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阀门密封面粉末等离子堆焊钴基合金技术研究
阀门密封面粉末等离子堆焊钴基合金技术研究
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）。目前应用最多的方法是采用手工火焰堆焊或手工氩弧堆焊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,降低生产成本的最佳方案。
2 特性
粉末等离子弧堆焊是利用氩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、金相组织均一、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、高效、节材的先进堆焊方法。随着控制及焊接技术的进步,目前已发展到全数字化的PLC控制系统及工业电脑的PC控制系统, 配置触摸屏人机界面操作系统，使操作便捷、直观和更具人性化。在工艺参数显示上，由间接显示工艺参量的电压表发展到屏上显示直接物理量，并使工艺参数储存和可随时调用。在等离子堆焊枪、机械运转系统、供水系统的设计上亦有了很大的改进，提升了使用性能和可靠性。配置数码摆动器和弧压自动调节器等新部件后，使堆焊过程更加稳定,堆焊质量得以保证。
3 设备
3.1 结构与配置
（1）焊接系统 焊接系统关键是直流弧焊电源的配置及电流调节控制系统。配置先进的逆变式直流弧焊电源，效率高，节能，受外界干扰小，输出稳定，近于恒流输出特性。采用数字化电流调节系统，可以精细、精确设定焊接电流规范和设定输出特性，从而更能满足工艺要求，确保堆焊质量。
（2）控制系统 采用先进的数字化的控制系统,由具有数字运算功能的特殊功能型的PLC、电量传感器、步进电机等及触摸屏式人机界面操作系统组成的全数字化控制系统,除能对开关量编程,实现顺序控制外,突出的是通过数字量的设定和运算,实现对工艺参数的直接设定和通过运算得出工艺参数的计算值,而且工艺参数可以储存。操作系统通过视窗实现人机对话。发挥软件编程的作用,实现复杂的工艺控制要求，操控方便,功能强大,运转更可靠和稳定。由于采用的是数字化的控制系统,较容易的实现了工艺上的特殊要求,突出的是实现了自动调节焊枪保持弧压稳定。在焊接过程中可以调节摆频和摆幅,在熄弧过程，摆幅自动递减,实现采用脉冲控制工艺程序等一系列先进的控制功能。
（3）机械运转系统 机械运转系统包括焊枪空间定位机械运行系统，送粉器和工件运转动力头(变位机/旋转工作台)等。机械运转定位系统采用直线滑轨,滚珠丝杆传动,步进电机驱动。机械运转系统和数字化控制系统结合,提高了定位精度和运转灵活性,实现了数控定位和数码运转控制。
（4）工艺动作系统 工艺动作系统（即工艺动作的顺序控制系统）采用特殊功能型PLC可编程控制系统,其特点是将检测的模拟信号纳入编程系统,将工艺参数的物理量作为切换点,从而使程序的设计更符合工艺的要求。另外,在动作之间的参数设置上更精细,并引入了脉冲计数控制。
（5）机型 在整体结构具有各型“一体机”、 “十”字形立式操作机、平面数控堆焊机和大型龙门式数控堆焊机等多种机型结构,更适合细分的市场要求。对于阀门密封面堆焊,由于工件种类繁多,口径规格相差甚大,因此应根据具体情况选择机型。对于中小口径阀件，选择“一体机”机型有更多的优越性。
3.2 编程软件与操作界面
（1）PLC系统编程 采用特殊功能型的PLC所构成的数字化的控制系统，是通过编程来实现对工艺参数和程序的控制。通过PLC的电脑编程软件,采用梯形图的方式进行编程。为了确保堆焊质量,特别是环焊道搭接和收弧部位的堆焊层质量,设计了一套专用程序软件,较好的满足了工艺控制的要求。
（2）操作界面 采用触摸屏式人机界面作操作界面。根据工艺控制的要求,设计了一系列画面,在每一幅画面里,有人机对话的窗口和参数设定的窗口,对于计算结果值及运行参数亦在窗口里显示。视窗所有参数值均是直接物理量。操作界面可容纳精细的工艺设定和直接参数显示,操作便捷。
3.3 焊枪
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。
4. 性能
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,最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,但工艺控制也是最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。 保持钨极尖端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。钨极尖端的形状,对于电弧稳定有很大影响,尖端烧秃了要即时打磨。
(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破坏等离子弧的稳定性。对于d6.5mm的喷嘴,离子气流量控制在350-400L/h为宜。
(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,使焊枪运行在最佳状态,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破坏。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。采用维持弧压稳定的自动调高机实现了这种要求。一般弧压在28～32V范围内选定。
5.2 工艺参数
堆焊系统有十几个工艺参数，除工作气流量、弧压设定等相对稳定的参数外，其他参数要根据工件堆焊量进行设定和搭配，首先选定熔敷率或堆焊速度参数，其他参数通过计算而确定。
（1）焊道几何参数及堆焊量的计算 阀门密封面都是园环焊道，对每种堆焊件的几何尺寸是设计确定的，在操作界面上给出了尺寸图及设计值，键入尺寸值，PLC系统会自动按下列计算式给出该工件的合金堆焊量。
G=π(D1/2+D2/2)( D1/2-D2/2)hC×10-3
式中 G——单件堆焊合金量,g
D1——焊道外径,mm
D2——焊道内径,mm
h——堆焊层平均厚度,mm
C——堆焊合金的比重,g/㎝3
（2）熔敷率的选择 熔敷率是单位时间堆焊到工件上的合金量,设定熔敷率即是设定堆焊速度,它是反映生产效率的参数。从提高生产效率出发,希望有较高的熔敷率,但它要受到整个堆焊系统的制约,提高熔敷率就要加大送粉量,加大转移弧电流等,使焊枪的运行功率及整个运行规范加大,这必然使整个运行状态的不稳定性增加,增加了出现工艺故障的几率,甚至到堆焊过程中由于出现工艺故障而不得不中止堆焊,这样反道降低了生产效率。因此耍兼顾效率和稳定性的因素,设定适当的熔敷率,以获得较高效率的稳定状态。
（3）其他参数的设定 熔敷率设定后,根据单个工件的堆焊量,操作界面会自动给出其他参数的计算值。①将熔敷率换算成g/min再除以粉末利用率(粉末沉积效率,%),即是送粉量(g/min)。由于粉末利用率的估算偏差和其他参数的影响,送粉量的计算值和实际最适宜的数值会有一定偏差,操作界面上给出了修值的设定可予以调整。②根据熔敷率和所要求的单位时间堆焊量,操作界面上将自动计算出工件转速(r/min),经确认后自动调整好③新机型配置直线滑轨匀速数码控制摆动器,在“摆动参数设定”操作画面上可以精细设定“摆动频率”、“摆动幅度”、“左端留时间”、“右端留时间”,并可选择在收弧过程摆幅是否随转弧电流衰减而递减，这为获得平整美观的成形创造了条件。在堆焊过程中如发现摆幅过宽或欠宽,可在画面上即时修正。
5.3 转弧电流
转弧电流规范是影响堆焊层质量、外观成形、母材冲淡率最关键的参数，一般要观察熔池状况和堆焊成形来确定最适宜的转弧电流规范。从开始引燃转弧到堆焊过程结束，工件的热状态是变化的，为了保持较一致的熔池状态，那么转弧电流要随工件温度的变化进行适当的调整。根据一般的温度变化规律和自动调节简便，采用按角度区域分段预先设定转弧电流的工艺方案以解决这一矛盾。如图所示，整个过程分5段设定转弧电流：预热段、起始段、中间段、搭接段、收弧段。如果要精细调整,可将中间段再分成两段。在预热段可根据工件大小选择转动或不转。焊好起始段和搭接段,是保证堆焊质量的关键,由于工件由温度最低到温度最高的变化,因此要适当提高起始段和降低搭接段的转弧电流。
5.4 焊道搭接与收弧
阀门密封面堆焊的质量关键在搭接与收弧部位,在这一部位不仅成形难以达到平整的理想状态,而且易出现火口裂纹和缩孔。应采取一些具体的措施，以保证焊层质量。
（1）控制搭接与收弧的起始角度 焊道搭接起始角度在理论上应是360°,但因起始堆焊部位温度已上升到很高,因此应提前减电流。搭接起始角度提前5°～10°。完成焊道搭接段后转弧电流即可开始衰减。
（2）控制停粉及粉末衰减 为了在搭接部位不缺肉和平整,一般在搭接部位不停粉,完成搭接后停粉或采取粉末递减的方式停粉。
（3）控制搭接与收弧段的长度 由于起始焊道一般呈圆弧状,为了堆焊层在搭接部位不缺肉和平整,采取过了360°再搭接一定长度,一般搭接部位对应的角度选择5～15 °。收弧段即转弧电流衰减段的长度,要视工件大小及焊道宽窄确定,大工件焊道宽则衰减段长,反之亦然,一般10～30mm。
（4）控制搭接段的电流规范 搭接段因是在温度高的堆焊层上施焊,因此降低转弧电流,下降数值要视熔池状态调整。
（5）控制转弧衰减特性、速率与熄弧电流值 转弧衰减特性、速率与熄弧电流值的控制是控制质量的关键点,转弧电流呈线性衰减特性效果较好。电流衰减速率在15～25A/s范围内选择。熄弧电流值应控制较小,做到断弧时熔池已凝固。
（6）控制收弧段的摆幅 为了使收弧段递减地缩小熔池，对于大工件宽焊道，采取随转弧电流递减，焊枪摆动幅度亦递减的方式收弧，更有利于避免产生缩孔及裂纹缺陷。电流截断摆动即停止。
各项工艺措施在触摸屏的操作界面上都已设置了窗口，只要键入设定数值即可完成工艺参数的设定和调整。
5.5热处理
堆焊完毕焊件要立即放入保温炉内或保温介质中保温缓冷，避免出现焊后裂纹。一般堆焊钴基合全要进行600～650℃的回火处理。
6 结语
粉末等离子喷焊机在不同领域的产品堆焊实践也证实，PTA技术的应用已是成熟可靠的。现在数字化控制的设备已具有智能功能，操作便捷，性能稳定可靠。尤为重要的是全数字化的粉末等离子喷焊机有强大的“专家系统”优化软件支持，能推荐适宜的堆焊材料和最佳工艺参数，以确保堆焊质量，节省材料消耗，提高生产效率。因此，应用PTA技术堆焊钴基合金能带来显著的社会经济效益。
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