介紹了閥門密封面常用材料堆焊鈷基合金( 焊絲) 的化學成分、牌號類別和熔敷金屬層常有的缺陷。論述了手工鎢極氬弧焊( GTAW) 的工藝驗證方法。總結DN300 奧氏體不銹鋼三偏心蝶閥密封面堆焊鈷基合金的質量控制。

1、概述

　　鈷基合金具有良好的高溫性能、耐疲勞、耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕和耐擦傷。因此，鈷基合金常用來堆焊用于工況環境比較苛刻的閥門密封面。鈷基合金堆焊過程中，熔敷金屬層通常產生微裂紋或冷裂紋、與母材剝離或脫落、化學成分偏析及硬度不均勻等缺陷。為了保證DN300 奧氏體不銹鋼三偏心蝶閥閥體密封面堆焊Stellite 6，熔敷金屬厚度≥2mm，硬度值≥38 HRC 的設計要求，進行了奧氏體不銹鋼母材上堆焊鈷基合金的工藝驗證。

2、工藝驗證

　　2.1、材料

　　鈷基合金( 也稱為鈷鉻鎢合金，AWS 中稱之為stellite) 根據不同化學成分對應著不同的牌號和不同的硬度( 表1) 。AWS A5. 21 中，鈷基合金堆焊焊絲的型號有ERCoCr - A 和ERCoCr - B 等。國產的鈷基合金焊絲有HS111 和HS112 等。選用直徑為Φ4. 0mm 的HS 111 鈷基合金焊絲和F304 母材( 25mm × 180mm × 180mm，試件表面粗糙度≥Ra12. 5μm) 做工藝驗證。

表1 堆焊用焊絲、填充絲的化學成分( Wt，%) 及硬度

表2 F304 的化學成分( Wt，%) 和力學性能

　　2.2、堆焊方法

　　堆焊采用非熔化極手工鎢極氬弧焊( GTAW) ，鎢極材料為鈰鎢極，焊機為逆變式帶有起始電流增遞和衰減裝置的手工鎢極氬弧焊機( 表3) 。

表3 堆焊工藝參數

　　通過車、銑將試板加工至25mm × 180mm ×180mm，試板表面粗糙度為Ra12. 5μm，無尖角和毛刺等。機加后的試板按相關要求進行液體滲透檢測和驗收。將驗收合格的試板堆焊表面用丙酮清洗，確保堆焊區域無水珠、氧化物和油污等影響堆焊質量的雜質，隨即將試板放入熱處理爐中均勻預熱至250 ～ 350℃，保溫30 ～ 60min 后取出，立即進行堆焊。堆焊用HS111 焊絲放置在焊絲盒中，若焊絲上有油脂等雜物，必須用丙酮擦拭干凈�，F場配備清污工具。堆焊前檢查手工鎢極氬弧焊設備、高頻引弧、保護氣、冷卻水等控制系統是否正常。堆焊環境相對濕度< 90%，風速< 2m/s，氬氣的純度為99. 99%。

　　堆焊時，試樣水平放置，噴嘴與工件保持75°夾角，填充焊絲與工件夾角15°，鎢極尖端與工件表面距離約為鎢極直徑的1. 5 倍( 圖1) 。堆焊時采用小電流、短弧焊、快速、多層多道左向焊法，弧長應保持不變，鎢極擺動幅度不應大于鎢極直徑的3 倍。多層道堆焊時，層、道間溫度不能低于250℃，各層間焊接交替處應錯開，接引處應保證焊透和熔合，焊道兩側邊緣銜接處應平緩過渡，不可過厚，避免造成道間熔合不良，形成未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷( 圖2) 。堆焊過程中，隨時檢查堆焊質量和操作質量，如有裂紋、未焊透、未熔合、夾渣、氣孔等缺陷時，應及時處理和清除。

　　堆焊后的試板經外觀檢驗合格后立即進行熱處理。熱處理溫度為860 ～ 900℃，保溫2h，隨爐緩冷。試板冷卻至室溫后，對焊縫及熱影響區按相關要求進行外觀檢測和液體滲透檢測。

1. 焊絲2. 鎢極3. 堆焊金屬4. 工件

圖1 試樣堆焊

圖2 堆焊方法

　　2.3、試樣檢測

　　試樣的熔敷金屬外觀檢驗和液體滲透檢測合格后，通過機械加工的方式將熔敷金屬厚度加工至2mm，表面粗糙度為Ra0. 8μm( 圖3) 。采用GS1000直讀光譜儀檢測試樣表面化學成分( 表4) ，在室溫為15. 2℃，相對濕度為38% 的環境中，進行硬度值檢測，共測定10 個點，每個點之間的間距均為10mm( 表5) ，其滿足HS111 的要求。

圖3 試樣檢測

圖4 圓柱體試樣

表4 堆焊金屬表面化學成分檢測結果( Wt，%)

表5 堆焊金屬表面硬度測定值

　　在垂直于熔敷金屬、熱影響區和母材的橫截面上制取兩個Φ25mm 的圓柱體試樣，試樣的橫截面上必須有熔敷金屬、過渡區和母材( 圖4) 。按相關要求對試樣的兩個橫截面進行打磨和拋光后采用基鹽酸( 濃HNO3: 濃HCl = 1: 3 體積比) 溶液浸蝕，使熔敷金屬、過渡區和母材呈現出清晰的界面，然后用5 倍放大鏡目測觀察橫截面。橫截面上的熔敷金屬、過渡區和母材完全熔合，無裂紋、未熔合、未焊透、氣孔和夾渣等缺陷，無其他線性缺陷，檢測結果符合相關規定的要求。

3、產品堆焊

　　DN300 奧氏體不銹鋼蝶閥閥體密封面是三偏心結構，類似一不規則的橢圓。為了確保堆焊質量，采用專用夾具使堆焊過程中閥體三偏心密封面始終處于水平位置( 圖5) 。堆焊時按照工藝驗證確定的值選取工藝參數，并根據實際工況調整焊接電流、焊接速度和轉盤的轉速，確保母材與熔敷金屬之間及熔敷金屬的各層、道之間熔合和焊透，無氣孔和夾渣等缺陷。堆焊時沿密封面圓周方向逐層堆焊，不允許在同一方向多層次同時堆焊，以減少應力的集中。圓周上，熔敷金屬厚度應均勻，不能有高、低不平的現象。

圖5 閥體

4、結語

　　閥門密封面采用手工鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金是一種可行的且較為理想的堆焊工藝。應嚴格執行相應的工藝文件，在焊接規范內盡量選擇較小的焊接工藝參數，以降低熔敷金屬的稀釋率、熱應力和組織應力。