625粉末成本高、單層熔覆厚度受限、粉末結(jié)晶組織密度低等弊端，采用了送絲方式的激光熔覆方法。在大面積堆焊產(chǎn)品中，采用送絲方式具有材料利用率高、材料成本低、單層堆焊厚度大、效率高等優(yōu)點(diǎn)。

常規(guī)的冷送絲方式，送進(jìn)熔池的焊絲熔化會(huì)占用部分激光能量，影響焊接效率和焊接穩(wěn)定性。相比于冷送絲，熱焊在送進(jìn)熔池前已被加熱到接近熔點(diǎn)，可大大提高效率，減少對(duì)激光能量的消耗。熱絲方式在傳統(tǒng)TIG和等離子焊中已被證明是行之有效的提高效率和焊縫質(zhì)量的成熟方案。

本系統(tǒng)通過(guò)對(duì)比試驗(yàn)驗(yàn)證，采用脈沖頻率達(dá)35 kHz的超高頻脈沖電源（控制器見圖5，技術(shù)參數(shù)見表3），利用其高頻電流的集膚效應(yīng)，加快焊絲的受熱升溫速度，焊絲的加熱溫度更均勻，進(jìn)一步提高熔池對(duì)激光的吸收率[12]。試驗(yàn)中采用較低的熱絲電壓，從而避免了熱絲熔斷導(dǎo)致的電弧產(chǎn)生。獨(dú)特的熱絲電源是該套設(shè)備的主要亮點(diǎn)之一。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于激光強(qiáng)烈的弧光對(duì)操作人員的潛在危險(xiǎn)，引入了一套由超寬動(dòng)態(tài)范圍電弧監(jiān)控相機(jī)和顯示設(shè)備組成的視頻實(shí)時(shí)監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示。該相機(jī)的核心技術(shù)為一個(gè)低功耗低噪聲CMOS光傳感器集成SoC（片上系統(tǒng)），使圖像處理能力不再受外加微處理器的數(shù)據(jù)傳輸速度所限。獨(dú)特的對(duì)數(shù)算法和動(dòng)態(tài)信號(hào)快速處理技術(shù)使1/3英寸、分辨率為1 024×512像素的光傳感器所輸出的圖像動(dòng)態(tài)范圍HDR>150 dB。

該相機(jī)具有自動(dòng)曝光、自動(dòng)HDR、自動(dòng)直方圖功能，配合獨(dú)特的“透霧”功能濾鏡及算法，可清楚觀察TIG、MIG、等離子焊、激光焊等的焊縫坡口、焊槍、焊絲位置和電弧形態(tài)、熔滴過(guò)渡細(xì)節(jié)。相機(jī)通過(guò)一根USB線可方便地實(shí)現(xiàn)遠(yuǎn)程監(jiān)控，既降低勞動(dòng)強(qiáng)度，減少弧光灼傷的風(fēng)險(xiǎn)，還可以隨時(shí)觀察焊接過(guò)程中的工作狀態(tài)，以便調(diào)整參數(shù)，確保焊接質(zhì)量。

2.4 龍門式焊車及工裝

由于有針對(duì)性地選擇了合適的激光發(fā)生器和配套的激光頭、以及獨(dú)特的熱絲電源的合理化引入，熔池易于控制，體積龐大的水冷膜式壁無(wú)須高空吊裝、立向下施焊，膜式壁只需平放在龍門式焊車下方的臺(tái)架上就可順利施焊。龍門架有效寬度6 m、臺(tái)架有效長(zhǎng)度12 m。

本系統(tǒng)可應(yīng)用于12 m×6 m以內(nèi)任意尺寸的膜式壁的生產(chǎn)，避免了立焊方式的工裝高度對(duì)產(chǎn)品長(zhǎng)度的限制。龍門架配備可編程系統(tǒng)，焊縫位置、焊槍高度、焊槍角度可隨每道焊縫自動(dòng)編程切換。往返方向均可施焊，相比立焊方式只能采用單向焊接的效率顯著提高。有效解決了效率、安全、質(zhì)量等多方面問(wèn)題或隱患。

3 激光熔覆工藝參數(shù)

熔覆堆焊前的膜式壁如圖7所示，熔覆堆焊前膜式壁的基本情況如下：管子材質(zhì)為20G，翼板材質(zhì)為Q235;熔覆材料為鎳基合金Inconel 625線材，直徑1.2 mm;保護(hù)氣體為氬氣，純度99.99%;其他的熔覆堆焊主要工藝參數(shù)如表4所示。

4 樣品測(cè)試

4.1 樣品制備

（1）裝夾。將膜式壁表面除銹除油，水平放置在龍門式焊車下方的臺(tái)架上，使其管子軸向與焊車的運(yùn)動(dòng)方向一致，適當(dāng)夾緊。

（2）編程。根據(jù)激光頭固有焦距和當(dāng)前焊縫所對(duì)應(yīng)的膜式壁的位置高度和管子圓弧面切線角度，編程設(shè)定激光頭和熱絲的高度、傾角以及堆焊長(zhǎng)度。堆焊完一道后，編程設(shè)定相反方向的下一道焊縫參數(shù)：機(jī)頭自動(dòng)旋轉(zhuǎn)180°，平移一個(gè)焊縫寬度的水平距離，并根據(jù)該焊縫所對(duì)應(yīng)的膜式壁的位置高度和管子圓弧面切線角度，調(diào)整激光頭和熱絲的高度和傾角。每一道焊縫對(duì)應(yīng)的激光功率、熱絲參數(shù)如電流電壓和送絲速度、焊車行走速度均可獨(dú)立編程控制。重復(fù)上述編程過(guò)程，直至所有焊道覆蓋整個(gè)膜式壁表面。由此可見，本系統(tǒng)是龍門式焊車往返均可施焊的，而常規(guī)的立焊工藝只能單向施焊（雖然返回的空走行程段焊車可設(shè)定為高速行走，但“無(wú)效用時(shí)間”仍然很長(zhǎng)）。

（3）施焊。所有準(zhǔn)備工作就緒后，按下“啟動(dòng)”按鈕，設(shè)備即可按照預(yù)先編好的程序自動(dòng)運(yùn)行。操作工可通過(guò)視頻監(jiān)控的屏幕遠(yuǎn)程觀察熔池形態(tài)，必要時(shí)調(diào)整相關(guān)參數(shù)。

堆焊完畢，截取一部分樣品，通過(guò)測(cè)量堆焊層的鐵含量來(lái)測(cè)量其稀釋率，并觀察表面成形質(zhì)量及斷截面熔合線形貌。

4.2 試樣照片

堆焊樣品外觀如圖8所示?？梢钥闯?，經(jīng)過(guò)激光熱絲熔覆堆焊的膜式壁表面外觀焊道寬度均勻，平整度好，表面氧化小，接近鎳基合金本色。

堆焊平板截面如圖9所示，堆焊膜式壁樣品截面如圖10所示?？梢钥闯?，堆焊層與母材之間的熔合線清晰、平整，堆焊層厚度均勻，焊縫之間沒有明顯的分界線，表明堆焊層與母材結(jié)合良好，母材熔化程度小，所以稀釋率應(yīng)較低，焊道之間沒有未熔合。

利用光譜儀測(cè)量堆焊層稀釋率如圖11所示。通過(guò)測(cè)量堆焊層的鐵含量可知，稀釋率為2.2%，整體而言，堆焊層的稀釋率可控制在5%以內(nèi)。

5 結(jié)論

（1）在垃圾焚燒發(fā)電領(lǐng)域采用熱絲激光熔覆技術(shù)進(jìn)行水冷膜式壁堆焊生產(chǎn)，技術(shù)上具有可行性。

（2）采用適當(dāng)?shù)臒峤z激光熔覆堆焊設(shè)備能夠獲得稀釋率低（<5%）、堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度高、單道厚度2～2.5 mm的優(yōu)質(zhì)Inconel 625鎳基合金堆焊層。

（3）采用適當(dāng)?shù)臒峤z激光熔覆堆焊設(shè)備，熔覆效率能達(dá)到8.8 kg/h，生產(chǎn)效率高，除了一次性設(shè)備投入較高外，運(yùn)行成本低。

（4）采用適當(dāng)?shù)臒峤z激光熔覆堆焊設(shè)備，工件可平放在龍門式焊車下方的臺(tái)架上，無(wú)需將工件豎立裝夾，安全、簡(jiǎn)便、快捷、可靠，降低了勞動(dòng)強(qiáng)度和用工成本，大大提高產(chǎn)能。此外，本系統(tǒng)也可應(yīng)用于其他形狀和大小的金屬增材制造。

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