閥門密封面堆焊材料及堆焊硬度探析

傅慧明，王家幫

（河南省鍋爐壓力容器安全檢測研究院，河南 鄭州 450000）

閥門的密封面堆焊材料應依據閥門的工作溫度、工作壓力、介質腐蝕程度以及閥門的類型、密封面結構形式、密封比壓與許用比壓、企業自身生產條件、設備加工能力、堆焊技術能力與客戶指定要求等條件來進行選擇。同時需優化設計方案，在滿足閥門所需標準的前提下，優先選用價格較低、生產速度較快、整體性價比相對較高的密封面材料。

1 閥門密封面材料標準

API是 美 國 石 油 學 會（American Petroleum Institute）的縮寫，其對不同的材料做出了規定，并明確每種材料在某種情況下可以使用，但在實際使用時仍要考慮材料的綜合性能合理選擇。而后，國家標準（GB）參考API標準中的一部分規定內容作為相關密封面材料的規定，母材類別主要包括Fe-1、Fe-2、Fe-3、Fe-4、Fe-5A、Fe-5B、Fe-5C、Fe-6、Fe-7、Fe-8、Fe-9B、Fe-10H、Ni-1、Ni-2、Ni-3、Ni-4和Ni-5。JB/T 6438-2011對閥門密封面等離子弧堆焊的各項材料參數做出了詳細規定：（1）堆焊合金粉末（以下簡稱粉末）材料的化學成分、堆焊層硬度、粒度等均應符合JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744的有關規定。（2）選用JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744之外的粉末材料，由供需雙方協商確定。但其檢驗方法按JB/T3168、JB/T7744的規定。（3）粉末材料的質量應符合JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744的要求，并附有粉末制造廠檢驗部門出具的質量合格證書。（4）每批粉末使用前應進行工藝試驗及化學成分復驗。化學成分分析按JB/T 3168.2、JB/T 7744的規定。（5）粉末使用前應進行烘干，烘干時堆積厚應小于5mm。烘干溫度按表1的規定。JB/T 7744-2011列舉16種合金粉末的成分、硬度及其適用范圍。

2 閥門密封面的堆焊工藝

要對閥門密封面的堆焊工藝進行全面了解，需要對不同的堆焊工藝進行了解，現階段常見的閥門密封面的堆焊工藝主要包括手工焊條電弧堆焊、氧乙炔火焰堆焊、鎢極氬弧焊堆焊、熔化極氣體保護焊堆焊、等離子弧堆焊等幾種，不同的對焊工藝優點、缺陷以及應用范圍也較不一致，具體分析如下。

2.1 手工焊條電弧堆焊

手工焊條電弧對焊的產生時間相對較早，工藝方式較為傳統，堆焊工藝主要是通過手工方式來對焊條進行操作，把金屬熔敷堆積在堆焊表面，其所需工具主要包括輸電線、焊條、電焊鉗及弧焊電源等。焊條電弧堆焊在密封閥門密封面時，這種堆焊工藝是較為常見的一種堆焊方式，由于焊條電弧堆焊的熔池溫度相對較高，在堆焊過程中電弧擁有較大的沖擊力，致使堆焊稀釋率通常較高，從而使破壞了堆焊層成分，一定程度地降低其硬度和耐磨性。因此，要在其工作層表面堆焊2~3層，加工后的堆焊層厚度要保證在2mm以上，才能夠獲得與填充材料相類似的成分。這種堆焊工藝擁有的焊條種類相對較多，因此在選擇焊條進行堆焊作業時要根據產品的實際需求。此外，此工藝一般使用堿性焊條，在進行堆焊前需在300~350℃的環境中烘焙1~2h，以此來提高堆焊層的抗裂能力。焊條進行堆焊時應使用直流電源，可以有效地防止堆焊時發生飛濺。焊條電弧堆焊工藝具有以下幾個優勢：（1）因為該工藝的焊條種類相對較多，利用不同焊條多層堆焊可使堆焊化學成分類似于填充材料；（2）該工藝堆焊所需設備簡單，設備相對比較容易攜帶，便于現場堆焊作業；（3）利用該工藝堆焊過程中產生明弧，這使得焊工在堆焊時可以時刻觀察堆焊層，特別在堆焊一些直徑較小、形狀復雜或者可達性不強的閥門通道時擁有較好的堆焊效果；（4）該工藝的生產率相對較低，堆焊層通常較厚，因此需要反復進行堆焊，焊接量隨之增加，工件的加工溫度也擁有較高的梯度。

2.2 氧乙炔火焰堆焊

這種堆焊工藝又稱氣焊堆焊，其熱源是燃燒乙炔與氧氣的混合氣體所后產生的火焰，將融化的堆焊材料及表層合為整體的堆焊工藝。由于氧乙炔燃燒時的火焰溫度通常較低，一般在3000~3300℃左右，因此，可通過調整火焰性質與火焰能率對不同材料的不同厚度及大小來進行堆焊。此外，因為這種堆焊工藝的堆焊溫度較低，在開始堆焊工作前需要較長的加熱時間，同時熔入焊縫的母材也相對較少，冷卻速度較慢，因此堆焊層通常較薄且稀釋率較低。氧乙炔堆焊所需設備同樣相對較為簡單，且該工藝極易掌握，操作相對較為方便，只要將焊絲溫度加熱到最高焰心部分即可。該工藝相對其他工藝所需成本較低，因此在日常生活中是較為常用的一種堆焊方式。但這種工藝同樣存在著勞動環境差、工作量較大、材料產生嚴重形變與熔敷速度緩慢等缺點。

2.3 鎢極氬弧焊堆焊

這種堆焊工藝是利用電弧熱使堆焊表層和填充焊絲熔化在焊縫處形成堆積的一種焊接工藝，因為需要在氬氣的保護下才能進行焊接，所以稱其為鎢極氬弧焊堆焊。該工藝通過對電弧電壓、焊接電力、氬氣流量與焊接速度等幾方面因素進行控制來達到對不同材料的焊接目的。這種工藝同樣是堆焊閥門密封面的常用技術手段之一，通常在堆焊鈷基與鎳基合金或者不銹鋼時擁有較好的堆焊效果。由于氬氣的保護，因此有效地隔絕了空氣中的一些氣體對焊接過程造成的影響，進而可以獲得質量相對較高的堆焊層。另外，該工藝對于電弧的控制相對較為容易，且焊接后的表層也較為平整，為日后加工提供了便利條件。同時這種工藝會釋放比較集中的能量，且電弧比較穩定，因此焊接時材料產生的形變較小，稀釋率較低，從而節省了大量的貴重金屬。這種堆焊工藝在堆焊過程中同樣產生明弧，便于焊工觀察，且弧長有較好的可控性，電極消耗量極小，堆焊過程中不易產生雜質或焊渣，因此可實現焊接自動化操作。

2.4 熔化極氣體保護焊堆焊

這種堆焊工藝是利用填充焊絲及堆焊表層間產生的電弧作為熱源來堆焊的一種焊劑工藝，該工藝同樣利用一些惰性氣體與混合氣體的保護來隔絕空氣中某些氣體。隨著科技水平的發展，批量化生產才能滿足現代社會需求，因此生產效率更高、投入成本更低且發生形變更小的焊接技術出現了。在半自動技術的基礎上加入了擺動器、水冷焊槍和轉動平臺實現了全自動堆焊，堆焊過后的表面不僅平整，便于后續加工，產品質量與生產效率都得到了一定程度地提高。這種堆焊工藝在堆焊時會產生較大電流，熔敷速度也相對較快，因此導致堆焊層相對較厚，很難進行后續操作。此外，母材金屬有較大的熔化量，致使堆焊材料稀釋率相對較高，因此該工藝通常需要定制焊絲來進行堆焊工作才能確保母材的化學成分不受其影響，符合應有的化學成分標準。同時，該工藝要嚴格按照操作規范來控制焊接電流、電弧電壓、焊絲長度、噴嘴半徑及氣體流量等因素，以此來減少焊接工藝所帶來的不良影響。

2.5 等離子弧堆焊

等離子弧堆焊是將等離子弧作為熱源，迅速加熱堆焊表層與合金使其一起熔化，經混合再自動冷卻成一層性能更高的合金層，進而強化堆焊表層的一種堆焊工藝。由于該工藝堆焊時溫度較高且穩定性較好，因此常用來堆焊一些較為難熔的材料，同時擁有較高的堆焊速度，最低稀釋率只有5%。該工藝所用的所有堆焊合金粉末通過簡單的工序就可制備，因此該工藝在堆焊時都會使用離子弧粉末。這種粉末在堆焊時可以使堆焊材料與母材有效熔合，擁有較高的結合強度。且合金粉末使堆焊表層擁有極強的耐腐蝕性與耐磨損性。在堆焊難熔材料時，使用合金粉末能提高合金設計的自主選擇性。目前，等離子弧對焊在密封面的閥門中應用范圍也較為廣泛，其顯著的優勢促使該技術在密封面的閥門應用上還具有一定的發展空間。

3 結語

密封面是閥門相對較為重要的部分，其密封程度與質量決定著閥門的使用年限，閥門的使用年限與合理地選擇閥門密封面材料密不可分。選擇密封面材料時，硬度高并不代表其耐磨損性能好，密封面材料的組織結構決定著其耐磨損性能。應根據實際情況合理選擇密封面材料及堆焊工藝。同時，密封材料的耐腐蝕性十分不穩定，一旦外界的溫度或者介質濃度等發生改變，其對于這種介質的耐腐蝕性就可能發生變化。密封面材料的耐腐蝕性只能通過反復實驗的數據中得出，借鑒時切勿盲目選擇，從而影響堆焊質量。