結(jié)合激光工藝的密封技術(shù)在復(fù)合球閥中的應(yīng)用

周云忠

摘 要：利用CO2激光器在復(fù)合球閥的閥座表面熔覆Ni基自熔合金，用以提高閥座的強度和耐磨性，與已往的常規(guī)表面處理相比，激光熔覆處理是一種新型的表面改性技術(shù)，這一工藝具有強度高、引起的基體熱變形小的特點。并把這一工藝應(yīng)用到一種新型的復(fù)合球閥的閥座表面改性中，結(jié)合復(fù)合球閥自身的結(jié)構(gòu)特征，達到較理想的密封效果，在球閥的密封技術(shù)范疇得到突破。

關(guān)鍵詞：激光熔覆 復(fù)合球閥密封技術(shù)

引言

閥門是流體輸送系統(tǒng)中的控制部件，具有截止、調(diào)節(jié)、導(dǎo)流、防止逆流、穩(wěn)壓、分流或溢流泄壓等功能，但閥門在使用過程中，其密封面長期處于流體介質(zhì)中，并長期受到介質(zhì)的沖蝕和腐蝕；此外，還有閥門在開啟和關(guān)閉過程中所受到的磨損；故而閥門的密封面很容易受到破壞，進而造成流體的泄露，造成不必要的損失或環(huán)境污染。所以，研究閥門的密封面強化方法和閥門的密封方式具有十分重要的意義。

為了提高球閥的使用壽命和密封效果，我們首先對球閥的結(jié)構(gòu)進行調(diào)整，得到一種新型的復(fù)合球閥，從結(jié)構(gòu)上對球閥的準確開啟和關(guān)閉以及密封效果進行提高改進，其次利用較先進的激光熔覆工藝對球閥的閥座進行表面處理，提高其強度和耐磨耐蝕性能。而國內(nèi)常規(guī)的閥門表面處理工藝一般采用各種噴焊和堆焊工藝，但傳統(tǒng)工藝存在裂紋傾向大、廢品率高、組織性能不均勻、生產(chǎn)工序繁多、周期長、成本高、熔層極不平整、加工量大，施工環(huán)境差、生產(chǎn)效率低等難以克服的缺點。本文利用所改進的復(fù)合球閥和激光熔覆工藝的結(jié)合的處理方式對球閥閥座進行激光熔覆處理，克服了傳統(tǒng)工藝所帶來的缺點。

1.一種新型的復(fù)合球閥

經(jīng)過對閥門結(jié)構(gòu)的改進創(chuàng)新，我們得到一種新型的復(fù)合球閥，具有閥體，閥體上設(shè)有中口，閥體內(nèi)有閥座，閥座中有球體，球體上連接有閥桿，閥桿通過中口與手柄相連，如圖1所示。

其特征在于：所述中口上設(shè)有定位凸臺，所述定位凸臺位于手柄的上側(cè)或下側(cè)，并與手柄側(cè)面接觸，所述定位凸臺的側(cè)面與閥體的水平中心線和垂直中心線的距離相等，所述手柄由頭部和柄部組成，頭部上開有與中心線平行的扁孔，用于與閥桿相連，所述頭部與柄部之間有一字形折彎，所述手柄頭部的兩個側(cè)面與中心線平行且相等。本使用新型采用定位凸臺與扁孔側(cè)邊定位的球閥手柄相配合結(jié)構(gòu)，用手柄的同一側(cè)邊與閥體的定位凸臺側(cè)面相接觸，達到準確控制球閥開和關(guān)的位置的目的， 其材料利用充分，加工面少，是一種資源節(jié)約型和環(huán)保型的球閥。

該新研制的復(fù)合球閥已申請專利，申請?zhí)朲L201320167656.3。

圖1 復(fù)合球閥結(jié)構(gòu)示意圖

①凸臺， ②關(guān)定位面，③開定位面，④閥體，⑤水平中心線，⑥垂直中心線，⑦手柄

2.激光熔覆在復(fù)合球閥中的應(yīng)用

2.1 激光表面改性技術(shù)

激光表面改性技術(shù)對材料的處理是在最近幾十年才在我國實現(xiàn)生產(chǎn)應(yīng)用的一項技術(shù)，它是采用大功率密度的激光束，以非接觸性的方式加熱材料表面，借助于材料表面本身傳導(dǎo)冷卻，來實現(xiàn)其表面改性的工藝方法，在材料表面形成一定厚度的處理層，可以改善材料表面的力學(xué)性能、冶金性能、物理性能，從而提高零件、工件的耐磨、耐蝕、耐疲勞等一系列性能的表面處理技術(shù)。其具有以下特點：能量傳遞方便，可以對被處理工件表面有選擇的局部強化；能量作用集中，加工時間短，熱影響區(qū)小，激光處理后，工件變形小；處理表面形狀復(fù)雜的工件，而且容易實現(xiàn)自動化生產(chǎn)線；改性效果比普通方法更顯著、速度快、效率高、成本低。

激光熔覆是激光表面處理技術(shù)的一種，其是在激光束作用下將合金粉末或陶瓷粉末與基體表面迅速加熱并熔化，光束移開后自激冷卻的一種表面強化方法。其具有以下特點：( 1) 冷卻速度快，組織具有快速凝固的典型特征；( 2) 熱輸入和畸變較小，涂層稀釋率低(一般小于5%)，與基體呈冶金結(jié)合；( 3) 粉末選擇幾乎沒有任何限制,特別是低熔點金屬表面熔覆高熔點合金；( 4) 能進行選區(qū)熔覆,材料消耗少,具有卓越的性能價格比；( 5) 光束瞄準可以使難以接近的區(qū)域熔覆；( 6) 工藝過程易于實現(xiàn)自動化。其在刀具、模具、閥體上熔覆已獲得廣泛的應(yīng)用。

2.2 實驗條件

選取DN50的復(fù)合球閥的閥座，材料為304不銹鋼，經(jīng)固溶處理。利用7 kW 的CO2 激光器，采用同軸送粉方式，以氬氣作為保護氣體和粉末載氣，激光輸出功率為2kW，掃描速度為8mm/s，光斑直徑為4mm，合金粉末為Ni60自熔性合金粉末，激光能量分布為高斯熱源分布，搭接率為40%。圖2為所需熔覆的閥座密封面。

圖2 閥座密封面

2.3 結(jié)果與分析

2.3.1金相分析

從圖3(a)中可以看出，熔覆層有熔覆區(qū)、結(jié)合區(qū)和基體熱影響區(qū)三部組成，熔覆層與基體結(jié)合界面為起伏較大的波形界面，顯示出熔覆層與基體形成良好的冶金結(jié)合，沒有明顯的裂紋和氣孔。熔覆層與基體結(jié)合處呈現(xiàn)白亮組織，這說明熔覆層形成時，界面處發(fā)生了原子之間的相互擴散。圖3(b) 中可出看出熔覆層中存在大量細小枝晶，且涂層組織均勻致密，沒有氣孔、裂紋和夾雜現(xiàn)象的出現(xiàn)，且精加工過后的涂層厚度可以達到0.5mm，這在很大程度上改變了閥座基體表面的性能。

(a) 低倍金相組織 (b) 高倍金相組織

圖3閥座熔覆層的金相組織

2.3.1 硬度分析

激光熔覆后對涂層的硬度進行測試，并與閥座熔覆前的硬度進行對比分析，圖3為基體和熔覆層的顯微硬度分布曲線，從硬度曲線圖可以看出，從熔覆層到基體硬度呈現(xiàn)出下降的趨勢，熔覆層的硬度明顯高于基體的硬度，熔覆后的表面硬度達到660～700 HV0.2，與處理前的155～170HV0.2相比，硬度提高了2倍左右，硬度的提高說明閥座表面的金屬性能得到提高進而使得閥座的強度和耐磨性得到大大提高。

圖2 閥座激光熔覆硬度曲線

2.3 應(yīng)用價值

在石油、化工和焦化裝置中，球閥的運用是最基礎(chǔ)的一項機械零件，而在石油、化工和焦化生產(chǎn)的過程之中往往會使用高溫進行生產(chǎn)，因而這就要求球閥能夠承受苛刻的工作環(huán)境，尤其是在耐高溫與耐磨這兩個方面，而激光技術(shù)與復(fù)合球閥的結(jié)合的密封技術(shù)使得球閥這一機械產(chǎn)品得到了升級改造。雖然復(fù)合球閥從內(nèi)部結(jié)構(gòu)看上去比較簡單，還存在不足之處；但是在制作之上，還得益于激光技術(shù)與復(fù)合密封技術(shù)的結(jié)合運用，因為這兩項工藝技術(shù)的結(jié)合獲得性能較好新式的復(fù)合球閥。同時，在經(jīng)過多次的實踐與分析之中，通過再生產(chǎn)的過程之中利用特制的加熱設(shè)備，將閥門加熱至設(shè)計上限溫度540℃后，保溫8小時，并進行生產(chǎn)操作測試，在經(jīng)過多次、多行業(yè)領(lǐng)域的實踐驗證以后，我們可以得知：結(jié)合激光工藝的密封技術(shù)在復(fù)合球閥中的應(yīng)用使得閥門啟閉靈活，密封試驗正常。同時在經(jīng)過反復(fù)多次的生產(chǎn)試驗之后，還發(fā)現(xiàn)了閥座無明顯的變化，且在使用的過程之中，即使溫度達到設(shè)計上限的540℃以上，球閥仍能可以保持很好的耐沖蝕和耐擦傷性能，其密封性也是非常的良好的。獲得了激光工藝在復(fù)合球閥密封技術(shù)中應(yīng)用的預(yù)期效果。

3.結(jié)論

（1）通過對常規(guī)球閥結(jié)構(gòu)的改進，得到一種新型的復(fù)合球閥，其材料利用充分，加工面少，是一種資源節(jié)約型和環(huán)保型的球閥。這種復(fù)合球閥主要解決了現(xiàn)有技術(shù)所存在的不足，從而設(shè)計一種結(jié)構(gòu)簡單，加工方便，開關(guān)定位準確，使用壽命長的一種復(fù)合球閥。

（2）通過激熔覆后，閥座涂層內(nèi)部得到細小的樹枝晶，涂層致密均勻，使得復(fù)合球閥的閥座硬度提高了2倍左右，最高硬度達到700 HV0.2，閥座的強度和耐磨性耐蝕性能得到很大程度的提高。確保了新型復(fù)合球閥的產(chǎn)品質(zhì)量，為在化工、石油、焦化等工業(yè)中使用新型復(fù)合球閥提供了可靠技術(shù)支持和安全保障。

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