清管阀球体钴基硬质合金表面的堆焊

2013-08-26 杨永良 西安泵阀总厂有限公司

  针对清管阀球体表面硬质合金堆焊及裂纹补焊问题,进行了氩弧焊工艺试验。结果表明,可以在免预热、免热处理的情况下进行HS111 的堆焊。对于球体表面钴基硬质合金裂纹的补焊,应采取堆焊过渡层、预热及焊后回火处理等严格的工艺措施。

1、概述

  常规的清管阀球体表面,通过Ni-P 化学镀进行硬化处理。在某些特殊工况介质场合,如含有大量固体硬颗粒的介质,球体表面受到冲刷和磨损,容易造成阀门泄漏,必须选择Ni-P 化学镀以外的其他硬化方式。目前常用的密封面硬化方式有超音速火焰喷涂、镍基合金热喷涂、激光熔覆、镀硬铬和堆焊硬质合金等。对于试制的高压硬密封清管阀,根据生产条件,选择通过手工钨极氩弧焊堆焊工艺,使球体表面获得较厚的堆焊层,达到耐腐蚀和耐冲刷的目的。

2、焊接材料

  试验选用HS111(ER CoCr - A) (表1) 和HS112(ER CoCr - B) (表2) 钴基硬质合金堆焊焊丝。

表1 HS111 焊丝的合金成分Wt,%

HS111 焊丝的合金成分Wt

表2 HS112 焊丝的合金成分Wt,%

HS112 焊丝的合金成分

3、堆焊工艺试验

  选用8in. (DN200mm) 清管阀球体(图1) 进行堆焊工艺试验。球体材料为正火处理的WCB。首先按球体需2.5mm 合金厚度加工球体表面焊前尺寸,待焊部位粗加工后,进行着色检测,清除气孔、砂眼和裂纹等铸造缺陷。

8 in. 清管阀球体

图1 8 in. 清管阀球体

3.1、堆焊HS111

  试验工件不预热,焊后不进行热处理。焊丝直径Φ4.0mm,焊接电流220 ~ 240A,电弧电压10 ~12V,氩气流量8 ~ 10L /min。焊前将球体表面的油污清理干净。焊接过程中,焊丝不能与高温的钨极接触,焊丝端部不能移出氩气保护区。更换焊丝或收弧时填满弧坑,并且及时对红热的焊缝进行锤击消除应力。共堆焊2 层,焊层厚度4 ~ 4. 5mm。因球体较大,采取焊工轮流施焊的方式,保证层间温度≥200℃。焊后用10 倍放大镜检查,未发现裂纹。

3.2、堆焊HS112

  ①直接在WCB 基体上不预热堆焊HS112。焊接规范参数同HS111 的堆焊。完成30mm 宽、2.5mm 厚的焊层堆焊后,目测检查,焊层有10 处开裂( 径向裂纹) 。属于塑性不足,冷速过大造成的冷裂纹。

  ②在WCB + HS111 基体上堆焊HS112。在WCB 基体已经堆焊一层2. 5mm 厚的HS111 焊层上堆焊HS112。工件预热500℃ × 1h,堆焊层宽20mm,焊层厚2.5mm,焊一层,焊接规范参数同HS111 的堆焊。焊接过程中工件温度≥450℃,焊完一圈即发现1 处开裂。焊后回火600℃ × 1h,降温至120℃出炉,发现3 处开裂,皆为径向裂纹。经分析,HS112 焊丝硬度高,脆性大,无论是直接在WCB 基体上堆焊,还是高温预热后在WCB +HS111 焊缝上堆焊,都无法避免冷裂纹的产生。

3.3、裂纹补焊

  (1) HS112 焊层裂纹补焊

  方法1 将工件上裂纹清除干净后,工件预热500℃ × 1h,直接用HS111 补焊,裂13 处。分析原因,由于裂纹已扩展到母材基体,补焊的合金厚度超过4mm,脆性过大,造成开裂。

  方法2 将工件上裂纹清除干净后,工件预热300℃ × 1h,采取ER308 焊丝打底焊+ HS111 焊丝盖面焊工艺,焊后进行300℃ × 1h 回火处理,降温至120℃出炉。用10 倍放大镜检查,未发现裂纹。

  (2) HS111 + HS112 焊层裂纹补焊

  将工件预热500℃ × 3h,采取ER308 焊丝打底焊+ HS111 盖面焊工艺,焊接规范参数同HS111 的堆焊,焊后进行500℃ × 1h 回火处理,降温至120℃出炉。用10 倍放大镜检查,未发现裂纹。

3.4、试验结果分析

  ①HS111 焊丝可在免预热的条件下进行球面堆焊,焊后不需进行热处理。

  ②HS112 焊丝无论采取预热还是堆焊HS111过渡层的方式,都不能避免裂纹的产生。

  ③裂纹补焊时,必须采取严格的预热和焊后回火处理措施,补焊难度较大。

4、堆焊层的加工及检测

  堆焊完成后,用车球机粗车球面,选用YG8刀头加工,速度8r /min,进给量0.28mm。车至球体直径方向留1.5mm 余量时,对堆焊层表面进行着色检测,发现有微裂纹显示,经补焊合格后,磨削至成品尺寸。球体表面粗糙度达到Ra≤0.8μm,圆度达到0.03mm。

5、结语

  采取适当的工艺参数,在WCB 材质的清管阀球体表面堆焊HS111,焊前不预热,焊后不热处理,可以避免焊层裂纹,加工后能够达到要求的圆度及表面粗糙度。HS112 的堆焊难度较大,不宜采用。球体表面钴基硬质合金裂纹的补焊,要采取堆焊ER308 过渡层、预热、焊后回火处理等严格的工艺措施。