1．前言

堆焊是一種應(yīng)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(hù)設(shè)備的安全及有效運(yùn)行。閥門作為制動(dòng)以及管道和設(shè)備安全的蓖要環(huán)節(jié)，對設(shè)備的安全運(yùn)行以及操作人員的人身安全都至關(guān)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(yīng)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(hù)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(jìn)行研究探討。同時(shí)，對閥門耐磨損堆焊的一些常用的材料進(jìn)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(xué)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(chǔ)的，但各國的資源不同，都在努力尋求發(fā)展具有自己特點(diǎn)的合金材料。

在我國，按照J(rèn)B/T 6438-92《閥門密封面等離子弧堆焊技術(shù)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。

同時(shí)，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(gè)型號的產(chǎn)品。另外，隨著技術(shù)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(gè)字母“E”表示焊條；第二個(gè)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(xué)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(gè)目數(shù)表示，以“/”相隔，或只用通過篩網(wǎng)的一個(gè)目數(shù)表示(見表4)。

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(dá)10000—100000W/cm²，其溫度可達(dá)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(dòng)臺(tái)速度的調(diào)節(jié)，噴槍擺幅與擺動(dòng)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(shí)現(xiàn)的高硬度、高強(qiáng)度，特別是其他焊接方法無法焊接的高熔點(diǎn)、高強(qiáng)度合金粉末。

氬弧焊時(shí)，首先對工件進(jìn)行預(yù)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(jìn)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(jìn)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(gè)傳統(tǒng)的操作工藝，具有設(shè)備簡單、熔敷率高、堆焊層化學(xué)成分穩(wěn)定等優(yōu)點(diǎn)，且堆焊一層(3mm)即可達(dá)到設(shè)計(jì)及主品使用要求。這種焊接方法中，氣焊火焰的掌握十分關(guān)鍵?；鹧嬗腥糠郑褐行曰鹧?、氧化焰、還原焰，堆焊操作時(shí)，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(zhǔn)工件堆焊面加熱到工件表面發(fā)紅，此時(shí)會(huì)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(huì)在工件表面隨滲碳層迅速展開，火焰持續(xù)動(dòng)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(jìn)行消應(yīng)力熱處理。

電弧焊的堆焊用電流主要與焊條的直徑有關(guān)。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(shí)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(dǎo)書。焊工應(yīng)嚴(yán)格按照操作說明上進(jìn)行。焊接主要分三部分：焊前準(zhǔn)備、焊接、焊后處理。

4．1 手工堆焊工藝

焊前準(zhǔn)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(yīng)按照鋼材的強(qiáng)度等級選用焊條，同時(shí)還應(yīng)綜合考慮焊縫的塑性、韌性。不同強(qiáng)度等級的碳鋼和低合金鋼或不同低合金鋼之間焊接，應(yīng)按異種鋼接頭中強(qiáng)度等級較低的鋼選用焊條，保證焊縫及接頭強(qiáng)度高于較低一側(cè)強(qiáng)度。對于耐腐蝕要求的結(jié)構(gòu)，應(yīng)選擇相應(yīng)配套的專用焊條或熔敷金屬化學(xué)成分與其相近的焊條。結(jié)構(gòu)復(fù)雜、剛性大，焊接條件差、工作要求苛刻的重要結(jié)構(gòu)，應(yīng)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(xué)成分和力學(xué)性能與母材相同或相近的焊條，同時(shí)要求接頭等強(qiáng)性。異種鋼選級別低的一側(cè)的化學(xué)成分為焊條，但預(yù)熱溫度和焊后熱處理應(yīng)按高級別的一側(cè)。從保證焊接接頭的抗裂性能出發(fā)，應(yīng)選用低氫焊條。焊條選擇好以后，在焊接前需要進(jìn)行焊條的烘干。焊條必須在指定溫度下烘干，烘干后放進(jìn)保溫筒中隨用隨取。按照焊接作業(yè)指導(dǎo)書的要求，還應(yīng)調(diào)整焊接設(shè)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(jìn)行測量，并進(jìn)行噴丸處理。為了防止飛濺對以后的機(jī)加工的影響，應(yīng)在堆焊的影響表面覆蓋石棉或涂上石灰水進(jìn)行防護(hù)。

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(yán)格執(zhí)行。

焊后，除了要清理焊渣及焊縫周圍的飛濺，還應(yīng)對需要熱處理的工件進(jìn)行熱處理，并做好焊工標(biāo)記。焊后還應(yīng)進(jìn)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(jìn)行粗加工時(shí)發(fā)現(xiàn)有缺陷時(shí)還應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊。同時(shí)，如果在硬度、金相等檢驗(yàn)時(shí)發(fā)現(xiàn)有焊接缺陷時(shí)，也應(yīng)進(jìn)行補(bǔ)焊等處理。

4．2 等離子弧焊工藝要求

等離子弧焊必須嚴(yán)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(dòng)臺(tái)速度的調(diào)節(jié)．噴槍擺幅與擺動(dòng)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(jìn)行機(jī)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?yàn)樽非笏俣榷^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(jìn)行預(yù)熱。對于珠光體、馬氏體鋼，即便是較小的零件也必須預(yù)熱．以防止堆焊層裂紋的出現(xiàn)。大的零件，以電爐做恒溫預(yù)熱較方便，保溫一定的時(shí)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(shí)間長，工件溫度梯度大，剛性強(qiáng)，容易形成很大內(nèi)應(yīng)力，因此堆焊過程中應(yīng)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(jìn)行不問斷的預(yù)熱，以防止堆焊層產(chǎn)生新的裂紋。因此，焊前預(yù)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(gè)重要參數(shù)也進(jìn)行了分析。熔敷率指單位時(shí)間內(nèi)合金粉末在零件上熔敷的效率。該參數(shù)必須嚴(yán)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(dāng)堆焊高度為5mm時(shí)，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(yīng)在干燥恒溫箱內(nèi)烘焙一小時(shí)。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(hù)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(shí)踐，噴槍與工件的距離及機(jī)器的性能有密切關(guān)系。首先是與轉(zhuǎn)移電弧的空載電壓噴槍設(shè)計(jì)有直接關(guān)系。必須指出，某些自熔性差，熔點(diǎn)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(dòng)速度慢，擺動(dòng)頻率減小等)，將噴槍與工件的距離適當(dāng)提高，反而改善了堆焊的工藝性能。主要原因是具有高速動(dòng)能的合金粉末，從噴槍最噴出后，有一個(gè)相對的較長時(shí)間在弧柱內(nèi)停留，增加了合金粉末的受熱時(shí)間。減弱了合金的動(dòng)能，使粉末飛濺狀況有明顯改善。

工件移動(dòng)速度和噴槍擺動(dòng)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(dòng)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(qiáng)度下降。若擺動(dòng)頻率過高，焊炬往返來回過快，從噴嘴噴出的粉末嚴(yán)重散失，沉積率下降。擺動(dòng)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(shí)如果操作不當(dāng)就會(huì)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(shí)如果工件表面局部溫度過高，基體溫度過熱，堆焊層內(nèi)會(huì)混入過多的基體金屬，當(dāng)出現(xiàn)焊接火焰或焊弧晃動(dòng)，保護(hù)氣氛不良及表面準(zhǔn)備工作不完善等，就會(huì)出現(xiàn)氣孔及翻泡。如果出現(xiàn)這種情況，就應(yīng)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(yù)熱溫度低，工件幾何尺寸復(fù)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(huì)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(huì)因?yàn)槌霈F(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(xì)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(bǔ)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(guān)，在焊第二層時(shí)，如果第一層的氧化物沒有浮出，就會(huì)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(yīng)對表面進(jìn)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(fù)氣孔時(shí)因?yàn)椴蛔屑?xì)，會(huì)在加工后發(fā)現(xiàn)有密集的小孔。在換焊絲時(shí)，如果火焰處理不穩(wěn)，移動(dòng)位置或在熔池上過燒，都會(huì)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(gè)，一個(gè)是局部基體被過燒，大量基體金屬進(jìn)入熔池。一個(gè)是氧乙炔焊時(shí)因?yàn)楹附庸獠环€(wěn)定，還有就是火焰的焰心進(jìn)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(yán)格按照作用指導(dǎo)書進(jìn)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(gè)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(diǎn)錯(cuò)位或間隙過大，排除方法是檢查高頻發(fā)火室，將發(fā)火點(diǎn)對準(zhǔn)，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(xì)砂紙打磨。其他原因還有如電壓過低、鎢電極燒損嚴(yán)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(gè)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?；虍愇镒枞取５谌齻€(gè)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(gè)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(dòng)，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?yàn)殡x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(yù)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(hù)不良或氬氣將耗盡導(dǎo)致純度不高；粉末濕度大并有雜質(zhì)；粉末顆粒空心導(dǎo)致氣體無法及時(shí)逸出(這種情況在焊接時(shí)可以聽到清脆的爆炸聲)；粉末中含有低熔點(diǎn)雜質(zhì)在高溫下氣化；母材中含有雜質(zhì)；母材被化學(xué)處理。夾渣出現(xiàn)的原因有：保護(hù)不良使焊面氧化，第二層堆焊時(shí)氧化雜質(zhì)夾人；粉末冶煉時(shí)存在氧化雜質(zhì)；粉末渣系帶有很大的粘性，焊時(shí)浮渣不徹底；工件移動(dòng)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(yù)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(dòng)速度快，堆焊層與母材結(jié)合強(qiáng)度差；送粉量過大，焊層與母材結(jié)合不良，內(nèi)應(yīng)力集中；焊前焊中預(yù)熱保溫及焊后熱處理不當(dāng)；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(yīng)力作用下產(chǎn)生裂紋；粉末硬度過高等。

上述缺陷應(yīng)采取相應(yīng)措施加以修補(bǔ)，修補(bǔ)手段可用氬弧焊、氣焊或等離子弧焊進(jìn)行小范圍的局部補(bǔ)焊。

6．結(jié)論

要獲得滿足設(shè)計(jì)及使用要求的閥門堆焊面，需要在制定作業(yè)指導(dǎo)書以及操作中嚴(yán)格按照要求進(jìn)行。同時(shí)要根據(jù)母材及焊接方法選取適當(dāng)?shù)暮附硬牧?。雖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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