阀门钴基合金密封面堆焊工艺的分析与研究

　　介绍了阀门钴基硬质合金堆焊的工艺过程、工艺参数和工艺标准。采用正交法分析了阀门密封面堆焊电流对堆焊层的稀释率、堆焊层硬度及其影响堆焊层质量的主要因素。通过试验给出了合理的堆焊工艺和节约钴基合金焊材的关键技术及其应用前景。

1、概述

　　钴基硬质合金材料是耐高温耐腐蚀耐磨损的优质材料，特别是在热态下具有优越的耐擦伤性能，广泛用于堆焊临界或超临界参数的蒸汽阀门密封面，以及使用条件比较恶劣，抗磨损、抗腐蚀性能要求较高的阀门密封面。以高压截止阀为例，其阀瓣和阀座的密封面上可分别采用手工钨极氩弧焊堆焊钴基2# ( HS112) 和1# ( HS111) 硬质合金焊丝。典型的钴基合金焊丝标准为美国焊接学会标准AWS A5.21。HS111 相当于AWS 类别ER CoCr-A( 钴基1# ) ，HS112 相当于AWS 类别ER CoCr-B ( 钴基2# ) ，其化学成分及根据阀门设计要求和焊丝产品推荐堆焊层硬度值如表1 所示。

2、问题提出

　　按文献要求，当阀瓣密封面堆焊硬质合金时，加工后的堆焊层厚度应当不小于1.6mm，密封面硬度最小为350HB( 37HRC) ，阀座密封面和阀瓣密封面间不要求硬度差。所以，如果工艺合理，操作得当，用HS111( ER CoCr-A) 堆焊，质量应是有保证的。

表1 钴基堆焊焊丝的化学成分及硬度值

　　为了提高关闭件密封面抗高温水蒸气介质高速冲蚀的能力，设计要求阀瓣和阀座密封面硬度分别为45 ～50HRC 和39 ～44HRC，最低硬度略高于标准。根据生产条件，选择通过手工钨极氩弧焊堆焊工艺，使堆焊表面获得理想厚度的堆焊层，达到耐腐蚀和耐冲刷的目的。在实际生产中，时常出现气孔等缺陷，尤其是硬度值不稳定或偏低，甚至低于30HRC，造成大量返工。

3、正交试验

　　正交试验的目标在对应的焊接母材上，使用规定的焊接方法进行钴基合金堆焊，找出或验证影响堆焊硬度质量的主要工艺因素，摸清堆焊规律，确定工艺参数，并制定出可行的工艺规程指导生产，稳定产品质量，满足用户需求。

　　3.1、方案

　　影响钻基合金堆焊层硬度的因素主要包括堆焊方法、稀释率、堆焊层厚度和母材材质等，其硬度和稀释率( 主要是指含铁量) 有着密切的关系。堆焊钴基硬质合金成分是决定堆焊效果，尤其是硬度的主要因素。为了获得预计的堆焊层化学成分，必须尽可能减少母材向焊层的熔入量，即降低稀释率，是其工艺过程的关键。

　　根据产品规格系列范围，试验选用DN50 的阀瓣尺寸。母材材料为1Cr13( 12Cr13) ，其成分、力学性能和热处理制度符合GB /T 1220- 2007 的规定。焊接材料选择钴基2# - HS112( ER CoCr- B) 。焊接方法采用TIG 焊，手工送丝。

　　由于对不同焊丝是否能满足产品设计和堆焊质量要求尚有分歧，为了验证不同钴基焊丝能否达到所要求的堆焊硬度和质量，因而选择2 种焊丝为试验品。试验中，其焊丝类型编号设置为Y -2#和S -2#。根据对工艺参数的影响程度及对其控制的可能性，将工艺参数分成固定的与变化的两类(表2) ，将变化因素纳入正交表中进行试验。

表2 影响合金堆焊质量的工艺参数分类

　　正交试验选用L8(41 × 24) 表进行，以减少试验次数，而又不影响试验结果的准确性。

4、结语

　　钴基硬质合金氩弧堆焊过程中能单独调整的工艺参数不多，试验再次证明，加大堆焊电流无法控制熔池深度，从而也就无法控制稀释率，无法保证堆焊层的化学成分，对堆焊质量极为不利。在满足产品标准的前提下，根据试验结果，设计调整产品密封件的密封面加工厚度要求和配对硬度值要求，堆焊加工后堆焊层厚度不小于2mm，阀座堆焊HS111( 硬度值不小于38HRC) ，阀瓣堆焊HS112( 硬度值不小于44HRC) 。工艺设计针对产品规格系列和材料，制定堆焊工艺规程。对于没有硬度差要求的阀门密封副，在满足产品标准要求最低硬度值的情况下，不指定具体堆焊钴基合金牌号，可以使用或混用HS111( ER CoCr - A) 和HS112( ER CoCr - B) ，在标准要求的1. 6mm 最小堆焊层厚度上配对使用，达到标准要求的硬度值。