楊文軍，楊永良

(西安泵閥總廠有限公司，陜西 西安 710025)

0 前言

鈷基硬質合金材料是耐高溫耐蝕耐磨的優(yōu)質材料，其堆焊用合金焊絲常采用粉末冶金進行燒結［1］，被國內外廣泛用于合金鋼閥門的密封面上。特別是在熱態(tài)下具有優(yōu)越的耐擦傷性能。因而常用來堆焊臨界或超臨界參數的蒸汽閥門，以及使用條件比較惡劣，抗磨損、抗腐蝕性能要求較高的閥門密封面［2］。以高壓截止閥為例，其密封件——閥瓣和閥座的密封面上就分別采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基2#(HS112)和1#(HS111)硬質合金焊絲。典型的鈷基合金焊絲標準為美國焊接學會標準，即AWS A5.21《堆焊用光焊絲和填充絲規(guī)范》，HS111相當于AWS類別ER CoCr－A(鈷基1#)，HS112相當于AWS類別ER CoCr－B(鈷基2#)，其化學成分為表1所示;主要質量特性參數堆焊層硬度值［3］根據閥門設計要求和焊絲生產廠商推薦值見表1。

1 問題的提出

按截止閥設計標準要求，當閥瓣密封面堆焊硬質合金時，加工后的堆焊層厚度應當不小于1.6 mm，密封面硬度最小 350HB［4］(37 HRC)。所以，如果工藝合理，操作得當，用HS111(ER CoCr－A)堆焊，質量應是有保證的。

為了提高關閉件密封面抗高溫水蒸氣介質高速沖蝕的能力，設計要求閥瓣和閥座密封面硬度分別為45～50HRC和39～44HRC，最低硬度略高于標準。根據生產條件，選擇通過手工鎢極氬弧焊堆焊工藝，使堆焊表面獲得理想厚度的堆焊層，達到耐腐蝕和耐沖刷的目的。然而西安泵閥總廠有限公司在實際生產中堆焊層時常出現(xiàn)氣孔等缺陷，尤其是硬度值不穩(wěn)定或偏低，甚至還不到30HRC，造成大量返工，給正常的生產帶來困難。

表1 鈷基堆焊焊絲的化學成分及硬度值Tab.1 Chemical composition and hardness of Co-based surfacing welding electrode

2 正交試驗

正交試驗的目標是要在對應的焊接母材上，使用規(guī)定的焊接方法進行鈷基合金堆焊，找出或驗證影響堆焊硬度質量的主要工藝因素，摸清堆焊規(guī)律，確定工藝參數并制定出可行的工藝規(guī)程指導生產，穩(wěn)定產品質量，滿足用戶需求。

2.1 試驗方案

影響鉆基合金堆焊層硬度的諸因素主要包括:堆焊方法、稀釋率、堆焊層厚度和母材材質等，硬度和稀釋率(主要是指含鐵量)有著密切的關系［5］。堆焊鈷基硬質合金成分是決定堆焊效果，尤其是影響硬度的主要因素。為了獲得預計的堆焊層化學成分，必須盡量減少母材向焊縫的熔入量，即降低稀釋率［6］，這是工藝成敗的關鍵。

根據產品規(guī)格系列范圍，試驗選用DN50的閥瓣尺寸;母材材料為1Cr13(12Cr13)，其成分、力學性能和熱處理制度符合相關標準［7］的規(guī)定;焊接材料選擇鈷基2#—HS112(ER CoCr－B);焊接方法采用TIG焊，手工送絲。

由于對不同廠家焊絲是否能滿足產品設計和堆焊質量要求尚有分歧，為了驗證不同生產廠家所供鈷基焊絲能否達到所要求的堆焊硬度和質量，因而選擇兩個廠家焊絲試驗。焊絲類型編號設置為Y－2#和S－2#。

根據對工藝參數的影響程度大小，工藝參數分成固定的與變化的兩類，見表2。

表2 影響合金堆焊質量的工藝參數Tab.2 Process parameters of effect on surfacing layer quality

對于要考察的4個變化參數因素，分別選出要考察比較的條件——正交法中稱之為位級。綜合成如下因素位級表。

表3 因素位級表Tab.3 Table of factor level

根據因素位級表安排試驗方案，形成正交試驗參數見表4。

表4 正交試驗參數Tab.4 Orthogonal test parameters

2.2 試驗規(guī)則

試驗焊接過程中要求，焊絲不能與高溫的鎢極接觸，焊絲端部不能移出氬氣保護區(qū);更換焊絲或收弧時填滿弧坑，并且及時對紅熱的焊縫進行錘擊消除應力。焊層總厚度5.5～6 mm。

(1)堆焊到規(guī)定的高度后，依次車削到(5、4、3、2)mm高度，分別檢測各平面的HRC硬度值;

(2)每平面檢測6處HRC硬度值，然后取平均硬度值;

(3)每層平面檢測硬度時，要求無氣孔、夾渣和裂紋。

2.3 試驗結果處理

經對試件按要求分層車削加工、著色探傷、硬度檢測，共計8件32個面。

經著色探傷檢測，試件的堆焊層剖面，均未發(fā)現(xiàn)氣孔、夾渣和裂紋缺陷，所以檢測的192個硬度值全部有效。試驗結果見表5。

對于表5的試驗結果，通過簡單計算，就能看出大致規(guī)律，找出最佳的條件因素或大致估計哪些因素更重要。正交表數據計算處理結果見表6。

表5 正交試驗數據Tab.5 Orthogonal test data

表6 正交數據處理Tab.6 Orthogonal test data processing

從表6中計算數據，可直觀看出:

(1)對于四種因素，所有同位級和數都隨著厚度層的增加而變大。表明焊層硬度隨堆焊層增厚而增大。

(2)對于A因素電流，位級Ⅳ在所有厚度層的位級和數都最大，表明電流因素以90A最佳;對于B因素焊層結構，位級I的位級和數大于位級Ⅱ，表明焊層結構因素2－2－2優(yōu)于2－4;對于C因素鎢極形狀，位級Ⅱ的位級和數大于位級Ⅰ，表明鎢極形狀因素尖優(yōu)于平;對于D因素焊絲類型，位級I的位級和數大于位級Ⅱ(除厚度5 mm)，表明焊絲類型因素廠商Y－2#優(yōu)于廠商S－2#;

(3)極差R由各行中大數減小數即得。極差R的大小用來衡量試驗中相應因素作用的大小［8］。極差大的因素，意味著它的兩個位級對于硬度所造成的差別較大，通常是重要因素。表6中因素電流的極差最大，是重要因素，是影響硬度值的最重要因素;因素焊層結構的極差次之，是較重要因素;因素鎢極形狀的極差再次之，是一般因素;因素焊絲類型的極差最小，是最次要因素，對堆焊硬度值影響不大。

2.4 試驗結果分析

對試驗結果進行分析后可以得出:

(1)影響HRC硬度值的諸因素中，堆焊電流是最主要的因素;

(2)在同一堆焊電流下，HRC硬度值隨堆焊層加厚而增大;在同一堆焊厚度上，HRC硬度值隨堆焊電流減小而增大;

(3)隨著堆焊厚度的減小，堆焊電流對硬度(HRC)值的敏感性增加;隨著堆焊電流的減小，堆焊厚度對硬度(HRC)值的敏感性增加;

(4)第一堆焊層的堆焊電流是整件堆焊質量的關鍵因素，它的稀釋率大小對整個堆焊層的稀釋率大小起到決定性的作用，如圖1所示。

圖1 不同堆焊電流在不同厚度層對HRC值的影響Fig.1 Surfacing welding current in different thickness of layers effect on HRC value

(5)對應于表4中的方案，最佳工藝方案是A4B1C2D1和A4B1C2D2，說明兩種鈷基硬質合金焊絲都可以滿足使用要求，只是S－2#焊絲比Y－2#焊絲無論是在堆焊厚度上還是在堆焊電流上都更加敏感些。

(6)當使用90A電流堆焊時，2 mm厚的堆焊層(車削加工后)也可滿足硬度要求，從而展示出節(jié)約鈷基硬質合金焊絲的良好前景。

2.5 最佳工藝方案的驗證

最佳工藝方案A4B1C2D2驗證，藥皮焊條堆焊金屬的硬度和化學成分一般是指堆焊3層以上的堆焊金屬，而焊絲堆焊應在2層以上［5］。以此制定驗證方案如下:

(1)采用TIG手工堆焊;

(2)工件不預熱，焊后錘擊或緩冷保溫;

(3)焊絲直徑φ4;

(4)焊接電流100A～110A;

(5)氫氣流量7～8 L/min;

(6)堆焊兩遍或三遍，第一遍厚度控制在≤2 mm。

按驗證方案進行堆焊，結果見表7。

表7 最佳工藝方案驗證數據Tab.7 The validation data of optimum process

驗證結果與表4、表5相比較后，可以清楚地看到硬度HRC值又有提高，且更加穩(wěn)定。不僅如此，試驗所得數據表明硬度HRC值已經滿足設計要求，在3 mm厚度時達到廠商質量要求的指標(見表8)，在2 mm厚度上(堆焊有效一層)也接近質保指標，滿足設計要求。

表8 焊絲的材質Tab.8 Welding wire material

至此，試驗全部結束，可以根據所得結果制定可行工藝。

3 試驗結論

鈷基硬質合金氬弧堆焊試驗證明，加大堆焊電流無法控制熔池深度，從而也就無法控制稀釋率，無法保證堆焊層的化學成分，對堆焊質量極為不利。所以，雖然加大電流可以提高堆焊效率，不能提高堆焊質量。

在滿足產品標準的前提下，根據試驗結果，設計調整了產品密封件的密封面加工后厚度要求和配對硬度值要求，要求堆焊加工后堆焊層厚度不小于2 mm，閥座堆焊HS111硬度值不小于38HRC，閥瓣堆焊HS112硬度值不小于44HRC。工藝設計針對產品規(guī)格系列和材料，制定了更詳細的堆焊工藝規(guī)程。

對于沒有硬度差要求的閥門密封副，在滿足產品標準要求最低硬度值的情況下，不指定具體堆焊鈷基合金牌號，可以使用或混用HS111(ER CoCr－A)和HS112(ER CoCr－B)，在標準要求的1.6 mm最小堆焊層厚度上配對使用，達到標準要求的硬度值。

［1］馬莒生主編.精密合金及粉末冶金材料［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1982:219.

［2］王德權，胡毅均，李杰，等.閥門用鉆基合金及堆焊工藝［J］.閥門，2004(2):12.

［3］楊源泉主編.閥門設計手冊［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1992:287.

［4］GB/T12235－2007，石油、石化及相關工業(yè)用鋼制截止閥和升降式止回閥［S］.

［5］謝福彪.影響鉆基合金堆焊層硬度的諸因素［J］.閥門，1992(3):17－20.

［6］周振豐主編.金屬熔焊原理及工藝(下)［M］.北京:機械工業(yè)出版社，1981:275.

［7］GB/T1220－2007，不銹鋼棒［S］.

［8］北京大學數學系試驗設計組.正交試驗法［Z］.北京:科學普及出版社，1979.