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        (姜 捷)
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      閥門等離子堆焊機研究與應用

      閥門等離子堆焊機研究與應用
      一、前言
      閥門技術的發展,依賴于材料科學,結構學的發展。近年,我國合成材料,新合金鋼及新技術的發展,新興金屬材料的利用,取得了很大進展,這些都為閥門技術的發展增添了新的內容。合成材料更是層出不窮,如聚丙烯、聚碳酯、尼龍等材料制造閥門,已在化工領域使用。新型陶瓷閥門也正在逐步推廣使用。這些新型的閥門介質復雜,特別是很多是在高溫、高壓及高腐蝕、高磨損等環境下工作,因此制造要求很高。工業中目前廣泛應用的高、中壓閥門(石油、化工、電站等設備)多以硬質合金作為閥門密封面材料。由于這些閥門工作條件惡劣,提高密封面的使用壽命是一個很切實際的問題。如果采用手工填充或埋弧焊工藝、氧-乙炔氣焊、氬弧韓等進行焊接,不僅產品質量不能保證,而且勞動強度高,工時大,生產過程煩瑣。使用等離子弧焊的方法在被磨損表面進行堆焊,不僅具有生產效率高,質量穩定,易于機械化、自動化;而且該焊接方法使用粉末作為填充材料,克服了硬質合金難于制絲等問題。目前,大部分閥門企業都有1臺以上的等離子弧焊設備,很多企業的等離子弧焊設備占到了所有焊接設備1/3以上。這也從一個側面說明了等離子弧焊在閥門制造中的重要性。要很好的應用這項技術,需要解決設備、工藝、材料等各方面存在的問題,需要全方位的進行介紹和闡述。本文就簡要介紹了一些要點,并重點對可能出現的一些工藝故障及焊接缺陷進行了研究分析。
      二、等離子焊設備及材料
      等離子是指在標準大氣壓下溫度超過3000℃的氣體,在溫度譜上可以把其看作為繼固態、液態、氣態之后的第四種物質狀態。等離子是由被激活的高子、電子、原子或分子組成。等離子弧焊是在鎢極氬弧焊的基礎上發展起來的一種焊接方法。鎢極氬弧焊使用的熱源是常壓狀態下的自由電弧,簡稱自由鎢弧。等離子弧焊用的熱源則是將自由鎢弧壓縮強化之后而獲得電離度更高的電弧等離子體,稱等離子弧。經壓縮的電弧其能量密度更為集中,溫度更高。等離子弧的最大電壓降是在弧柱區里,這是由于弧柱被強烈壓縮,使電場強度明顯;增大的緣故。因此,等離子弧焊主要是利用弧柱等離子體熱來加熱金屬。等離子弧的特性是能量密度可達10000-100000W/cm2,其溫度可達18000~24000K等離子弧焊就是利用被壓縮了的等離子弧的熱量,由粉末輸送裝置將合金粉末輸送到弧柱區域內,并利用壓縮空氣,將半熔或全熔的合金粉末噴射到母材(基體)表面上,形成所需的合金焊層的一種金屬表面強化技術。等離子弧焊設備由以下幾部分組成:焊接電源、控制箱、送粉器、噴槍、冷卻系統組成。焊接電源一般要求調節方便,可控性好,同時為了緩解等離子弧強大沖擊電流對基體材料造成有害熔深,需要對電路增加電流遞增裝置,使電流可以衰減,以獲得好的堆焊層??刂葡渲饕菍附舆^程進行控制,很多新的設備已經可以實現自動化控制。送粉器需要送粉量均勻,使用方便。對于噴槍,它是設備中非常關鍵的部件,需要保證堆焊工藝的穩定、可靠、持續運行;因此需要噴槍設計合理,槍體緊湊,重量輕體積小,調節方便,可是性好既適用于手持焊接,也可實現自動化焊接,靈活方便。一般說來,中小型零件的單道堆焊工作時間短,對噴槍的要求只限于使用柔性弧以便獲得沖擊小、硬度均勻、組織致密的高質量堆焊層。除了噴槍本身帶有保護嘴外,對于大功率噴槍,還需要在噴口加上屏蔽罩??紤]到操作者的身體健康,通風保護裝置在等離子弧焊設備中必不可少,從而將多種有害氣體順利排出。
      材料方面,等離子弧焊主要使用粉末材料。粉末材料的質量,成分的正確配比,以及工藝上的合理選用,直接影響到堆焊層的質量。目前我國的粉末生產廠家眾多,產品系列基本可以滿足各種應用要求,特別是閥門方面,目前的粉末已經比較成熟。閥門上應用的主要分為三大類:鐵基、鎳基和鈷基。
      三、等離子弧焊工藝分析
      等離子弧焊必須嚴格控制下列參數:粉末送給量的穩定和靈活的可調性,非轉移弧與轉移弧的電流規范送粉氣與離子氣的精確調節轉動臺速度的調節,噴槍擺幅與擺動頻率的調節,噴嘴與工件的距離等。在焊接前,需要對工件進行機械清理的處理,工件表面必須有金屬光澤,除去銹蝕、油污和氧化物。要選取好合適的焊接電流,不能因為追求速度而過度調高電流。一般噴槍與工件的距離為20mm。某些較大的低碳、中碳及低合金鋼零件需要進行預熱。對于珠光體、馬氏體鋼,即便是較小的零件也必須預熱,以防止堆焊層裂紋的出現。大的零件,以電爐做恒溫預熱較方便,保溫一定的時間使工件的內部溫度與表面溫升相一致。然而由于大工件堆焊時間長,工件溫度梯度大,剛性強,容易形成很大內應力,因此堆焊過程中應不間斷加熱;焊畢后做等溫緩冷處理。如果采用的合金粉末具有較高的硬度,而堆焊的面積又較大則在堆焊過程中必須采用不同的手段進行不間斷的預熱,以防止堆焊層產生新的裂紋。因此,焊前預熱及焊后熱處理對堆焊層很重要。另外,對等離子堆焊工藝中幾個重要參數也進行了分析。熔敷率指單位時間內合金粉末在零件上熔敷的效率。該參數必須嚴格控制,防止堆焊金屬被稀釋。沖淡率(混合比)指一般在在堆焊層中母材占成分的5-10%。沖淡率隨填充材料不同而不同,如當堆焊高度為5mm時,Co-Cr-W混合比可打10%,而Co-Cr-W-B混合比為4%。沖淡率的測量一般采用作圖法將堆焊層宏觀照片放大,測量焊層熔深部分的面積與堆焊總面積的比值。但碳鋼是采用化學成分分析的方法進行測量的。粉末送給系統要求穩定可靠,合金粉末一般應在干燥恒溫箱內烘焙一小時。對于主弧轉移電弧,若轉移弧增加,則送粉量及離子氣增加,使送粉發生困難,飛濺增加,熔敷率下降,焊接質量下降。噴槍與工件的距離若過大,則弧柱穩定性下降,電弧發生漂移,對熔池的保護效果顯著下降。距離過小則熔深增加,沖淡率增加。經過大量實踐,噴槍與工件的距離及機器的性能有密切關系。首先是與轉移電弧的空載電壓噴槍設計有直接關系。必須指出,某些自熔性差,熔點較高的粉末在變化堆焊參數的前提下(如離子氣流量加大送粉氣和送粉量增加,工件移動速度慢,擺動頻率減小等),將噴槍與工件的距離適當提高,反而改善了堆焊的工藝性能。主要原因是具有高速動能的合金粉末,從噴槍最噴出后,有一個相對的較長時間在弧柱內停留,增加了合金粉末的受熱時間,減弱了合金的動能,使粉末飛濺狀況有明顯改善。工件移動速度和噴槍擺動頻率對稀釋度、堆焊層的硬度及焊層的高度有很大影響。工件移動速度快,在其他工藝參數不變的情況下,堆焊層高度降低,沖淡率降低,合金粉末焊層金屬與基本金屬結合強度下降。若擺動頻率過高,焊炬往返來回過快,從噴嘴噴出的粉末嚴重散失,沉積率下降。擺動頻率在不超過特定范圍的情況下,對堆焊高度的影響不明顯,但對熔深影響很大。
      四、常見等離子弧焊工藝故障、焊接缺陷及處理措施
      工藝故障主要有四種一個是非轉移弧不能起弧。主要原因有:高頻發生器火花室發火點錯位或間隙過大,排除方法是檢查高頻發火室,將發火點對準,并用起子調整間隙。鎢極與壓縮道上端距離太大,排除方法是調節電極與壓縮角尖端的距離。噴嘴錐角附有氧化膜等污物,排除方法是拆下噴嘴,用鹽酸腐蝕清洗后,用細砂紙打磨。其他原因還有如電壓過低、鎢電極燒損嚴重、電流調節過小、離子氣未接同、鎢極與噴嘴短路等。
      粉末堵塞是另一個常見故障。主要原因及解決方法有:送粉氣流量不足,吹送力不大;排除方法是逐漸加大送粉氣流量。其他原因還有送粉量過大、密封卷漏水、通粉孔被大顆?;虍愇镒枞?。
      第三個故障是缺水或壓力不足。主要原因是水冷電纜發生皮管發燙、噴嘴漏水,因水壓不足不能使水泵打開,排除方法是使用車床皂水冷卻泵增加水壓。第四個故障是轉移弧不正常。主要原因有:噴槍與夾持件發生短路;電纜沒有接上或通水電纜焊接處脫開;轉移弧有明暗抖動,可能是鎢極損壞,同心度偏差大;轉移弧有閃耀輝光并有蘭色弧光,可能是噴嘴漏水;轉移弧發出“呼呼”聲,是因為離子流量太大或鎢極內縮太大。
      常見焊接缺陷有氣孔、裂紋和夾渣。氣孔的出現原因及排除和預防措施有:工件表面有油污、銹蝕等雜質;母材可焊性差;轉移弧電流過大,大量基體混入焊層;保護不良或氬氣將耗盡導致純度不高;粉末濕度大并有雜質;粉末顆??招膶е職怏w無法及時逸出(這種情況在焊接時可以聽到清脆的爆炸聲);粉末中含有低熔點雜質在高溫下氣化;母材中含有雜質;母材被化學處理。
      夾渣出現的原因有:保護不良使焊面氧化,第二層堆焊時氧化雜質夾入;粉末冶煉時存在氧化雜質;粉末渣系帶有很大的粘性,焊時浮渣不徹底;工件移動速度快使粉末不能完全熔化;母材中有氧化雜質冒到焊層中等。
      裂紋出現的原因有:使用的是有空淬性能的母材;母材未預熱;母材本身有裂紋;堆焊金屬與母材的熱膨脹系數相差懸殊;母材受過淬火處理;工件移動速度快,堆焊層與母材結合強度差;送粉量過大,焊層與母材結合不良,內應力集中;焊前焊中預熱保溫及焊后熱處理不當;沒有衰減或衰減裝置線性不佳,產生弧坑形成疏松,在內應力作用下產生裂紋;粉末硬度過高等。
      上述缺陷應采取相應措施加以修補,修補手段可用氬弧焊、氣焊或等離子弧焊進行小范圍的局部補焊。
      五、結語
      等離子弧焊技術在閥門密封面堆焊中應用廣泛,是目前閥門制造中應用最為廣泛的技術之一。由于等離子弧焊具有弧柱溫度高,使用粉末噴焊等優點,可以大大簡化堆焊材料的制造過程,特別是可以利用多種合金元素,在等離子弧的作用下得到不同性能的硬化密封面。雖然材料制造及使用種類相對簡單,但等離子弧焊設備比較復雜,在操作中容易出現工藝故障。在工藝方面,要控制好幾個主要參數:熔敷率和沖淡率,送粉速度及送粉量,工件與噴嘴的距離及工件的擺動速度等,還有一個重要的因素是焊前焊中的預熱保溫及焊后熱處理。
       

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