蘇志東

（沈陽(yáng)盛世高中壓閥門有限公司，遼寧 沈陽(yáng)110142）

用于閥門密封面堆焊的材料按合金類型分為4大類，即鈷基合金、鎳基合金、鐵基合金和銅基合金。鈷基合金具有優(yōu)良的耐腐蝕、耐磨損、耐沖蝕和高溫抗蠕變性能，滿足了作為閥門密封面的使用性能的需要，長(zhǎng)期以來(lái)一直被用于核級(jí)閥門和一些高參數(shù)閥門密封面制造。

法國(guó)標(biāo)準(zhǔn)RCC-M S8000《碳鋼、低合金鋼或合金鋼上熔敷的耐磨堆焊層》中，開篇即表述了S8000所涉及的是鈷基合金耐磨堆焊層，并主要分為兩部分（耐磨堆焊工藝和耐磨堆焊工藝評(píng)定）來(lái)闡述對(duì)核設(shè)備中耐磨堆焊的技術(shù)要求。我國(guó)根據(jù)RCC-M轉(zhuǎn)化的相應(yīng)標(biāo)準(zhǔn)，直接將這兩部分分列為兩個(gè)標(biāo)準(zhǔn)，即EJ/T1027.9《閥門耐磨堆焊》、EJ/T1027.16《閥門耐磨堆焊工藝評(píng)定》，而且將標(biāo)準(zhǔn)的題目直接稱為閥門的耐磨堆焊。

1 鈷基合金的主要性能

1.1 化學(xué)成分

鈷基合金（stellite）也稱作鈷鉻鎢合金，按其化學(xué)成分不同分為不同牌號(hào)（等級(jí)）。表1至表3為RCC-M S8000標(biāo)準(zhǔn)中所采用的主要等級(jí)鈷基合金化學(xué)成分，表4、表5為美國(guó)AWS標(biāo)準(zhǔn)中鈷基合金的化學(xué)成分，表6為GB984鈷基合金堆焊焊條的化學(xué)成分，EJ/T1027.9、EJ/T1027.16標(biāo)準(zhǔn)中鈷基的類型和化學(xué)成分與RCC-M S8000中所規(guī)定的完全一致。表1至表6所列鈷基合金中的兩種類型為閥門密封面堆焊常用，其形狀有光焊條（焊絲）、藥皮焊條和合金粉末，其類型為RCC-M S8000中的6級(jí)和12級(jí)，對(duì)應(yīng)著AWS標(biāo)準(zhǔn)的ERCoCr-A和ERCoCr-B，相當(dāng)于GB984中的EDCoCr-A和EDCoCr-B。分析其化學(xué)成分其主要合金元素C、Co、Cr、W等的含量差別不大。其他元素的含量GB984與其他標(biāo)準(zhǔn)有些差別。我國(guó)的鈷基合金焊絲有HS111～HS11等7種牌號(hào)，其中HS111、HS112相當(dāng)于RCC-M S8000中的6級(jí)和12級(jí)，但它們均未列入國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)和行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)，仍執(zhí)行的是企業(yè)標(biāo)準(zhǔn)。若將國(guó)產(chǎn)鈷基合金焊絲用于核級(jí)閥門，應(yīng)按照RCC-M標(biāo)準(zhǔn)生產(chǎn)制造。

表1 光焊條和粉狀焊劑（堆焊產(chǎn)品上或稀釋區(qū)以外的熔敷金屬的化學(xué)分析）的化學(xué)成分Table1 Bare electrode and welding powder (chemical analysis for deposited metal in deposit welding product or outside the dilution region)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表2 藥皮焊條（稀釋區(qū)以外的化學(xué)分析）的化學(xué)成分Table2 Covered rod (chemical analysis outside the dilution region)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表3 熔噴用光焊條和粉狀焊劑（堆焊產(chǎn)品化學(xué)分析）的化學(xué)成分Table3 Bare electrode and welding powder (chemical analysis for deposit welding product)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表4 堆焊用填充絲和焊絲的化學(xué)成分（AWS A5.13）Table4 The chemical composition of filling wire and welding wire for deposit welding (AWS A5.13)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表5 堆焊用藥皮焊條熔敷金屬化學(xué)成分（AWS A5.13）Table5 The chemical composition of deposited metal of covered rod used in deposit welding (AWS A5.13)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表6 堆焊層金屬化學(xué)成分（GB984）Table6 The chemical composition of deposited layer metal (GB984)質(zhì)量分?jǐn)?shù)/%

表7 鈷基合金熔敷金屬的一般硬度(21 ℃)（AWS A5.13）Table7 The general hardness of deposited metal of cobalt base alloys(21 ℃)（AWS A5.13）

表8 鈷基合金熔敷金屬的常溫硬度(RCC-M S8000)Table8 The hardness of deposited metal of cobalt base alloys at ambient temperature (RCC-M S8000)

表9 堆焊層金屬的常溫硬度（GB984）Table9 The hardness of deposited layer metal at abient temperature (GB984)

1.2 常溫和高溫硬度

表7至表9為三個(gè)標(biāo)準(zhǔn)中不同鈷基熔敷金屬常溫硬度范圍。從標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的硬度值分析，AWS標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值范圍較大，RCC-M標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定值較為合理，而GB984標(biāo)準(zhǔn)的規(guī)定是最低平均值，而沒(méi)有硬度值的上限和下限約束，顯然有些不夠嚴(yán)密。

許多堆焊合金當(dāng)加熱到高溫后會(huì)永久軟化，但是鈷基合金的熔敷金屬則例外。當(dāng)處于熱態(tài)（650 ℃以下）時(shí)，其硬度降低并不明顯，只有當(dāng)溫度升高到650 ℃以上時(shí)，硬度才明顯下降，當(dāng)溫度恢復(fù)到熱態(tài)以下時(shí)，其硬度又回復(fù)到接近原始的硬度。鈷基合金硬度不受回火的影響。表10和表11是AWS A5.13所列的鈷基合金高溫硬度測(cè)試數(shù)據(jù)。

表10 瞬時(shí)硬度值Table10 Transient hardness values

表11 保持1 min及4 min的平均硬度值Table11 Average hardness values sustaining for1 min and4 mins

在1200 ℉（650 ℃）以下的溫度時(shí)，這些鈷基合金的熔敷金屬比其他堆焊合金具有更好的抗蠕變性能和更好的硬度特性。

1.3 金相組織

鈷基合金是以Co為基本成分，加入Cr、W等元素組成的合金。鈷基合金的組織一般是奧氏體加碳化物加共晶組織，根據(jù)成分不同可以是亞共晶、共晶或過(guò)共晶組織。

Co的固溶體基體具有很高的抗腐蝕性能及良好的韌性。較多含量的Cr使合金具有較高的抗氧化性，W增加它的高溫硬度，C與Cr、W形成碳化物，使合金具有良好的抗磨損和抗擦傷性能。

鈷基合金的組織與含碳量密切相關(guān)，當(dāng)含碳量較低時(shí)，其組織是由樹枝狀結(jié)晶的Cr、W初晶和奧氏體與Cr、W復(fù)合碳化物的共晶體組成。隨著含碳量的增加，奧氏體數(shù)量減少，共晶體增多，這種組織屬于亞共晶型。當(dāng)含碳量較高時(shí)，則顯現(xiàn)為過(guò)共晶組織，由粗大的一次Cr、W復(fù)合碳化物加固溶體與碳化物的共晶體組成。通常鈷基合金可以通過(guò)調(diào)整C和W的含量來(lái)改變其硬度和韌性，以適應(yīng)不同的用途。

鈷基合金的固溶體基體要比Fe-C系的奧氏體及Cr-Ni不銹鋼的硬度高。在基體中，出現(xiàn)復(fù)合碳化物，其晶粒細(xì)小彌散提高了整體硬度和脆性。在金相組織中，存在著大量的與高鉻鐵(FeCr-A)的Cr7C3碳化物有關(guān)的針狀的假六角形結(jié)晶體，可與許多細(xì)小的碳化物結(jié)合在一起，通常有著復(fù)合的共晶鐵組織。組織的復(fù)雜性隨著C的含量及由母材熔化而滲入的其他元素（如Fe）含量的增加而增加。

固溶體基體的洛氏硬度接近HRC40。Cr7C3型碳化物的維氏顯微硬度可望為1500～2000 VPN。然而，盡管有硬的碳化物結(jié)晶體，整體硬度（用洛氏或布氏硬度試驗(yàn)測(cè)量）很少超過(guò)洛氏硬度HRC60或600 HB，因?yàn)橹С值幕w比較軟。

試驗(yàn)數(shù)據(jù)表明，鈷基合金中的少量Si和Mo的加入可明顯提高其熔敷金屬的抗擦傷性能，而Mo則更有利于提高其高溫抗擦傷性能。

1.4 耐磨性

鈷基合金中C的含量對(duì)耐磨性有很大影響。含碳量為1.0%（CoCr-A）時(shí)，性能稍差。含碳量為2.5%（CoCr-C），抗高應(yīng)力磨削磨損性能良好。在低應(yīng)力刮傷磨損的條件下，經(jīng)試驗(yàn)表明，氧-乙炔焰堆焊焊層的磨損率為碳鋼的1/20，而對(duì)于CoCr-A熔敷金屬，磨損率為碳鋼的1/5左右。CoCr-C填充金屬在耐磨方面具有廣泛的用途。應(yīng)該指出，如果加熱和腐蝕是不重要的因素時(shí)，則采用鐵基填充金屬在目前也能得到相應(yīng)的耐磨性能。

由于CoCr填充金屬能進(jìn)行高度拋光以及具有低的摩擦系數(shù)，所以更適用于金屬-金屬間的磨損條件。

1.5 抗沖擊性能

隨著CoCr填充金屬中含碳量的增加，在沖擊下其抗流變的性能也增加。當(dāng)發(fā)生沖擊流變，CoCr-C焊縫熔敷金屬很脆，并容易產(chǎn)生裂縫。由于CoCr-A熔敷金屬比較容易變形，在壓縮條件下，于開裂前能夠承受某些塑性流變。

1.6 抗氧化性能

在氧化條件下，促使基體形成薄而緊密黏附的、起防護(hù)作用的氧化皮。對(duì)于在1800 ℉（980℃）溫度的填充金屬的熔敷，意味著在普通的氧化氣氛中，氧化速率為每年小于0.10 in(2.5 mm)。對(duì)于內(nèi)燃機(jī)燃燒產(chǎn)物的抗氧化性，甚至當(dāng)有從雜質(zhì)燃料而來(lái)的鉛化合物存在時(shí)，一般也是足夠的。

1.7 耐腐蝕性能

熔敷狀態(tài)的CoCr填充金屬經(jīng)常使用于要求耐磨及耐腐蝕的工況。在一般的介質(zhì)中，如食品或空氣中被認(rèn)為是耐腐蝕的。甚至在一些腐蝕介質(zhì)中，如硝酸、醋酸、檸檬酸、甲酸、乳酸、硫酸、亞硫酸及三氯醋酸等，都具有良好的耐腐蝕性能。然而，若考慮使用于腐蝕情況時(shí)，則應(yīng)通過(guò)現(xiàn)場(chǎng)試驗(yàn)，對(duì)腐蝕的狀態(tài)加以確認(rèn)。

1.8 抗氣蝕性能

鈷基合金抗氣蝕試驗(yàn)是采用CSF-6型超聲波磁致伸縮式試驗(yàn)機(jī)進(jìn)行的。試驗(yàn)規(guī)范：水溫22 ℃，振動(dòng)頻率19 kHz，振幅20 μm。經(jīng)過(guò)6 h的試驗(yàn)，結(jié)果鈷基合金平均失重0.1 mg?？梢姡捇辖鹩兄鴥?yōu)良的抗氣蝕性能。

2 鈷基合金的堆焊工藝方法

由于鈷基合金的大量應(yīng)用，其堆焊閥門密封面的工藝日臻成熟和穩(wěn)定。國(guó)內(nèi)有手工電弧焊、鎢極氬弧焊、氧-乙炔火焰焊、等離子弧焊等多種工藝方法被用于閥門密封面制造。國(guó)外還研制成功了絲極、帶極鈷基合金埋弧自動(dòng)堆焊等。

2.1 手工電弧焊堆焊

堆焊閥門密封面的鈷基合金電焊條國(guó)內(nèi)牌號(hào)有D802、D812，對(duì)應(yīng)G B984的型號(hào)為：EDCoCr-A、EDCoCr-B（相當(dāng)于RCC-M S8000中的6級(jí)和12級(jí)，對(duì)應(yīng)的AWS中ECoCr-A和ECoCr-B）。鈷基合金電焊條相對(duì)其他堆焊焊條，焊接性能稍差，堆焊工藝較為復(fù)雜。因此，為保證堆焊質(zhì)量，須認(rèn)真執(zhí)行經(jīng)過(guò)工藝評(píng)定后的焊接工藝。

2.2 氧-乙炔火焰堆焊

氧-乙炔火焰堆焊鈷基合金填充材料是光焊條（焊絲），RCC-M S8000中的6級(jí)和12級(jí)。對(duì)應(yīng)AWS牌號(hào)為RCoCr-A和RCoCr-B。國(guó)內(nèi)相應(yīng)的牌號(hào)為HS111和HS112。

氧-乙炔火焰堆焊鈷基合金從本質(zhì)上講屬于高溫釬焊，即基體金屬不熔化，不存在基體沖淡作用，因此熔敷金屬的合金成分易得到保證。但這種方法生產(chǎn)效率低，堆焊質(zhì)量受操作影響較大，適用于中、小閥件的堆焊。由于氧-乙炔火焰堆焊鈷基合金必須采用“三倍乙炔過(guò)剩焰”，因而會(huì)對(duì)熔敷金屬產(chǎn)生增碳作用，必須加以控制。

（1）堆焊可采用左焊法或右焊法，一般常用左焊法?；w按規(guī)定的預(yù)熱溫度預(yù)熱后，將工件堆焊表面置于水平位置。將焊炬火焰調(diào)整為“三倍乙炔過(guò)剩焰”，焰心尖端距工件表面3～5 mm，焊炬傾角60°±10°，保持不動(dòng)。當(dāng)工件表面呈“出汗”狀態(tài)瞬間，將焊炬稍稍抬高，使焰心與堆焊表面拉開4～6 mm，此時(shí)將處于內(nèi)焰的焊絲外的焊絲端部接近焰心尖部，并使熔化的焊絲熔滴滴到已呈“出汗”狀態(tài)的工件表面上，同時(shí)使其擴(kuò)展開。若熔滴部擴(kuò)展說(shuō)明工件表面溫度沒(méi)有達(dá)到焊絲的熔點(diǎn)溫度，須繼續(xù)加熱。反之，若溫度過(guò)高，基體金屬開始熔化、起泡，再填入焊絲，則會(huì)在熔池內(nèi)混入基體金屬，如不能浮出，凝固后即產(chǎn)生夾雜或氣孔。當(dāng)焊絲熔滴完全分布到“出汗”狀態(tài)表面時(shí)，將焊炬向前移動(dòng)，使內(nèi)焰一部分對(duì)著熔池，而內(nèi)焰的另一部分移到熔池前新的堆焊面上加熱，使其呈現(xiàn)“出汗”狀態(tài)。此時(shí)焊絲的熔滴滴到新的“出汗”表面狀態(tài)上，如此往復(fù)完成整個(gè)閥件的堆焊。

（2）在堆焊過(guò)程中，焊炬除了按上述方法作階梯式的向前移動(dòng)外，還需沿著堆焊面作橫向擺動(dòng)，這樣可以提高堆焊層的均勻性和平整度。每堆焊一層可得到2～3 mm厚的堆焊層，每層連續(xù)一次堆焊好。如果需要得到更厚的堆焊層，則須多層堆焊，層間須用砂輪或鋼絲刷進(jìn)行清理和平整，而后再堆焊下一層。根據(jù)需要可以用火焰重新熔化堆焊層（重熔），以減少堆焊層金屬的缺陷，提高堆焊層質(zhì)量。

（3）堆焊時(shí)，焊絲的熔化端、熔池必須始終處于“三倍乙炔過(guò)剩焰”的保護(hù)之中，使它們與空氣隔絕。不得將焊炬急速地從熔池表面移開。

堆焊搭接時(shí)，應(yīng)使接頭重疊15～20 mm，收尾時(shí)須將焊炬繼續(xù)前移40～50 mm，焊炬逐漸抬起，火焰逐漸離開熔池，使熔池逐漸縮小。這樣，接頭處的冷卻速度緩慢，不至于產(chǎn)生接頭疏松、縮孔、火口裂紋等缺陷。火焰收口在環(huán)縫的內(nèi)側(cè)為好，這樣可以減少堆焊接頭的收縮應(yīng)力。

（4）堆焊后，工件可直接進(jìn)行消除應(yīng)力熱處理，也可在硅藻土、石棉灰中緩冷。

2.3 鎢極氬弧焊堆焊

鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金的焊絲牌號(hào)與氧-乙炔火焰堆焊用焊絲相同。鎢極氬弧焊堆焊鈷基合金一般采用直流弧焊電源，直流正接。操作手法與氧-乙炔焰堆焊相似。填充焊絲直徑與焊接電流、噴嘴直徑、氬氣流量的對(duì)應(yīng)關(guān)系見表12，不同直徑的鎢極與電流許用范圍見表13，鎢極端部磨削角度為20°～30°。

（1）堆焊時(shí)鎢極尖端與工件表面須保持約為鎢極直徑1.5倍的距離，鎢極與工件表面夾角約75°。電弧引燃后，待基體表面堆焊起始點(diǎn)形成熔池后，將電弧作適當(dāng)大小的圓弧形擺動(dòng)。當(dāng)熔池適當(dāng)擴(kuò)大后，將焊絲端部加入鎢極與電弧之間，使其熔化并使熔滴滴入熔池；而后退出焊絲，將電弧在熔池前緣作弧形擺動(dòng)，使熔池向堆焊進(jìn)行方向擴(kuò)展。當(dāng)熔池面積達(dá)到適當(dāng)大小時(shí)，再將焊絲端部加入鎢極與電弧之間熔化，并使熔滴滴入熔池，如此按以上要領(lǐng)重復(fù)進(jìn)行，與氧－乙炔焰堆焊大致相同。

表12 氬弧堆焊工藝參數(shù)間關(guān)系Table12 Relations between the technical parameters of argon arc deposit welding

表13 不同直徑鎢極許用電流范圍Table13 Permissible current range for tungsten electrodes with different diameters

（2）堆焊前應(yīng)仔細(xì)檢查鎢極氬弧焊設(shè)備、高頻引弧、保護(hù)氣、冷卻水等控制系統(tǒng)是否正常。堆焊過(guò)程中，弧長(zhǎng)應(yīng)保持不變。鎢極擺動(dòng)幅度不應(yīng)大于鎢極直徑的3倍。多道堆焊時(shí)，焊道兩側(cè)邊緣應(yīng)平緩，不可過(guò)厚，避免造成道間熔合不良，形成未焊透、夾渣、氣孔等缺陷。一般堆焊2～3層，多層堆焊及堆焊始終端的處理與前述手工電弧堆焊相同。

2.4 等離子弧焊堆焊

等離子弧是由特殊結(jié)構(gòu)的等離子弧發(fā)生器，即等離子槍體所產(chǎn)生的。等離子弧作為一種熱源有著各種用途，不同的用途對(duì)等離子弧的要求也就不同。用于焊接的等離子弧是由特制的焊槍所產(chǎn)生的。其等離子電弧是在焊槍中間的圓柱形陰極和與其保持一定間隙的陽(yáng)極噴嘴的孔壁之間形成的。焊槍的兩個(gè)電極之間盡管有電壓，但尚不能引起前述的那種放電現(xiàn)象。因?yàn)檫@里的陰極通常是用高熔點(diǎn)金屬制成的，這種冷陰極難以釋放電子；此外，施加的電場(chǎng)還不夠強(qiáng)大，因此需要在兩極之間施加強(qiáng)磁場(chǎng)（通常用高頻震蕩器來(lái)完成）使兩極之間的氣體介質(zhì)擊穿而電離，從而建立電弧。這個(gè)過(guò)程稱為起弧，它是在一瞬間完成的。當(dāng)電弧建立起來(lái)以后，高頻磁場(chǎng)就可以取消，只要保證足夠的電流強(qiáng)度就能維持電弧的穩(wěn)定性。在兩極之間通入的氣體介質(zhì)，被電弧加熱電離，在受到噴嘴的熱壓縮、機(jī)械壓縮、自磁壓縮的作用，使電弧產(chǎn)生劇烈的徑向溫度梯度，使等離子流處于過(guò)壓狀態(tài)，并迫使電弧沿軸向伸長(zhǎng)，以致噴射出噴嘴，形成一股炙熱光亮的射流，這就是非轉(zhuǎn)移等離子弧的形成過(guò)程。在鎢極和工件之間建立電弧，直接靠高頻磁場(chǎng)起弧是比較困難的，因?yàn)殒u極與工件間的距離較遠(yuǎn)。通常的方法是先引燃非轉(zhuǎn)移弧，然后噴射出噴嘴外的等離子焰流使鎢極與工件之間電路導(dǎo)通，建立電弧，稱為轉(zhuǎn)移弧。轉(zhuǎn)移弧建立后，可根據(jù)實(shí)際工作需要決定非轉(zhuǎn)移弧的保留與否。

等離子弧這一新型熱源之所以為各工業(yè)領(lǐng)域所采用，是與它具有一系列優(yōu)點(diǎn)分不開的。

（1）等離子弧溫度高、熱量集中

由于等離子弧具有壓縮作用，其中心溫度可達(dá)16000～32000 K。而其他焊接方法，如氧-乙炔焰3100～3200 K；手工電弧焊，5000～6000 K；手工鎢極氬弧焊，9000～10000 K。由于等離子弧溫度高，因此被加工材料一般不受熔點(diǎn)高低限制。此外，等離子弧的熱量集中、工作效率高，而熱影響區(qū)小，相對(duì)在工件上存在的殘余應(yīng)力集中且變形比常規(guī)工藝減少。

（2）等離子弧熱穩(wěn)定性好

電弧氣氛的導(dǎo)電性越好，則電弧越穩(wěn)定，而等離子弧中的氣氛是充分電離的，所以其電弧更為穩(wěn)定。等離子弧電流和電弧電壓相對(duì)于弧長(zhǎng)在一定范圍內(nèi)的變化不敏感，即在弧柱較長(zhǎng)時(shí)仍能保持穩(wěn)定燃燒，沒(méi)有自由電弧易飄動(dòng)的缺點(diǎn)。

（3）等離子弧具有可控性

等離子弧可以在很大范圍內(nèi)調(diào)節(jié)熱效應(yīng)，除了改變輸入功率外，還可以通過(guò)改變氣體的種類、流量，以及噴嘴的結(jié)構(gòu)尺寸來(lái)調(diào)整等離子弧的熱能和溫度。

等離子弧堆焊在閥門制造業(yè)應(yīng)用較廣泛的是合金粉末噴焊和排絲堆焊。鈷基合金等離子弧粉末噴焊是采用鈷基合金粉末作為填充材料，以等離子弧作為熱源的堆焊工藝方法。合金粉末的粒度為50～180目/英寸，通過(guò)特制可均勻控制送粉量的送粉器，經(jīng)過(guò)等離子槍體的送粉通道，被送入熔池中。由于整個(gè)堆焊過(guò)程可實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，因此，堆焊層表面平整，堆焊層寬度一致，使堆焊質(zhì)量和效率大大提高。最為關(guān)鍵的是，由于等離子弧的電弧特性使堆焊層稀釋率降低，一般控制堆焊1～2層即可滿足要求。但是，由于合金粉末制造的需要，合金粉末成分中需要添加一定數(shù)量的B和Si，以提高液態(tài)金屬的流動(dòng)性，這就使堆焊金屬的抗裂性降低。需要采取提高預(yù)熱溫度、焊后緩冷等熱處理措施來(lái)保證堆焊質(zhì)量。

（4）粉末等離子弧噴焊

等離子弧粉末噴焊設(shè)備的關(guān)鍵部件是噴焊槍，它既是等離子弧熱源的發(fā)生裝置，又是粉末輸送通道的載體。目前應(yīng)用較廣的有兩種結(jié)構(gòu)形式的噴焊槍，一種是內(nèi)送粉式（噴嘴內(nèi)送粉），粉末受到較充分的加熱，可減少粉末的飛濺，得到較高的熔敷率。缺點(diǎn)是，內(nèi)送粉槍容易發(fā)生熔化的金屬粘附在噴嘴內(nèi)壁的現(xiàn)象。熔化的金屬黏附在噴嘴內(nèi)壁或出口處，聚集到一定數(shù)量后則落入熔池，形成淌熔滴的現(xiàn)象，嚴(yán)重時(shí)則堵住噴嘴孔，影響堆焊質(zhì)量。另一種噴嘴外送粉的焊槍，合金粉末從噴嘴外送入等離子弧中，從根本上解決了淌熔滴和噴嘴堵塞的問(wèn)題。在相似的規(guī)范下熔深比內(nèi)送粉的小，這是由于內(nèi)送粉時(shí)，送粉氣流在噴嘴內(nèi)受到了強(qiáng)烈的加熱，并直接吹向熔池，造成較大的附加吹力，而外送粉時(shí)，送粉氣造成的附加吹力大大降低。外送粉槍的主要缺點(diǎn)是，粉末飛散程度大，合金粉末熔敷率較低。

等離子弧噴焊鈷基合金，可調(diào)整的工藝參數(shù)很多，如粉末送給系統(tǒng)的調(diào)整、非轉(zhuǎn)移弧和轉(zhuǎn)移弧的調(diào)節(jié)、噴嘴直徑、焊槍距工件的距離、堆焊速度、工作電流、工作氣和保護(hù)氣流量、焊槍擺動(dòng)幅度和頻率等等，各參數(shù)之間互相有著緊密的聯(lián)系，這里不再贅述。總之，要獲得符合要求的堆焊層，必須嚴(yán)格按照工藝評(píng)定合格后的焊接工藝執(zhí)行，從而確保堆焊層質(zhì)量。

（5）排絲等離子弧堆焊

排絲等離子弧堆焊是利用等離子弧作為熱源，將并列成排狀的焊絲熔焊在基體上的一種工藝方法。排絲等離子弧堆焊與粉末等離子弧堆焊不同，它是將所堆焊用的焊絲，根據(jù)欲堆焊層的寬度，選擇不同直徑和根數(shù)的焊絲并列成排狀，平鋪在焊道上，用等離子弧將其熔焊在基體上。其特點(diǎn)是：具有與粉末等離子弧噴焊一樣的，熔深淺、稀釋率低、堆焊成型好等優(yōu)點(diǎn)。同時(shí)，使用設(shè)備簡(jiǎn)單，操作方便，在粉末等離子弧噴焊設(shè)備的基礎(chǔ)上，免去了送粉機(jī)構(gòu)和裝置，特別是不用結(jié)構(gòu)復(fù)雜的送粉式焊槍而用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單的堆焊槍，從而簡(jiǎn)化了堆焊工藝。排絲等離子弧堆焊工藝的熔敷率高達(dá)95%以上，是其他工藝方法所不能比擬的。排絲等離子弧堆焊金屬的抗裂性能好。由于排絲等離子弧堆焊使基體受熱均勻，且對(duì)堆焊的焊絲材料不必像粉末材料那樣為制粉工藝需要和提高堆焊金屬的潤(rùn)濕性而加入一定量的B和Si，從而相對(duì)改善了堆焊金屬的抗裂性。對(duì)一些較大工件，不必采取焊前預(yù)熱、焊后緩冷等工藝措施。排絲等離子弧堆焊的缺點(diǎn)是操作時(shí)，需要手工適當(dāng)調(diào)整鋪在焊道的排狀焊絲，使其適應(yīng)閥門密封面圓形堆焊軌跡，屬于半機(jī)械化操作，與粉末等離子弧噴焊相比，自動(dòng)化程度稍差。影響排絲等離子弧堆焊質(zhì)量的主要工藝參數(shù)有：轉(zhuǎn)移弧電流和電壓、工作氣和保護(hù)氣流量、噴嘴距焊絲表面距離、堆焊速度等。

2.5 質(zhì)量控制

稀釋率是評(píng)價(jià)堆焊層質(zhì)量的重要指標(biāo)。稀釋率大，基體材料混入焊層熔敷金屬的量多，改變了堆焊合金的化學(xué)成分，嚴(yán)重影響堆焊合金的性能，如硬度、耐蝕性、耐磨性、耐熱性等。

由于各種堆焊工藝方法的特點(diǎn)不同，亦產(chǎn)生不同的稀釋率，且不同的堆焊材料堆焊在不同的基體母材上，由稀釋率所產(chǎn)生的作用也不盡相同。欲獲得低稀釋率或無(wú)稀釋率的表面工作層，則需根據(jù)堆焊材料、堆焊方法，合理地選擇堆焊層數(shù)和厚度。

閥門密封面堆焊層厚度的確定一直為閥門設(shè)計(jì)制造人員所關(guān)注。采用多層堆焊可降低母材表面工作層的稀釋率，但此舉不僅增加材料消耗，而且由于焊層的增高，焊層裂紋傾向加大，需采取較為復(fù)雜的焊接工藝加以控制，制造成本加大。在滿足閥門密封面使用性能的前提下，盡量降低堆焊層厚度是閥門優(yōu)化設(shè)計(jì)的目的之一。

堆焊閥門密封面常用幾種工藝方法其單層堆焊稀釋率見表14。由其可見其稀釋率從大到小的排列順序?yàn)槭止る娀『福炬u極氬弧焊＞等離子弧焊＞氧-乙炔焰焊。

3 核級(jí)閥門密封面堆焊工藝評(píng)定

堆焊工藝評(píng)定是在堆焊產(chǎn)品之前，為驗(yàn)證所擬定的焊接工藝的正確性進(jìn)行的驗(yàn)證過(guò)程及結(jié)果的評(píng)價(jià)。工藝評(píng)定應(yīng)根據(jù)圖樣的規(guī)定或技術(shù)規(guī)格書的要求按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行。評(píng)定合格的“工藝評(píng)定報(bào)告”是編制指導(dǎo)生產(chǎn)的工藝文件依據(jù)之一，并作為產(chǎn)品的交工驗(yàn)證文件。

堆焊工藝評(píng)定的一般過(guò)程是：編制焊接工藝評(píng)定指導(dǎo)書、按照擬定的工藝參數(shù)堆焊工藝評(píng)定試件、試件外觀檢驗(yàn)、無(wú)損檢驗(yàn)、試件破壞性檢驗(yàn)（化學(xué)成分、金相檢驗(yàn)、硬度檢驗(yàn)等）、檢驗(yàn)結(jié)果評(píng)價(jià)和編制工藝評(píng)定報(bào)告。

任一焊接工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)，都規(guī)定了所作的工藝評(píng)定可以有條件的覆蓋一定范圍，包括基體材料、填充材料以及焊接參數(shù)中的一些非重要變素等，RCC-M S8300《耐磨堆焊工藝評(píng)定》亦是如此。當(dāng)堆焊產(chǎn)品工件的基體材料或焊接工藝方法及一些焊接參數(shù)的改變超出了工藝評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)規(guī)定的范圍時(shí)必須重新進(jìn)行工藝評(píng)定。

表14 幾種堆焊工藝方法的比較Table14 Comparison of several deposit welding techniques

RCC-M S8300中對(duì)工藝評(píng)定試件破壞性檢驗(yàn)項(xiàng)目如化學(xué)分析、金相檢驗(yàn)、硬度測(cè)量線和表面硬度的測(cè)定等做出了規(guī)定。

3.1 化學(xué)分析

對(duì)于濕法化學(xué)分析用金屬屑取樣，應(yīng)在未經(jīng)處理的堆焊原表面至少去掉0.5 mm厚度后，在與規(guī)定的最小最終厚度的相應(yīng)的深度處進(jìn)行（見圖1）?；瘜W(xué)分析應(yīng)包括表1和表2中按材料等級(jí)所規(guī)定的化學(xué)元素。在下列范圍內(nèi)要滿足的化學(xué)元素含量應(yīng)在焊接技術(shù)規(guī)程中規(guī)定。

（1）在不銹鋼部件上堆焊，對(duì)于6級(jí)材料，[C]≤1.8%；對(duì)于12級(jí)材料，[C]≤2.2%。

（2）用電方法堆焊時(shí)，對(duì)于6級(jí)材料，一般情況下，［Fe］≤6%；對(duì)于主要功能為摩擦導(dǎo)向的部件，［Fe］≤9%。對(duì)于主要功能為密封和支撐的部件，雖然可以［Fe］≤9%，但［Fe］≤6%被視為最佳值。

3.2 金相檢驗(yàn)

圖1 熔敷金屬化學(xué)分析取樣方法Fig.1 Chemical analysis and sampling method for deposited metal

金相檢驗(yàn)應(yīng)在與焊道垂直的方向上切取一塊被加工到最小尺寸的熔敷金屬切片，用于金相觀察。采用5倍的放大鏡，檢驗(yàn)?zāi)覆暮蜔嵊绊憛^(qū)中的裂紋、未熔合或其他線性缺陷。另外，為了判斷評(píng)定區(qū)范圍的適用性，宏觀金相檢驗(yàn)是檢查堆焊層數(shù)的一種方法。另外，微觀金相檢驗(yàn)應(yīng)當(dāng)用于檢查熔敷金屬的亞共析組織、裂紋和過(guò)度滲碳。懷疑的區(qū)域應(yīng)進(jìn)行微觀金相檢驗(yàn)。

3.3 硬度測(cè)量線

應(yīng)在垂直于表層的直線上進(jìn)行硬度變化的曲線測(cè)量（見圖2），奧氏體不銹鋼基體時(shí)，僅在堆焊層上作硬度曲線測(cè)量。在鐵素體鋼的情況下，熱影響區(qū)的硬度值不得超過(guò)S3234f中所規(guī)定的數(shù)值。對(duì)熔敷堆焊層所作的硬度測(cè)量曲線可用來(lái)評(píng)價(jià)各層的稀釋率。也可在平行于表層作一條硬度測(cè)量曲線，以判斷堆焊層的均質(zhì)性。

3.4 表面硬度的測(cè)定

在加工到最小尺寸的堆焊面上，至少要測(cè)定10個(gè)HRC硬度值，從這10個(gè)硬度值中取平均值。在這10個(gè)數(shù)值中，最大值和最小值的偏差對(duì)于21級(jí)材料不得超過(guò)6個(gè)點(diǎn)，對(duì)于6級(jí)材料不得超過(guò)5個(gè)點(diǎn)，對(duì)于12級(jí)和SF1級(jí)材料不得超過(guò)4個(gè)點(diǎn)。所要求的平均值應(yīng)在焊接工藝評(píng)定程序中規(guī)定。按照功能和堆焊工藝確定的這些平均值應(yīng)符合表9中每一等級(jí)材料所規(guī)定的硬度范圍。

工藝評(píng)定過(guò)程中，當(dāng)評(píng)定試件出現(xiàn)不合格結(jié)果時(shí)，如不能證明與此工藝無(wú)關(guān)，則應(yīng)停止工藝評(píng)定，直至找出原因方可重新評(píng)定。

焊接工藝評(píng)定的有效期，從認(rèn)可之日起對(duì)于1級(jí)設(shè)備為2年，其他設(shè)備為3年。評(píng)定有效期從車間最后一次采用這種工藝日期算起，可以再延長(zhǎng)相同的時(shí)間。

焊工和操作工資格考核是從焊工和操作工技能評(píng)定的方面來(lái)控制焊接質(zhì)量的。RCC-M標(biāo)準(zhǔn)明確規(guī)定：完成了焊接工藝評(píng)定的焊工和操作工，本身自然就通過(guò)了資格考核。我國(guó)的現(xiàn)行法規(guī)規(guī)定，焊工和操作工的資格考核應(yīng)由相應(yīng)的指定機(jī)構(gòu)來(lái)完成。否則，將不具備相應(yīng)的資格。

圖2 硬度變化的測(cè)定位置Fig.2 The measuring point for hardness variation

4 鈷基合金材料的代用

隨著科技進(jìn)步和對(duì)磨損基理的不斷深入研究，閥門工作者對(duì)閥門密封面的材料、與不同閥門的使用工況的適應(yīng)性有了更深刻的理解和認(rèn)識(shí)。因此，用鐵基或鎳基合金材料代替鈷基合金材料在閥門密封面上的應(yīng)用也逐漸開展起來(lái)。應(yīng)該說(shuō)鈷基合金材料的研制代用是從兩個(gè)基點(diǎn)出發(fā)的，一是非核級(jí)閥門密封面鈷基合金代用材料是基于鈷基合金材料價(jià)格較高，而其顯著的特點(diǎn)是高溫下金相組織穩(wěn)定、具有紅硬性、耐磨性能好。而核級(jí)閥門密封面鈷基合金代用材料的研究應(yīng)用是近年來(lái)才開始起步的，其基點(diǎn)是：核系統(tǒng)設(shè)備中使用的金屬材料的鈷元素含量有限制要求［Co］＜0.08%，這是因?yàn)殁捲鼐哂蟹派湫裕野胨ブ芷陂L(zhǎng)，在核系統(tǒng)設(shè)備中鈷含量的超標(biāo)易造成二次污染，從而會(huì)對(duì)人們的健康造成傷害。而閥門密封面堆焊的鈷基合金的鈷含量都在50%以上，造成這一矛盾現(xiàn)象的原因是核系統(tǒng)中對(duì)閥門的安全性、可靠性要求極高，閥門使用壽命要達(dá)到30年以上。由于鈷基合金作為閥門密封面材料具有耐沖蝕、耐腐蝕、耐擦傷、耐磨損和高溫紅硬性等一系列優(yōu)良使用性能，長(zhǎng)期以來(lái)應(yīng)用在核系統(tǒng)中閥門密封面上，實(shí)現(xiàn)了其安全性、可靠性要求。這些就使得閥門工作者，雖認(rèn)識(shí)到鈷含量超標(biāo)與核系統(tǒng)要求的不適應(yīng)性，也不敢貿(mào)然采用其他代用材料。長(zhǎng)期以來(lái)核系統(tǒng)中閥門密封面采用代鈷材料一直被視為禁區(qū)，為突破這一禁區(qū)，國(guó)內(nèi)外相關(guān)的技術(shù)工作者均進(jìn)行了大量的試驗(yàn)研究工作，并已取得一定成果。因此，選擇一種代用材料全面達(dá)到鈷基合金性能是很難的，而針對(duì)閥門密封面不同的特性要求和工況使用條件選用與其相適應(yīng)的材料“有條件代用”則是可行的。相信，不久的將來(lái)一定會(huì)有代鈷合金材料成功地應(yīng)用于核閥門密封面的制造。

5 結(jié)束語(yǔ)

多年閥門密封面材料實(shí)驗(yàn)研究表明，鈷基合金作為閥門密封面材料其耐沖蝕、耐腐蝕、耐擦傷、耐磨損、高溫抗氧化性和高溫紅硬性（700 ℃時(shí)，才發(fā)生硬度陡降現(xiàn)象）等綜合性能是任何其他材料不能比擬的。核級(jí)閥門堆焊鈷基合金應(yīng)根據(jù)所堆焊閥件尺寸、結(jié)構(gòu)和企業(yè)堆焊設(shè)備的能力合理地選擇所適應(yīng)的工藝方法，并嚴(yán)格按照相應(yīng)的標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行工藝評(píng)定，確保核級(jí)閥門的堆焊質(zhì)量。

[1]高清寶,等.閥門堆焊技術(shù)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1994.

[2]沈陽(yáng)高中壓閥門廠.閥門制造工藝[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社,1984.

[3]RCC-M-1993,壓水堆核島機(jī)械設(shè)備設(shè)計(jì)核建造規(guī)則[S].

[4]AWS A5.13-1980，堆焊用實(shí)芯焊絲和焊條[S].