阀门密封面堆焊材料及堆焊硬度探析

傅慧明，王家帮

（河南省锅炉压力容器安全检测研究院，河南 郑州 450000）

阀门的密封面堆焊材料应依据阀门的工作温度、工作压力、介质腐蚀程度以及阀门的类型、密封面结构形式、密封比压与许用比压、企业自身生产条件、设备加工能力、堆焊技术能力与客户指定要求等条件来进行选择。同时需优化设计方案，在满足阀门所需标准的前提下，优先选用价格较低、生产速度较快、整体性价比相对较高的密封面材料。

1 阀门密封面材料标准

API是 美 国 石 油 学 会（American Petroleum Institute）的缩写，其对不同的材料做出了规定，并明确每种材料在某种情况下可以使用，但在实际使用时仍要考虑材料的综合性能合理选择。而后，国家标准（GB）参考API标准中的一部分规定内容作为相关密封面材料的规定，母材类别主要包括Fe-1、Fe-2、Fe-3、Fe-4、Fe-5A、Fe-5B、Fe-5C、Fe-6、Fe-7、Fe-8、Fe-9B、Fe-10H、Ni-1、Ni-2、Ni-3、Ni-4和Ni-5。JB/T 6438-2011对阀门密封面等离子弧堆焊的各项材料参数做出了详细规定：（1）堆焊合金粉末（以下简称粉末）材料的化学成分、堆焊层硬度、粒度等均应符合JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744的有关规定。（2）选用JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744之外的粉末材料，由供需双方协商确定。但其检验方法按JB/T3168、JB/T7744的规定。（3）粉末材料的质量应符合JB/T 3168.1～3168.3、JB/T 7744的要求，并附有粉末制造厂检验部门出具的质量合格证书。（4）每批粉末使用前应进行工艺试验及化学成分复验。化学成分分析按JB/T 3168.2、JB/T 7744的规定。（5）粉末使用前应进行烘干，烘干时堆积厚应小于5mm。烘干温度按表1的规定。JB/T 7744-2011列举16种合金粉末的成分、硬度及其适用范围。

2 阀门密封面的堆焊工艺

要对阀门密封面的堆焊工艺进行全面了解，需要对不同的堆焊工艺进行了解，现阶段常见的阀门密封面的堆焊工艺主要包括手工焊条电弧堆焊、氧乙炔火焰堆焊、钨极氩弧焊堆焊、熔化极气体保护焊堆焊、等离子弧堆焊等几种，不同的对焊工艺优点、缺陷以及应用范围也较不一致，具体分析如下。

2.1 手工焊条电弧堆焊

手工焊条电弧对焊的产生时间相对较早，工艺方式较为传统，堆焊工艺主要是通过手工方式来对焊条进行操作，把金属熔敷堆积在堆焊表面，其所需工具主要包括输电线、焊条、电焊钳及弧焊电源等。焊条电弧堆焊在密封阀门密封面时，这种堆焊工艺是较为常见的一种堆焊方式，由于焊条电弧堆焊的熔池温度相对较高，在堆焊过程中电弧拥有较大的冲击力，致使堆焊稀释率通常较高，从而使破坏了堆焊层成分，一定程度地降低其硬度和耐磨性。因此，要在其工作层表面堆焊2~3层，加工后的堆焊层厚度要保证在2mm以上，才能够获得与填充材料相类似的成分。这种堆焊工艺拥有的焊条种类相对较多，因此在选择焊条进行堆焊作业时要根据产品的实际需求。此外，此工艺一般使用碱性焊条，在进行堆焊前需在300~350℃的环境中烘焙1~2h，以此来提高堆焊层的抗裂能力。焊条进行堆焊时应使用直流电源，可以有效地防止堆焊时发生飞溅。焊条电弧堆焊工艺具有以下几个优势：（1）因为该工艺的焊条种类相对较多，利用不同焊条多层堆焊可使堆焊化学成分类似于填充材料；（2）该工艺堆焊所需设备简单，设备相对比较容易携带，便于现场堆焊作业；（3）利用该工艺堆焊过程中产生明弧，这使得焊工在堆焊时可以时刻观察堆焊层，特别在堆焊一些直径较小、形状复杂或者可达性不强的阀门通道时拥有较好的堆焊效果；（4）该工艺的生产率相对较低，堆焊层通常较厚，因此需要反复进行堆焊，焊接量随之增加，工件的加工温度也拥有较高的梯度。

2.2 氧乙炔火焰堆焊

这种堆焊工艺又称气焊堆焊，其热源是燃烧乙炔与氧气的混合气体所后产生的火焰，将融化的堆焊材料及表层合为整体的堆焊工艺。由于氧乙炔燃烧时的火焰温度通常较低，一般在3000~3300℃左右，因此，可通过调整火焰性质与火焰能率对不同材料的不同厚度及大小来进行堆焊。此外，因为这种堆焊工艺的堆焊温度较低，在开始堆焊工作前需要较长的加热时间，同时熔入焊缝的母材也相对较少，冷却速度较慢，因此堆焊层通常较薄且稀释率较低。氧乙炔堆焊所需设备同样相对较为简单，且该工艺极易掌握，操作相对较为方便，只要将焊丝温度加热到最高焰心部分即可。该工艺相对其他工艺所需成本较低，因此在日常生活中是较为常用的一种堆焊方式。但这种工艺同样存在着劳动环境差、工作量较大、材料产生严重形变与熔敷速度缓慢等缺点。

2.3 钨极氩弧焊堆焊

这种堆焊工艺是利用电弧热使堆焊表层和填充焊丝熔化在焊缝处形成堆积的一种焊接工艺，因为需要在氩气的保护下才能进行焊接，所以称其为钨极氩弧焊堆焊。该工艺通过对电弧电压、焊接电力、氩气流量与焊接速度等几方面因素进行控制来达到对不同材料的焊接目的。这种工艺同样是堆焊阀门密封面的常用技术手段之一，通常在堆焊钴基与镍基合金或者不锈钢时拥有较好的堆焊效果。由于氩气的保护，因此有效地隔绝了空气中的一些气体对焊接过程造成的影响，进而可以获得质量相对较高的堆焊层。另外，该工艺对于电弧的控制相对较为容易，且焊接后的表层也较为平整，为日后加工提供了便利条件。同时这种工艺会释放比较集中的能量，且电弧比较稳定，因此焊接时材料产生的形变较小，稀释率较低，从而节省了大量的贵重金属。这种堆焊工艺在堆焊过程中同样产生明弧，便于焊工观察，且弧长有较好的可控性，电极消耗量极小，堆焊过程中不易产生杂质或焊渣，因此可实现焊接自动化操作。

2.4 熔化极气体保护焊堆焊

这种堆焊工艺是利用填充焊丝及堆焊表层间产生的电弧作为热源来堆焊的一种焊剂工艺，该工艺同样利用一些惰性气体与混合气体的保护来隔绝空气中某些气体。随着科技水平的发展，批量化生产才能满足现代社会需求，因此生产效率更高、投入成本更低且发生形变更小的焊接技术出现了。在半自动技术的基础上加入了摆动器、水冷焊枪和转动平台实现了全自动堆焊，堆焊过后的表面不仅平整，便于后续加工，产品质量与生产效率都得到了一定程度地提高。这种堆焊工艺在堆焊时会产生较大电流，熔敷速度也相对较快，因此导致堆焊层相对较厚，很难进行后续操作。此外，母材金属有较大的熔化量，致使堆焊材料稀释率相对较高，因此该工艺通常需要定制焊丝来进行堆焊工作才能确保母材的化学成分不受其影响，符合应有的化学成分标准。同时，该工艺要严格按照操作规范来控制焊接电流、电弧电压、焊丝长度、喷嘴半径及气体流量等因素，以此来减少焊接工艺所带来的不良影响。

2.5 等离子弧堆焊

等离子弧堆焊是将等离子弧作为热源，迅速加热堆焊表层与合金使其一起熔化，经混合再自动冷却成一层性能更高的合金层，进而强化堆焊表层的一种堆焊工艺。由于该工艺堆焊时温度较高且稳定性较好，因此常用来堆焊一些较为难熔的材料，同时拥有较高的堆焊速度，最低稀释率只有5%。该工艺所用的所有堆焊合金粉末通过简单的工序就可制备，因此该工艺在堆焊时都会使用离子弧粉末。这种粉末在堆焊时可以使堆焊材料与母材有效熔合，拥有较高的结合强度。且合金粉末使堆焊表层拥有极强的耐腐蚀性与耐磨损性。在堆焊难熔材料时，使用合金粉末能提高合金设计的自主选择性。目前，等离子弧对焊在密封面的阀门中应用范围也较为广泛，其显著的优势促使该技术在密封面的阀门应用上还具有一定的发展空间。

3 结语

密封面是阀门相对较为重要的部分，其密封程度与质量决定着阀门的使用年限，阀门的使用年限与合理地选择阀门密封面材料密不可分。选择密封面材料时，硬度高并不代表其耐磨损性能好，密封面材料的组织结构决定着其耐磨损性能。应根据实际情况合理选择密封面材料及堆焊工艺。同时，密封材料的耐腐蚀性十分不稳定，一旦外界的温度或者介质浓度等发生改变，其对于这种介质的耐腐蚀性就可能发生变化。密封面材料的耐腐蚀性只能通过反复实验的数据中得出，借鉴时切勿盲目选择，从而影响堆焊质量。