胡高林，耿鵬逞，孫兵兵，翟智粱

洛陽雙瑞特種裝備有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

Co基合金俗稱司太立合金，它是以Co為基體并加入Cr、Ni、W、C等元素后構(gòu)成的，是一種具有耐磨、耐蝕、抗氧化和耐高溫的硬質(zhì)合金材料。故閥門密封面常用該材料作為堆焊層，提高零件的耐磨性，從而提高使用壽命，降低生產(chǎn)成本[1]。

Co基合金之所以具有高的強度和硬度，不是靠相變，而是靠細化晶粒和“鑲嵌”高硬質(zhì)點來達到的。由于該合金在結(jié)晶過程中始終是單相，故它的結(jié)晶為柱狀晶，這就在晶間形成了少量的低熔共晶產(chǎn)物，同時該產(chǎn)物也是堆焊過程中開裂原因[2]。隨著冷卻溫度降低，堆焊硬質(zhì)合金開始收縮，而剛性較大的工件將阻止收縮，如果堆焊Co基合金的塑性變型不能抵消收縮應變，堆焊金屬也會產(chǎn)生裂紋。閥門密封失效與堆焊工藝密切相關(guān)，并且閥門的擦傷、劃傷、沖蝕、腐蝕等失效，是堆焊工藝質(zhì)量需要加以控制的另一重要問題。

研究閥門失效，優(yōu)化堆焊工藝是提高閥門使用壽命的重要途徑[3]。目前，常用Co基合金堆焊方法主要有氧乙炔火焰堆焊、手工鎢極氬弧堆焊、等離子弧堆焊、焊條電弧焊堆焊，對Co基合金自動堆焊工藝研究極少，因此本文選取了Co基合金自動堆焊工藝方法進行研究。

2 工藝方法

2.1 材料的選取

按GB/T 22652—2008《閥門密封面堆焊工藝評定》關(guān)于堆焊評定的要求，預先確定的工藝流程路線如下：母材下料→無損檢測(PT)→焊接參數(shù)選取→預熱→焊接→焊后保溫→外觀及表面檢查→無損檢測(PT) →試樣加工→化學分析及性能試驗→資料收集→結(jié)果分析。

這次選用的母材材料牌號為S31603，厚26mm，化學成分及力學性能滿足GB/T 24511—2017，見表1、表2；試樣制備規(guī)格型號為25mm×φ250mm，堆焊表面粗糙度要求達到≤6.3μm后，對基層表面按照NB/T 47013.5—2015進行100%滲透檢測，確保堆焊基體表面無缺陷。

表1 S31603的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

表2 S31603的力學性能

焊絲選?。河捎贑o基合金具有很高的硬度，故其韌性差，很難實現(xiàn)焊絲制備用于自動焊接工藝。在公司現(xiàn)有資源情況下，為了實現(xiàn)Co基合金自動堆焊工藝，采用按AWS A5.21 ERCCoCr-A相關(guān)要求制造規(guī)格為φ1.2mm國外進口焊絲，化學成分見表3，標準中焊材硬度值大于38HRC（374HV），其硬度值實測為41HRC。

表3 ERCCoCr-A的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

2.2 工藝方法的確定

根據(jù)目前國際成熟的焊接經(jīng)驗，堆焊層的性能主要由堆焊層合金的化學成分及稀釋率所決定，而焊縫合金的化學成分主要取決于焊材的化學成分，當焊料選定后，其焊縫金屬的化學成分就基本上確定[4，5]。

在焊接工藝的選擇時，要考慮避免外在因素導致焊縫金屬化學成分的改變，或其他雜質(zhì)元素的滲入；稀釋率的大小取決于焊接時熱輸入量的大小，即熱輸入越大，稀釋率越高；反之則減小。

為了保證Co基合金自動GMAW堆焊的堆焊質(zhì)量，在選擇焊接工藝時，應從保證堆焊層合金的化學成分和減小焊接熱輸入量兩個方面切入。首先，保證堆焊層合金化學成分方面，對藥芯焊絲進行復驗，化學成分應滿足相關(guān)的AWS A5.21標準要求，且使用前，對焊絲進行烘干處理。其次，減小焊接熱輸入量方面，盡可能選擇較低的焊接電流，提高焊接速度，減小焊接層高，即選擇“小電流、短弧焊、快速、多層多道焊”[6]。

由于Co基合金的焊接性較差，容易產(chǎn)生組織微裂紋、冷裂紋。故通過預熱、道間溫度控制、首層熱輸入不易過大等措施控制Co基合金自動GMAW堆焊過程裂紋缺陷。Co基合金與基體的結(jié)合性差，應控制自動GMAW堆焊時焊接層高度，堆焊層≤4mm，保證堆焊的結(jié)合強度滿足產(chǎn)品需求。

現(xiàn)利用洛陽雙瑞特種裝備有限公司自主開發(fā)的自動MIG堆焊機設(shè)備，經(jīng)過大量焊接試驗，總結(jié)出Co基合金自動GMAW堆焊參數(shù)：自動焊前對基體進行加熱，溫度控制在250～300℃；焊接時采用直流反接；保護氣體采用純度99.9%的CO2，氣體流量調(diào)整為15～22L/min；焊接參數(shù)見表4，送絲速度8～12cm/min，焊槍不進行擺動，走線選取單環(huán)焊接，365°及3mm左右壓道焊方式進行自動焊，焊接結(jié)束后隨即用巖棉保溫緩慢冷卻至室溫。

表4 ERCCoCr-A的自動焊接參數(shù)

2.3 焊后加工及無損檢測

焊后工件緩慢冷卻至室溫后，對工件外觀進行檢查，其變形量在PWPS允許范圍內(nèi)，目視表面無缺陷。然后按照NB/T 47013.5—2015進行滲透檢測，結(jié)果顯示堆焊層表面沒有氣孔、裂紋、疏孔及未焊透等缺陷（見圖1）。然后按照PWPS要求對工件堆焊面進行機加工，加工后如圖2所示。然后按照GB/T 13298—2015要求制備金相試樣，鐵屑留存制作化學分析試樣。

圖1 工件滲透檢測照片

圖2 工件機加工

3 試驗結(jié)果分析

3.1 堆焊金屬表面硬度試驗

根據(jù)GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準進行顯微維氏硬度測定，試驗力為500g，硬度值為352HV0.5，結(jié)果見表5。結(jié)果表明：表層硬度顯示數(shù)據(jù)均在工藝評定要求的大于38HRC（374HV），工藝評定結(jié)果合格。過渡層硬度高低差異較大，說明焊接過程中存在偏析共晶現(xiàn)象，影響過渡層硬度值。

表5 顯微硬度 （HV）

3.2 堆焊金屬表面金相組織

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，通過ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡觀察，分別對堆焊層表層、熔合線、母材等區(qū)域進行微觀金相觀察。結(jié)果顯示：未發(fā)現(xiàn)有影響試件性能的顯微裂紋和異常組織存在。堆焊層焊縫金屬為奧氏體+枝晶狀奧氏體析出相，基體為孿晶奧氏體+鏈狀δ鐵素體。微觀金相組織照片如圖3a～c所示。

圖3 金相組織（500×）

通過對金相組織觀察照片和硬度檢測數(shù)據(jù)分析：在焊接試樣橫截面中均未發(fā)現(xiàn)影響接頭性能的裂紋、氣孔等焊接缺陷和硬度的異常分布，表明自動GMAW堆焊能夠?qū)崿F(xiàn)Co-Cr硬質(zhì)合金堆焊，且堆焊層性能良好。

3.3 堆焊金屬表面化學成分分析

按照工藝評定WPS要求，對試樣加工表面的鐵屑進行化學成分分析。通過Agilent 5110SVDV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，Optima 2100DV電感耦合等離子體發(fā)射光譜儀，CS800碳硫分析儀，按照ASTM E1019—2018試驗方法，得到表層的化學成分見表6，滿足表3中的焊材標準要求。證明堆焊質(zhì)量滿足要求，工藝評定合格。

表6 堆焊層的化學成分（質(zhì)量分數(shù)） （%）

4 產(chǎn)品應用

Co基合金自動GMAW堆焊工藝已成功的應用于某項目閘閥密封面的堆焊中，與手工GMAW對比：堆焊相同密封面，自動堆焊時間是手工焊的35%；焊接外觀質(zhì)量，自動堆焊的外觀焊縫均勻性有明顯改善；堆焊層表面硬度，自動GMAW堆焊硬度值在38.5～41.2HV，手工GMAW硬度值在37.5～43HV，自動焊的質(zhì)量更穩(wěn)定，而自動焊個別地方需要補焊。在產(chǎn)品上應用表明：Co基合金自動GMAW堆焊工藝不僅提高了焊接效率，降低工人勞動強度，減少制造成本，而且穩(wěn)定產(chǎn)品制造過程的堆焊質(zhì)量。

5 結(jié)束語

1）Co基合金可以采用合理的MIG自動堆焊工藝滿足硬密封閥門密封副對堆焊層的性能要求。

2）焊接過程中應采用較小的焊接參數(shù)，小電流短弧多道焊接施焊，降低焊接過程中的熱輸入量；堆焊時焊絲不得擺動，能夠控制Co基合金焊接開裂問題。

3）Co基合金自動MIG堆焊研究及工藝評定的成功應用，有利于了解和掌握Co基合金的堆焊特性，優(yōu)化該硬質(zhì)合金堆焊工藝，提高了焊接效率，降低產(chǎn)品制造人工成本，同時為承制相關(guān)硬密封閥門積累了經(jīng)驗并提供了技術(shù)支持和質(zhì)量保證。