截止閥的閥瓣堆焊工藝研究

鄭州鼎盛工程技術(shù)有限公司 （河南 450001） 王彥枝

河南泉舜流體控制科技有限公司 （鄭州 450001） 李廣軍

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ASME A217/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)臒崽幚恚琙G1Cr13有更高的抗拉強(qiáng)度，且價格較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)對比

焊接后檢測 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。

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，成本較高，有時一次修整不能確保合格，導(dǎo)致產(chǎn)品報廢風(fēng)險較高。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，首先選擇堆焊隔離層，焊接隔離層之前，需要對閥瓣進(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，然后對閥瓣堆焊部位進(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。

圖2 截止閥閥瓣堆焊坡口形式

對隔離層進(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。

焊接時采用直流反接，小電流短弧堆焊，否則會增加母材的熔深，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，檢測標(biāo)準(zhǔn)為JB4730.5－2005 Ⅰ級，最后對堆焊面進(jìn)行硬度檢測。

表4 堆焊參數(shù)

為了提高勞動效率，降低勞動強(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 全自動焊接機(jī)械手

6.結(jié)語

對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。