用正交法分析鈷基合金堆焊面的質(zhì)量

楊文軍，楊永良

(西安泵閥總廠有限公司，陜西 西安 710025)

0 前言

鈷基硬質(zhì)合金材料是耐高溫耐蝕耐磨的優(yōu)質(zhì)材料，其堆焊用合金焊絲常采用粉末冶金進(jìn)行燒結(jié)［1］，被國(guó)內(nèi)外廣泛用于合金鋼閥門的密封面上。特別是在熱態(tài)下具有優(yōu)越的耐擦傷性能。因而常用來堆焊臨界或超臨界參數(shù)的蒸汽閥門，以及使用條件比較惡劣，抗磨損、抗腐蝕性能要求較高的閥門密封面［2］。以高壓截止閥為例，其密封件——閥瓣和閥座的密封面上就分別采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基2#(HS112)和1#(HS111)硬質(zhì)合金焊絲。典型的鈷基合金焊絲標(biāo)準(zhǔn)為美國(guó)焊接學(xué)會(huì)標(biāo)準(zhǔn)，即AWS A5.21《堆焊用光焊絲和填充絲規(guī)范》，HS111相當(dāng)于AWS類別ER CoCr－A(鈷基1#)，HS112相當(dāng)于AWS類別ER CoCr－B(鈷基2#)，其化學(xué)成分為表1所示;主要質(zhì)量特性參數(shù)堆焊層硬度值［3］根據(jù)閥門設(shè)計(jì)要求和焊絲生產(chǎn)廠商推薦值見表1。

1 問題的提出

按截止閥設(shè)計(jì)標(biāo)準(zhǔn)要求，當(dāng)閥瓣密封面堆焊硬質(zhì)合金時(shí)，加工后的堆焊層厚度應(yīng)當(dāng)不小于1.6 mm，密封面硬度最小 350HB［4］(37 HRC)。所以，如果工藝合理，操作得當(dāng)，用HS111(ER CoCr－A)堆焊，質(zhì)量應(yīng)是有保證的。

為了提高關(guān)閉件密封面抗高溫水蒸氣介質(zhì)高速?zèng)_蝕的能力，設(shè)計(jì)要求閥瓣和閥座密封面硬度分別為45～50HRC和39～44HRC，最低硬度略高于標(biāo)準(zhǔn)。根據(jù)生產(chǎn)條件，選擇通過手工鎢極氬弧焊堆焊工藝，使堆焊表面獲得理想厚度的堆焊層，達(dá)到耐腐蝕和耐沖刷的目的。然而西安泵閥總廠有限公司在實(shí)際生產(chǎn)中堆焊層時(shí)常出現(xiàn)氣孔等缺陷，尤其是硬度值不穩(wěn)定或偏低，甚至還不到30HRC，造成大量返工，給正常的生產(chǎn)帶來困難。

表1 鈷基堆焊焊絲的化學(xué)成分及硬度值Tab.1 Chemical composition and hardness of Co-based surfacing welding electrode

2 正交試驗(yàn)

正交試驗(yàn)的目標(biāo)是要在對(duì)應(yīng)的焊接母材上，使用規(guī)定的焊接方法進(jìn)行鈷基合金堆焊，找出或驗(yàn)證影響堆焊硬度質(zhì)量的主要工藝因素，摸清堆焊規(guī)律，確定工藝參數(shù)并制定出可行的工藝規(guī)程指導(dǎo)生產(chǎn)，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)量，滿足用戶需求。

2.1 試驗(yàn)方案

影響鉆基合金堆焊層硬度的諸因素主要包括:堆焊方法、稀釋率、堆焊層厚度和母材材質(zhì)等，硬度和稀釋率(主要是指含鐵量)有著密切的關(guān)系［5］。堆焊鈷基硬質(zhì)合金成分是決定堆焊效果，尤其是影響硬度的主要因素。為了獲得預(yù)計(jì)的堆焊層化學(xué)成分，必須盡量減少母材向焊縫的熔入量，即降低稀釋率［6］，這是工藝成敗的關(guān)鍵。

根據(jù)產(chǎn)品規(guī)格系列范圍，試驗(yàn)選用DN50的閥瓣尺寸;母材材料為1Cr13(12Cr13)，其成分、力學(xué)性能和熱處理制度符合相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)［7］的規(guī)定;焊接材料選擇鈷基2#—HS112(ER CoCr－B);焊接方法采用TIG焊，手工送絲。

由于對(duì)不同廠家焊絲是否能滿足產(chǎn)品設(shè)計(jì)和堆焊質(zhì)量要求尚有分歧，為了驗(yàn)證不同生產(chǎn)廠家所供鈷基焊絲能否達(dá)到所要求的堆焊硬度和質(zhì)量，因而選擇兩個(gè)廠家焊絲試驗(yàn)。焊絲類型編號(hào)設(shè)置為Y－2#和S－2#。

根據(jù)對(duì)工藝參數(shù)的影響程度大小，工藝參數(shù)分成固定的與變化的兩類，見表2。

表2 影響合金堆焊質(zhì)量的工藝參數(shù)Tab.2 Process parameters of effect on surfacing layer quality

對(duì)于要考察的4個(gè)變化參數(shù)因素，分別選出要考察比較的條件——正交法中稱之為位級(jí)。綜合成如下因素位級(jí)表。

表3 因素位級(jí)表Tab.3 Table of factor level

根據(jù)因素位級(jí)表安排試驗(yàn)方案，形成正交試驗(yàn)參數(shù)見表4。

表4 正交試驗(yàn)參數(shù)Tab.4 Orthogonal test parameters

2.2 試驗(yàn)規(guī)則

試驗(yàn)焊接過程中要求，焊絲不能與高溫的鎢極接觸，焊絲端部不能移出氬氣保護(hù)區(qū);更換焊絲或收弧時(shí)填滿弧坑，并且及時(shí)對(duì)紅熱的焊縫進(jìn)行錘擊消除應(yīng)力。焊層總厚度5.5～6 mm。

(1)堆焊到規(guī)定的高度后，依次車削到(5、4、3、2)mm高度，分別檢測(cè)各平面的HRC硬度值;

(2)每平面檢測(cè)6處HRC硬度值，然后取平均硬度值;

(3)每層平面檢測(cè)硬度時(shí)，要求無氣孔、夾渣和裂紋。

2.3 試驗(yàn)結(jié)果處理

經(jīng)對(duì)試件按要求分層車削加工、著色探傷、硬度檢測(cè)，共計(jì)8件32個(gè)面。

經(jīng)著色探傷檢測(cè)，試件的堆焊層剖面，均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣和裂紋缺陷，所以檢測(cè)的192個(gè)硬度值全部有效。試驗(yàn)結(jié)果見表5。

對(duì)于表5的試驗(yàn)結(jié)果，通過簡(jiǎn)單計(jì)算，就能看出大致規(guī)律，找出最佳的條件因素或大致估計(jì)哪些因素更重要。正交表數(shù)據(jù)計(jì)算處理結(jié)果見表6。

表5 正交試驗(yàn)數(shù)據(jù)Tab.5 Orthogonal test data

表6 正交數(shù)據(jù)處理Tab.6 Orthogonal test data processing

從表6中計(jì)算數(shù)據(jù)，可直觀看出:

(1)對(duì)于四種因素，所有同位級(jí)和數(shù)都隨著厚度層的增加而變大。表明焊層硬度隨堆焊層增厚而增大。

(2)對(duì)于A因素電流，位級(jí)Ⅳ在所有厚度層的位級(jí)和數(shù)都最大，表明電流因素以90A最佳;對(duì)于B因素焊層結(jié)構(gòu)，位級(jí)I的位級(jí)和數(shù)大于位級(jí)Ⅱ，表明焊層結(jié)構(gòu)因素2－2－2優(yōu)于2－4;對(duì)于C因素鎢極形狀，位級(jí)Ⅱ的位級(jí)和數(shù)大于位級(jí)Ⅰ，表明鎢極形狀因素尖優(yōu)于平;對(duì)于D因素焊絲類型，位級(jí)I的位級(jí)和數(shù)大于位級(jí)Ⅱ(除厚度5 mm)，表明焊絲類型因素廠商Y－2#優(yōu)于廠商S－2#;

(3)極差R由各行中大數(shù)減小數(shù)即得。極差R的大小用來衡量試驗(yàn)中相應(yīng)因素作用的大?。?］。極差大的因素，意味著它的兩個(gè)位級(jí)對(duì)于硬度所造成的差別較大，通常是重要因素。表6中因素電流的極差最大，是重要因素，是影響硬度值的最重要因素;因素焊層結(jié)構(gòu)的極差次之，是較重要因素;因素鎢極形狀的極差再次之，是一般因素;因素焊絲類型的極差最小，是最次要因素，對(duì)堆焊硬度值影響不大。

2.4 試驗(yàn)結(jié)果分析

對(duì)試驗(yàn)結(jié)果進(jìn)行分析后可以得出:

(1)影響HRC硬度值的諸因素中，堆焊電流是最主要的因素;

(2)在同一堆焊電流下，HRC硬度值隨堆焊層加厚而增大;在同一堆焊厚度上，HRC硬度值隨堆焊電流減小而增大;

(3)隨著堆焊厚度的減小，堆焊電流對(duì)硬度(HRC)值的敏感性增加;隨著堆焊電流的減小，堆焊厚度對(duì)硬度(HRC)值的敏感性增加;

(4)第一堆焊層的堆焊電流是整件堆焊質(zhì)量的關(guān)鍵因素，它的稀釋率大小對(duì)整個(gè)堆焊層的稀釋率大小起到?jīng)Q定性的作用，如圖1所示。

圖1 不同堆焊電流在不同厚度層對(duì)HRC值的影響Fig.1 Surfacing welding current in different thickness of layers effect on HRC value

(5)對(duì)應(yīng)于表4中的方案，最佳工藝方案是A4B1C2D1和A4B1C2D2，說明兩種鈷基硬質(zhì)合金焊絲都可以滿足使用要求，只是S－2#焊絲比Y－2#焊絲無論是在堆焊厚度上還是在堆焊電流上都更加敏感些。

(6)當(dāng)使用90A電流堆焊時(shí)，2 mm厚的堆焊層(車削加工后)也可滿足硬度要求，從而展示出節(jié)約鈷基硬質(zhì)合金焊絲的良好前景。

2.5 最佳工藝方案的驗(yàn)證

最佳工藝方案A4B1C2D2驗(yàn)證，藥皮焊條堆焊金屬的硬度和化學(xué)成分一般是指堆焊3層以上的堆焊金屬，而焊絲堆焊應(yīng)在2層以上［5］。以此制定驗(yàn)證方案如下:

(1)采用TIG手工堆焊;

(2)工件不預(yù)熱，焊后錘擊或緩冷保溫;

(3)焊絲直徑φ4;

(4)焊接電流100A～110A;

(5)氫氣流量7～8 L/min;

(6)堆焊兩遍或三遍，第一遍厚度控制在≤2 mm。

按驗(yàn)證方案進(jìn)行堆焊，結(jié)果見表7。

表7 最佳工藝方案驗(yàn)證數(shù)據(jù)Tab.7 The validation data of optimum process

驗(yàn)證結(jié)果與表4、表5相比較后，可以清楚地看到硬度HRC值又有提高，且更加穩(wěn)定。不僅如此，試驗(yàn)所得數(shù)據(jù)表明硬度HRC值已經(jīng)滿足設(shè)計(jì)要求，在3 mm厚度時(shí)達(dá)到廠商質(zhì)量要求的指標(biāo)(見表8)，在2 mm厚度上(堆焊有效一層)也接近質(zhì)保指標(biāo)，滿足設(shè)計(jì)要求。

表8 焊絲的材質(zhì)Tab.8 Welding wire material

至此，試驗(yàn)全部結(jié)束，可以根據(jù)所得結(jié)果制定可行工藝。

3 試驗(yàn)結(jié)論

鈷基硬質(zhì)合金氬弧堆焊試驗(yàn)證明，加大堆焊電流無法控制熔池深度，從而也就無法控制稀釋率，無法保證堆焊層的化學(xué)成分，對(duì)堆焊質(zhì)量極為不利。所以，雖然加大電流可以提高堆焊效率，不能提高堆焊質(zhì)量。

在滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)的前提下，根據(jù)試驗(yàn)結(jié)果，設(shè)計(jì)調(diào)整了產(chǎn)品密封件的密封面加工后厚度要求和配對(duì)硬度值要求，要求堆焊加工后堆焊層厚度不小于2 mm，閥座堆焊HS111硬度值不小于38HRC，閥瓣堆焊HS112硬度值不小于44HRC。工藝設(shè)計(jì)針對(duì)產(chǎn)品規(guī)格系列和材料，制定了更詳細(xì)的堆焊工藝規(guī)程。

對(duì)于沒有硬度差要求的閥門密封副，在滿足產(chǎn)品標(biāo)準(zhǔn)要求最低硬度值的情況下，不指定具體堆焊鈷基合金牌號(hào)，可以使用或混用HS111(ER CoCr－A)和HS112(ER CoCr－B)，在標(biāo)準(zhǔn)要求的1.6 mm最小堆焊層厚度上配對(duì)使用，達(dá)到標(biāo)準(zhǔn)要求的硬度值。

［1］馬莒生主編.精密合金及粉末冶金材料［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1982:219.

［2］王德權(quán)，胡毅均，李杰，等.閥門用鉆基合金及堆焊工藝［J］.閥門，2004(2):12.

［3］楊源泉主編.閥門設(shè)計(jì)手冊(cè)［M］.北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1992:287.

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［5］謝福彪.影響鉆基合金堆焊層硬度的諸因素［J］.閥門，1992(3):17－20.

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［7］GB/T1220－2007，不銹鋼棒［S］.

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