1 概述
閥門(mén)密封面的堆焊目的是提高密封面抗墊傷、劃傷、耐腐蝕、耐磨損和耐沖蝕的性能。堆焊材料的綜合使用性能是由其金屬組織結(jié)構(gòu), 即堆焊金屬的化學(xué)成分和熱處理狀態(tài)所決定的, 但有些材料不受熱處理狀態(tài)影響。由于各種堆焊工藝方法的特點(diǎn)不同, 亦產(chǎn)生不同的稀釋率( 即母材對(duì)堆焊層金屬的稀釋作用) ,且不同的堆焊材料堆焊在不同的基體母材上,由稀釋率所產(chǎn)生的作用也不盡相同。欲獲得低稀釋率或無(wú)稀釋率的表面工作層, 則需根據(jù)堆焊材料和堆焊方法, 合理地選擇堆焊層數(shù)和厚度。
2 相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)
閥門(mén)密封面堆焊層厚度的確定一直為閥門(mén)設(shè)計(jì)制造人員所關(guān)注。采用多層堆焊可降低母材表面工作層的稀釋率, 但材料消耗增加, 而且由于焊層的增高, 焊層裂紋傾向加大, 需采取較為復(fù)雜的焊接工藝加以控制, 制造成本加大。在滿(mǎn)足閥門(mén)密封面使用性能的前提下, 盡量降低堆焊層厚度是閥門(mén)優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的之一, 各國(guó)均制定了相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)。
2.1 美國(guó)石油學(xué)會(huì)( API)
API 600-1991 和API 6003 ( 第五版) -1991 等標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定, 堆焊制造的閥門(mén)密封面,其堆焊層加工后的最小厚度為0.06 英寸 ( 1.6mm) 。
2.2 法國(guó)核工業(yè)( RCC-M)
RCC-M-1988 S 篇焊接S8532 堆焊方法 ( 推薦使用的) 規(guī)定了耐磨堆焊層的要求。
a) 氧乙炔耐磨堆焊 必須使用滲碳火焰。火焰的外形必須使長(zhǎng)度約為焰芯寬度的3 倍。
當(dāng)母材開(kāi)始滲析和稀釋時(shí), 必須對(duì)耐磨堆焊層進(jìn)行覆蓋并將熔化金屬中過(guò)度滲碳控制到最低限度。
b) 藥皮焊條電弧耐磨堆焊 為了抵消稀釋作用, 要求有足夠數(shù)量的堆焊層。長(zhǎng)弧施焊法可以減少母材的滲透稀釋作用。
c) TIG 或等離子電弧耐磨堆焊通常,保護(hù)氣體必須是適當(dāng)純度的氬, 它也可以是經(jīng)過(guò)氫化處理的。采用的焊接技術(shù)必須使支撐母材有最小的稀釋。
2.3 國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)( GB)
GB 984-85 中指出, 熔敷金屬的化學(xué)成分檢驗(yàn)和硬度檢驗(yàn), 應(yīng)在焊層厚度8mm 以上進(jìn)行。即只有按此方法檢驗(yàn), 方能保證標(biāo)準(zhǔn)中所列各種堆焊焊條的堆焊金屬的化學(xué)成分和硬度。
2.4 國(guó)家核行業(yè)( EJ/ T)
EJ/ T1027.9-96 中指出: 采用藥皮焊條電弧堆焊, 其堆焊層數(shù)必須足以抵消母材稀釋作用的影響, 一般堆焊層數(shù)為3~ 4 層, 經(jīng)加工后堆焊層厚度不小于4mm; 采用鎢極氬弧堆焊, 所采用的堆焊工藝必須最大限度地減小母材的稀釋, 堆焊高度必須足以抵消母材稀釋作用的影響, 加工后堆焊層厚度不小于3mm;采用粉末等離子弧堆焊方法, 可實(shí)現(xiàn)單層堆焊, 也可雙層堆焊, 加工后堆焊層厚度不小于2.5mm。
上述標(biāo)準(zhǔn)中, 從不同角度對(duì)閥門(mén)密封面堆焊層厚度進(jìn)行規(guī)定。API 標(biāo)準(zhǔn)中規(guī)定了堆焊層的最小厚度, 而堆焊層厚度的上限, 則應(yīng)視實(shí)際產(chǎn)品的具體情況而確定。RCC-M 標(biāo)準(zhǔn)和EJ/ T 標(biāo)準(zhǔn)中, 對(duì)閥門(mén)密封面堆焊鈷基合金的堆焊方法以及與其相適應(yīng)的堆焊層高度的確定, 作了較為詳細(xì)的規(guī)定。
3 堆焊方法
采用不同方法堆焊閥門(mén)密封面, 其單層稀釋率為: 埋弧自動(dòng)焊> 手工電弧焊> 鎢極氬弧焊> 等離子弧焊> 氧-乙炔焰焊( 表1) 。
3.1 埋弧自動(dòng)焊
埋弧自動(dòng)堆焊是一種熔敷率較高的堆焊工藝方法, 目前用于閥門(mén)密封面堆焊的僅有鐵基合金材料。一般采用單層單道堆焊, 對(duì)于焊層要求較寬的則采用雙絲或帶極堆焊; 雖然埋弧自動(dòng)堆焊的稀釋率較大, 但其堆焊金屬的合金一般均由藥芯焊絲過(guò)渡或者焊劑過(guò)渡的方法獲得, 在藥芯焊絲和過(guò)渡型焊劑的研制過(guò)程中充分考慮了這一因素, 從而使單層堆焊的堆焊金屬合金成分達(dá)到設(shè)計(jì)要求。
埋弧自動(dòng)堆焊的單層厚度一般可達(dá)3~5mm。實(shí)驗(yàn)表明, 從焊層表層向下逐層( 每層0.5mm, 直至剩余焊層0.5mm。) 車(chē)削金屬屑, 分析化學(xué)成分, 并檢測(cè)表面硬度, 其結(jié)果基本相同( 表2) , 這是因?yàn)檎w焊層處于同一電弧冶金狀態(tài)所致。因此, 采用埋弧自動(dòng)堆焊的方法堆焊閥門(mén)密封面, 堆焊層可滿(mǎn)足API標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的經(jīng)加工后焊層最小厚度1.6mm 的要求, 實(shí)際產(chǎn)品中常根據(jù)閥門(mén)通徑大小, 其焊層厚度選定為2~ 4mm。
3.2 手工電弧焊
手工電弧焊堆焊閥門(mén)密封面是比較常用的工藝方法, 其特點(diǎn)是設(shè)備和工藝簡(jiǎn)單, 操作容易, 可根據(jù)需要靈活地選擇堆焊焊條。目前國(guó)內(nèi)有鐵基和鈷基2 類(lèi)合金材料。
手工電弧焊的熔深較大, 單層堆焊的稀釋率為15% ~ 25%, 采用直流弧焊電源反極性接法或焊條擺動(dòng)和長(zhǎng)弧堆焊等操作手法可相對(duì)減小熔深, 降低稀釋率。要獲得無(wú)稀釋率的表面工作層至少要堆焊4 層, 經(jīng)加工后焊層厚度6mm 以上。對(duì)有些藥皮過(guò)渡型焊條( 鐵基) ,在焊條設(shè)計(jì)時(shí)考慮了母材的稀釋作用, 故堆焊2~ 3 層, 經(jīng)加工后焊層厚度3mm 以上即可滿(mǎn)足其使用性能。由于堆焊焊條的種類(lèi)很多, 其特性不一, 因此應(yīng)根據(jù)其說(shuō)明書(shū)的介紹合理確定堆焊層厚度。
3.3 鎢極氬弧焊
鎢極氬弧堆焊是以焊絲作為填充材料的堆焊工藝方法。由于其只能采用固定的直流正極性接法, 理論上講其熔深大于手工電弧焊, 但由于手工操作送絲可適當(dāng)控制熔深, 因此單層堆焊可控制稀釋率為10%~ 20% 。
用于氬弧堆焊的焊絲有鈷基合金和鎳基合金, 這類(lèi)合金的堆焊金屬中對(duì)鐵含量要求比較嚴(yán)格( 一般為≤ 5% ) , 采用鎢極氬弧焊堆焊2~ 3 層, 控制焊層的平整度, 經(jīng)加工后焊層厚度3mm 以上, 可滿(mǎn)足要求。
3.4 等離子弧焊
等離子弧是一種高效熱源, 其電弧區(qū)溫度可達(dá)20 000K, 其平緩的弧外焰特性能獲得淺而均勻的熔深, 是堆焊的理想熱源, 因而被廣泛地用于閥門(mén)密封面的堆焊。
用于閥門(mén)密封面堆焊的有粉末等離子弧堆焊和送絲等離子弧堆焊2 種形式。粉末等離子弧堆焊以合金粉末作為填充材料, 利用專(zhuān)用的焊接設(shè)備使堆焊過(guò)程全部自動(dòng)化。一般堆焊1層即可實(shí)現(xiàn)加工后焊層2mm 的厚度, 雖然單層堆焊稀釋率為5% ~ 30% 。但在合金粉末制造時(shí)考慮了這一因素, 使其性能符合設(shè)計(jì)要求。由于是單層堆焊, 堆焊金屬處于同一電弧冶金條件, 實(shí)驗(yàn)表明焊層0.5mm 與焊層2mm具有同樣的性能。粉末等離子弧堆焊鈷基合金應(yīng)在2 層以上, 方能使堆焊金屬中鐵含量達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求。
送絲等離子弧堆焊是根據(jù)堆焊面的寬度,預(yù)先將焊絲點(diǎn)固成排狀, 平鋪在待堆焊表面,用等離子弧將其熔化的一種堆焊方法, 亦稱(chēng)為排絲等離子弧堆焊, 常用于堆焊鈷基合金焊絲。送絲等離子弧堆焊比粉末等離子弧堆焊的熔深淺, 單層堆焊稀釋率為5% ~ 15% 。欲獲得無(wú)稀釋率的表面工作層需堆焊兩層以上, 經(jīng)加工后焊層厚度為3~ 4mm ( 表3) 。
3.5 氧-乙炔焰焊
氧-乙炔焰焊火焰能率低, 因而堆焊熔敷率低, 但其熔深淺, 單層堆焊稀釋為1% ~ 10% 。對(duì)于堆焊材料熔點(diǎn)低于基體材料熔點(diǎn)的堆焊則屬于釬焊, 其稀釋率近似為零。氧-乙炔焰堆焊的填充材料有粉末和焊絲2 種, 以粉末作為填充材料需采用特殊的焊炬和自熔性合金粉末, 一般單層堆焊厚度可達(dá)0.8~ 1.5mm, 經(jīng)加工后厚度0.5mm 即可滿(mǎn)足要求。以焊絲作為填充材料( 鈷基合金) 的堆焊采用普通焊炬, 2.5~ 3 倍的乙炔過(guò)剩火焰。堆焊單層, 堆焊金屬中的含鐵量即可滿(mǎn)足標(biāo)準(zhǔn)要求。但由于乙炔過(guò)剩火焰會(huì)在堆焊金屬中產(chǎn)生增碳現(xiàn)象, 所以堆焊金屬中含碳量要求較嚴(yán)格的堆焊不宜采用。
4 結(jié)論
閥門(mén)密封面堆焊層厚度應(yīng)根據(jù)堆焊材料和堆焊工藝合理確定。堆焊鐵基合金材料, 宜采用粉末等離子弧堆焊或埋弧自動(dòng)堆焊。這2 種工藝方法都具有自動(dòng)化程度高及生產(chǎn)效率高的優(yōu)點(diǎn), 只需堆焊一層, 經(jīng)加工后焊層2.0mm以上即可滿(mǎn)足使用性能。目前用于埋弧自動(dòng)堆焊材料的品種較少, 其應(yīng)用范圍受到一定限制。堆焊鈷基合金材料, 宜采用送絲等離子弧堆焊或鎢極氬弧堆焊, 一般需堆焊兩層, 經(jīng)加工后焊層3~ 4mm, 即可滿(mǎn)足要求。氧-乙炔焰粉末堆焊( 亦稱(chēng)噴焊) 是一種應(yīng)用靈活, 節(jié)省材料的堆焊工藝方法。對(duì)DN ≤ 80mm 的閥門(mén)密封面堆焊尤為適用, 只需堆焊一層, 經(jīng)加工后0.5mm 以上即可滿(mǎn)足要求。手工電弧堆焊應(yīng)按照焊條說(shuō)明書(shū)規(guī)定的要求確定堆焊層數(shù)和焊層的厚度。
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