阀体密封面镍基堆焊工艺设计与焊接过程研究

发布时间：2011-07-29 点击数：2712

某企业为一家国外公司生产一种大直径旋启式止回阀体，其基体为灰铸铁铸件，通径尺寸为76.2~508mm（3~20inch）不同的规格。为提高产品质量和阀体密封面性能，需要在其表面熔敷耐磨、高硬度的材料层。为此，给该公司设计了一种密封面自动堆焊系统。

一、焊接基本要求

1、阀体密封面结构

旋启式止回阀内部密封面是阀体上的最关键的部分，一般由一对密封副组成：一个在阀体（或阀座）上，另一个在闸板（或阀瓣）上^[1]。此阀体上的密封面是一个分布在圆柱面上的长圆环形孤面（图1）。基体是用灰铸铁（含量3.66%）生产的铸件，经过一次粗车加工到指定高度，然后在其密封面上用堆焊的方法熔敷一层耐磨耐腐蚀的材料。堆焊过程中要求焊枪嘴与密封面在焊点处始终保持垂直，焊道中心始终位于最低点，保证熔滴不流淌。要求单道堆焊完成整个工艺过程；要求焊缝整体外观平整，宽度不低于基体面宽度的80%；厚度均匀，保持在5~6mm；焊缝内部无明显气孔、裂纹等缺陷。

2、方案及材料选择

MIG焊是采用金属焊丝作为电极（熔化极），以惰性气体保护焊接熔池，以恒定速度送进焊丝，在焊丝与母材之间形成高能电弧从而使焊丝和母材熔合的焊接方法。相对于其他焊接方法，具有熔敷效率高，成本较低，容易实现自动化控制等优点^[2]。因此，采用熔化极惰性气体保护焊实现堆焊是一种方便可行的方案。

在各类堆焊合金中，镍基合金的抗金属一金属间摩擦磨损性能最好，并具有很高的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性，而且易于熔化，有较好的工艺性能^[3]。这些特点使它比其它金属更适合用于改善阀体密封面的性能。

本试验采用直径为1.2mm的镍基焊丝，其成分见表1。

采用熔化极惰性气体保护堆焊耐磨层的方式，把镍合金熔敷在基材的表面上可以显著提高调节阀密封面的抗磨损、冲击、腐蚀、探伤和气蚀等性能，大大地延长了阀体的寿命周期。

表1 镍基合金焊丝成分（%）

Ni	Fe	Mn	Si	Cu	C	S	其它
>99.00	<0.04	<0.35	<0.35	<0.25	<0.15	<0.15	<1.00

3、焊接设备

研制的密封面自动堆焊系统的机械结构如图2所示，整个系统由一台工业PC机，两块数控卡，5套交流伺服系统，一台半自动焊机、送丝机和其他相关附属设施构成。

机械结构整体由五个轴组成，前后移动的X轴，左右移动的Y轴，上下移动的Z轴，工件夹具转动的O轴和焊枪摆动的W轴，其中O轴为一数控立卧回转工作台，具有很高的控制精度。

焊机系统采用SanRex-3501CY型半自动电弧焊机。整套焊接系统由直流焊接电源、送丝机、焊枪、气体流量调节阀以及附件构成。

二、工艺设计

焊接工艺是焊接成功的保证，也是自动焊接设备工作的依据。自动焊接工艺应考虑以下几个问题。

1、曲面合成

由阀体结构（图1）可以看出，密封面是一个空间曲面，是一个分布在圆柱面上的环形面，其展开图如图3所示。两侧的直线段密封面与水平位置有最大45°的倾斜。为了保证焊接过程中，熔化的液相金属流不会淌出加工面，必须保证焊接过程中工件随着焊点的移动以孔的圆心轴做同步转动，使焊缝中点始终处于水平位置最低点上，这样每一条焊缝都在接近水平面位置焊接从而保证熔池有充分时间凝固结合。

通过运动分解，可以用夹具回转台转动和X，Y，Z三坐标平面环形运动合成密封面空间曲面。

2、路径规划

对于101.6~254mm（4~10inch）的工件，密封面焊接长度<450mm。为了避免在接头位置产生焊接缺陷，采用单道堆焊完成整个工艺，中途不停止。在焊道右侧（图3）A点处引弧（注：A点位于密封面非工作区）；焊枪以稍快的加工速度移动到密封面工作区起点B处后，开始沿弧面中心线B-C-D-E-B以焊接速度完成整个环形堆焊工艺过程。焊枪回到B点后，焊道重合；焊枪以加工速度回到A点后收弧，完成整个工艺。可以看到，为了避免引弧和断弧时易生成焊缝缺陷影响密封面工作区的质量，引弧/收弧点选择在密封面非工作区内。

密封面的宽度约为12.7mm，一道焊缝宽度只有4~5mm，因此在焊接过程中控制焊枪始终在焊接路径的法线方向使动±5°，使焊道达到8~10mm的宽度。

3、焊枪的特殊性

由于焊接过程中，焊枪的头部要伸进阀体的空腔内，所以要求焊枪水平装夹。但是，市场上较普遍的气保焊枪其枪头与枪柄之间的夹角都是135°，这使得在连续施焊过程中，对于BC段与DE段焊接产生不同的效果。其原因是焊接方向相反，焊接角度（焊枪与焊接移动方向夹角）分别为45°和135°（焊枪角度成互补关系），焊枪角度相差太大，气保效果不一样，导致两边焊缝质量差异，造成密封面整体质量不均匀。

因此理想的情况是使用90°焊枪，该项目研制了这样的焊枪。但在实际操作过程中发现如90°直角焊枪穿丝时很困难。折中的方案是一方面要保证穿丝能够顺利进行，另一方面焊枪应尽量接近则90°，这样可以减小焊接时由角度差异引起的焊接质量差异。最终研制了角度接近80°的焊枪，实现了较为理想的堆焊效果（图4）。

4、工艺参数

选择最佳的焊接工艺参数，需要较高的理论知识和丰富的经验，并通过大量反复的试验来确定。在电弧电压、焊接电流、进给速度、焊枪高度和保护气体流量等可参考的合理范围内，采用正交试验法，对比不同参数的变化对焊接效果的影响^[2]。

经过多次试验，对多种不同参数组合的焊接效果进行对比分析和优化，得出的工艺参效，见表2。

表2 优化的工艺参数

焊接极性	堆焊电流 I/A	电弧电压 U/V	保护气体	焊丝伸出长度/mm	气体流量 Q/（L·min^-1）	焊接速度 v/（m·s^-1）
直接反馈	120~140	20~24	He/Ar（1:3）	12~15	12~15	0.015~0.020

三、焊接过程

焊接前，检查铸件是否有明显缺陷，特别是密封面凸台。对检验合格的阀体铸件，进行除锈处理。用45%的亚硝酸钠溶液擦拭密封面，确认密封面无锈迹及阀体内清洁无异物后，放置到250℃加热炉中烘干并预热处理10min。把预热的工件装夹到夹具上，转台与夹具同轴定位。机械机构在控制系统控制下使备坐标归零位术，X，Y，Z轴回到零点位且；转台处于水平位置；焊枪头处于垂直向下位置。工件以底面法兰金与夹具台面紧贴，并通过定位孔与定位销定位。

启动控制系统，控制系统将操作五坐标机构带动焊枪进行工件位置检测，然后自动执行整个焊接过程。焊接完成，机械结构归零位，处于焊接准备状态。将未降温的阀体卸下，置于250℃的加热炉里进行15min退火处理，以消除焊接应力。然后空冷至室温。目测焊缝，如果有明显的焊接缺陷，进行手工修补。合格的工件进入下一道工序。

四、堆焊效果

经过消应力回火处理后阀体密封面焊层高度均匀，保持在5~6mm度，8~10mm宽度（图5）。对焊层进行精车加工，使堆焊层减到3mm厚，表面粗糙度值为Ra0.6。然后进行检验，其结果如下：

（1）对密封面焊层表面进行X射线和超声波探伤，无明显的气孔或裂纹缺陷。
（2）对阀体成品进行压水试验检测密封性，成品率达到80%以上，满足了企业的生产和质量要求。