截止閥的閥瓣堆焊工藝研究
分析了在材料為ZG1Cr13的截止閥閥瓣上堆焊鈷基硬質(zhì)合金時(shí)出現(xiàn)的堆焊缺陷�；诤附庸に囋u(píng)定試驗(yàn)、焊接性能分析及出現(xiàn)問題后的工藝改進(jìn)，堆焊裂紋的缺陷可以大幅度的減少甚至消除。
1、概述
金屬密封截止閥作為輸送和切斷流體介質(zhì)組件之一，在石油、化工、冶金和城市建設(shè)中得到了廣泛的應(yīng)用。通過選用不同的材質(zhì)，金屬密封截止閥可以適用于水、蒸汽、油品、硝酸、尿素和煤灰渣等多種介質(zhì)，因此開發(fā)新產(chǎn)品來確保產(chǎn)品質(zhì)量和使用壽命顯得尤為重要。
密封面具有閥門“心臟”之稱，是閥門最重要的工作面之一，承擔(dān)了閥門的啟閉工作，密封面的好壞直接影響著閥門的使用壽命，對(duì)于硬密封截止閥的密封副主要由閥瓣和閥座構(gòu)成，為了確保密封面有更好的耐磨性和耐蝕性，常在閥座和閥瓣基體上堆焊耐蝕合金或者耐磨合金焊條。本文中主要討論在基體材料為ZG1Cr13的閥瓣上堆焊鈷基硬質(zhì)合金的焊接工藝及改進(jìn)措施。
2、焊接性分析
(1)材料屬性分析ZG1Cr13屬于馬氏體不銹鋼，其與ASMEA217/A217M相當(dāng)，材料的主要化學(xué)成分如表1所示。ZG1Cr13在閥門制造中，很多情況下作為中、低碳鋼母材上的鐵基硬質(zhì)合金堆焊材料被使用。ZG1Cr13與CF3、CF8M相比，經(jīng)過適當(dāng)?shù)臒崽幚�，ZG1Cr13有更高的抗拉強(qiáng)度，且價(jià)格較CF3、CF8M低廉，所以在石油化工設(shè)備中常選用它作為閥體內(nèi)件。由于馬氏體不銹鋼淬硬傾向較大、易在熱影響區(qū)引起開裂，因此馬氏體鋼焊接時(shí)容易發(fā)生冷裂紋。
表1 ZG1Cr13材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
堆焊材料為鈷基硬質(zhì)合金Stellite6，焊絲主要化學(xué)成分如表2所示，常溫硬度40~45HRC，通常作為低合金耐熱鋼和低碳鋼基體的堆焊材料。本焊絲材料具有良好的耐蝕、耐磨損性能及在540℃高溫時(shí)具有良好的紅硬性。在晶相組織中發(fā)現(xiàn)材料中含有大量的高硬度的碳化物，因此在焊接過程中容易產(chǎn)生脆性裂紋。同時(shí)Stellite6的線膨脹系數(shù)比ZG1Cr13的小。
表2 Stellite6材料化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù))(%)
根據(jù)兩種材料的化學(xué)成分和性能特點(diǎn)，可以初步斷定，在ZG1Cr13的母材上堆焊Stellite6易于開裂。如果直接堆焊工藝失敗，可以考慮堆焊過渡層和堆焊隔離層的方法。
3、焊接工藝評(píng)定
(1)閥瓣結(jié)構(gòu)特點(diǎn)如圖1所示，截止閥閥瓣隨著通徑的變大，密封面的外圓D1也變大，堆焊的寬度L也變大，這樣需要多層多道焊接來完成，焊接應(yīng)力分布較復(fù)雜。在堆焊前應(yīng)對(duì)待焊表面及近縫區(qū)進(jìn)行磁粉探傷，以確保帶焊區(qū)域沒有鑄造缺陷。
圖1 截止閥閥瓣堆焊后
(2)焊接工藝方法的選擇目前國(guó)內(nèi)堆焊鈷基硬質(zhì)合金的方法多采用等離子弧焊、焊條電弧焊和鎢極氬弧焊，前兩種焊接方法效率較高，后兩種焊接比較靈活。選擇焊接方法的重要原則是高的熔敷速度和低的稀釋率。表3是根據(jù)我公司多年的經(jīng)驗(yàn)積累，總結(jié)的各焊接方法的優(yōu)缺點(diǎn)。
表3 焊接方法優(yōu)缺點(diǎn)對(duì)比
焊接后檢測(cè)按照焊接標(biāo)準(zhǔn)應(yīng)進(jìn)行滲透探傷、硬度和化學(xué)成分的檢測(cè)。
4、試生產(chǎn)結(jié)果
通徑為DN≤100mm的閥瓣未發(fā)生裂紋缺陷。通徑為150~250mm的閥瓣偶有開裂，開裂條數(shù)為兩條左右，這可以通過對(duì)缺陷打磨成V形坡口進(jìn)行補(bǔ)焊。
通徑為300~400mm的閥瓣開裂較為嚴(yán)重，部分閥瓣的開裂條數(shù)達(dá)6條左右，并且裂紋延伸到熱影響區(qū)外，按照要求一般裂縫多于4條，可以視為零件的報(bào)廢。
5、改進(jìn)后堆焊工藝
(1)堆焊工藝選擇經(jīng)過試件的焊接，鑒于大口徑閥瓣需要多層多道焊接來完成，焊接應(yīng)力分布較復(fù)雜，焊接缺陷率較高，返工周期較長(zhǎng)，成本較高，有時(shí)一次修整不能確保合格，導(dǎo)致產(chǎn)品報(bào)廢風(fēng)險(xiǎn)較高。由此采用在閥瓣上先堆焊隔離層，再堆焊ERCoCr-A的方法。隔離層的材料為AISI309不銹鋼，該材料抗氧化性高，高溫強(qiáng)度好，在加氫裝置、核電管道和熱交換器上都有應(yīng)用，還可以用于異種鋼的焊接。
選用國(guó)產(chǎn)A302焊條，焊絲直徑為4mm，焊接電流為110~120A，在閥瓣上堆焊一層過渡層，預(yù)熱與后熱后的焊縫未發(fā)現(xiàn)裂紋。
(2)堆焊工藝方法閥瓣尺寸較大時(shí)，首先選擇堆焊隔離層，焊接隔離層之前，需要對(duì)閥瓣進(jìn)行預(yù)熱100~150℃，焊接電流為140A，電弧電壓24~28V，焊接速度為15~16cm/min，焊接過程始終保持閥瓣堆焊層間溫度不低于預(yù)熱溫度，采用退位法，以避開相鄰焊道間起弧點(diǎn)與收弧點(diǎn)，焊接坡口形式如圖2所示。隔離層堆焊完畢后進(jìn)行外觀檢測(cè)，然后對(duì)閥瓣堆焊部位進(jìn)行去應(yīng)力處理，并依據(jù)閥門堆焊標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行100%的PT檢測(cè)。
圖2 截止閥閥瓣堆焊坡口形式
對(duì)隔離層進(jìn)行焊縫表面清理，清理干凈后方可進(jìn)行Stellite6堆焊。根據(jù)鈷基合金的焊條技術(shù)要求，焊接前根據(jù)閥瓣的尺寸大小，在爐子內(nèi)預(yù)熱到300~600℃，焊后應(yīng)在600～700℃回火1h后再緩冷或?qū)⒐ぜ湃敫稍锘蝾A(yù)熱的沙箱內(nèi)緩冷。在堆焊前，為了消除裂紋，焊條須經(jīng)150℃烘焙1h左右。
焊接時(shí)采用直流反接，小電流短弧堆焊，否則會(huì)增加母材的熔深，降低堆焊鈷基合金的性能，焊接速度為15~16cm/min。其詳細(xì)的焊接參數(shù)如表4所示。
焊接完畢后立即進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，熱處理后進(jìn)行100%的滲透探傷檢測(cè)，檢測(cè)標(biāo)準(zhǔn)為JB4730.5-2005Ⅰ級(jí)，最后對(duì)堆焊面進(jìn)行硬度檢測(cè)。
表4 堆焊參數(shù)
為了提高勞動(dòng)效率，降低勞動(dòng)強(qiáng)度，確保均勻的堆焊厚度和高質(zhì)量的連續(xù)焊縫，我公司采用全自動(dòng)機(jī)械手焊接(見圖3)，經(jīng)過多次試驗(yàn)，焊接效率得到了顯著的提高，質(zhì)量有了保證。
圖3 全自動(dòng)焊接機(jī)械手
6、結(jié)語
對(duì)于小口徑截止閥的閥瓣，嚴(yán)格控制焊接過程，尤其是要做好預(yù)熱、后熱工作，在ZG1Cr13基體上直接焊接鈷基硬質(zhì)合金可以實(shí)現(xiàn)一次合格。
對(duì)于大口徑截止閥的閥瓣，為了降低堆焊裂紋的缺陷，可以采用AWS E309-16做隔離層。在實(shí)際生產(chǎn)中，可以根據(jù)口徑的大小，選擇合適的堆焊工藝方法。
