镍基合金火焰喷焊层气孔成因分析及预防

作者：李霄 李栋才 周好斌 陈兵 江小华

欢迎访问e展厅 展厅 9 焊接设备/切割机展厅 交流电焊机, 直流电焊机, 气体保护焊机, 埋弧焊机, 高频焊接机, ... 摘要：泥浆泵中的闸板起着调节流量的作用，由于其工况的要求，闸板必须具有耐磨损、耐腐蚀的性能，一般采用火焰喷焊的方法在闸板表面熔敷一层镍基合金，生产过程中发现，喷焊层常含有大量的气孔，致使该零件的合格率很低，且影响其使用寿命。本文对其喷焊工艺、喷焊材料、喷焊层的组织进行了研究，指出了气孔形成的原因，并提出采用二步法喷焊工艺、改手工喷焊为自动喷焊的改进措施，并进行了火焰自动喷焊机构的设计。 关键词: 　镍基合金　火焰喷焊　气孔 0 　序言 闸板是泵和阀类机构中的重要零件，它起着调节流量的作用。在泥浆泵中由于闸板要经常调节，势必造成闸板表面的磨损，而且接触的介质为钻井泥浆，所以要求闸板表面既要耐磨损又要耐腐蚀。某厂闸板的基体材料为35CrMo ，为满足工况要求采用喷焊的方法，在表面上熔敷一层厚1 mm 的镍基合金，见图1。 一般闸板采用手工火焰喷焊工艺喷焊镍基合金，在生产过程中发现，喷焊层经常出现大量的、密集的气孔，致使闸板的合格率极低，从而导致成本增加，而且使用单位反映使用寿命太低，造成较坏的影响。本文针对其喷焊工艺进行了研究分析，提出了一套相应的解决方案。 1 　气孔特点 经过对生产过程的仔细观察、扫描电镜分析和光学显微镜分析，发现气孔主要集中在两条喷焊层的交界处，而且非常密集，见图1 。气孔成圆形，尺寸相差非常大，大量带状密集分布的气孔尺寸在0. 5 mm 以下，电镜放大8 000倍仍可发现气孔，而有些气孔尺寸较大，甚至能达到2 mm ，见图2 ，喷焊层的剖面看，气孔在喷焊层与基体金属结合处气孔较小，在上浮的过程中逐渐变大，见图2 ，而且即使表面没有气孔，结合层处仍可能有大量的微气孔，见图3 ，喷焊层表面及其与基体金属交界处的组织，见图4[3] 。另外即使喷焊层表面无气孔，但经过磨削加工后仍有不规则分布的气孔出现。 2 气孔成因分析 2. 1 　工艺因素的影响 火焰喷焊先经过火焰喷涂使金属粉末在工件表面形成涂层，然后用火焰加热涂层使其熔化，涂层金属与基体金属之间相互扩散，形成牢固的结合。工艺上常见的有一步法和二步法两种工艺。一步法指喷焊过程中边喷边熔，其优点是效率高，操作方便，一次喷成，但易产生缺陷。二步法指先形成涂层，然后重熔，如果工艺合理，可以在重熔过程中消除缺陷，如使气体逸出，提高产品质量，其缺点是工作量大，操作复杂，生产效率低。 闸板喷焊粉体成分见表1 ，完全符合标准要求，喷焊前未做任何处理。闸板基体喷焊前表面进行了刨削加工，并经过了400 ℃预热和保温，水和油污不可能存在，有轻度氧化，易形成夹杂，但不是形成气孔的主要原因，气孔的来源主要是熔融的金属粒子从喷嘴喷出后，由于阴影效果而与基体表面之间形成气孔，另外由于金属粒子之间的不完全堆积而形成气孔，这是不可避免的，但完全重熔时可使气体逸出。 闸板喷焊采用的是一步法，因喷焊面积较大，故采用之字形喷熔运作。合金粉重熔不完全，在喷枪边喷边熔的过程中，靠近喷焊层边缘的区域温度相对较低，喷焊层金属不能完全熔化，液固两相并存，此时熔融金属非常粘稠，气孔上浮困难，从而造成大量的、有规律的气孔残留在两道喷焊层交界处。 基体金属喷焊前的预处理指待喷表面的净化、预加工、粗化等处理工艺，目的是彻底清除待喷表面的油污，并加工成需要的形状，同时使表面具有适度的凹凸不平，提高喷焊层与基体金属之间的结合力，但并不是越粗糙越好。闸板基体采用刨削工艺进行处理，由于加工过程中吃刀量不均匀，有些区域有特别深的切削痕迹，这些成三角状的切痕在喷焊时极有可能圈闭大量的气体，而重熔时由于切痕较深，使得气体逸出需要经过较长的路途，其间小气孔不断合并，气孔尺寸不断增大，而且由于气体含量大所需逸出时间长，很容易形成由小到大的气孔串，如图2 所示为一深约2～3 mm 的切痕处形成的气孔串和超大气孔。同时也是表面无明显的气孔带，而喷焊层与基体结合处存在气孔的主要原因。 另外喷焊粉体未做干燥处理也是气孔的一个主要来源，水分随粉体到达喷焊层，重熔时分解为氢气和氧气，在重熔不完全的情况下作为气孔留在喷焊层中，所以在对喷焊层进行磨削加工之前无气孔的工件，磨削后反而出现了气孔。 2.2 　人为因素的影响 闸板的喷焊采用手工进行，工件曾经过400 ℃预热和保温，工人的工作环境相当恶劣，不可避免地搀杂了人为因素的影响。由于操作者不同的习惯造成喷炬与工件的距离、摆动的幅度、喷炬停留时间都各不相同，这些因素也会影响气孔的形成和逸出。如果喷炬与工件的距离太长将导致带入喷焊层的气体量较多，而喷焊温度不够将阻碍气体的逸出，温度过高又会使液态金属翻泡，卷入更多的气体，形成气孔群。 3 解决方法 要解决喷焊层气孔的问题首先要控制闸板预处理时刨削的吃刀量，避免出现较深的切痕;并采用两步法工艺;同时对喷焊粉体进行烘干;控制好重熔温度和喷炬到工件的距离，但是由于人为因素的影响，难以进行较好的控制，最佳方案是采用自动喷焊。用一个行走机构和一个摆动机构来模拟人手的喷焊动作，采用可编程控制器对行走机构和摆动机构的动作进行控制，同时安装两把枪，将喷焊与重熔分开进行，执行两步法工艺，见图5 。 4 结论 (1) 边喷边熔的一步法工艺容易造成两道喷焊层交界处重熔不完全，气体难以逸出而形成气孔。 (2) 预处理时表面太粗糙造成大量的气体被封闭，上升过程中不断合并形成气孔串和超大型气孔。 (3) 未经干燥处理的粉体中的水分进入喷焊层形成不规则的气孔分布。 (4) 人为因素对重熔温度的影响会导致气孔群的产生。 (5) 改进喷焊质量的最佳方案是采用自动控制的喷焊机构，同时采用两步法工艺。(end)

文章内容仅供参考 (投稿) (如果您是本文作者，请点击此处) (12/24/2004)