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阀门耐磨堆焊工艺及材料研究

来源: 上海阀门 时间: 2012-05-15 点击: 4,167

1.前言

堆焊是一种应用较为广泛的焊接方法,可以获得性能优良的抗腐蚀、耐磨损的堆焊层,从而保护设备的安全及有效运行。阀门作为制动以及管道和设备安全的蓖要环节,对设备的安全运行以及操作人员的人身安全都至关重要。目前的阀门的密封面大多使用堆焊的方法来获得满足使用要求的耐腐蚀、抗磨损性能。堆焊是阀门行业使用最为广泛的焊接方法。

由于基体材料多变,阀门密封面的要求也不尽相同,因此在阀门的堆焊中,工艺变化很大。针对不同的母材和使用场合,需要制定不同的焊接工艺规范。目前,在阀门研制和生产制造中,钴基硬质合金以其无可替代的卓越综合性能被广泛应用到各类阀门密封面的堆焊中。这种合金以铸造成型为主,制成焊丝和焊条及粉末等堆焊材料,采用气焊、电弧焊、惰性气体保护焊、喷焊等工艺方法制造,以获得阀门密封面的表面硬化层。本文就以钴基合金作为堆焊材料,配合几种常用的焊接方法,对阀门堆焊工艺进行研究探讨。同时,对阀门耐磨损堆焊的一些常用的材料进行介绍和总结。

2.堆焊材料

表1、表2分别介绍了用于阀门堆焊的焊条和粉末等离子堆焊合金粉末的牌号,堆焊材料的化学成分以及堆焊层硬度。由此可见,目前国外采用的用于抗磨、抗热、抗腐蚀的堆焊合金都是以钴基、铁基、镍基为基础的,但各国的资源不同,都在努力寻求发展具有自己特点的合金材料。

在我国,按照JB/T 6438-92《阀门密封面等离子弧堆焊技术要求》的内容,常用基体材料主要有:25、35、40、WCB、ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Ni9、ZGCr5Mo、ZG20CrMoV、1Cr5Mo、12CrMo、15CrMo、12CrlMoV、15CrlMoV、WC6、WC9、1Crl3、2Crl3、1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、1Crl8N.12M02Ti。

表1 国外阀门密封面堆焊用焊条
焊条牌号 手工堆焊金属化学成分(%) 硬度HRC 国别
C Si Mn Cr Ni Mo W Fe Co Nb
ECoCr 0.7-1.4 ≤2.0 ≤2.0 26-32 ≤3 ≤1.0 3-6 ≤5 - 38-42 美国
  1.6-2.2 1.5-2.6 - 25-32 - - 4-5 ≤4 - 40-50 前苏联
STL-3 0.7-1.4 ≤2.0 ≤2.0 25-32 - - 3-6 ≤3 - 38-44 日本
UR-45 1.1 - - 29-31 - - 6-7 - - 45-48 德国
YOHU-13H 0.1-0.3 ≤0.7 ≤0.8 12-14 ≤0.6 - - - - 33-48 前苏联
CR-55 0.33 0.36 0.36 12.87 - - - - - 45-51 日本
CRIOUR-24 0.2 1.5 1.5 13 - 1.1 - - - 40-52 德国
表2 国外阀门密封面堆焊用合金粉末
合金粉末牌号 手工堆焊金属化学成分(%) 硬度HRC 国别
C Si Mn Cr Ni Mo W Fe Co B
司太立N06 1.0 1.0 <1 28 ≤3 - 4.0 ≤3 - - 德国
钴基No158 0.75 1.25 1 25.5 - - 4.0 0.7 0.7 43 美国
福田合金100 1.2 1.3-1.7 - 19-21 ≤3 - 4.5-5.5 - 68-72 2.3-2.7 50-55 日本
  1.15 0.72 0.86 31.4 - - 4.3 - - 42-48 前苏联
镍基合金41 0.45 3 1 9 - - 3.75 1 2 40 前苏联
  0.3-0.6 1.5-4 - 12-15 - - <5 - 1.5-2.5 45-50 前苏联
铁基合金90 2.75 1 1 27 - - - - - 52 美国

同时,按照GB/T 984-2001《堆焊焊条》的内容,目前常用的堆焊焊条有60多个型号的产品。另外,随着技术的发展,近几年,国内外很多科研单位都开发出了性能优异的耐磨损合金粉末。

耐磨损堆焊主要是使用钴基合金:EDcoCr××-××,以及wC粉末:EDW××-××。对于WC管状焊条,其型号第一个字母“E”表示焊条;第二个字母“D”表示用语表面耐磨堆焊;后面字母“G”和元素符号“WC”表示WC管状焊条,其后数字1、2、3表示芯部wc粉化学成分分类代号(见表3)。短划后面为wc粒度代号,用通过筛网和不通过筛网两个目数表示,以“/”相隔,或只用通过筛网的一个目数表示(见表4)。

表3 WC粉的化学成分
型号 粒度分布
EDGWC×-12/30 1.7mm~600μm(-12目+30目)
EDGWC×-20/30 850μm~600μm(-12目+30目)
EDGWC×-30/40 600μm~425μm(-30目+40目)
EDGWC×-40 <425μm(-40目)
EDGWC×-40/120 425μm~125μm(-40目+120目)
注:1、焊条型号种的×表示1或者2或者3;
2、允许通过筛网的筛上物≤5%。
表4 WC粉的颗粒
型号 C Si Ni Mo Co W Fe Th
EDGW1-× 3.6-4.2 ≤0.3 ≤0.3 ≤0.6 ≤0.3 ≥94 ≤1 ≤0.01
EDGW2-× 6-6.2 ≥91.5 ≤0.5
EDGW3-× 由供需双方商定

3.堆焊方法

目前钴基合金的堆焊常用方法有等离子弧焊、氩弧焊、氧乙炔堆焊、电弧焊等。

等离子弧焊主要是利用弧柱等离子体热来加热金属。等离子弧的特性是能量密度可达10000—100000W/cm2,其温度可达18000~24000K。通过控制粉末送给量的稳定和灵活的可调性,非转移弧与转移弧的电流规范送粉气与离子气的精确调节转动台速度的调节,喷枪摆幅与摆动频率的调节,喷嘴与工件的距离等参数,可以堆焊出其他焊接方法无法实现的高硬度、高强度,特别是其他焊接方法无法焊接的高熔点、高强度合金粉末。

氩弧焊时,首先对工件进行预热,为了保证堆焊面的硬度,必须焊二层或三层以上,且堆焊电流要适中。焊后需要进行热处理。由于该焊接方法温度也比较高,因此获得的钴基合金堆焊层的性能也还比较好。

只有没有等离子弧焊及氩弧焊的条件,才进行手工电弧焊,手工焊有氧…乙炔焊和手工电弧焊。

氧一乙炔堆焊是一个传统的操作工艺,具有设备简单、熔敷率高、堆焊层化学成分稳定等优点,且堆焊一层(3mm)即可达到设计及主品使用要求。这种焊接方法中,气焊火焰的掌握十分关键。火焰有三部分:中性火焰、氧化焰、还原焰,堆焊操作时,必须采用乙炔三倍于氧气的还原火焰(碳化焰)。堆焊前,将工件用火焰加热到300~350℃,然后将还原焰对准工件堆焊面加热到工件表面发红,此时会在表面出现一层很薄的渗碳层。将焊材放入还原火焰区域,熔化的材料会在工件表面随渗碳层迅速展开,火焰持续动作,熔滴有节奏与工件结合形成硬化堆焊层。焊后还要进行消应力热处理。

电弧焊的堆焊用电流主要与焊条的直径有关。对于Φ3.2的焊条,一般焊接电流为90~120A;对于Φ4.0的焊条,焊接电流一般为140~170A;对于Φ5.O的焊条,焊接电流一般为170~200A。焊接时直流短弧。

4.工艺要求

堆焊施工首先需要编制焊接作业指导书。焊工应严格按照操作说明上进行。焊接主要分三部分:焊前准备、焊接、焊后处理。

4.1 手工堆焊工艺

焊前准备的内容:首先是焊接材料的选择。对于碳钢和低合金钢,一般应按照钢材的强度等级选用焊条,同时还应综合考虑焊缝的塑性、韧性。不同强度等级的碳钢和低合金钢或不同低合金钢之间焊接,应按异种钢接头中强度等级较低的钢选用焊条,保证焊缝及接头强度高于较低一侧强度。对于耐腐蚀要求的结构,应选择相应配套的专用焊条或熔敷金属化学成分与其相近的焊条。结构复杂、刚性大,焊接条件差、工作要求苛刻的重要结构,应选用低氢碱性焊条。耐热钢焊条可根据钢种和结构工作温度来选用熔敷金属化学成分和力学性能与母材相同或相近的焊条,同时要求接头等强性。异种钢选级别低的一侧的化学成分为焊条,但预热温度和焊后热处理应按高级别的一侧。从保证焊接接头的抗裂性能出发,应选用低氢焊条。焊条选择好以后,在焊接前需要进行焊条的烘干。焊条必须在指定温度下烘干,烘干后放进保温筒中随用随取。按照焊接作业指导书的要求,还应调整焊接设备的工艺参数。由于阀门对尺寸要求较高,因此焊前需要对毛坯的尺寸进行测量,并进行喷丸处理。为了防止飞溅对以后的机加工的影响,应在堆焊的影响表面覆盖石棉或涂上石灰水进行防护。

焊接需要针对不同的阀门,不同的母材,不同的焊接方法,制定不同的焊接工艺,并严格执行。

焊后,除了要清理焊渣及焊缝周围的飞溅,还应对需要热处理的工件进行热处理,并做好焊工标记。焊后还应进行目测检查。堆焊层不得有任何裂纹、外部气孔、夹渣等缺陷。对密封面进行粗加工时发现有缺陷时还应进行补焊。同时,如果在硬度、金相等检验时发现有焊接缺陷时,也应进行补焊等处理。

4.2 等离子弧焊工艺要求

等离子弧焊必须严格控制下列参数:粉末送给量的稳定和灵活的可调性,非转移弧与转移弧的电流规范送粉气与离子气的精确调节转动台速度的调节.喷枪摆幅与摆动频率的调节,喷嘴与工件的距离等。

在焊接前,需要对工件进行机械清理的处理,工件表面必须有金属光泽.除去锈绌、油污和氧化物。要选取好合适的焊接电流,不能因为追求速度而过度调高电流。一般喷枪与工件的距离为20mm。某些较大的低碳、中碳及低合金钢零件需要进行预热。对于珠光体、马氏体钢,即便是较小的零件也必须预热.以防止堆焊层裂纹的出现。大的零件,以电炉做恒温预热较方便,保温一定的时间使工件的内部温度与表面温升相一致。然而由于大工件堆焊时间长,工件温度梯度大,刚性强,容易形成很大内应力,因此堆焊过程中应不间断加热;焊毕后做等温缓冷处理。如果采用的合金粉末具有较高的硬度。而堆焊的面积又较大则在堆焊过程中必须采用不同的手段进行不问断的预热,以防止堆焊层产生新的裂纹。因此,焊前预热及焊后热处理对堆焊层很重要。

另外,对等离子堆焊工艺中几个重要参数也进行了分析。熔敷率指单位时间内合金粉末在零件上熔敷的效率。该参数必须严格控制.防止堆焊金属被稀释。冲淡率(混合比)指一般在在堆焊层中母材占成分的5%~10%。冲淡率随填充材料不同而不同,如当堆焊高度为5mm时,Co-Cr-W混合比可打10%,而Co-Cr-W-B混合比为4%。冲淡率的测量一般采用作图法将堆焊层宏观照片放大,测量焊层熔深部分的面积与堆焊总面积的比值。

粉末送给系统要求稳定可靠,合金粉末一般应在干燥恒温箱内烘焙一小时。对于主弧转移电弧,若转移弧增加,则送粉量及离子气增加,使送粉发生困难,飞溅增加,熔敷率下降,焊接质量下降。喷枪与工件的距离若过大,则弧柱稳定性下降,电弧发生漂移,对熔池的保护效果显著下降。距离过小则熔深增加,冲淡率增加。经过大量实践,喷枪与工件的距离及机器的性能有密切关系。首先是与转移电弧的空载电压喷枪设计有直接关系。必须指出,某些自熔性差,熔点较高的粉末在变化堆焊参数的前提下(如离子气流量加大送粉气和送粉量增加,工件移动速度慢,摆动频率减小等),将喷枪与工件的距离适当提高,反而改善了堆焊的工艺性能。主要原因是具有高速动能的合金粉末,从喷枪最喷出后,有一个相对的较长时间在弧柱内停留,增加了合金粉末的受热时间。减弱了合金的动能,使粉末飞溅状况有明显改善。

工件移动速度和喷枪摆动频率对稀释度、堆焊层的埂度及焊层的高度有很大影响。工件移动速度快。在其他工艺参数不变的情况下,堆焊层高度降低,冲淡率降低,合金粉末焊层金属与基本金属结合强度下降。若摆动频率过高,焊炬往返来回过快,从喷嘴喷出的粉末严重散失,沉积率下降。摆动频率在不超过特定范围的情况下,对堆焊高度的影响不明显,但对熔深影响很大。

5.缺陷避免及排除措施

堆焊时如果操作不当就会出现各种缺陷。为了减少或消除缺陷,可以在工艺上采取措施。

5.1 手工焊缺陷排除

对于气孔和翻泡之类的缺陷,堆焊时如果工件表面局部温度过高,基体温度过热,堆焊层内会混入过多的基体金属,当出现焊接火焰或焊弧晃动,保护气氛不良及表面准备工作不完善等,就会出现气孔及翻泡。如果出现这种情况,就应该重新用加热焰重新加热一次,可以使气泡逸出。

裂纹出现的情况:堆焊前预热温度低,工件几何尺寸复杂的不见,堆焊过程中保温不良和堆焊后工件无保温措施,形成急冷,均会出现裂纹和裂缝。另外接头收口过急或堆焊中火焰突然从熔池离开,都会因为出现弧坑而发生龟裂。而没有经过退火的工件也很容易产生裂纹。要减少或排除这些裂纹,可以对小工件用火焰仔细深熔;大工件则必须均匀加热,出现裂纹,可以打磨至基体从新补焊。

夹渣的出现,与焊材中的夹杂物及工件表面的氧化批有关,在焊第二层时,如果第一层的氧化物没有浮出,就会出现夹渣。要排除夹渣,必须做好焊前打磨工作,在焊完第一层后,应对表面进行检查,并去除氧化皮。

疏松的出现原因很多,如火焰离开熔池速度过快。在修复气孔时因为不仔细,会在加工后发现有密集的小孔。在换焊丝时,如果火焰处理不稳,移动位置或在熔池上过烧,都会出现疏松。排除的措施是重新用火焰熔一次。

硬度不均的原因有三个,一个是局部基体被过烧,大量基体金属进入熔池。一个是氧乙炔焊时因为焊接供气不稳定,还有就是火焰的焰心进入熔池使碳含量增加。采取的措施主要是稳定好火焰,并严格按照作用指导书进行操作。

5.2 等离子弧焊缺陷排除

工艺故障主要有四种。一个是非转移弧不能起弧,主要原因有:高频发生器火花室发火点错位或间隙过大,排除方法是检查高频发火室,将发火点对准,并用起子调整间隙。钨极与压缩道上端距离太大,排除方法是调节电极与压缩角尖端的距离。喷嘴锥角附有氧化膜等污物.排除方法是拆下喷嘴,用盐酸腐蚀清洗后,用细砂纸打磨。其他原因还有如电压过低、钨电极烧损严重、电流调节过小、离子气未接同、钨极与喷嘴短路等。

粉末堵塞是另一个常见故障。主要原因及解决方法有:送粉气流量不足,吹送力不大。排除方法是逐渐加大送粉气流量。其他原因还有送粉量过大、密封卷漏水、通粉孔被大颗粒或异物阻塞等。第三个故障是缺水或压力不足。主要原因是水冷电缆发生皮管发烫、喷嘴漏水,因水压不足不能使水泵打开,排除方法是使用车床皂水冷却泵增加水压。第四个故障是转移弧不正常。主要原因有:喷枪与夹持件发生短路;电缆没有接上或通水电缆焊接处脱开;转移弧有明暗抖动,可能是钨极损坏,同心度偏差大;转移弧有闪耀辉光并有兰色弧光,可能是喷嘴漏水;转移弧发出“呼呼”声,是因为离子流量太大或钨极内缩太大。

常见焊接缺陷有气孔、裂纹和夹渣。气孔的出现原因及排除和预防措施有:工件表面有油污、锈蚀等杂质;母材可焊性差;转移弧电流过大,大量基体混入焊层;保护不良或氩气将耗尽导致纯度不高;粉末湿度大并有杂质;粉末颗粒空心导致气体无法及时逸出(这种情况在焊接时可以听到清脆的爆炸声);粉末中含有低熔点杂质在高温下气化;母材中含有杂质;母材被化学处理。夹渣出现的原因有:保护不良使焊面氧化,第二层堆焊时氧化杂质夹人;粉末冶炼时存在氧化杂质;粉末渣系带有很大的粘性,焊时浮渣不彻底;工件移动速度快使粉末不能完全熔化;母材中有氧化杂质冒到焊层中等。

裂纹出现的原因有:使用的是有空淬性能的母材;母材未预热;母材本身有裂纹;堆焊金属与母材的热膨胀系数相差悬殊;母材受过淬火处理;工件移动速度快,堆焊层与母材结合强度差;送粉量过大,焊层与母材结合不良,内应力集中;焊前焊中预热保温及焊后热处理不当;没有衰减或衰减装置线性不佳,产生弧坑形成疏松,在内应力作用下产生裂纹;粉末硬度过高等。

上述缺陷应采取相应措施加以修补,修补手段可用氩弧焊、气焊或等离子弧焊进行小范围的局部补焊。

6.结论

要获得满足设计及使用要求的阀门堆焊面,需要在制定作业指导书以及操作中严格按照要求进行。同时要根据母材及焊接方法选取适当的焊接材料。虽然目前的主要堆焊方法有氧一乙炔焊接、氩弧焊、手工电弧焊等焊接方法,焊接缺陷种类也比较多,但只要掌握了他们的操作规律及缺陷出现的原因,就可以在工艺制定及操作方面减少和避免这些缺陷的出现。

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