密封性是阀门重要性能指标之一,擦蚀和冲蚀是阀门密封面失效的主要形式,钻基合金是堆焊阀门密封面常用的材料之一。钴基合金具有良好的高温性能,优异的热强性、耐腐蚀性及耐热疲劳性能,特别是高温下具有优良的耐擦伤性能,抗磨损、抗腐蚀性能要求较高的阀门密封面常使用钻基合金堆焊密封面。
用stellite21焊条堆焊碳钢阀体密封面,避免堆焊层金属焊接裂纹和控制Fe元素含量(≤5%)是焊接工艺控制的关键。通过焊接工艺评定试验确认堆焊工艺,用于生产实践,以保证阀门产品的质量。
1阀体材质和堆焊材料分析
阀体ASTMAWCB属于碳钢铸件,正火＋回火供货,组织是珠光体P＋铁素体F,其化学成分,见表1。
ASTMAWCB标准规定":最大规定截面厚度≤25mm,CE≤0.43;最大规定截面厚度25mm,CE≤0.45。计算试件CE(IIW):约0.39,有一定的淬硬倾向。
堆焊材料选用stellite21焊条,stellite21符合AwSA5.13ECoCr-E以及GBEDCoCr-E-03标准的要求，在钴基合金焊条中属含碳量低的、塑性较好的焊材,钛钙型药皮,交、直流两用,电弧稳定性好,熔渣覆盖性好,脱渣容易,成形美观,熔敷金属具有优良的抗擦伤以及抵抗气蚀能力,合金韧性好,显微组织上有相对低的质量分数的碳化物相,可加工硬合金。stellite21焊条熔敷金属的化学成分及硬度值见表2。
2钴基合金焊条堆焊分析
低的设备价格,好的适应性使焊条电弧焊应用非常普遍。碳钢、低合金钢、高合金钢和许多有色金属，以及母材厚度从6mm到mm或更厚都可以采用焊条电弧焊。焊条电弧焊堆焊碳钢阀体要求获得低的稀释率和合适的硬度以确保堆焊层性能。焊接工艺如焊接电流﹑极性、焊接操作﹑焊道间距等对稀释率有非常大的影响。
工艺参数对堆焊层稀释率的影响是:增加堆焊电流,则稀释率增大;堆焊焊道的节距增大,稀释率增大,(节距是指相邻两条焊道的叠加距离);焊接速度降低会增加母材金属的熔化量,同时增加填充金属的加入量,从而降低稀释率[3]
3堆焊工艺试验和堆焊工艺制定
3.1堆焊工艺试验
评定依据:ASME—《焊接和钎焊评定》。试件材质:AWCB。
焊接材料:stellite21焊条,o4.0mm,烘烤℃,lh.
试件尺寸:mmxmmx30mm。
堆焊层金属尺寸:mmx80mm×7~8mm。焊接试件状态:焊后热处理和焊态两种状态,其中:焊后热处理工艺采用试件预热为℃x1h,层间温度为~℃,焊后热处理温度为~℃,25mm/h,最少1h;焊态工艺采用试件预热参数为℃x1h,层间温度为~℃,焊后将试件放入℃热处理炉中2~3h,随炉冷却。
焊条烘烤:~℃,1h。
表3给出了在标准指标HV,o≥时的试验数据。经PT渗透检测,焊后热处理试件和焊态试件合格。
3.2堆焊工艺分析
由于stellite21焊条熔敷金属韧性好,产生裂纹的倾向较小。母材AWCB,碳当量CE0.39,有一定的淬硬性,选择预热,预热的目的就是减小冷却速度。
阀体在钴基合金堆焊中产生裂纹的原因主要是阀体刚性大。在焊接过程中电弧形成熔池,向焊接部位不断加热熔化,而焊后温度又快速下降,熔化金属凝固形成焊缝。如果预热温度低,焊层温度下降必然很快。在焊层快速冷却情况下,焊层的收缩率快于阀体的收缩率,在这种应力作用下很快使焊层与母材形成一种内拉应力,将焊层拉裂。
焊后热处理的作用主要是去氢,消除焊接残余应力,恢复材料的塑性。焊后热处理可能导致阀体的表面氧化和变形。蝶阀阀体各部分的厚度与颈部厚度相差很多,阀体厚度不均匀,受热过程中极易产生变形，对阀门是否要进行焊后热处理,或者怎样做才能保证质量,国内相关的标准没有规定,应进行焊接试验确认。
钴基合金堆焊是否进行焊后热处理,依据钴基合金焊条的种类和母材材质而定。对于母材淬硬倾向大,钴基合金焊条含碳量高,硬度高的试件要考虑焊后热处理,防止产生裂纹。因为焊态试件焊后未产生裂纹,所以免除焊后热处理。
3.3钴基合金堆焊层硬度的影响因素3.3.1稀释率对硬度的影响
堆焊层的硬度受稀释率影响,即受Fe元素含量的影响,钴基合金堆焊层随其中Fe元素的增加,硬度明显降低,同时会造成堆焊层硬度的不均匀3。钴基合金堆焊时,应严格控制Fe元素的稀释。法国RCC-M和阿美石油公司的技术规范(04-AMSS)中规定Fe元素含量应小于6%和12%。这是因为熔化了一部分前面已熔敷的焊道,而不是熔化同样多的母材。单层堆焊时,焊道重叠量大,则使稀释率减少。
焊道重叠量工艺规定≥B/3,B为焊道宽度:2倍焊条直径,如图1所示。
另外,降低焊接速度会降低母材金属的熔化量,同时增加填充金属的加入量,也可以降低稀释率。堆焊焊接工艺规定焊接速度为15~18cm/min。
3.3.2堆焊厚度对硬度的影响
堆焊层厚度增加,稀释率降低,硬度增加,从表4看出,第1层的硬度是不均匀的,硬度低。随着厚度增加,第3层硬度高而且数值均匀。
阿美石油公司的技术规范规定堆焊层的厚度至少1.6mm。
焊条规格为4mm,焊接速度为15~18cm/min,每层堆焊厚度在2.0~3.0mm之间,焊道宽度是⒉倍的焊条直径。焊条电弧焊的稀释率一般为15%~20%,为控制Fe元素含量,要求焊条电弧焊堆焊3层以上(见表4),以保证堆焊层的硬度。
3.4焊接工艺规程制定
根据合格的焊接工艺评定,制定堆焊焊接工艺规程。碳钢阀体Stellite21焊条堆焊焊接工艺参数见表5,堆焊层金属硬度见表6,硬度试验位置见图2。
根据表5堆焊工艺,堆焊的堆焊层金属Fe元素含量小于3%,距母材表面5mm堆焊层金属的硬度为40HRC以上,标准指标HV,o≥;其中表5的焊接电流为~A,电弧电压为21~28V,焊接速度为12~25cm/min,焊道节距为B/2。焊后立即放入℃热处理炉中,保温2h,随炉冷却。
4结论
(1)堆焊时试件整体预热,焊接过程中要保持层温不低于℃,焊后必须缓冷,防止出现裂纹。
(2)试件表面要清理干净,每层焊缝应彻底清除焊道熔渣等杂物。
(3)堆焊焊道叠加量≥B/3,保证堆焊层金属Fe元素含量小于6%,焊接层数3层以上,焊道节距为B/2。
(4)通过合格工艺评定试验,保证碳钢阀体密封面堆焊7的质量。
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