1、焊接Paper2002/5/29等离子粉末堆焊技术在石化工业的应用中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所 汪瑞军 黄小鸥摘要 本文采用等离子堆焊工艺方法，对石油、化工行业中关键零部件堆焊Ni基、Co基材料，以达到表面改性目的。试验表明，这一工艺方法对提高材料耐磨、耐腐蚀及高温性能，延长使用寿命，节省贵重材料，降低产品成本具有实际意义。关键词：等离子 堆焊 合金粉末 石油 化工1. 前言 采用堆焊方法将高合金粉末材料堆焊在普通材料上，以提高材料耐磨损、耐腐蚀及高温性能，延长使用寿命，同时节省贵重材料，降低产品的成本。这一方法已在石油、化工行业中得到应用。 本文针对石化工业中，生产设备工况条件
2、的三高（即高腐蚀、高磨损及高温），采用等离子粉末堆焊工艺，将Ni基或Co基高合金材料堆焊在设备零配件密封面上，达到提高设备使用寿命的目的。2. 试验工艺及设备2.1 试验设备等离子粉末堆焊是将等离子弧作为热源，以一定成分合金粉末作为填充金属的特种堆焊工艺。其较高的生产率，美观的成型以及堆焊过程易于实现机械化及自动化，使这一工艺得到较快的发展1。图1是等离子粉末堆焊工艺原理图2。图1 等离子粉末堆焊工艺原理图2 钨极氩弧焊和等离子粉末堆焊的比较 图2是等离子粉末堆焊工艺与熔化极惰性气体保护焊及喷涂工艺在几个性能上的比较2。与电弧焊及熔化极惰性气体保护焊相比，采用等离子粉末堆焊工艺，基体材料和堆焊
3、材料之间形成融合界面，结合强度高；堆焊层组织致密，耐蚀及耐磨性好；基体材料与堆焊材料的稀释减少，材料特性无变化；气孔、氧化物、夹渣等缺陷几乎没有；利用粉末作为堆焊材料可提高合金设计的选择性，特别是能够顺利堆焊难熔材料，如WC材料等。图3是等离子粉末堆焊与气焊的微观组织照片比较（400）3。图3 PPW焊与气焊的微观组织（400）本试验采用德国Hettiger公司与日本Daido公司合作生产的等离子粉末堆焊设备PTA200。如图4所示。其额定工作电流为5200A，暂载率为50%，焊接气氛为Ar气，内藏焊枪冷却水循环装置。送粉器为振动式，具有送粉均匀，调节简便，适应各种粉末运送等特点，其送粉量为0
4、30g/min，料斗容量3Kg，适用粉末粒度80325（筛）号。针对不同的工作条件，该设备配备两种堆焊枪（装卸型HP150H枪和机装枪）。图4 PTA200等离子粉末堆焊设备2.2 离子气及送粉气等离子粉末堆焊工艺的离子气及送粉气均采用工业纯氩气2.3 粉末材料 本试验选用的堆焊材料均为瑞典Hoganas公司产品，其主要化学成分如表1所示。表1 材料的主要化学成分序号牌号主 要 化 学 成 分 （wt%）堆焊硬度（HV）备注CSiNiCrMoWCoBFe115600.754.3bal14.83.13.5810Ni基225250.150.611.020.0-14.5bal2.0340stelLi
5、te2.4 典型工件 密封环是石油化工行业中泵类设备的关键零配件，提高其使用寿命是石化设备保养的重要工作。本试验采用瑞典Hoganas公司的Ni基粉末1560混合35%WC粉末材料，在直径为f80的不锈钢密封环上堆焊，形成具有WC硬质相的耐磨密封面，达到提高使用寿命的目的。 阀座、阀芯是石化工业中高压容器中的重要部件。为满足其密封面耐高温冲蚀磨损的要求，本实验采用瑞典Hoganas公司的Co基材料2525堆焊。试验证明达到设备使用要求，并提高设备使用寿命。3. 等离子喷焊工艺参数本研究采用正交设计试验方法,分别对等离子堆焊电流、离子气量、保护气量、送粉气量、送粉速度、等离子枪行走速度、摆动速度
6、等因子选取多组水平进行实验，观察不同情况下对等离子堆焊层的成型、质量及稀释率的影响，经过对试验数据处理，得到最佳工艺参数。3.1 密封环使用装卸型HP150H枪。堆焊电流为63A，送粉速度为460刻度，等离子枪嘴至工件距离H=810mm，离子气流量为0.8L/min，保护气流量为8.0L/min，送粉气流量为1.0L/min，转台旋转速度为2.7刻度，摆宽为6mm。3.2 阀门、阀座使用机装枪。堆焊电流为87A，送粉速度为500刻度，等离子枪嘴至工件距离H=8mm，离子气流量为1.0L/min，保护气流量为12.0/min，送粉气流量为1.8L/min，转台旋转速度为2.7刻度，摆宽为12mm
7、。4. 试验结果及讨论表2是两组工件堆焊层性能一览表。表2 试验工件堆焊层性能序号工件名称堆焊材料堆焊硬度（HRC）稀释率（%）堆焊层厚度（mm）1密封环1560+35%WC58645.2122阀座、阀芯252527335.4544. 1堆焊层的稀释率稀释率是指母材熔化后混入堆焊层，对于堆焊合金的冲淡程度。稀释率就是堆焊层中母材量与焊层总量之比。其近似公式表示如下：y = F母/ F堆+F母= h / H 式中： y 稀释率 h 工件熔深 mm H 堆焊层总厚度 mm本研究利用X-560型电子探针测量试验工件堆焊层与基体界面的合金元素含量。结果表明，等离子堆焊可以获得较小的稀释率。这也是堆焊过
8、程中采用氩气保护，使合金元素的烧损减少，保证绝大多数合金元素过渡到堆焊层中的有利证据。4.2 气体参数对堆焊层质量的影响试验中发现，当离子气量大于标准参数时，等离子弧刚性加大，引弧时母材出现弧坑严重影响堆焊层质量。当保护气量低于标准参数时，焊层表面呈黑色，表明氧化严重；高于标准参数时，由于保护气出现紊流层，造成空气卷入，堆焊层出现蜂窝状气孔。4.3 摆动对堆焊层质量的影响在堆焊厚度高于1mm的堆焊层时，随着堆焊电流的加大，对母材的热输入量增大，堆焊层裂纹倾向增加，焊枪的摆动有效地解决了这一问题。另外，堆焊层厚度越高，咬边现象严重，增加焊枪摆动时边缘驻点的驻留时间是有效的解决办法。 图7是堆焊层形状与堆焊厚度示意图。图5 堆焊层形状与堆焊层厚度示意图5. 结论 采用等离子堆焊工艺可以提高金属零部件的耐磨、耐腐蚀及高温性能，能够满足石油、化工行业的“三高”工况。【参考文献】 1. 等离子喷焊工艺研究 杜则裕等, 焊接技术,1996.3 2. 等离子粉末堆焊技术在低压阀门上的开发与应用 黄小鸥等,第八届全国焊接论文, 1997.10 3. Hoganas Gas Powder 1997. 6
