用正交法分析鈷基合金堆焊面的質(zhì)量

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(zhì)合金材料是耐高溫耐蝕耐磨的優(yōu)質(zhì)材料，其堆焊用合金焊絲常采用粉末冶金進行燒結(jié)［1］，被國內(nèi)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(shù)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(zhì)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(zhì)量特性參數(shù)堆焊層硬度值［3］根據(jù)閥門設(shè)計要求和焊絲生產(chǎn)廠商推薦值見表1。

1 問題的提出

按截止閥設(shè)計標準要求，當閥瓣密封面堆焊硬質(zhì)合金時，加工后的堆焊層厚度應(yīng)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(zhì)量應(yīng)是有保證的。

為了提高關(guān)閉件密封面抗高溫水蒸氣介質(zhì)高速沖蝕的能力，設(shè)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(jù)生產(chǎn)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(chǎn)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(chǎn)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(yīng)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(zhì)量的主要工藝因素，摸清堆焊規(guī)律，確定工藝參數(shù)并制定出可行的工藝規(guī)程指導生產(chǎn)，穩(wěn)定產(chǎn)品質(zhì)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(zhì)等，硬度和稀釋率(主要是指含鐵量)有著密切的關(guān)系［5］。堆焊鈷基硬質(zhì)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(guān)鍵。

根據(jù)產(chǎn)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(guān)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(chǎn)品設(shè)計和堆焊質(zhì)量要求尚有分歧，為了驗證不同生產(chǎn)廠家所供鈷基焊絲能否達到所要求的堆焊硬度和質(zhì)量，因而選擇兩個廠家焊絲試驗。焊絲類型編號設(shè)置為Y－2#和S－2#。

根據(jù)對工藝參數(shù)的影響程度大小，工藝參數(shù)分成固定的與變化的兩類，見表2。

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

對于要考察的4個變化參數(shù)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(jù)因素位級表安排試驗方案，形成正交試驗參數(shù)見表4。

表4 正交試驗參數(shù)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(yīng)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(jié)果處理

經(jīng)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(jīng)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(jié)果見表5。

對于表5的試驗結(jié)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(shù)據(jù)計算處理結(jié)果見表6。

表5 正交試驗數(shù)據(jù)Tab.5 Orthogonal test data

表6 正交數(shù)據(jù)處理Tab.6 Orthogonal test data processing

從表6中計算數(shù)據(jù)，可直觀看出:

(1)對于四種因素，所有同位級和數(shù)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(shù)都最大，表明電流因素以90A最佳;對于B因素焊層結(jié)構(gòu)，位級I的位級和數(shù)大于位級Ⅱ，表明焊層結(jié)構(gòu)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(shù)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(shù)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(shù)減小數(shù)即得。極差R的大小用來衡量試驗中相應(yīng)因素作用的大?。?］。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(jié)構(gòu)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(jié)果分析

對試驗結(jié)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(zhì)量的關(guān)鍵因素，它的稀釋率大小對整個堆焊層的稀釋率大小起到?jīng)Q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(yīng)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(zhì)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(zhì)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(yīng)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(jié)果見表7。

表7 最佳工藝方案驗證數(shù)據(jù)Tab.7 The validation data of optimum process

驗證結(jié)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(shù)據(jù)表明硬度HRC值已經(jīng)滿足設(shè)計要求，在3 mm厚度時達到廠商質(zhì)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(zhì)保指標，滿足設(shè)計要求。

表8 焊絲的材質(zhì)Tab.8 Welding wire material

至此，試驗全部結(jié)束，可以根據(jù)所得結(jié)果制定可行工藝。

3 試驗結(jié)論

鈷基硬質(zhì)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(zhì)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(zhì)量。

在滿足產(chǎn)品標準的前提下，根據(jù)試驗結(jié)果，設(shè)計調(diào)整了產(chǎn)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(shè)計針對產(chǎn)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(chǎn)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(quán)，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(shè)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(guān)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(shù)學系試驗設(shè)計組.正交試驗法［Z］.北京:科學普及出版社，1979.