阀门密封面粉末等离子堆焊钴基合金技术
1 概述
对于锅炉蒸汽阀、安全阀、调节阀、高温阀、内燃机进排气阀等一类对密封面性能要求高的阀门，大都采用堆焊钴基C0-Cr-W合金（Stellite合金）。目前应用***多的方法是采用手工火焰堆焊或手工***弧堆焊C0-Cr-W合金裸焊棒。手工堆焊除了劳动强度大,生产效率低以外,堆焊质量受人为因素影响大。粉末等离子自动堆焊工艺在堆焊C0-Cr-W合金上有独特的优越性，特别适合堆焊质量要求高的钴基、镍基合金，是解决密封面堆焊质量,提高生产效率,节省材料,降低生产成本的***佳方案。
2 特性
粉末等离子弧堆焊是利用***气转移型等离子弧作主要热源，采用合金粉末作填充金属，在工件表面产生熔池，熔池冷凝后形成堆焊层的工艺方法（亦称等离子喷焊、PTA焊）。受到压缩的转移型等离子弧，具有电弧稳定、弧柱挺直、温度高、热量集中、良好保护气氛和电弧特性可控性好等突出的优点。采用转移型等离子弧作热源进行堆焊，具有熔深可控、母材冲淡率低、焊道平整、成形尺寸范围宽、堆焊层硬度均匀、金相***均一、易于避免质量缺陷、工件热影响区小、工艺稳定、堆焊过程自动化、堆焊材料范围广等一系列工艺上的优越性,是优质、***、节材的***堆焊方法。
在堆焊过程中，焊枪应产生稳定的等离子弧(非转移弧和转移弧),不出现堵粉、结珠和粉末飘散等故障。为了降低冲淡率,采用更柔一些的等离子弧,因而选择小一点的压缩比,一般压缩比d/L，选择1～1.2。为了避免产生堵粉、结珠的情况,焊枪采用外送粉方式,即粉末出口在压缩孔道外面,偏离弧柱一个距离。采用外送粉方式,如果控制不当,则容易产生粉末飘散。为了解决这一矛盾,在结构上采用喷射式送粉,即减小送粉孔的直径,借助送粉载气,将粉末喷射到弧柱里。
合金粉末的成分设计，多是在成熟的原钴基合金（Stellite合金）堆焊焊条的成分上发展起来的。这一类合金有高合金含量的奥氏体基体,铬是给以耐氧化性,钨能使之具有高温硬度,钴提供耐腐蚀性,碳以硬的碳化铬存在基体中,增加了强度和耐磨性能。合金的硬度及性能随着成分而改变。
钴基合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐氧化、耐磨损的综合性能,突出的是红硬性好,抗磨擦磨损和粘着磨损性能极优,***适于在高温下的腐蚀、磨损、氧化等综合恶劣的工况条件下使用。
为了改善堆焊的工艺性,在这类合金中加入适量的硅、硼元素,使合金熔点降到1100℃左右,提高了合金液态流动性。但添加硼以后,硬度值升高,抗裂性变差,因而控制添加量,一般小于1.5%。
由于等离子弧热量集中、可控性好、具保护气氛,不含硼的钴基合金粉末亦能有很好的工艺性,采用合金粉末作填充料和采用钴基裸焊棒作填充料,能达到同样的工艺效果。
5 工艺
要获得高质量的钴基合金堆焊层,设备和粉末材料无疑都是重要的因素,但工艺控制也是***终体现工艺效果的重要环节。对于钴基合金堆焊,由于要求质量高,在工艺控制上要更加精细,要求过程更加稳定,在关键的质量点上要采取相应的工艺措施,以确保堆焊质量。根据我们的研究及生产实践,提供以下工艺控制方法供参考。
5.1 等离子弧稳定性
在整个堆焊过程保持等离子弧的稳定性,是保持堆焊过程稳定,获得高质量堆焊层的首要条件。产生和维持稳定的等离子弧是各相关因素的综合效果,主要的因素是:
(1)焊枪的调整 性能好的焊枪,要调整好才能产生稳定的等离子弧,发挥作用。焊枪的调整主要是调整钨极的内缩量和同心度。内缩量和压缩孔道长度基本一致。 保持钨极***和喷嘴压缩孔道的同心度十分重要,严重的不同心将会使弧柱偏斜。钨极***的形状,对于电弧稳定有很大影响,***烧秃了要即时打磨。
(2)离子气 离子气是产生等离子弧的介质,在喷嘴壁面产生冷气壁才能维持等离子弧的稳定,过大的离子气流量虽然对形成冷气壁有好处,但造成电弧过“刚”,穿透力过大而增加了母材冲淡率。过小的离子气流量不利于形成冷气壁将***等离子弧的稳定性。
(3)喷嘴冷却 喷嘴冷却效果影响到冷气壁的形成,对等离子弧的稳定性至关重要。喷嘴的设计对壁面冷却效果是重要的因素,在设计已定的情况下,通过冷却水改善冷却效果。采用冷冻式换热增压循环供水系统,冷却水温度设定在15-25℃为宜。
(4)工艺参数的选择 选择适宜的工艺参数有利于保持等离子弧的稳定性。在工艺参数中转移弧电流是关键工艺参数,要选择适宜的电流规范,使焊枪运行在***佳状态,以维持稳定的等离子弧和保持堆焊过程的稳定性。
(5)粉末的输送 粉末往电弧里的输送会对电弧有干扰,保持良好的稳定的粉末输送状态,是维持等离子弧稳定的因素之一。维持喷射式送粉是有效的措施,一旦不能形或这种状态就要更换喷嘴。
(6)避免工艺故障一旦出现喷嘴送粉孔结珠和堵粉;弧柱出现“双弧”;弧柱出现偏斜等工艺故障,等离子弧的稳定性便被***。要分析出现工艺故障的原因,采取相应措施,避免在堆焊过程中出现工艺故障。
(7)维持弧压稳定 维持弧压稳定除保持电弧功率稳定外,更重要的是保持弧柱长度稳定，这有利于保持等离子弧稳定。
等离子粉末堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，由于等离子弧具有电弧温度高、传热率大、稳定性好，熔深可控性强，通过调节相关的堆焊参数，可对堆焊层的厚度、宽度、硬度在一定范围内自由调整。等离子粉末堆焊后基体材料和堆焊材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层***致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性变化小；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，提高工件的耐磨、耐高温、耐腐蚀性。等离子粉末堆焊具有较高的生产率，美观的成型以及堆焊过程易于实现机械化及自动化。
技术特点：
1、堆焊熔覆合金层与工件基体呈冶金结合，结合强度高；
2、堆焊熔覆速度快，低稀释率；
3、堆焊层***致密，成型美观；
4、可在锈蚀及油污的金属零件表面不经复杂的前处理工艺，直接进行等离子堆焊；
5、堆焊过程易实现机械化、自动化；
6、与其他等离子喷焊相比设备构造简单，节能易操作，维修维护容易