閥門密封面粉末等離子堆焊鈷基合金技術研究

                                                                                                               閥門密封面粉末等離子堆焊鈷基合金技術研究
1 概述
對于鍋爐蒸汽閥、安全閥、調節閥、高溫閥、內燃機進排氣閥等一類對密封面性能要求高的閥門，大都采用堆焊鈷基C0-Cr-W合金（Stellite合金）。目前應用最多的方法是采用手工火焰堆焊或手工氬弧堆焊C0-Cr-W合金裸焊棒。手工堆焊除了勞動強度大,生產效率低以外,堆焊質量受人為因素影響大。粉末等離子自動堆焊工藝在堆焊C0-Cr-W合金上有獨特的優越性，特別適合堆焊質量要求高的鈷基、鎳基合金，是解決密封面堆焊質量,提高生產效率,節省材料,降低生產成本的最佳方案。
2 特性
粉末等離子弧堆焊是利用氬氣轉移型等離子弧作主要熱源，采用合金粉末作填充金屬，在工件表面產生熔池，熔池冷凝后形成堆焊層的工藝方法（亦稱等離子噴焊、PTA焊）。受到壓縮的轉移型等離子弧，具有電弧穩定、弧柱挺直、溫度高、熱量集中、良好保護氣氛和電弧特性可控性好等突出的優點。采用轉移型等離子弧作熱源進行堆焊，具有熔深可控、母材沖淡率低、焊道平整、成形尺寸范圍寬、堆焊層硬度均勻、金相組織均一、易于避免質量缺陷、工件熱影響區小、工藝穩定、堆焊過程自動化、堆焊材料范圍廣等一系列工藝上的優越性,是優質、高效、節材的先進堆焊方法。隨著控制及焊接技術的進步,目前已發展到全數字化的PLC控制系統及工業電腦的PC控制系統, 配置觸摸屏人機界面操作系統，使操作便捷、直觀和更具人性化。在工藝參數顯示上，由間接顯示工藝參量的電壓表發展到屏上顯示直接物理量，并使工藝參數儲存和可隨時調用。在等離子堆焊槍、機械運轉系統、供水系統的設計上亦有了很大的改進，提升了使用性能和可靠性。配置數碼擺動器和弧壓自動調節器等新部件后，使堆焊過程更加穩定,堆焊質量得以保證。
3 設備
3.1 結構與配置
（1）焊接系統 焊接系統關鍵是直流弧焊電源的配置及電流調節控制系統。配置先進的逆變式直流弧焊電源，效率高，節能，受外界干擾小，輸出穩定，近于恒流輸出特性。采用數字化電流調節系統，可以精細、精確設定焊接電流規范和設定輸出特性，從而更能滿足工藝要求，確保堆焊質量。
（2）控制系統 采用先進的數字化的控制系統,由具有數字運算功能的特殊功能型的PLC、電量傳感器、步進電機等及觸摸屏式人機界面操作系統組成的全數字化控制系統,除能對開關量編程,實現順序控制外,突出的是通過數字量的設定和運算,實現對工藝參數的直接設定和通過運算得出工藝參數的計算值,而且工藝參數可以儲存。操作系統通過視窗實現人機對話。發揮軟件編程的作用,實現復雜的工藝控制要求，操控方便,功能強大,運轉更可靠和穩定。由于采用的是數字化的控制系統,較容易的實現了工藝上的特殊要求,突出的是實現了自動調節焊槍保持弧壓穩定。在焊接過程中可以調節擺頻和擺幅,在熄弧過程，擺幅自動遞減,實現采用脈沖控制工藝程序等一系列先進的控制功能。
（3）機械運轉系統 機械運轉系統包括焊槍空間定位機械運行系統，送粉器和工件運轉動力頭(變位機/旋轉工作臺)等。機械運轉定位系統采用直線滑軌,滾珠絲桿傳動,步進電機驅動。機械運轉系統和數字化控制系統結合,提高了定位精度和運轉靈活性,實現了數控定位和數碼運轉控制。
（4）工藝動作系統 工藝動作系統（即工藝動作的順序控制系統）采用特殊功能型PLC可編程控制系統,其特點是將檢測的模擬信號納入編程系統,將工藝參數的物理量作為切換點,從而使程序的設計更符合工藝的要求。另外,在動作之間的參數設置上更精細,并引入了脈沖計數控制。
（5）機型 在整體結構具有各型“一體機”、 “十”字形立式操作機、平面數控堆焊機和大型龍門式數控堆焊機等多種機型結構,更適合細分的市場要求。對于閥門密封面堆焊,由于工件種類繁多,口徑規格相差甚大,因此應根據具體情況選擇機型。對于中小口徑閥件，選擇“一體機”機型有更多的優越性。
3.2 編程軟件與操作界面
（1）PLC系統編程 采用特殊功能型的PLC所構成的數字化的控制系統，是通過編程來實現對工藝參數和程序的控制。通過PLC的電腦編程軟件,采用梯形圖的方式進行編程。為了確保堆焊質量,特別是環焊道搭接和收弧部位的堆焊層質量,設計了一套專用程序軟件,較好的滿足了工藝控制的要求。
（2）操作界面 采用觸摸屏式人機界面作操作界面。根據工藝控制的要求,設計了一系列畫面,在每一幅畫面里,有人機對話的窗口和參數設定的窗口,對于計算結果值及運行參數亦在窗口里顯示。視窗所有參數值均是直接物理量。操作界面可容納精細的工藝設定和直接參數顯示,操作便捷。
3.3 焊槍
在堆焊過程中，焊槍應產生穩定的等離子弧(非轉移弧和轉移弧),不出現堵粉、結珠和粉末飄散等故障。為了降低沖淡率,采用更柔一些的等離子弧,因而選擇小一點的壓縮比,一般壓縮比d/L，選擇1～1.2。為了避免產生堵粉、結珠的情況,焊槍采用外送粉方式,即粉末出口在壓縮孔道外面,偏離弧柱一個距離。采用外送粉方式,如果控制不當,則容易產生粉末飄散。為了解決這一矛盾,在結構上采用噴射式送粉,即減小送粉孔的直徑,借助送粉載氣,將粉末噴射到弧柱里。
4. 性能
合金粉末的成分設計，多是在成熟的原鈷基合金（Stellite合金）堆焊焊條的成分上發展起來的。這一類合金有高合金含量的奧氏體基體,鉻是給以耐氧化性,鎢能使之具有高溫硬度,鈷提供耐腐蝕性,碳以硬的碳化鉻存在基體中,增加了強度和耐磨性能。合金的硬度及性能隨著成分而改變。
鈷基合金具有優良的耐熱、耐腐蝕、耐氧化、耐磨損的綜合性能,突出的是紅硬性好,抗磨擦磨損和粘著磨損性能極優,最適于在高溫下的腐蝕、磨損、氧化等綜合惡劣的工況條件下使用。
為了改善堆焊的工藝性,在這類合金中加入適量的硅、硼元素,使合金熔點降到1100℃左右,提高了合金液態流動性。但添加硼以后,硬度值升高,抗裂性變差,因而控制添加量,一般小于1.5%。
由于等離子弧熱量集中、可控性好、具保護氣氛,不含硼的鈷基合金粉末亦能有很好的工藝性,采用合金粉末作填充料和采用鈷基裸焊棒作填充料,能達到同樣的工藝效果。
5 工藝
要獲得高質量的鈷基合金堆焊層,設備和粉末材料無疑都是重要的因素,但工藝控制也是最終體現工藝效果的重要環節。對于鈷基合金堆焊,由于要求質量高,在工藝控制上要更加精細,要求過程更加穩定,在關鍵的質量點上要采取相應的工藝措施,以確保堆焊質量。根據我們的研究及生產實踐,提供以下工藝控制方法供參考。
5.1 等離子弧穩定性
在整個堆焊過程保持等離子弧的穩定性,是保持堆焊過程穩定,獲得高質量堆焊層的首要條件。產生和維持穩定的等離子弧是各相關因素的綜合效果,主要的因素是:
(1)焊槍的調整 性能好的焊槍,要調整好才能產生穩定的等離子弧,發揮作用。焊槍的調整主要是調整鎢極的內縮量和同心度。內縮量和壓縮孔道長度基本一致。 保持鎢極尖端和噴嘴壓縮孔道的同心度十分重要,嚴重的不同心將會使弧柱偏斜。鎢極尖端的形狀,對于電弧穩定有很大影響,尖端燒禿了要即時打磨。
(2)離子氣 離子氣是產生等離子弧的介質,在噴嘴壁面產生冷氣壁才能維持等離子弧的穩定,過大的離子氣流量雖然對形成冷氣壁有好處,但造成電弧過“剛”,穿透力過大而增加了母材沖淡率。過小的離子氣流量不利于形成冷氣壁將破壞等離子弧的穩定性。對于d6.5mm的噴嘴,離子氣流量控制在350-400L/h為宜。
(3)噴嘴冷卻 噴嘴冷卻效果影響到冷氣壁的形成,對等離子弧的穩定性至關重要。噴嘴的設計對壁面冷卻效果是重要的因素,在設計已定的情況下,通過冷卻水改善冷卻效果。采用冷凍式換熱增壓循環供水系統,冷卻水溫度設定在15-25℃為宜。
(4)工藝參數的選擇 選擇適宜的工藝參數有利于保持等離子弧的穩定性。在工藝參數中轉移弧電流是關鍵工藝參數,要選擇適宜的電流規范,使焊槍運行在最佳狀態,以維持穩定的等離子弧和保持堆焊過程的穩定性。
(5)粉末的輸送 粉末往電弧里的輸送會對電弧有干擾,保持良好的穩定的粉末輸送狀態,是維持等離子弧穩定的因素之一。維持噴射式送粉是有效的措施,一旦不能形或這種狀態就要更換噴嘴。
(6)避免工藝故障 一旦出現噴嘴送粉孔結珠和堵粉;弧柱出現“雙弧”;弧柱出現偏斜等工藝故障,等離子弧的穩定性便被破壞。要分析出現工藝故障的原因,采取相應措施,避免在堆焊過程中出現工藝故障。
(7)維持弧壓穩定 維持弧壓穩定除保持電弧功率穩定外,更重要的是保持弧柱長度穩定，這有利于保持等離子弧穩定。采用維持弧壓穩定的自動調高機實現了這種要求。一般弧壓在28～32V范圍內選定。
5.2 工藝參數
堆焊系統有十幾個工藝參數，除工作氣流量、弧壓設定等相對穩定的參數外，其他參數要根據工件堆焊量進行設定和搭配，首先選定熔敷率或堆焊速度參數，其他參數通過計算而確定。
（1）焊道幾何參數及堆焊量的計算 閥門密封面都是園環焊道，對每種堆焊件的幾何尺寸是設計確定的，在操作界面上給出了尺寸圖及設計值，鍵入尺寸值，PLC系統會自動按下列計算式給出該工件的合金堆焊量。
G=π(D1/2+D2/2)( D1/2-D2/2)hC×10-3
式中 G——單件堆焊合金量,g
D1——焊道外徑,mm
D2——焊道內徑,mm
h——堆焊層平均厚度,mm
C——堆焊合金的比重,g/㎝3
（2）熔敷率的選擇 熔敷率是單位時間堆焊到工件上的合金量,設定熔敷率即是設定堆焊速度,它是反映生產效率的參數。從提高生產效率出發,希望有較高的熔敷率,但它要受到整個堆焊系統的制約,提高熔敷率就要加大送粉量,加大轉移弧電流等,使焊槍的運行功率及整個運行規范加大,這必然使整個運行狀態的不穩定性增加,增加了出現工藝故障的幾率,甚至到堆焊過程中由于出現工藝故障而不得不中止堆焊,這樣反道降低了生產效率。因此耍兼顧效率和穩定性的因素,設定適當的熔敷率,以獲得較高效率的穩定狀態。
（3）其他參數的設定 熔敷率設定后,根據單個工件的堆焊量,操作界面會自動給出其他參數的計算值。①將熔敷率換算成g/min再除以粉末利用率(粉末沉積效率,%),即是送粉量(g/min)。由于粉末利用率的估算偏差和其他參數的影響,送粉量的計算值和實際最適宜的數值會有一定偏差,操作界面上給出了修值的設定可予以調整。②根據熔敷率和所要求的單位時間堆焊量,操作界面上將自動計算出工件轉速(r/min),經確認后自動調整好③新機型配置直線滑軌勻速數碼控制擺動器,在“擺動參數設定”操作畫面上可以精細設定“擺動頻率”、“擺動幅度”、“左端留時間”、“右端留時間”,并可選擇在收弧過程擺幅是否隨轉弧電流衰減而遞減，這為獲得平整美觀的成形創造了條件。在堆焊過程中如發現擺幅過寬或欠寬,可在畫面上即時修正。
5.3 轉弧電流
轉弧電流規范是影響堆焊層質量、外觀成形、母材沖淡率最關鍵的參數，一般要觀察熔池狀況和堆焊成形來確定最適宜的轉弧電流規范。從開始引燃轉弧到堆焊過程結束，工件的熱狀態是變化的，為了保持較一致的熔池狀態，那么轉弧電流要隨工件溫度的變化進行適當的調整。根據一般的溫度變化規律和自動調節簡便，采用按角度區域分段預先設定轉弧電流的工藝方案以解決這一矛盾。如圖所示，整個過程分5段設定轉弧電流：預熱段、起始段、中間段、搭接段、收弧段。如果要精細調整,可將中間段再分成兩段。在預熱段可根據工件大小選擇轉動或不轉。焊好起始段和搭接段,是保證堆焊質量的關鍵,由于工件由溫度最低到溫度最高的變化,因此要適當提高起始段和降低搭接段的轉弧電流。

5.4 焊道搭接與收弧
閥門密封面堆焊的質量關鍵在搭接與收弧部位,在這一部位不僅成形難以達到平整的理想狀態,而且易出現火口裂紋和縮孔。應采取一些具體的措施，以保證焊層質量。
（1）控制搭接與收弧的起始角度 焊道搭接起始角度在理論上應是360°,但因起始堆焊部位溫度已上升到很高,因此應提前減電流。搭接起始角度提前5°～10°。完成焊道搭接段后轉弧電流即可開始衰減。
（2）控制停粉及粉末衰減 為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遞減的方式停粉。
（3）控制搭接與收弧段的長度 由于起始焊道一般呈圓弧狀,為了堆焊層在搭接部位不缺肉和平整,采取過了360°再搭接一定長度,一般搭接部位對應的角度選擇5～15 °。收弧段即轉弧電流衰減段的長度,要視工件大小及焊道寬窄確定,大工件焊道寬則衰減段長,反之亦然,一般10～30mm。
（4）控制搭接段的電流規范 搭接段因是在溫度高的堆焊層上施焊,因此降低轉弧電流,下降數值要視熔池狀態調整。
（5）控制轉弧衰減特性、速率與熄弧電流值 轉弧衰減特性、速率與熄弧電流值的控制是控制質量的關鍵點,轉弧電流呈線性衰減特性效果較好。電流衰減速率在15～25A/s范圍內選擇。熄弧電流值應控制較小,做到斷弧時熔池已凝固。
（6）控制收弧段的擺幅 為了使收弧段遞減地縮小熔池，對于大工件寬焊道，采取隨轉弧電流遞減，焊槍擺動幅度亦遞減的方式收弧，更有利于避免產生縮孔及裂紋缺陷。電流截斷擺動即停止。
各項工藝措施在觸摸屏的操作界面上都已設置了窗口，只要鍵入設定數值即可完成工藝參數的設定和調整。
5.5熱處理
堆焊完畢焊件要立即放入保溫爐內或保溫介質中保溫緩冷，避免出現焊后裂紋。一般堆焊鈷基合全要進行600～650℃的回火處理。
6 結語
粉末等離子噴焊機在不同領域的產品堆焊實踐也證實，PTA技術的應用已是成熟可靠的?，F在數字化控制的設備已具有智能功能，操作便捷，性能穩定可靠。尤為重要的是全數字化的粉末等離子噴焊機有強大的“專家系統”優化軟件支持，能推薦適宜的堆焊材料和最佳工藝參數，以確保堆焊質量，節省材料消耗，提高生產效率。因此，應用PTA技術堆焊鈷基合金能帶來顯著的社會經濟效益。
 

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