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阀门密封面粉末等离子堆焊技术研究

日期:2018-6-26 14:35:25

阀门密封面粉末等离子堆焊技术研究

摘要 阀门密封面采用粉末等离子堆焊工艺(等离子喷焊工艺、PTA焊)自动堆焊钴基合金,较手工堆焊有突出的优越性。介绍了所使用的全数字化控制的新型设备的机型结构及配置,可供选择的钴基合金粉末成份及特性,堆焊工艺稳定性的因素,工艺参数的设定及质量控制要点等。针对阀门密封面堆焊钴基合金的应用,介绍所使用的设备、材料和采用的工艺。

关键词 阀门; 密封面; 等离子弧堆焊; 粉末;

1 概述

对于锅炉蒸汽阀、安全阀、调节阀、高温阀、内燃机进排气阀等一类对密封面性能要求高的阀门,大都采用堆焊合金粉末。目前应用最多的方法是采用手工火焰堆焊或手工氩弧堆焊合金粉末裸焊棒。手工堆焊除了劳动强度大,生产效率低以外,堆焊质量受人为因素影响大。粉末等离子自动堆焊工艺在堆焊合金粉末上有独特的优越性,特别适合堆焊质量要求高的钴基、镍基合金,是解决密封面堆焊质量,提高生产效率,节省材料,降低生产成本的最佳方案。

2 特性

粉末等离子弧堆焊是利用氩气转移型等离子弧作主要热源,采用合金粉末作填充金属,在工件表面产生熔池,熔池冷凝后形成堆焊层的工艺方法(亦称等离子喷焊、PTA焊)。受到压缩的转移型等离子弧,具有电弧稳定、弧柱挺直、温度高、热量集中、良好保护气氛和电弧特性可控性好等突出的优点。采用转移型等离子弧作热源进行堆焊,具有熔深可控、母材冲淡率低、焊道平整、成形尺寸范围宽、堆焊层硬度均匀、金相组织均一、易于避免质量缺陷、工件热影响区小、工艺稳定、堆焊过程自动化、堆焊材料范围广等一系列工艺上的优越性,是优质、高效、节材的先进堆焊方法。随着控制及焊接技术的进步,目前已发展到全数字化的PLC控制系统及工业电脑的PC控制系统, 配置触摸屏人机界面操作系统,使操作便捷、直观和更具人性化。在工艺参数显示上,由间接显示工艺参量的电压表发展到屏上显示直接物理量,并使工艺参数储存和可随时调用。在等离子堆焊枪、机械运转系统、供水系统的设计上亦有了很大的改进,提升了使用性能和可靠性。配置数码摆动器和弧压自动调节器等新部件后,使堆焊过程更加稳定,堆焊质量得以保证。

3 设备

3.1 结构与配置

1)焊接系统 焊接系统关键是直流弧焊电源的配置及电流调节控制系统。配置先进的逆变式直流弧焊电源,效率高,节能,受外界干扰小,输出稳定,近于恒流输出特性。采用数字化电流调节系统,可以精细、精确设定焊接电流规范和设定输出特性,从而更能满足工艺要求,确保堆焊质量。

2)控制系统 采用先进的数字化的控制系统,由具有数字运算功能的特殊功能型的PLC、电量传感器、步进电机等及触摸屏式人机界面操作系统组成的全数字化控制系统,除能对开关量编程,实现顺序控制外,突出的是通过数字量的设定和运算,实现对工艺参数的直接设定和通过运算得出工艺参数的计算值,而且工艺参数可以储存。操作系统通过视窗实现人机对话。发挥软件编程的作用,实现复杂的工艺控制要求,操控方便,功能强大,运转更可靠和稳定。由于采用的是数字化的控制系统,较容易的实现了工艺上的特殊要求,突出的是实现了自动调节焊枪保持弧压稳定。在焊接过程中可以调节摆频和摆幅,在熄弧过程,摆幅自动递减,实现采用脉冲控制工艺程序等一系列先进的控制功能。

3)机械运转系统 机械运转系统包括焊枪空间定位机械运行系统,送粉器和工件运转动力头(变位机/旋转工作台)等。机械运转定位系统采用直线滑轨,滚珠丝杆传动,步进电机驱动。机械运转系统和数字化控制系统结合,提高了定位精度和运转灵活性,实现了数控定位和数码运转控制。

4)工艺动作系统 工艺动作系统(即工艺动作的顺序控制系统)采用特殊功能型PLC可编程控制系统,其特点是将检测的模拟信号纳入编程系统,将工艺参数的物理量作为切换点,从而使程序的设计更符合工艺的要求。另外,在动作之间的参数设置上更精细,并引入了脉冲计数控制。

5)机型 在整体结构具有各型“一体机”、 “十”字形立式操作机、平面数控堆焊机和大型龙门式数控堆焊机等多种机型结构,更适合细分的市场要求。对于阀门密封面堆焊,由于工件种类繁多,口径规格相差甚大,因此应根据具体情况选择机型。对于中小口径阀件,选择“一体机”机型有更多的优越性。

3.2 编程软件与操作界面

1)PLC系统编程 采用特殊功能型的PLC所构成的数字化的控制系统,是通过编程来实现对工艺参数和程序的控制。通过PLC的电脑编程软件,采用梯形图的方式进行编程。为了确保堆焊质量,特别是环焊道搭接和收弧部位的堆焊层质量,设计了一套专用程序软件,较好的满足了工艺控制的要求。

2)操作界面 采用触摸屏式人机界面作操作界面。根据工艺控制的要求,设计了一系列画面,在每一幅画面里,有人机对话的窗口和参数设定的窗口,对于计算结果值及运行参数亦在窗口里显示。视窗所有参数值均是直接物理量。操作界面可容纳精细的工艺设定和直接参数显示,操作便捷。

3.3 焊枪

在堆焊过程中,焊枪应产生稳定的等离子弧(非转移弧和转移弧),不出现堵粉、结珠和粉末飘散等故障。为了降低冲淡率,采用更柔一些的等离子弧,因而选择小一点的压缩比,一般压缩比d/L,选择1~1.2。为了避免产生堵粉、结珠的情况,焊枪采用外送粉方式,即粉末出口在压缩孔道外面,偏离弧柱一个距离。采用外送粉方式,如果控制不当,则容易产生粉末飘散。为了解决这一矛盾,在结构上采用喷射式送粉,即减小送粉孔的直径,借助送粉载气,将粉末喷射到弧柱里。

4 性能

合金粉末的成分设计,多是在成熟的原钴基合金(Stellite合金)堆焊焊条的成分上发展起来的。这一类合金有高合金含量的奥氏体基体,铬是给以耐氧化性,钨能使之具有高温硬度,钴提供耐腐蚀性,碳以硬的碳化铬存在基体中,增加了强度和耐磨性能。合金的硬度及性能随着成分而改变。

镍基、钴基合金具有优良的耐热、耐腐蚀、耐氧化、耐磨损的综合性能,突出的是红硬性好,抗磨擦磨损和粘着磨损性能极优,最适于在高温下的腐蚀、磨损、氧化等综合恶劣的工况条件下使用。

为了改善堆焊的工艺性,在这类合金中加入适量的硅、硼元素,使合金熔点降到1100℃左右,提高了合金液态流动性。但添加硼以后,硬度值升高,抗裂性变差,因而控制添加量,一般小于1.5%。

由于等离子弧热量集中、可控性好、具保护气氛,不含硼的钴基合金粉末亦能有很好的工艺性,采用合金粉末作填充料和采用镍基、钴基裸焊棒作填充料,能达到同样的工艺效果。

5 工艺

要获得高质量的钴基合金堆焊层,设备和粉末材料无疑都是重要的因素,但工艺控制也是最终体现工艺效果的重要环节。对于镍基、钴基合金堆焊,由于要求质量高,在工艺控制上要更加精细,要求过程更加稳定,在关键的质量点上要采取相应的工艺措施,以确保堆焊质量。根据我们的研究及生产实践,提供以下工艺控制方法供参考。

5.1 等离子弧稳定性

在整个堆焊过程保持等离子弧的稳定性,是保持堆焊过程稳定,获得高质量堆焊层的首要条件。产生和维持稳定的等离子弧是各相关因素的综合效果,主要的因素是:

(1)焊枪的调整 性能好的焊枪,要调整好才能产生稳定的等离子弧,发挥作用。焊枪的调整主要是调整钨极的内缩量和同心度。内缩量和压缩孔道长度基本一致。 保持钨极尖端和喷嘴压缩孔道的同心度十分重要,严重的不同心将会使弧柱偏斜。钨极尖端的形状,对于电弧稳定有很大影响,尖端烧秃了要即时打磨。

(2)离子气 离子气是产生等离子弧的介质,在喷嘴壁面产生冷气壁才能维持等离子弧的稳定,过大的离子气流量虽然对形成冷气壁有好处,但造成电弧过“刚”,穿透力过大而增加了母材冲淡率。过小的离子气流量不利于形成冷气壁将破坏等离子弧的稳定性。对于d6.5mm的喷嘴,离子气流量控制在350-400L/h为宜。

(3)喷嘴冷却 喷嘴冷却效果影响到冷气壁的形成,对等离子弧的稳定性至关重要。喷嘴的设计对壁面冷却效果是重要的因素,在设计已定的情况下,通过冷却水改善冷却效果。采用冷冻式换热增压循环供水系统,冷却水温度设定在15-25℃为宜。

(4)工艺参数的选择 选择适宜的工艺参数有利于保持等离子弧的稳定性。在工艺参数中转移弧电流是关键工艺参数,要选择适宜的电流规范,使焊枪运行在最佳状态,以维持稳定的等离子弧和保持堆焊过程的稳定性。

(5)粉末的输送 粉末往电弧里的输送会对电弧有干扰,保持良好的稳定的粉末输送状态,是维持等离子弧稳定的因素之一。维持喷射式送粉是有效的措施,一旦不能形或这种状态就要更换喷嘴。

(6)避免工艺故障 一旦出现喷嘴送粉孔结珠和堵粉;弧柱出现“双弧”;弧柱出现偏斜等工艺故障,等离子弧的稳定性便被破坏。要分析出现工艺故障的原因,采取相应措施,避免在堆焊过程中出现工艺故障。

(7)维持弧压稳定 维持弧压稳定除保持电弧功率稳定外,更重要的是保持弧柱长度稳定,这有利于保持等离子弧稳定。采用维持弧压稳定的自动调高机实现了这种要求。一般弧压在28~32V范围内选定。

5.2 工艺参数

堆焊系统有十几个工艺参数,除工作气流量、弧压设定等相对稳定的参数外,其他参数要根据工件堆焊量进行设定和搭配,首先选定熔敷率或堆焊速度参数,其他参数通过计算而确定。

1)焊道几何参数及堆焊量的计算 阀门密封面都是园环焊道,对每种堆焊件的几何尺寸是设计确定的,在操作界面上给出了尺寸图及设计值,键入尺寸值,PLC系统会自动按下列计算式给出该工件的合金堆焊量。

G=π(D1/2+D2/2)( D1/2-D2/2)hC×10-3

式中 G——单件堆焊合金量,g

D1——焊道外径,mm

D2——焊道内径,mm

h——堆焊层平均厚度,mm

C——堆焊合金的比重,g/㎝3

2)熔敷率的选择 熔敷率是单位时间堆焊到工件上的合金量,设定熔敷率即是设定堆焊速度,它是反映生产效率的参数。从提高生产效率出发,希望有较高的熔敷率,但它要受到整个堆焊系统的制约,提高熔敷率就要加大送粉量,加大转移弧电流等,使焊枪的运行功率及整个运行规范加大,这必然使整个运行状态的不稳定性增加,增加了出现工艺故障的几率,甚至到堆焊过程中由于出现工艺故障而不得不中止堆焊,这样反道降低了生产效率。因此耍兼顾效率和稳定性的因素,设定适当的熔敷率,以获得较高效率的稳定状态。

3)其他参数的设定 熔敷率设定后,根据单个工件的堆焊量,操作界面会自动给出其他参数的计算值。①将熔敷率换算成g/min再除以粉末利用率(粉末沉积效率,%),即是送粉量(g/min)。由于粉末利用率的估算偏差和其他参数的影响,送粉量的计算值和实际最适宜的数值会有一定偏差,操作界面上给出了修值的设定可予以调整。②根据熔敷率和所要求的单位时间堆焊量,操作界面上将自动计算出工件转速(r/min),经确认后自动调整好③新机型配置直线滑轨匀速数码控制摆动器,在“摆动参数设定”操作画面上可以精细设定“摆动频率”、“摆动幅度”、“左端留时间”、“右端留时间”,并可选择在收弧过程摆幅是否随转弧电流衰减而递减,这为获得平整美观的成形创造了条件。在堆焊过程中如发现摆幅过宽或欠宽,可在画面上即时修正。

5.3 转弧电流

转弧电流规范是影响堆焊层质量、外观成形、母材冲淡率最关键的参数,一般要观察熔池状况和堆焊成形来确定最适宜的转弧电流规范。从开始引燃转弧到堆焊过程结束,工件的热状态是变化的,为了保持较一致的熔池状态,那么转弧电流要随工件温度的变化进行适当的调整。根据一般的温度变化规律和自动调节简便,采用按角度区域分段预先设定转弧电流的工艺方案以解决这一矛盾。

5.4 焊道搭接与收弧

阀门密封面堆焊的质量关键在搭接与收弧部位,在这一部位不仅成形难以达到平整的理想状态,而且易出现火口裂纹和缩孔。应采取一些具体的措施,以保证焊层质量。

1)控制搭接与收弧的起始角度 焊道搭接起始角度在理论上应是360°,但因起始堆焊部位温度已上升到很高,因此应提前减电流。搭接起始角度提前5°~10°。完成焊道搭接段后转弧电流即可开始衰减。

2)控制停粉及粉末衰减 为了在搭接部位不缺肉和平整,一般在搭接部位不停粉,完成搭接后停粉或采取粉末递减的方式停粉。

3)控制搭接与收弧段的长度 由于起始焊道一般呈圆弧状,为了堆焊层在搭接部位不缺肉和平整,采取过了360°再搭接一定长度,一般搭接部位对应的角度选择5~15 °。收弧段即转弧电流衰减段的长度,要视工件大小及焊道宽窄确定,大工件焊道宽则衰减段长,反之亦然,一般10~30mm。

4)控制搭接段的电流规范 搭接段因是在温度高的堆焊层上施焊,因此降低转弧电流,下降数值要视熔池状态调整。

5)控制转弧衰减特性、速率与熄弧电流值 转弧衰减特性、速率与熄弧电流值的控制是控制质量的关键点,转弧电流呈线性衰减特性效果较好。电流衰减速率在15~25A/s范围内选择。熄弧电流值应控制较小,做到断弧时熔池已凝固。

6)控制收弧段的摆幅 为了使收弧段递减地缩小熔池,对于大工件宽焊道,采取随转弧电流递减,焊枪摆动幅度亦递减的方式收弧,更有利于避免产生缩孔及裂纹缺陷。电流截断摆动即停止。

各项工艺措施在触摸屏的操作界面上都已设置了窗口,只要键入设定数值即可完成工艺参数的设定和调整。

5.5热处理

堆焊完毕焊件要立即放入保温炉内或保温介质中保温缓冷,避免出现焊后裂纹。一般堆焊钴基合全要进行600~650℃的回火处理。

6 结语

粉末等离子喷焊机在不同领域的产品堆焊实践也证实,PTA技术的应用已是成熟可靠的。现在数字化控制的设备已具有智能功能,操作便捷,性能稳定可靠。尤为重要的是全数字化的粉末等离子喷焊机有强大的“专家系统”优化软件支持,能推荐适宜的堆焊材料和最佳工艺参数,以确保堆焊质量,节省材料消耗,提高生产效率。因此,应用PTA技术堆焊合金能带来显著的社会经济效益。


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