C12A閘板等離子堆焊工藝探析

徐曉慶

(機(jī)械工業(yè)蘇州高級(jí)技工學(xué)校，江蘇 蘇州 215101)

1 焊接方法選擇

目前工廠常用的焊接工藝方法中能夠?qū)崿F(xiàn)自動(dòng)化的焊接方法有鎢極氣體保護(hù)焊(GTAW)、埋弧焊(SAW)和等離子弧焊(PAW)以及電渣焊等。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，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稀釋率的表面工作層，首先需要選擇低稀釋率的焊接方法，再根據(jù)堆焊材料和堆焊方法，調(diào)整焊接工藝，合理地選擇堆焊層數(shù)和厚度。

表1 幾種常見焊接方法在堆焊應(yīng)用中的性能比較

綜合上表不難看出，等離子焊屬于優(yōu)選的堆焊焊接方法。

2 等離子堆焊簡(jiǎn)介

離子弧粉末堆焊是一種先進(jìn)的堆焊工藝(亦稱等離子噴焊，國(guó)外稱為PTA工藝)，是采用氬氣等離子弧作高溫?zé)嵩?，粉末狀合金作填充材料由送粉器按設(shè)定量連續(xù)供給，借助送粉氣流送入焊槍，并吹入電弧中。其特點(diǎn)是：(1)等離子弧具有電弧溫度高、傳熱率大、穩(wěn)定性好，熔深可控性強(qiáng)，通過調(diào)節(jié)相關(guān)的堆焊參數(shù)，可對(duì)堆焊層的厚度、寬度、硬度在一定范圍內(nèi)自由調(diào)整。(2)等離子粉末堆焊后基體材料和堆焊材料之間形成融合界面，結(jié)合強(qiáng)度高；堆焊層組織致密，耐蝕及耐磨性好。(3)基體材料與堆焊材料的稀釋減少，材料特性變化小。(4)利用粉末作為堆焊材料可提高合金設(shè)計(jì)的選擇性，特別是能夠順利堆焊難熔材料，提高工件的耐磨、耐高溫、耐腐蝕性。(5)易于實(shí)現(xiàn)機(jī)械化和自動(dòng)化操作，減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。(6)質(zhì)量不受人為控制，質(zhì)量穩(wěn)定性好。

3 母材

低合金耐熱鋼(15CrMo、20CrMo、12CrMoV、WC6、WC9等)應(yīng)用比較廣泛，其焊接性良好，只要采取合適的預(yù)熱溫度和焊后消除應(yīng)力熱處理，可以得到滿足要求的優(yōu)質(zhì)焊縫。而P91/F91/C12A材料合金元素較高，焊接性明顯下降，就母材本體而言給焊接帶了一定的難度。

表2 C12A母材的化學(xué)成分以(%)

表3 C12A材質(zhì)的力學(xué)性能

通過上表不難發(fā)現(xiàn)，其C12A中的合金元素的含量比較高，材質(zhì)的延伸率比較小、硬度比較高，材料的淬硬傾向比較大，從而焊接的裂紋傾向比較大，相對(duì)而言其焊接性能比較差。

4 堆焊焊材

司特立合金的組織與含碳量密切相關(guān)，當(dāng)含碳量較低時(shí)，其組織是由樹枝狀結(jié)晶的鉻、鎢初晶和奧氏體與鉻、鎢復(fù)合碳化物的共晶體組成。隨著含碳量的增加，奧氏體數(shù)量減少，共晶體增多，這種組織屬于亞共晶型。當(dāng)含碳量較高時(shí)，則顯現(xiàn)為過共晶組織，由粗大的一次鉻、鎢復(fù)合碳化物加固溶體與碳化物的共晶體組成。通常司特立合金可以通過調(diào)整碳和鎢的含量來改變其硬度和韌性，以適應(yīng)不同的用途。

表4 司太立21#合金的化學(xué)成分以及相應(yīng)的力學(xué)性能

鈷基合金整體來說屬于一種焊接性能極差的填充材料，以及沒有延展性，焊接裂紋傾向比較大。焊接性能無法通過預(yù)熱以及對(duì)應(yīng)的焊后熱處理來予以提高和改善，焊接質(zhì)量受焊接線能量的影響比較大。

5 工藝探析

5.1 工件本體要求

工件表面粗糙度Ra值應(yīng)在12.5μm以下，并應(yīng)嚴(yán)格清除表面的水、銹及油、氧化皮等污物，基體不得有裂紋、氣孔或包砂等缺陷。

閘板工件上坡口要求有足夠的斜度，同時(shí)不允許存在尖銳的倒角，坡口斜面與基面的交接要求采用R3的圓角過渡。結(jié)合焊接方法的特點(diǎn)此圓角不宜過大。

閘板本體鑄件質(zhì)量至關(guān)重要，如果本體存在夾渣、砂孔、裂紋等現(xiàn)象，由于鈷基合金材料的韌性差，堆焊過程，熔池收縮過程中會(huì)產(chǎn)生開裂。

5.2 焊前預(yù)熱

對(duì)于焊接性能差、合金含量高的C12A基體而言，保證優(yōu)良的焊接性能焊前200℃預(yù)熱是不可或缺的一部分。無論采用整體預(yù)熱還是火焰局部預(yù)熱，其預(yù)熱要求保證其閘板工件的溫度均勻性以減少其由于溫差造成的應(yīng)力。

5.3 焊接工藝要求

(1)焊接電流。焊接電流過小不僅引弧困難，而且電弧也不穩(wěn)定，會(huì)造成未焊透和夾渣等缺陷。由于焊接電流過小使熱量不夠，還會(huì)造成焊條的熔滴堆積在表面，使焊縫成形不美觀。

焊接電流過大使得熔深較大，而且還會(huì)使合金元素?zé)龘p過多，并使焊縫過熱，造成接頭熱影響區(qū)晶粒粗大，影響焊縫機(jī)械性能。

(2)焊接速度。焊接速度過大過小對(duì)焊接質(zhì)量均會(huì)造成影響，對(duì)于堆焊而言，過大造成了未熔合，過小則造成焊層太厚，鐵水溢出熔池。

(3)送粉量。焊接速度同時(shí)考慮焊層厚度而定，一定電流下，送粉量過大會(huì)造成粉末熔化不完全不徹底而造成熔合不良和夾渣甚至裂紋。送粉量過小，會(huì)造成粉末燒損厲害，熔敷厚度不夠，化學(xué)性能無法滿足，且其稀釋率會(huì)增大。

(4)送粉氣。送粉氣的大小和送粉量有關(guān)聯(lián)，送粉量大，送粉氣必須大，但是過大也會(huì)造成其粉末的沖擊力度過大，造成了對(duì)熔池沖擊大從而提高熔深，增加了焊縫的稀釋率，但同時(shí)也降低粉末的熔化率從而造成一定夾雜，影響了堆焊層的質(zhì)量。送粉量過小，其熔融粉末的挺度不夠，對(duì)熔池的攪動(dòng)減少，從而未熔合的可能性加大。

(5)離子氣。離子氣對(duì)電弧有一定的壓縮作用，從而離子氣對(duì)電弧的能量密度有大的影響。過小對(duì)電弧的壓縮力度不夠，影響電弧的熱效應(yīng)，從而造成熔深減小，電弧分散。過大，造成氣體的紊亂和熔池的紊亂。

(6)粉末的粒度。粒度直接影響焊縫的成型和外觀。

5.4 焊接過程

為保證母材的焊接性能，焊接過程要保證其層間溫度不低于其預(yù)熱溫度，對(duì)于堆焊層的以后各層，其層間溫度除了滿足不得低于預(yù)熱溫度以外，對(duì)于其鈷基合金的特性，層間溫度過高焊縫熱裂紋傾向加大。

5.5 焊后熱處理

保證其母材基體的性能，保證質(zhì)量，同時(shí)由于2種材質(zhì)的物理性能存在很大差異，為消除其由于熱、組織等產(chǎn)生的應(yīng)力，應(yīng)進(jìn)行相應(yīng)的去應(yīng)力退火，保證產(chǎn)品的質(zhì)量。

由于C12A的淬硬傾向很大，焊接完畢后必須立即進(jìn)行焊后去應(yīng)力退火，從而保證焊接質(zhì)量。

6 結(jié)論

經(jīng)過多次的產(chǎn)品試焊，嚴(yán)格控制以上幾點(diǎn)，對(duì)于C12A材質(zhì)產(chǎn)品的堆焊不再是焊接生產(chǎn)的難點(diǎn)。對(duì)于閥門C12A材質(zhì)鈷基加硬層的堆焊主要工藝參數(shù)如下表5。

表5 C12A材質(zhì)鈷基加硬層的堆焊主要工藝參數(shù)