熱絲激光熔覆技術在垃圾處理行業(yè)的應用

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，經證明是一種能有效延長垃圾焚燒爐使用壽命、性價比最高、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。熱絲激光熔覆技術采用大功率、能量平頂分布的特殊波長半導體激光器，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、熔覆效率達到8.8 kg/h的優(yōu)質堆焊層。在提高堆焊層品質的同時，可顯著提高生產效率，簡化工件安裝程序，降低用工成本，避免安全隱患。

關鍵詞：激光熔覆;水冷膜式壁;稀釋率;Inconel 625;熱絲

中圖分類號：TG442 文獻標志碼：A 文章編號：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、城鎮(zhèn)化加快，我國已經步入城市生活垃圾高產國的行列。根據對418個大中城市的調查統(tǒng)計，我國城市的垃圾產量以每年超過10%的速度遞增。垃圾的長期露天堆放對大氣環(huán)境、地下水和土壤等造成了嚴重的威脅和危害。因此，大力發(fā)展我國城市垃圾焚燒技術研究和設備開發(fā)應用勢在必行。

垃圾焚燒法具有處理量大、減容量大、熱能可回收等優(yōu)點。水冷膜式壁是垃圾焚燒爐核心部件。通過分析研究垃圾焚燒爐的高溫腐蝕機理[1]，根據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。但同時具備上述特性的材料（如鎳基合金Inconel 625）價格非常昂貴。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制作，成本非常高。在價格低廉的普通鍋爐鋼的表面增加一層較薄的特性層，同時兼顧使用性能和成本，是現階段大家認可的解決問題的思路，該思路即“表面改性”。

1 表面改性方法及特點

表面改性是兼顧產品使用性能和成本經濟性的最佳手段。表面改性技術路線如圖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用場景。研發(fā)制造適用于特定應用場合的、自帶耐磨、耐腐蝕、耐高溫并導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，但目前尚未有質優(yōu)價廉的適用材料可應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。

實踐證明，在價格低廉的普通鍋爐管/板材表面堆焊一層性能優(yōu)異但價格昂貴的Inconel 625耐高溫腐蝕耐磨層，是性價比最高、可操作性強的一種特定環(huán)境下耐腐蝕的表面改性技術方案。Inconel 625是以鉬、鈮為主要強化元素的固溶強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力腐蝕。將其應用于垃圾焚燒鍋爐、生物質鍋爐、冶金行業(yè)余熱鍋爐水冷壁能顯著延長使用壽命。

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[4];伍鋼采用CMT雙絲焊在不銹鋼基體上堆焊鎳基合金[5];萬謙研究了等離子弧粉末堆焊機和外加激磁電源和激磁線圈對堆焊性能影響[6];顧永剛等人將帶極電渣焊應用于核電蒸發(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)缺點對比匯總如表1所示。

針對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堆焊無法滿足其高效率生產要求;生產過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用;要求熱輸入量小以減少產品變形，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、埋弧焊無法達到品質控制要求的。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，由于焊接設備的技術進步，新型焊接電源以及性能卓越的送絲機構不斷涌現，加之專業(yè)技術人員持續(xù)的、有針對性的工藝研究，越來越多的改良型MIG焊設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設備及工藝已廣泛應用于膜式壁和其他領域的堆焊生產，效率高、工作穩(wěn)定，熔覆效率可達到5.5～7.8 kg/h，稀釋率約為2%～6%①。

為解決現有堆焊設備熔覆效率低、稀釋率偏高或不穩(wěn)定、生產時工件不能平放施焊造成操作不便和效率低下等問題，經過大量調研，開出一套獨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，以實現表面改性的目的，從而以最低的成本最大限度地延長垃圾焚燒爐的使用壽命。該系統(tǒng)的獨特之處在于：（1）所選激光發(fā)生器輸出的激光束波長對應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）的大功率半導體激光，這樣的激光器針對鎳基合金焊絲的熔覆能效最高、適合大范圍移動作業(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生電弧造成干擾;（3）系統(tǒng)配備視頻監(jiān)控系統(tǒng)，方便實時遠程觀察熔覆生產過程;（4）前述設備的三個核心組成部件的個性化特性，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)既大大提高生產效率，降低用工人員數量，又消除了安全隱患。經實驗證明，熔覆層稀釋率可達5%以下，熔覆效率達8.8 kg/h。

2 設備組成及其特點

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）、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架），如圖2所示。

2.1 激光系統(tǒng)

鎳基合金熱絲激光堆焊對激光系統(tǒng)有特殊的要求：

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

德國Fraunhofer-Institut fur Lasertechnik[9]將不同波長的激光器用于鎳基合金焊絲熔覆的對比實驗，證明了采用波長940 nm的半導體激光，當輸出功率為1.4 kW時，其熔覆效率與波長為10 600 μm的CO2激光的輸出功率為3.9 kW時的熔覆效率相當。

德國Laserline公司采用5 kW的CO2激光器和3 kW半導體激光器在粉末激光熔覆實驗結果的對比如表2所示?？梢钥闯?，3 kW的半導體激光器的工作效能與5 kW的CO2激光器相當。

由此可見，激光器的波長選擇對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堆焊稀釋率的影響。

Ehsan Toyserkani等人[10]的研究報告指出，粉末的激光熔覆宜采用激光斑點能量高斯分布的激光系統(tǒng)，而焊絲的激光熔覆應采用激光斑點能量平頂分布的激光器。這是因為能量高斯分布激光光斑中部區(qū)域過熱，增大了中部開裂風險，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效率更高。從對比的樣品可以看出，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。經實驗驗證，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，由于工件面積大，采用經柔軟光纖耦合的半導體激光更便于操作。

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，激光束的高能量密度可使熔池區(qū)瞬間達到金屬熔覆所需溫度，既保證了堆焊層和母材之間的結合強度，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。

考慮到設備的性價比，系統(tǒng)采用4 kW激光器。隨著大功率半導體激光器的成本的逐漸降低，采用6～10 kW的激光器能進一步提高熔覆效率，并配置雙熱絲系統(tǒng)，熔覆效率可達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。

常規(guī)的冷送絲方式，送進熔池的焊絲熔化會占用部分激光能量，影響焊接效率和焊接穩(wěn)定性。相比于冷送絲，熱焊在送進熔池前已被加熱到接近熔點，可大大提高效率，減少對激光能量的消耗。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量的成熟方案。

本系統(tǒng)通過對比試驗驗證，采用脈沖頻率達35 kHz的超高頻脈沖電源（控制器見圖5，技術參數見表3），利用其高頻電流的集膚效應，加快焊絲的受熱升溫速度，焊絲的加熱溫度更均勻，進一步提高熔池對激光的吸收率[12]。試驗中采用較低的熱絲電壓，從而避免了熱絲熔斷導致的電弧產生。獨特的熱絲電源是該套設備的主要亮點之一。

2.3 視頻監(jiān)控系統(tǒng)

由于激光強烈的弧光對操作人員的潛在危險，引入了一套由超寬動態(tài)范圍電弧監(jiān)控相機和顯示設備組成的視頻實時監(jiān)控系統(tǒng)，如圖6所示。該相機的核心技術為一個低功耗低噪聲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據傳輸速度所限。獨特的對數算法和動態(tài)信號快速處理技術使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態(tài)范圍HDR>150 dB。

該相機具有自動曝光、自動HDR、自動直方圖功能，配合獨特的“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)、熔滴過渡細節(jié)。相機通過一根USB線可方便地實現遠程監(jiān)控，既降低勞動強度，減少弧光灼傷的風險，還可以隨時觀察焊接過程中的工作狀態(tài)，以便調整參數，確保焊接質量。

2.4 龍門式焊車及工裝

由于有針對性地選擇了合適的激光發(fā)生器和配套的激光頭、以及獨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架上就可順利施焊。龍門架有效寬度6 m、臺架有效長度12 m。

本系統(tǒng)可應用于12 m×6 m以內任意尺寸的膜式壁的生產，避免了立焊方式的工裝高度對產品長度的限制。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、質量等多方面問題或隱患。

3 激光熔覆工藝參數

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：管子材質為20G，翼板材質為Q235;熔覆材料為鎳基合金Inconel 625線材，直徑1.2 mm;保護氣體為氬氣，純度99.99%;其他的熔覆堆焊主要工藝參數如表4所示。

4 樣品測試

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架上，使其管子軸向與焊車的運動方向一致，適當夾緊。

（2）編程。根據激光頭固有焦距和當前焊縫所對應的膜式壁的位置高度和管子圓弧面切線角度，編程設定激光頭和熱絲的高度、傾角以及堆焊長度。堆焊完一道后，編程設定相反方向的下一道焊縫參數：機頭自動旋轉180°，平移一個焊縫寬度的水平距離，并根據該焊縫所對應的膜式壁的位置高度和管子圓弧面切線角度，調整激光頭和熱絲的高度和傾角。每一道焊縫對應的激光功率、熱絲參數如電流電壓和送絲速度、焊車行走速度均可獨立編程控制。重復上述編程過程，直至所有焊道覆蓋整個膜式壁表面。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定為高速行走，但“無效用時間”仍然很長）。

（3）施焊。所有準備工作就緒后，按下“啟動”按鈕，設備即可按照預先編好的程序自動運行。操作工可通過視頻監(jiān)控的屏幕遠程觀察熔池形態(tài)，必要時調整相關參數。

堆焊完畢，截取一部分樣品，通過測量堆焊層的鐵含量來測量其稀釋率，并觀察表面成形質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?，經過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合良好，母材熔化程度小，所以稀釋率應較低，焊道之間沒有未熔合。

利用光譜儀測量堆焊層稀釋率如圖11所示。通過測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。

5 結論

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

（2）采用適當的熱絲激光熔覆堆焊設備能夠獲得稀釋率低（<5%）、堆焊層與母材結合強度高、單道厚度2～2.5 mm的優(yōu)質Inconel 625鎳基合金堆焊層。

（3）采用適當的熱絲激光熔覆堆焊設備，熔覆效率能達到8.8 kg/h，生產效率高，除了一次性設備投入較高外，運行成本低。

（4）采用適當的熱絲激光熔覆堆焊設備，工件可平放在龍門式焊車下方的臺架上，無需將工件豎立裝夾，安全、簡便、快捷、可靠，降低了勞動強度和用工成本，大大提高產能。此外，本系統(tǒng)也可應用于其他形狀和大小的金屬增材制造。

參考文獻：

[1] 蔣旭光，王忠民，垃圾焚燒煙氣高溫腐蝕機理的研究[J].電站系統(tǒng)工程，2002，18（2）：53-55.

[2] Moran R. Physical vapor deposition （PVD）. Business opp-ortunity report[C]. USA：Business Communications Co.，1990：173.

[3] 胡金力，陳國星，黃科峰，等. 垃圾焚燒循環(huán)流化床鍋爐防磨熱噴涂涂層失效機理及對策[J]. 熱噴涂技術，2012，4（1）：59-63.

[4] 王成文，吳志生，田文珍，等. 碳鋼法蘭密封面堆焊鎳基合金耐蝕層的實驗研究[J]. 金屬加工，2009（22）：40-43.

[5] 伍鋼. 鋼（不銹鋼）基體上CMT雙絲堆焊鎳基合金工藝[D]. 江蘇：南京理工大學.

[6] 萬謙. 鎳基合金粉末等離子弧堆焊耐磨機理的研究[D].遼寧：沈陽工業(yè)大學，2005.

[7] 顧永康，張仁剛. 核電蒸汽發(fā)生器管板大面積鎳基合金電渣堆焊研究[C]. 全國壓力容器學術會議，2001.

[8] Ehsan Toyserkani，Amir Khajepour，Stephen Corbin. LaserCladding. CRC Press，International Satndard Book Number0-8493-2172-7.

[9] Nowotny S，Richter A，Beyer E. Laser cladding using high-power diode lasers”，Laser Material Processing，ICALEO，Secttion G.LIA，1998：68-74.

[10] Cook C M，Haake J M，Zediker M S，et al. Diode laser cl-adding produces high quality coatings[J]. International SA-MPLE Technical Conference，2000（32）：910-921.

[11] 黃雪，傅新皓，路林. 激光堆焊Ni+WC混合粉末堆焊層的組織和性能[J]. 沈陽工業(yè)大學學報

[12] Wen Peng，Shan Jiguo，Zheng Shiqing，et al. Control of wiretransfer behaviors in hot wire laser welding，清華大學，IntJ Adv Manuf Technol，DOI 10.1007/S00170-015-7696-8.

[13] T E Abioye，D G McCartney，A T Clare. Laser Cladding ofInconel 625 Wire For Corrosion Protection[J]. Journal ofMaterials Processing Technology，2015（217）：232-240.

[14] Shuang Liu，Wei Liu，Masoud Harooni，et al. Real-TimeMonitoring of Laser Hot-wire Cladding of Inconel 625[J].Optics & Laser Technology，2014（62）：124-134.

[15] E Mohammadi Zaharnai，A M Alfantazi. Hot Corrosion ofInconel 625 Overlay Weld Cladding in Smelting Off-GasEnvironment[J]. Metallurgical and materials transactions A，2013（44）：4698.