1．前言
堆焊是一種應用較為廣泛的焊接方法，可以獲得性能優(yōu)良的抗腐蝕、耐磨損的堆焊層，從而保護設備的安全及有效運行。閥門作為制動以及管道和設備安全的蓖要環(huán)節(jié)，對設備的安全運行以及操作人員的人身安全都至關重要。目前的閥門的密封面大多使用堆焊的方法來獲得滿足使用要求的耐腐蝕、抗磨損性能。堆焊是閥門行業(yè)使用最為廣泛的焊接方法。
由于基體材料多變，閥門密封面的要求也不盡相同，因此在閥門的堆焊中，工藝變化很大。針對不同的母材和使用場合，需要制定不同的焊接工藝規(guī)范。目前，在閥門研制和生產(chǎn)制造中，鈷基硬質(zhì)合金以其無可替代的卓越綜合性能被廣泛應用到各類閥門密封面的堆焊中。這種合金以鑄造成型為主，制成焊絲和焊條及粉末等堆焊材料，采用氣焊、電弧焊、惰性氣體保護焊、噴焊等工藝方法制造，以獲得閥門密封面的表面硬化層。本文就以鈷基合金作為堆焊材料，配合幾種常用的焊接方法，對閥門堆焊工藝進行研究探討。同時，對閥門耐磨損堆焊的一些常用的材料進行介紹和總結(jié)。
2．堆焊材料
表1、表2分別介紹了用于閥門堆焊的焊條和粉末等離子堆焊合金粉末的牌號，堆焊材料的化學成分以及堆焊層硬度。由此可見，目前國外采用的用于抗磨、抗熱、抗腐蝕的堆焊合金都是以鈷基、鐵基、鎳基為基礎的，但各國的資源不同，都在努力尋求發(fā)展具有自己特點的合金材料。
在我國，按照JB/T 6438-92《閥門密封面等離子弧堆焊技術要求》的內(nèi)容，常用基體材料主要有：25、35、40、WCB、ZGlCrl8Ni9Ti、ZGlCrl8Ni9、ZGCr5Mo、ZG20CrMoV、1Cr5Mo、12CrMo、15CrMo、12CrlMoV、15CrlMoV、WC6、WC9、1Crl3、2Crl3、1Crl8Ni9、1Crl8Ni9Ti、1Crl8N．12M02Ti。
| 焊條牌號 | 手工堆焊金屬化學成分（%） | 硬度HRC | 國別 | |||||||||
| 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 | 余 | - | 38-42 | 美國 |
| 1.6-2.2 | 1.5-2.6 | - | 25-32 | - | - | 4-5 | ≤4 | 余 | - | 40-50 | 前蘇聯(lián) | |
| STL-3 | 0.7-1.4 | ≤2.0 | ≤2.0 | 25-32 | - | - | 3-6 | ≤3 | 余 | - | 38-44 | 日本 |
| UR-45 | 1.1 | - | - | 29-31 | - | - | 6-7 | - | 余 | - | 45-48 | 德國 |
| YOHU-13H | 0.1-0.3 | ≤0.7 | ≤0.8 | 12-14 | ≤0.6 | - | - | 余 | - | - | 33-48 | 前蘇聯(lián) |
| CR-55 | 0.33 | 0.36 | 0.36 | 12.87 | - | - | - | 余 | - | - | 45-51 | 日本 |
| CRIOUR-24 | 0.2 | 1.5 | 1.5 | 13 | - | 1.1 | - | 余 | - | - | 40-52 | 德國 |
| 合金粉末牌號 | 手工堆焊金屬化學成分（%） | 硬度HRC | 國別 | |||||||||
| C | Si | Mn | Cr | Ni | Mo | W | Fe | Co | B | |||
| 司太立N06 | 1.0 | 1.0 | <1 | 28 | ≤3 | - | 4.0 | ≤3 | 余 | - | - | 德國 |
| 鈷基No158 | 0.75 | 1.25 | 1 | 25.5 | - | - | 4.0 | 0.7 | 余 | 0.7 | 43 | 美國 |
| 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 | - | 余 | - | 42-48 | 前蘇聯(lián) | |
| 鎳基合金41 | 0.45 | 3 | 1 | 9 | 余 | - | - | 3.75 | 1 | 2 | 40 | 前蘇聯(lián) |
| 0.3-0.6 | 1.5-4 | - | 12-15 | 余 | - | - | <5 | - | 1.5-2.5 | 45-50 | 前蘇聯(lián) | |
| 鐵基合金90 | 2.75 | 1 | 1 | 27 | - | - | - | 余 | - | - | 52 | 美國 |
同時，按照GB/T 984-2001《堆焊焊條》的內(nèi)容，目前常用的堆焊焊條有60多個型號的產(chǎn)品。另外，隨著技術的發(fā)展，近幾年，國內(nèi)外很多科研單位都開發(fā)出了性能優(yōu)異的耐磨損合金粉末。
耐磨損堆焊主要是使用鈷基合金：EDcoCr××-××，以及wC粉末：EDW××-××。對于WC管狀焊條，其型號第一個字母“E”表示焊條；第二個字母“D”表示用語表面耐磨堆焊；后面字母“G”和元素符號“WC”表示W(wǎng)C管狀焊條，其后數(shù)字1、2、3表示芯部wc粉化學成分分類代號(見表3)。短劃后面為wc粒度代號，用通過篩網(wǎng)和不通過篩網(wǎng)兩個目數(shù)表示，以“/”相隔，或只用通過篩網(wǎng)的一個目數(shù)表示(見表4)。
| 型號 | 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、焊條型號種的×表示1或者2或者3； 2、允許通過篩網(wǎng)的篩上物≤5%。 |
|
| 型號 | 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-× | 由供需雙方商定 | |||||||
3．堆焊方法
目前鈷基合金的堆焊常用方法有等離子弧焊、氬弧焊、氧乙炔堆焊、電弧焊等。
等離子弧焊主要是利用弧柱等離子體熱來加熱金屬。等離子弧的特性是能量密度可達10000—100000W/cm2，其溫度可達18000～24000K。通過控制粉末送給量的穩(wěn)定和靈活的可調(diào)性，非轉(zhuǎn)移弧與轉(zhuǎn)移弧的電流規(guī)范送粉氣與離子氣的精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動臺速度的調(diào)節(jié)，噴槍擺幅與擺動頻率的調(diào)節(jié)，噴嘴與工件的距離等參數(shù)，可以堆焊出其他焊接方法無法實現(xiàn)的高硬度、高強度，特別是其他焊接方法無法焊接的高熔點、高強度合金粉末。
氬弧焊時，首先對工件進行預熱，為了保證堆焊面的硬度，必須焊二層或三層以上，且堆焊電流要適中。焊后需要進行熱處理。由于該焊接方法溫度也比較高，因此獲得的鈷基合金堆焊層的性能也還比較好。
只有沒有等離子弧焊及氬弧焊的條件，才進行手工電弧焊，手工焊有氧…乙炔焊和手工電弧焊。
氧一乙炔堆焊是一個傳統(tǒng)的操作工藝，具有設備簡單、熔敷率高、堆焊層化學成分穩(wěn)定等優(yōu)點，且堆焊一層(3mm)即可達到設計及主品使用要求。這種焊接方法中，氣焊火焰的掌握十分關鍵。火焰有三部分：中性火焰、氧化焰、還原焰，堆焊操作時，必須采用乙炔三倍于氧氣的還原火焰(碳化焰)。堆焊前，將工件用火焰加熱到300～350℃，然后將還原焰對準工件堆焊面加熱到工件表面發(fā)紅，此時會在表面出現(xiàn)一層很薄的滲碳層。將焊材放入還原火焰區(qū)域，熔化的材料會在工件表面隨滲碳層迅速展開，火焰持續(xù)動作，熔滴有節(jié)奏與工件結(jié)合形成硬化堆焊層。焊后還要進行消應力熱處理。
電弧焊的堆焊用電流主要與焊條的直徑有關。對于Φ3.2的焊條，一般焊接電流為90～120A；對于Φ4.0的焊條，焊接電流一般為140～170A；對于Φ5.O的焊條，焊接電流一般為170～200A。焊接時直流短弧。
4．工藝要求
堆焊施工首先需要編制焊接作業(yè)指導書。焊工應嚴格按照操作說明上進行。焊接主要分三部分：焊前準備、焊接、焊后處理。
4．1 手工堆焊工藝
焊前準備的內(nèi)容：首先是焊接材料的選擇。對于碳鋼和低合金鋼，一般應按照鋼材的強度等級選用焊條，同時還應綜合考慮焊縫的塑性、韌性。不同強度等級的碳鋼和低合金鋼或不同低合金鋼之間焊接，應按異種鋼接頭中強度等級較低的鋼選用焊條，保證焊縫及接頭強度高于較低一側(cè)強度。對于耐腐蝕要求的結(jié)構(gòu)，應選擇相應配套的專用焊條或熔敷金屬化學成分與其相近的焊條。結(jié)構(gòu)復雜、剛性大，焊接條件差、工作要求苛刻的重要結(jié)構(gòu)，應選用低氫堿性焊條。耐熱鋼焊條可根據(jù)鋼種和結(jié)構(gòu)工作溫度來選用熔敷金屬化學成分和力學性能與母材相同或相近的焊條，同時要求接頭等強性。異種鋼選級別低的一側(cè)的化學成分為焊條，但預熱溫度和焊后熱處理應按高級別的一側(cè)。從保證焊接接頭的抗裂性能出發(fā)，應選用低氫焊條。焊條選擇好以后，在焊接前需要進行焊條的烘干。焊條必須在指定溫度下烘干，烘干后放進保溫筒中隨用隨取。按照焊接作業(yè)指導書的要求，還應調(diào)整焊接設備的工藝參數(shù)。由于閥門對尺寸要求較高，因此焊前需要對毛坯的尺寸進行測量，并進行噴丸處理。為了防止飛濺對以后的機加工的影響，應在堆焊的影響表面覆蓋石棉或涂上石灰水進行防護。
焊接需要針對不同的閥門，不同的母材，不同的焊接方法，制定不同的焊接工藝，并嚴格執(zhí)行。
焊后，除了要清理焊渣及焊縫周圍的飛濺，還應對需要熱處理的工件進行熱處理，并做好焊工標記。焊后還應進行目測檢查。堆焊層不得有任何裂紋、外部氣孔、夾渣等缺陷。對密封面進行粗加工時發(fā)現(xiàn)有缺陷時還應進行補焊。同時，如果在硬度、金相等檢驗時發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷時，也應進行補焊等處理。
4．2 等離子弧焊工藝要求
等離子弧焊必須嚴格控制下列參數(shù)：粉末送給量的穩(wěn)定和靈活的可調(diào)性，非轉(zhuǎn)移弧與轉(zhuǎn)移弧的電流規(guī)范送粉氣與離子氣的精確調(diào)節(jié)轉(zhuǎn)動臺速度的調(diào)節(jié)．噴槍擺幅與擺動頻率的調(diào)節(jié)，噴嘴與工件的距離等。
在焊接前，需要對工件進行機械清理的處理，工件表面必須有金屬光澤．除去銹絀、油污和氧化物。要選取好合適的焊接電流，不能因為追求速度而過度調(diào)高電流。一般噴槍與工件的距離為20mm。某些較大的低碳、中碳及低合金鋼零件需要進行預熱。對于珠光體、馬氏體鋼，即便是較小的零件也必須預熱．以防止堆焊層裂紋的出現(xiàn)。大的零件，以電爐做恒溫預熱較方便，保溫一定的時間使工件的內(nèi)部溫度與表面溫升相一致。然而由于大工件堆焊時間長，工件溫度梯度大，剛性強，容易形成很大內(nèi)應力，因此堆焊過程中應不間斷加熱；焊畢后做等溫緩冷處理。如果采用的合金粉末具有較高的硬度。而堆焊的面積又較大則在堆焊過程中必須采用不同的手段進行不問斷的預熱，以防止堆焊層產(chǎn)生新的裂紋。因此，焊前預熱及焊后熱處理對堆焊層很重要。
另外，對等離子堆焊工藝中幾個重要參數(shù)也進行了分析。熔敷率指單位時間內(nèi)合金粉末在零件上熔敷的效率。該參數(shù)必須嚴格控制．防止堆焊金屬被稀釋。沖淡率(混合比)指一般在在堆焊層中母材占成分的5％～10％。沖淡率隨填充材料不同而不同，如當堆焊高度為5mm時，Co-Cr-W混合比可打10％，而Co-Cr-W-B混合比為4％。沖淡率的測量一般采用作圖法將堆焊層宏觀照片放大，測量焊層熔深部分的面積與堆焊總面積的比值。
粉末送給系統(tǒng)要求穩(wěn)定可靠，合金粉末一般應在干燥恒溫箱內(nèi)烘焙一小時。對于主弧轉(zhuǎn)移電弧，若轉(zhuǎn)移弧增加，則送粉量及離子氣增加，使送粉發(fā)生困難，飛濺增加，熔敷率下降，焊接質(zhì)量下降。噴槍與工件的距離若過大，則弧柱穩(wěn)定性下降，電弧發(fā)生漂移，對熔池的保護效果顯著下降。距離過小則熔深增加，沖淡率增加。經(jīng)過大量實踐，噴槍與工件的距離及機器的性能有密切關系。首先是與轉(zhuǎn)移電弧的空載電壓噴槍設計有直接關系。必須指出，某些自熔性差，熔點較高的粉末在變化堆焊參數(shù)的前提下(如離子氣流量加大送粉氣和送粉量增加，工件移動速度慢，擺動頻率減小等)，將噴槍與工件的距離適當提高，反而改善了堆焊的工藝性能。主要原因是具有高速動能的合金粉末，從噴槍最噴出后，有一個相對的較長時間在弧柱內(nèi)停留，增加了合金粉末的受熱時間。減弱了合金的動能，使粉末飛濺狀況有明顯改善。
工件移動速度和噴槍擺動頻率對稀釋度、堆焊層的埂度及焊層的高度有很大影響。工件移動速度快。在其他工藝參數(shù)不變的情況下，堆焊層高度降低，沖淡率降低，合金粉末焊層金屬與基本金屬結(jié)合強度下降。若擺動頻率過高，焊炬往返來回過快，從噴嘴噴出的粉末嚴重散失，沉積率下降。擺動頻率在不超過特定范圍的情況下，對堆焊高度的影響不明顯，但對熔深影響很大。
5．缺陷避免及排除措施
堆焊時如果操作不當就會出現(xiàn)各種缺陷。為了減少或消除缺陷，可以在工藝上采取措施。
5．1 手工焊缺陷排除
對于氣孔和翻泡之類的缺陷，堆焊時如果工件表面局部溫度過高，基體溫度過熱，堆焊層內(nèi)會混入過多的基體金屬，當出現(xiàn)焊接火焰或焊弧晃動，保護氣氛不良及表面準備工作不完善等，就會出現(xiàn)氣孔及翻泡。如果出現(xiàn)這種情況，就應該重新用加熱焰重新加熱一次，可以使氣泡逸出。
裂紋出現(xiàn)的情況：堆焊前預熱溫度低，工件幾何尺寸復雜的不見，堆焊過程中保溫不良和堆焊后工件無保溫措施，形成急冷，均會出現(xiàn)裂紋和裂縫。另外接頭收口過急或堆焊中火焰突然從熔池離開，都會因為出現(xiàn)弧坑而發(fā)生龜裂。而沒有經(jīng)過退火的工件也很容易產(chǎn)生裂紋。要減少或排除這些裂紋，可以對小工件用火焰仔細深熔；大工件則必須均勻加熱，出現(xiàn)裂紋，可以打磨至基體從新補焊。
夾渣的出現(xiàn)，與焊材中的夾雜物及工件表面的氧化批有關，在焊第二層時，如果第一層的氧化物沒有浮出，就會出現(xiàn)夾渣。要排除夾渣，必須做好焊前打磨工作，在焊完第一層后，應對表面進行檢查，并去除氧化皮。
疏松的出現(xiàn)原因很多，如火焰離開熔池速度過快。在修復氣孔時因為不仔細，會在加工后發(fā)現(xiàn)有密集的小孔。在換焊絲時，如果火焰處理不穩(wěn)，移動位置或在熔池上過燒，都會出現(xiàn)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個，一個是局部基體被過燒，大量基體金屬進入熔池。一個是氧乙炔焊時因為焊接供氣不穩(wěn)定，還有就是火焰的焰心進入熔池使碳含量增加。采取的措施主要是穩(wěn)定好火焰，并嚴格按照作用指導書進行操作。
5．2 等離子弧焊缺陷排除
工藝故障主要有四種。一個是非轉(zhuǎn)移弧不能起弧，主要原因有：高頻發(fā)生器火花室發(fā)火點錯位或間隙過大，排除方法是檢查高頻發(fā)火室，將發(fā)火點對準，并用起子調(diào)整間隙。鎢極與壓縮道上端距離太大，排除方法是調(diào)節(jié)電極與壓縮角尖端的距離。噴嘴錐角附有氧化膜等污物．排除方法是拆下噴嘴，用鹽酸腐蝕清洗后，用細砂紙打磨。其他原因還有如電壓過低、鎢電極燒損嚴重、電流調(diào)節(jié)過小、離子氣未接同、鎢極與噴嘴短路等。
粉末堵塞是另一個常見故障。主要原因及解決方法有：送粉氣流量不足，吹送力不大。排除方法是逐漸加大送粉氣流量。其他原因還有送粉量過大、密封卷漏水、通粉孔被大顆粒或異物阻塞等。第三個故障是缺水或壓力不足。主要原因是水冷電纜發(fā)生皮管發(fā)燙、噴嘴漏水，因水壓不足不能使水泵打開，排除方法是使用車床皂水冷卻泵增加水壓。第四個故障是轉(zhuǎn)移弧不正常。主要原因有：噴槍與夾持件發(fā)生短路；電纜沒有接上或通水電纜焊接處脫開；轉(zhuǎn)移弧有明暗抖動，可能是鎢極損壞，同心度偏差大；轉(zhuǎn)移弧有閃耀輝光并有蘭色弧光，可能是噴嘴漏水；轉(zhuǎn)移弧發(fā)出“呼呼”聲，是因為離子流量太大或鎢極內(nèi)縮太大。
常見焊接缺陷有氣孔、裂紋和夾渣。氣孔的出現(xiàn)原因及排除和預防措施有：工件表面有油污、銹蝕等雜質(zhì)；母材可焊性差；轉(zhuǎn)移弧電流過大，大量基體混入焊層；保護不良或氬氣將耗盡導致純度不高；粉末濕度大并有雜質(zhì)；粉末顆粒空心導致氣體無法及時逸出(這種情況在焊接時可以聽到清脆的爆炸聲)；粉末中含有低熔點雜質(zhì)在高溫下氣化；母材中含有雜質(zhì)；母材被化學處理。夾渣出現(xiàn)的原因有：保護不良使焊面氧化，第二層堆焊時氧化雜質(zhì)夾人；粉末冶煉時存在氧化雜質(zhì)；粉末渣系帶有很大的粘性，焊時浮渣不徹底；工件移動速度快使粉末不能完全熔化；母材中有氧化雜質(zhì)冒到焊層中等。
裂紋出現(xiàn)的原因有：使用的是有空淬性能的母材；母材未預熱；母材本身有裂紋；堆焊金屬與母材的熱膨脹系數(shù)相差懸殊；母材受過淬火處理；工件移動速度快，堆焊層與母材結(jié)合強度差；送粉量過大，焊層與母材結(jié)合不良，內(nèi)應力集中；焊前焊中預熱保溫及焊后熱處理不當；沒有衰減或衰減裝置線性不佳，產(chǎn)生弧坑形成疏松，在內(nèi)應力作用下產(chǎn)生裂紋；粉末硬度過高等。
上述缺陷應采取相應措施加以修補，修補手段可用氬弧焊、氣焊或等離子弧焊進行小范圍的局部補焊。
6．結(jié)論
要獲得滿足設計及使用要求的閥門堆焊面，需要在制定作業(yè)指導書以及操作中嚴格按照要求進行。同時要根據(jù)母材及焊接方法選取適當?shù)暮附硬牧稀ｋm然目前的主要堆焊方法有氧一乙炔焊接、氬弧焊、手工電弧焊等焊接方法，焊接缺陷種類也比較多，但只要掌握了他們的操作規(guī)律及缺陷出現(xiàn)的原因，就可以在工藝制定及操作方面減少和避免這些缺陷的出現(xiàn)。
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