小孔徑銷孔氧—乙炔焊鈷基合金堆焊工藝研究

馬遠路+朱蓉+姚婷+潘繼軍+黃天亮

摘 要：文章通過分析小孔徑氧乙炔鈷基合金堆焊過程中出現的火焰燃燒不穩定、回火爆槍、操作空間受限及堆焊層硬度超標等問題，以氧乙炔焊炬為問題切入點，研制專用水冷焊嘴及后接部件，通過專項試驗證焊炬的安全性、可靠性及堆焊工藝實施的可行性。

關鍵詞：小孔徑銷孔；氧乙炔堆焊；工藝研究

中圖分類號：TG4 文獻標志碼：A 文章編號：2095-2945（2018）03-0059-02

Abstract： In this paper， the problems of flame combustion instability， backfire， operating space limitation and surfacing layer hardness in the process of small pore oxygen acetylene base alloy surfacing welding are analyzed， and the oxygen acetylene torch is taken as the starting point. The safety， reliability and feasibility of surfacing welding process were studied by special test on the safety and reliability of the welding torch.

Keywords： small aperture pin hole； oxyacetylene surfacing； process study

1 概述

氧乙炔火焰作為一種多用途堆焊熱源，火焰溫度較低（3050～3100℃），火焰能率可調，堆焊熔深淺，稀釋率低（1%～10%）等特有的屬性，在不銹鋼母材鈷基合金堆焊領域等到廣泛應用，特別是在堆焊過程中對熔敷金屬有增碳要求時，氧-乙炔堆焊有著其他焊接方法不可替代的工藝優勢。在堆焊小孔徑銷孔（φ16mm至φ30mm）、小型閥門及深槽軌道等相對密封的特殊結構堆焊時，會出現操作空間受限，隨著堆焊時間的延長，出現火焰焰型燃燒不穩定、回火“爆槍”及堆焊層硬度超標等問題，嚴重影響堆焊的堆焊質量。

2 問題分析

2.1 火焰燃燒不穩定

在堆焊過程中隨著氣瓶內氣體儲存量的減少、壓力減小，造成火焰性質的轉變，操作人員需要根據經驗對火焰進行觀察，調節氣體流量，火焰的穩定性很差。

2.2 回火爆槍問題

在小孔徑銷孔、小型閥門及深槽軌道等相對密閉空間內長時間堆焊，由于結構受限產生回旋火焰對焊炬自身加熱，隨著焊炬溫度的不斷升高，達到乙炔燃點時就會發生回火爆槍現象，每次回火爆槍都會造成局部堆焊層密集性氣孔、夾渣、硬度超高等質量問題。

2.3 焊炬結構尺寸

目前現行國家標準JB/T6969系列焊炬的整體結構尺寸比較大，不太適合小孔徑銷孔、小型閥門及深槽軌道等相對密封的特殊結構堆焊。

3 解決方案

通過對上述問題的綜合分析，從以下三個方面制定解決方案。首先，通過研究以射吸式焊炬為基體，分別在氧氣調節閥和乙炔調節閥增設氣體流量計，在堆焊過程中動態檢測氣體流量變化，隨時對氣體流量作出調整，穩定火焰焰型；其二，針對焊炬溫度過高發生回火爆槍現象，研制水冷焊炬，解決焊炬因長時間在相對密閉空間內堆焊焊炬過熱產生的回火爆槍問題；第三，結合堆焊產品的結構尺寸特點，研制專用焊炬，拓展其在小型密閉空間內堆焊的可操作性。

4 方案實施

4.1 設計選材

依據GB/T6969第5.6條規定“焊炬所有氣體通路零件應用抗腐蝕材料制造，乙炔通路的零件不能用含銅量大于70%的合金制造”，所以焊炬主體材料以黃銅為主；焊嘴選材為紫銅（T2），增加其熱傳導性，提高循環水冷卻效果。

4.2 主要結構設計

焊炬整體結構設計遵循GB/T6969的標準規定要求，整體結構尺寸按比例進行設計，對最關鍵的焊嘴和后接體部件進行創新設計，增加循環水冷卻功能和氣體流量控制檢測功能。實現整個堆焊過程中對焊嘴進行動態冷卻和對氧氣、乙炔氣體流量進行在線檢測，實現動態調整。

4.3 裝配技術要求

各零件加工完成后，裝配應達到以下技術要求：

（1）各氣閥應保證靈活地關閉氣路及均勻地調節流量。

（2）焊嘴與焊炬接頭的配合、軟管接頭與后部接體的配合應能保證氣密和互換。

（3）焊炬各密封螺母配合處的螺紋應有1～3個螺距的調整余量。

4.4 密封性試驗

4.4.1 試驗要求

（1）焊炬所有氣管連接處和氣閥在下列進氣壓力下不允許漏氣：

a.氧氣通路內：按最大氧氣工作壓力提高50%；b.乙炔和混合氣通路內：壓力為0.25MPa。

（2）循環冷卻水管路連接處在0.6MPa水壓下不允許有漏水現象。

4.4.2 試驗方法

（1）焊炬在第1條規定的壓力下，通入壓縮氣體，在氣閥關閉和打開兩種狀態下，浸沒在水中持續20s，各氣閥和所有連接處不允許漏氣。

（2）焊炬在第2條規定的壓力下，通入0.6MPa循環水，保持30min，在所有接頭處不得有水珠或漏水現象。

4.4.3 試驗結果

試驗過程中未出現漏氣現象；在循環水冷卻過程中，未出現漏水現象。

4.5 抗回火試驗

4.5.1 試驗要求

（1）在氧氣工作壓力為0.4MPa，乙炔壓力為0.006～endprint

0.008MPa時進行燃燒試驗，焊炬的焰芯形狀呈圓柱狀，頂端為圓錐形或半球形，不允許有偏斜和彎曲。

（2）在風速10m/s工況下，焊炬火焰燃燒應穩定。

（3）在持續燃燒的情況下不允許有回火現象（爆鳴現象）。

4.5.2 試驗方法

（1）將焊炬火焰朝上與地面垂直，在自然狀態下保持30s，觀察焊炬焰心形狀。

（2）試驗前，采用ZRQF-F30J型號風速儀測量試驗風速，將焊炬嘴引燃，按額定流量調節成中性火焰，穩定30s 后，使火焰與風向垂直風速為10m/s處，若焊嘴的焰芯在10s內能正常燃燒為合格。

（3）抗回火試驗按下列步驟進行。首先開啟循環水冷卻系統，引燃焊炬，按焊接過程中使用的最大氣體流量調節成標準的中性焰，穩定30s后將焊嘴深入直徑為Φ16mm，深8mm的盲孔內，繼續穩定30s，工件以10轉/min開始旋轉，高速燃燒火焰在盲孔內產生大量火焰回旋，對焊嘴本體進行持續加熱，保持30min，不發生回火爆槍現象為合格。

4.5.3 試驗結果

（1）通過觀察整個試驗過程，火焰焰芯形狀呈圓柱狀，頂端為圓錐形，整個過程未發現焰心有偏斜，分叉及彎曲現象，完全符合試驗要求。

（2）觀察整個試驗過程未發現有火焰跳動、滅火等現象，整個試驗過程滿足試驗要求。

（3）焊炬在盲孔內燃燒30min后，未出現回火現象，在試驗完成后及時采用MS6506型號測溫儀對焊嘴部位進行溫度測量，其顯示值為10℃（當時室溫溫度為8℃），焊炬的水冷試驗結果完全達到設計要求。

5 堆焊工藝性試驗

5.1 試驗要求

采用直徑16.0-14.8深度為14的錐孔進行堆焊工藝試驗，詳細記錄整個堆焊試驗過程，同時對堆焊層表面進行PT檢驗及HRC硬度檢測，探傷及檢測應滿足下述要求：

（1）PT檢驗不得出現線性顯示；大于4mm的圓形顯示；3個或3個以上排列在一條直線上，且兩顯示間邊與邊的距離小于3mm的顯示；以最不利的方式選擇的最大邊長不大于20cm的100cm2的矩形表面上存在5個或5個以上的密集顯示。

（2）將堆焊層厚度加工掉2mm，至少測量5個HRC硬度值，其硬度值應在38HRC～50HRC之間，且最大值與最小值差值不得大于5HRC。試驗方法按照GB/T230進行。

5.2 試驗方法

（1）按3件一組進行三組堆焊試驗，焊絲：牌號Stellite6，直徑φ2。

（2）調整火焰參數至碳化焰比例為1：1.5（焰心與內焰比例），注意觀察火焰比例，適時對流量進行調整。

（3）記錄每一件的堆焊時間及過程中回火爆槍次數。

（4）堆焊后工件加工Φ12的通孔，對堆焊層進行PT探傷。

（5）在直徑Φ12的圓周上均布測量10個HRC硬度值。

5.3 試驗結果

整個堆焊試驗過程火焰焰型燃燒穩定，單件堆焊時間穩定在28min至30min之間，三組試驗中未發生回火爆槍現象。PT探傷結果滿足試驗結果要求，堆焊層硬度檢測結果值在41HRC至45HRC之間。整個試驗過程及檢驗、檢測結果基本滿足試驗要求，達到了預期的試驗要求。

6 結束語

通過分析小孔徑氧乙炔鈷基合金堆焊過程中出現的火焰燃燒不穩定，回火爆槍，操作空間受限等焊接問題。分析研究問題根源，以氧乙炔焊炬作為解決問題的切入點，通過研制專用的水冷焊嘴及后接部件氣體流量檢測系統，比較圓滿的解決了火焰燃燒不穩定、回火“爆槍”及操作空間受限等問題，通過了最終的鈷基合金堆焊試驗。

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