焊粉受潮對(duì)等離子弧堆焊層氣孔的影響

劉金湘　陳銳　宋磊　許云飛　孫凡　俞增強(qiáng)　賀彥鵬

摘要：某先進(jìn)堆型高溫液態(tài)金屬泵的靜壓軸承內(nèi)壁需大面積堆焊司太立合金，由于司太立合金硬度高、韌性差，堆焊過(guò)程中預(yù)熱溫度高，熔池冷卻速度慢，且連續(xù)堆焊時(shí)間長(zhǎng)，堆焊層易出現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔等問(wèn)題。針對(duì)堆焊層內(nèi)部出現(xiàn)的氣孔，逐一排查可能原因，確定主要原因是焊粉受潮。對(duì)焊粉進(jìn)行烘干試驗(yàn)和烘干前后的堆焊試驗(yàn)，再現(xiàn)了焊接缺陷，由此規(guī)定焊粉使用前必須進(jìn)行250 ℃×2 h的烘干處理，避免氣孔產(chǎn)生。

關(guān)鍵詞：司太立合金;等離子弧堆焊;氣孔;焊粉受潮

中圖分類(lèi)號(hào)：TG445文獻(xiàn)標(biāo)志碼：A文章編號(hào)：1001-2303（2020）05-0124-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.26

0 前言

司太立合金因其優(yōu)良的高溫耐磨性能，在各種閥門(mén)、軸套、軸瓦等零件中得到了廣泛應(yīng)用[1]。某先進(jìn)堆型高溫液態(tài)金屬泵的靜壓軸承內(nèi)壁需大面積堆焊司太立合金，總堆焊面積接近2 m2。堆焊完成后需對(duì)堆焊層表面進(jìn)行PT檢測(cè)，不得有任何線(xiàn)性顯示，圓形顯示的直徑不能超過(guò)3 mm。由于司太立合金硬度高、韌性差，堆焊過(guò)程中預(yù)熱溫度高，熔池冷卻速度慢，連續(xù)堆焊時(shí)間長(zhǎng)，因此最終堆焊層很容易出現(xiàn)裂紋、未熔合、氣孔等問(wèn)題。根據(jù)零件形狀及工藝要求選用焊粉作為填充材料，采用等離子弧堆焊工藝，將焊粉堆焊在母材表面[2]。等離子弧堆焊具有熱量集中，稀釋率低、焊接效率高的優(yōu)點(diǎn)。能夠較好地實(shí)現(xiàn)半自動(dòng)堆焊，可以在高溫條件下連續(xù)作業(yè)，進(jìn)行大面積堆焊。

本項(xiàng)目制作的靜壓軸承內(nèi)圓直徑約φ600 mm，長(zhǎng)度約1 000 mm，壁厚約80 mm。需在內(nèi)壁堆焊司太立合金，堆焊層厚度不小于5 mm。堆焊材料為SFA

5.21 ERCoCr-A，其化學(xué)成分如表1所示。

堆焊完成后對(duì)堆焊層進(jìn)行硬度檢測(cè)，滿(mǎn)足39～47 HRC的硬度要求。將堆焊層表面去除約1 mm后再次進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)堆焊層內(nèi)部出現(xiàn)26個(gè)直徑約0.5～1 mm的圓形氣孔，如圖1所示。針對(duì)氣孔產(chǎn)生原因進(jìn)行分析，以便后續(xù)堆焊時(shí)不再出現(xiàn)類(lèi)似問(wèn)題。

1 等離子堆焊氣孔缺陷產(chǎn)生機(jī)理

氣孔是焊縫的主要缺陷之一，是焊縫金屬凝固過(guò)程中由于侵入氣體而形成的氣囊或空穴。一般呈圓形或圓柱形，是具有自由表面的孔洞[3]。

形成氣孔的根本原因是焊接過(guò)程中存在的各種氣體。當(dāng)焊接熱源使熔滴與熔池液體金屬過(guò)熱，氣體過(guò)飽和地溶解于熔池金屬內(nèi)，隨著焊接熱循環(huán)急速冷卻，溶解度下降而析出，隨同焊接冶金反應(yīng)中產(chǎn)生的氣體，在金屬結(jié)晶過(guò)程中出現(xiàn)的非金屬夾雜物的胚核誘發(fā)下產(chǎn)生氣泡，這種氣泡來(lái)不及從熔融金屬中逸出即導(dǎo)致氣孔[4]。

氣孔主要分為CO氣孔、H2氣孔及N2氣孔。本次出現(xiàn)氣孔的位置全部在焊道內(nèi)部，必須表面光出一部分焊道后才能發(fā)現(xiàn)氣孔，較符合H2和CO氣孔的特點(diǎn)。

堆焊過(guò)程中氣孔的影響因素有：母材成分、焊粉成分、工件表面狀態(tài)、保護(hù)氣體成分、焊粉吸潮程度、焊接規(guī)范、焊接位置、氣體保護(hù)條件、環(huán)境條件、焊接設(shè)備和附屬裝置。

由于之前已經(jīng)完成過(guò)軸瓦工藝件的堆焊，所用母材、焊材成分及結(jié)構(gòu)形式基本一致，未出現(xiàn)氣孔問(wèn)題，因此基本可以排除除焊粉受潮之外的影響因素。

2 兩批次焊粉對(duì)比試驗(yàn)

2.1 兩批次焊粉外觀(guān)對(duì)比照片

將未出現(xiàn)氣孔的軸瓦工藝件使用的A焊粉（生產(chǎn)日期八月）與堆焊層出現(xiàn)氣孔的B焊粉（生產(chǎn)日期五月）在光學(xué)顯微鏡下放大50倍進(jìn)行觀(guān)察，結(jié)果分別如圖2、圖3所示。可以看出，焊粉外觀(guān)無(wú)明顯差別。

2.2 兩批次焊粉堆焊后焊道對(duì)比照片

將已經(jīng)堆焊好的軸瓦工藝件在堆焊層中間車(chē)出3條圓槽進(jìn)行整圈補(bǔ)焊試驗(yàn)。其中槽1采用B焊粉;槽2和3采用A焊粉;保護(hù)氣體為純氬氣;3條環(huán)槽的焊接工藝參數(shù)與之前出現(xiàn)氣孔的軸瓦一樣;3條環(huán)槽所采用的焊接設(shè)備、保護(hù)氣體、焊槍均完全一致。

焊接完成后對(duì)堆焊層表面進(jìn)行PT檢測(cè)，無(wú)缺陷顯示，如圖4所示。將堆焊層表面光出后進(jìn)行PT檢測(cè)，發(fā)現(xiàn)槽1中有18處圓形缺陷顯示，符合氣孔特征。槽2和槽3無(wú)缺陷顯示，如圖5所示。缺陷局部放大照片如圖6所示?？梢钥闯觯?有氣孔，槽2和槽3無(wú)缺陷顯示。即B焊粉堆焊后產(chǎn)生氣孔，A焊粉堆焊后未產(chǎn)生氣孔。

2.3 焊粉烘干試驗(yàn)

根據(jù)上述試驗(yàn)，分析可能是焊前未對(duì)焊粉進(jìn)行烘焙，影響了堆焊層質(zhì)量，導(dǎo)致出現(xiàn)氣孔。因此從庫(kù)房領(lǐng)出未開(kāi)封的B焊粉進(jìn)行烘干前后質(zhì)量對(duì)比試驗(yàn)。烘干前焊粉質(zhì)量為1 652.15 g，在250 ℃烘干2 h后，焊粉質(zhì)量變?yōu)? 650.50 g，如圖7所示?？梢?jiàn)烘干前焊粉中含有約1.65 g水分，其進(jìn)入熔池可能會(huì)導(dǎo)致熔池產(chǎn)生氣孔。烘干不充分的焊粉裝進(jìn)焊粉桶后在桶內(nèi)形成的水汽照片如圖8所示。

2.4 焊粉烘干后進(jìn)行的堆焊試驗(yàn)

為確定工程樣機(jī)采用的焊粉在烘干后是否還會(huì)產(chǎn)生氣孔，在軸瓦工藝件堆焊層表面進(jìn)行堆焊試驗(yàn)。采用B焊粉，使用前經(jīng)過(guò)250 ℃×2 h烘干處理，堆焊2圈，均2層。焊接工藝參數(shù)及焊接設(shè)備、焊槍、保護(hù)氣體形式等均保持不變。堆焊完成后焊縫外觀(guān)照片如圖9所示，未發(fā)現(xiàn)氣孔。焊粉堆焊2層后進(jìn)行PT檢測(cè)，照片如圖10所示，無(wú)缺陷顯示。焊道表面車(chē)除2 mm后對(duì)此堆焊層表面進(jìn)行PT檢測(cè)，照片如圖11所示，未發(fā)現(xiàn)任何缺陷顯示。

3 結(jié)論

經(jīng)上述試驗(yàn)可知，導(dǎo)致堆焊層氣孔產(chǎn)生缺陷的主要原因是焊粉受潮。A批號(hào)焊粉未經(jīng)烘干也未產(chǎn)生氣孔的主要原因可能在于該批次焊粉為八月份生產(chǎn)，氣溫較高，空氣濕度低，B批號(hào)焊粉為五月份生產(chǎn)，空氣濕度高，A焊粉在包裝時(shí)進(jìn)入包裝瓶過(guò)程中吸收水分比B焊粉少。因此后續(xù)產(chǎn)品在堆焊前，所使用的焊粉必須先經(jīng)過(guò)250 ℃×2 h的烘干處理，避免焊粉受潮導(dǎo)致堆焊層產(chǎn)生氣孔。

參考文獻(xiàn)：

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