等離子弧堆焊技術(shù)在全金屬密封蝶閥上的應用

謝遠奉，李黎，陳林，曹宜軍

重慶川儀調(diào)節(jié)閥有限公司 重慶 400707

1 序言

等離子弧因電弧能量集中，電弧穩(wěn)定性好，可以用較少的合金材料獲得高性能的堆焊層，且稀釋率低，一般為5%～25%，因此較傳統(tǒng)焊條電弧焊堆焊的產(chǎn)品質(zhì)量更好、效率更高[1]。采用等離子弧堆焊技術(shù)的全金屬密封蝶閥具有更好的耐高溫、耐腐蝕、抗磨損和良好的密封性能[2]，并能適應介質(zhì)壓力及溫度突然變化的場合，使用壽命長，在石化、冶金等行業(yè)應用廣泛。因此，本文采用等離子弧堆焊工藝同焊條電弧焊堆焊工藝進行系列對比，為其工業(yè)應用提供一定的參考依據(jù)和實踐指導。

2 試驗產(chǎn)品與材料

（1）試驗產(chǎn)品 為三偏心全金屬密封蝶閥閥體，規(guī)格型號為DN300 Class150，材質(zhì)為WCB，堆焊產(chǎn)品厚度≥25mm。

（2）試驗材料 試驗采用的焊條牌號為Stellite 21合金焊條，粉末牌號為Co121F合金粉末，試驗材料主要化學成分見表1。

表1 試驗材料主要化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

（3）焊接參數(shù) 堆焊焊接參數(shù)見表2。

表2 堆焊焊接參數(shù)

3 焊接效果對比分析

（1）閥體焊接后外觀 閥體堆焊后外觀如圖1所示。焊條電弧焊堆焊的表面高低不平，這樣在車削過程中不僅易損壞刀具，還浪費加工時間[3]。而等離子弧堆焊的表面厚度、寬度均勻性好，后續(xù)車削加工較為容易。

圖1 閥體堆焊后外觀

（2）車削后堆焊合金層熔合效果 焊條電弧焊堆焊的合金層熔合線深淺高度不一、不均勻。等離子弧堆焊的合金層熔合線規(guī)整，厚度均勻一致，如圖2所示。

圖2 車削后堆焊合金層熔合效果

（3）堆焊層化學成分及硬度 距熔合線2mm處堆焊層化學成分及硬度見表3。由表3可知，等離子弧堆焊后的主要合金成分Co、Cr略高于焊條電弧焊堆焊，其余微量元素均在要求范圍值內(nèi)；從Fe含量看，等離子弧堆焊的熔敷金屬稀釋率優(yōu)于焊條電弧焊堆焊[4]，且等離子弧堆焊稀釋率較為穩(wěn)定，焊條電弧焊稀釋率穩(wěn)定性較差。

表3 堆焊層化學成分及硬度對比（距熔合線2mm處）

從單臺閥體的3點硬度值看，等離子弧堆焊硬度分布更均勻；不同堆焊方法的閥體中等離子弧堆焊的硬度整體也更為均勻和穩(wěn)定，較均勻的硬度有助于后續(xù)車削加工。

（4）堆焊層微觀組織分析 研究表明，鈷基合金熔覆層的性能取決于熔覆層的顯微組織結(jié)構(gòu)和化學成分[5，6]，良好的元素分布和顯微組織可以提高鈷基合金強度、耐磨性和耐點蝕性能。鈷基合金熔覆層的頂部組織（機械加工后距熔合線2mm處）如圖3所示。從圖3中可看出，組織主要由樹枝晶組成，其中焊條電弧焊堆焊試樣組織的枝晶間距差異較大，組織分布不均勻；等離子弧堆焊試樣組織的枝晶間距細密，組織分布均勻。

圖3 鈷基合金熔覆層的頂部組織

（5）耐蝕性對比分析 鈷基合金熔覆層在鹽酸與甲醇體積為1∶1氯化銅飽和溶液中腐蝕6h、在體積分數(shù)為20%的硝酸溶液中腐蝕2h后的形貌分別如圖4、圖5所示。從圖4、圖5中可看出，晶界均出現(xiàn)可見腐蝕痕跡，其中等離子弧堆焊試樣腐蝕程度較輕，主要是由于等離子弧堆焊過程中溫度控制更均勻，元素擴散更平緩，且稀釋率低，減弱了Cr元素和碳化物大量、不均勻的析出和遷移，從而提高了耐蝕性[7]。

圖4 鈷基合金熔覆層在氯化銅飽和溶液中的腐蝕形貌

圖5 鈷基合金熔覆層在硝酸溶液中的腐蝕形貌

（6）堆焊層缺陷率對比 在焊條電弧焊堆焊的10件閥體中，有6件存在缺陷（主要為砂眼，偶有夾渣、裂紋等），需停機補焊。這不僅影響堆焊層質(zhì)量，還造成多次停機補焊。在等離子弧堆焊的10件閥體中，有1件因出現(xiàn)1個小氣孔導致補焊，合格率增至90%。因此，等離子弧堆焊從工藝上很大程度上降低了缺陷率。

（7）焊接效率及勞動強度對比 兩種堆焊方法焊接效率及勞動強度對比見表4。由表4可知，與焊條電弧焊堆焊相比，等離子弧堆焊的焊接時間節(jié)約近47.1%，勞動強度大幅下降。

表4 兩種堆焊方法焊接效率及勞動強度對比（以各加工1件閥體為例）

（8）車削加工效率及刀具損耗 兩種堆焊方法焊接的工件車削加工效率及刀具損耗對比見表5。由表5可知，與焊條電弧焊堆焊相比，等離子弧堆焊后加工時間節(jié)約近41.7%；刀具損耗量降低約60%，整體效率得到大幅提高。

表5 車削加工效率及刀具損耗對比（以各加工10件閥體為例）

4 結(jié)束語

與傳統(tǒng)焊條電弧焊堆焊相比，全金屬密封蝶閥采用等離子弧堆焊技術(shù)能有效降低焊接工作強度，提高堆焊效率，使綜合生產(chǎn)成本降低50%以上；另外，較低的稀釋率和穩(wěn)定的焊接工藝有效保證了合金層硬度和化學成分的均勻性及穩(wěn)定性。因此，高質(zhì)量、高效率的等離子弧堆焊工藝能有效保證大批量產(chǎn)品的焊接質(zhì)量，具有顯著的經(jīng)濟效益。