硬密封閥門Co基合金自動堆焊工藝研究

胡高林，耿鵬逞，孫兵兵，翟智粱

洛陽雙瑞特種裝備有限公司 河南洛陽 471000

1 序言

Co基合金俗稱司太立合金，它是以Co為基體并加入Cr、Ni、W、C等元素后構成的，是一種具有耐磨、耐蝕、抗氧化和耐高溫的硬質合金材料。故閥門密封面常用該材料作為堆焊層，提高零件的耐磨性，從而提高使用壽命，降低生產成本[1]。

Co基合金之所以具有高的強度和硬度，不是靠相變，而是靠細化晶粒和“鑲嵌”高硬質點來達到的。由于該合金在結晶過程中始終是單相，故它的結晶為柱狀晶，這就在晶間形成了少量的低熔共晶產物，同時該產物也是堆焊過程中開裂原因[2]。隨著冷卻溫度降低，堆焊硬質合金開始收縮，而剛性較大的工件將阻止收縮，如果堆焊Co基合金的塑性變型不能抵消收縮應變，堆焊金屬也會產生裂紋。閥門密封失效與堆焊工藝密切相關，并且閥門的擦傷、劃傷、沖蝕、腐蝕等失效，是堆焊工藝質量需要加以控制的另一重要問題。

研究閥門失效，優化堆焊工藝是提高閥門使用壽命的重要途徑[3]。目前，常用Co基合金堆焊方法主要有氧乙炔火焰堆焊、手工鎢極氬弧堆焊、等離子弧堆焊、焊條電弧焊堆焊，對Co基合金自動堆焊工藝研究極少，因此本文選取了Co基合金自動堆焊工藝方法進行研究。

2 工藝方法

2.1 材料的選取

按GB/T 22652—2008《閥門密封面堆焊工藝評定》關于堆焊評定的要求，預先確定的工藝流程路線如下：母材下料→無損檢測(PT)→焊接參數選取→預熱→焊接→焊后保溫→外觀及表面檢查→無損檢測(PT) →試樣加工→化學分析及性能試驗→資料收集→結果分析。

這次選用的母材材料牌號為S31603，厚26mm，化學成分及力學性能滿足GB/T 24511—2017，見表1、表2；試樣制備規格型號為25mm×φ250mm，堆焊表面粗糙度要求達到≤6.3μm后，對基層表面按照NB/T 47013.5—2015進行100%滲透檢測，確保堆焊基體表面無缺陷。

表1 S31603的化學成分（質量分數） （%）

表2 S31603的力學性能

焊絲選取：由于Co基合金具有很高的硬度，故其韌性差，很難實現焊絲制備用于自動焊接工藝。在公司現有資源情況下，為了實現Co基合金自動堆焊工藝，采用按AWS A5.21 ERCCoCr-A相關要求制造規格為φ1.2mm國外進口焊絲，化學成分見表3，標準中焊材硬度值大于38HRC（374HV），其硬度值實測為41HRC。

表3 ERCCoCr-A的化學成分（質量分數） （%）

2.2 工藝方法的確定

根據目前國際成熟的焊接經驗，堆焊層的性能主要由堆焊層合金的化學成分及稀釋率所決定，而焊縫合金的化學成分主要取決于焊材的化學成分，當焊料選定后，其焊縫金屬的化學成分就基本上確定[4，5]。

在焊接工藝的選擇時，要考慮避免外在因素導致焊縫金屬化學成分的改變，或其他雜質元素的滲入；稀釋率的大小取決于焊接時熱輸入量的大小，即熱輸入越大，稀釋率越高；反之則減小。

為了保證Co基合金自動GMAW堆焊的堆焊質量，在選擇焊接工藝時，應從保證堆焊層合金的化學成分和減小焊接熱輸入量兩個方面切入。首先，保證堆焊層合金化學成分方面，對藥芯焊絲進行復驗，化學成分應滿足相關的AWS A5.21標準要求，且使用前，對焊絲進行烘干處理。其次，減小焊接熱輸入量方面，盡可能選擇較低的焊接電流，提高焊接速度，減小焊接層高，即選擇“小電流、短弧焊、快速、多層多道焊”[6]。

由于Co基合金的焊接性較差，容易產生組織微裂紋、冷裂紋。故通過預熱、道間溫度控制、首層熱輸入不易過大等措施控制Co基合金自動GMAW堆焊過程裂紋缺陷。Co基合金與基體的結合性差，應控制自動GMAW堆焊時焊接層高度，堆焊層≤4mm，保證堆焊的結合強度滿足產品需求。

現利用洛陽雙瑞特種裝備有限公司自主開發的自動MIG堆焊機設備，經過大量焊接試驗，總結出Co基合金自動GMAW堆焊參數：自動焊前對基體進行加熱，溫度控制在250～300℃；焊接時采用直流反接；保護氣體采用純度99.9%的CO2，氣體流量調整為15～22L/min；焊接參數見表4，送絲速度8～12cm/min，焊槍不進行擺動，走線選取單環焊接，365°及3mm左右壓道焊方式進行自動焊，焊接結束后隨即用巖棉保溫緩慢冷卻至室溫。

表4 ERCCoCr-A的自動焊接參數

2.3 焊后加工及無損檢測

焊后工件緩慢冷卻至室溫后，對工件外觀進行檢查，其變形量在PWPS允許范圍內，目視表面無缺陷。然后按照NB/T 47013.5—2015進行滲透檢測，結果顯示堆焊層表面沒有氣孔、裂紋、疏孔及未焊透等缺陷（見圖1）。然后按照PWPS要求對工件堆焊面進行機加工，加工后如圖2所示。然后按照GB/T 13298—2015要求制備金相試樣，鐵屑留存制作化學分析試樣。

圖1 工件滲透檢測照片

圖2 工件機加工

3 試驗結果分析

3.1 堆焊金屬表面硬度試驗

根據GB/T 4340.1—2009《金屬材料 維氏硬度試驗 第1部分：試驗方法》標準進行顯微維氏硬度測定，試驗力為500g，硬度值為352HV0.5，結果見表5。結果表明：表層硬度顯示數據均在工藝評定要求的大于38HRC（374HV），工藝評定結果合格。過渡層硬度高低差異較大，說明焊接過程中存在偏析共晶現象，影響過渡層硬度值。

表5 顯微硬度 （HV）

3.2 堆焊金屬表面金相組織

按照GB/T 13298—2015《金屬顯微組織檢驗方法》，通過ZEISS Observer.Z1m金相顯微鏡觀察，分別對堆焊層表層、熔合線、母材等區域進行微觀金相觀察。結果顯示：未發現有影響試件性能的顯微裂紋和異常組織存在。堆焊層焊縫金屬為奧氏體+枝晶狀奧氏體析出相，基體為孿晶奧氏體+鏈狀δ鐵素體。微觀金相組織照片如圖3a～c所示。

圖3 金相組織（500×）

通過對金相組織觀察照片和硬度檢測數據分析：在焊接試樣橫截面中均未發現影響接頭性能的裂紋、氣孔等焊接缺陷和硬度的異常分布，表明自動GMAW堆焊能夠實現Co-Cr硬質合金堆焊，且堆焊層性能良好。

3.3 堆焊金屬表面化學成分分析

按照工藝評定WPS要求，對試樣加工表面的鐵屑進行化學成分分析。通過Agilent 5110SVDV電感耦合等離子體發射光譜儀，Optima 2100DV電感耦合等離子體發射光譜儀，CS800碳硫分析儀，按照ASTM E1019—2018試驗方法，得到表層的化學成分見表6，滿足表3中的焊材標準要求。證明堆焊質量滿足要求，工藝評定合格。

表6 堆焊層的化學成分（質量分數） （%）

4 產品應用

Co基合金自動GMAW堆焊工藝已成功的應用于某項目閘閥密封面的堆焊中，與手工GMAW對比：堆焊相同密封面，自動堆焊時間是手工焊的35%；焊接外觀質量，自動堆焊的外觀焊縫均勻性有明顯改善；堆焊層表面硬度，自動GMAW堆焊硬度值在38.5～41.2HV，手工GMAW硬度值在37.5～43HV，自動焊的質量更穩定，而自動焊個別地方需要補焊。在產品上應用表明：Co基合金自動GMAW堆焊工藝不僅提高了焊接效率，降低工人勞動強度，減少制造成本，而且穩定產品制造過程的堆焊質量。

5 結束語

1）Co基合金可以采用合理的MIG自動堆焊工藝滿足硬密封閥門密封副對堆焊層的性能要求。

2）焊接過程中應采用較小的焊接參數，小電流短弧多道焊接施焊，降低焊接過程中的熱輸入量；堆焊時焊絲不得擺動，能夠控制Co基合金焊接開裂問題。

3）Co基合金自動MIG堆焊研究及工藝評定的成功應用，有利于了解和掌握Co基合金的堆焊特性，優化該硬質合金堆焊工藝，提高了焊接效率，降低產品制造人工成本，同時為承制相關硬密封閥門積累了經驗并提供了技術支持和質量保證。