结合激光工艺的密封技术在复合球阀中的应用

周云忠

摘 要：利用CO2激光器在复合球阀的阀座表面熔覆Ni基自熔合金，用以提高阀座的强度和耐磨性，与已往的常规表面处理相比，激光熔覆处理是一种新型的表面改性技术，这一工艺具有强度高、引起的基体热变形小的特点。并把这一工艺應用到一种新型的复合球阀的阀座表面改性中，结合复合球阀自身的结构特征，达到较理想的密封效果，在球阀的密封技术范畴得到突破。

关键词：激光熔覆 复合球阀密封技术

引言

阀门是流体输送系统中的控制部件，具有截止、调节、导流、防止逆流、稳压、分流或溢流泄压等功能，但阀门在使用过程中，其密封面长期处于流体介质中，并长期受到介质的冲蚀和腐蚀；此外，还有阀门在开启和关闭过程中所受到的磨损；故而阀门的密封面很容易受到破坏，进而造成流体的泄露，造成不必要的损失或环境污染。所以，研究阀门的密封面强化方法和阀门的密封方式具有十分重要的意义。

为了提高球阀的使用寿命和密封效果，我们首先对球阀的结构进行调整，得到一种新型的复合球阀，从结构上对球阀的准确开启和关闭以及密封效果进行提高改进，其次利用较先进的激光熔覆工艺对球阀的阀座进行表面处理，提高其强度和耐磨耐蚀性能。而国内常规的阀门表面处理工艺一般采用各种喷焊和堆焊工艺，但传统工艺存在裂纹倾向大、废品率高、组织性能不均匀、生产工序繁多、周期长、成本高、熔层极不平整、加工量大，施工环境差、生产效率低等难以克服的缺点。本文利用所改进的复合球阀和激光熔覆工艺的结合的处理方式对球阀阀座进行激光熔覆处理，克服了传统工艺所带来的缺点。

1.一种新型的复合球阀

经过对阀门结构的改进创新，我们得到一种新型的复合球阀，具有阀体，阀体上设有中口，阀体内有阀座，阀座中有球体，球体上连接有阀杆，阀杆通过中口与手柄相连，如图1所示。

其特征在于：所述中口上设有定位凸台，所述定位凸台位于手柄的上侧或下侧，并与手柄侧面接触，所述定位凸台的侧面与阀体的水平中心线和垂直中心线的距离相等，所述手柄由头部和柄部组成，头部上开有与中心线平行的扁孔，用于与阀杆相连，所述头部与柄部之间有一字形折弯，所述手柄头部的两个侧面与中心线平行且相等。本使用新型采用定位凸台与扁孔侧边定位的球阀手柄相配合结构，用手柄的同一侧边与阀体的定位凸台侧面相接触，达到准确控制球阀开和关的位置的目的， 其材料利用充分，加工面少，是一种资源节约型和环保型的球阀。

该新研制的复合球阀已申请专利，申请号ZL201320167656.3。

图1 复合球阀结构示意图

①凸台， ②关定位面，③开定位面，④阀体，⑤水平中心线，⑥垂直中心线，⑦手柄

2.激光熔覆在复合球阀中的应用

2.1 激光表面改性技术

激光表面改性技术对材料的处理是在最近几十年才在我国实现生产应用的一项技术，它是采用大功率密度的激光束，以非接触性的方式加热材料表面，借助于材料表面本身传导冷却，来实现其表面改性的工艺方法，在材料表面形成一定厚度的处理层，可以改善材料表面的力学性能、冶金性能、物理性能，从而提高零件、工件的耐磨、耐蚀、耐疲劳等一系列性能的表面处理技术。其具有以下特点：能量传递方便，可以对被处理工件表面有选择的局部强化；能量作用集中，加工时间短，热影响区小，激光处理后，工件变形小；处理表面形状复杂的工件，而且容易实现自动化生产线；改性效果比普通方法更显著、速度快、效率高、成本低。

激光熔覆是激光表面处理技术的一种，其是在激光束作用下将合金粉末或陶瓷粉末与基体表面迅速加热并熔化，光束移开后自激冷却的一种表面强化方法。其具有以下特点：( 1) 冷却速度快，组织具有快速凝固的典型特征；( 2) 热输入和畸变较小，涂层稀释率低(一般小于5%)，与基体呈冶金结合；( 3) 粉末选择几乎没有任何限制,特别是低熔点金属表面熔覆高熔点合金；( 4) 能进行选区熔覆,材料消耗少,具有卓越的性能价格比；( 5) 光束瞄准可以使难以接近的区域熔覆；( 6) 工艺过程易于实现自动化。其在刀具、模具、阀体上熔覆已获得广泛的应用。

2.2 实验条件

选取DN50的复合球阀的阀座，材料为304不锈钢，经固溶处理。利用7 kW 的CO2 激光器，采用同轴送粉方式，以氩气作为保护气体和粉末载气，激光输出功率为2kW，扫描速度为8mm/s，光斑直径为4mm，合金粉末为Ni60自熔性合金粉末，激光能量分布为高斯热源分布，搭接率为40%。图2为所需熔覆的阀座密封面。

图2 阀座密封面

2.3 结果与分析

2.3.1金相分析

从图3(a)中可以看出，熔覆层有熔覆区、结合区和基体热影响区三部组成，熔覆层与基体结合界面为起伏较大的波形界面，显示出熔覆层与基体形成良好的冶金结合，没有明显的裂纹和气孔。熔覆层与基体结合处呈现白亮组织，这说明熔覆层形成时，界面处发生了原子之间的相互扩散。图3(b) 中可出看出熔覆层中存在大量细小枝晶，且涂层组织均匀致密，没有气孔、裂纹和夹杂现象的出现，且精加工过后的涂层厚度可以达到0.5mm，这在很大程度上改变了阀座基体表面的性能。

(a) 低倍金相组织 (b) 高倍金相组织

图3阀座熔覆层的金相组织

2.3.1 硬度分析

激光熔覆后对涂层的硬度进行测试，并与阀座熔覆前的硬度进行对比分析，图3为基体和熔覆层的显微硬度分布曲线，从硬度曲线图可以看出，从熔覆层到基体硬度呈现出下降的趋势，熔覆层的硬度明显高于基体的硬度，熔覆后的表面硬度达到660～700 HV0.2，与处理前的155～170HV0.2相比，硬度提高了2倍左右，硬度的提高说明阀座表面的金属性能得到提高进而使得阀座的强度和耐磨性得到大大提高。

图2 阀座激光熔覆硬度曲线

2.3 应用价值

在石油、化工和焦化装置中，球阀的运用是最基础的一项机械零件，而在石油、化工和焦化生产的过程之中往往会使用高温进行生产，因而这就要求球阀能够承受苛刻的工作环境，尤其是在耐高温与耐磨这两个方面，而激光技术与复合球阀的结合的密封技术使得球阀这一机械产品得到了升级改造。虽然复合球阀从内部结构看上去比较简单，还存在不足之处；但是在制作之上，还得益于激光技术与复合密封技术的结合运用，因为这两项工艺技术的结合获得性能较好新式的复合球阀。同时，在经过多次的实践与分析之中，通过再生产的过程之中利用特制的加热设备，将阀门加热至设计上限温度540℃后，保温8小时，并进行生产操作测试，在经过多次、多行业领域的实践验证以后，我们可以得知：结合激光工艺的密封技术在复合球阀中的应用使得阀门启闭灵活，密封试验正常。同时在经过反复多次的生产试验之后，还发现了阀座无明显的变化，且在使用的过程之中，即使温度达到设计上限的540℃以上，球阀仍能可以保持很好的耐冲蚀和耐擦伤性能，其密封性也是非常的良好的。获得了激光工艺在复合球阀密封技术中应用的预期效果。

3.结论

（1）通过对常规球阀结构的改进，得到一种新型的复合球阀，其材料利用充分，加工面少，是一种资源节约型和环保型的球阀。这种复合球阀主要解决了现有技术所存在的不足，从而设计一种结构简单，加工方便，开关定位准确，使用寿命长的一种复合球阀。

（2）通过激熔覆后，阀座涂层内部得到细小的树枝晶，涂层致密均匀，使得复合球阀的阀座硬度提高了2倍左右，最高硬度达到700 HV0.2，阀座的强度和耐磨性耐蚀性能得到很大程度的提高。确保了新型复合球阀的产品质量，为在化工、石油、焦化等工业中使用新型复合球阀提供了可靠技术支持和安全保障。

4.参考文献

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