小孔径销孔氧—乙炔焊钴基合金堆焊工艺研究

马远路+朱蓉+姚婷+潘继军+黄天亮

摘 要：文章通过分析小孔径氧乙炔钴基合金堆焊过程中出现的火焰燃烧不稳定、回火爆枪、操作空间受限及堆焊层硬度超标等问题，以氧乙炔焊炬为问题切入点，研制专用水冷焊嘴及后接部件，通过专项试验证焊炬的安全性、可靠性及堆焊工艺实施的可行性。

关键词：小孔径销孔；氧乙炔堆焊；工艺研究

中图分类号：TG4 文献标志码：A 文章编号：2095-2945（2018）03-0059-02

Abstract： In this paper， the problems of flame combustion instability， backfire， operating space limitation and surfacing layer hardness in the process of small pore oxygen acetylene base alloy surfacing welding are analyzed， and the oxygen acetylene torch is taken as the starting point. The safety， reliability and feasibility of surfacing welding process were studied by special test on the safety and reliability of the welding torch.

Keywords： small aperture pin hole； oxyacetylene surfacing； process study

1 概述

氧乙炔火焰作为一种多用途堆焊热源，火焰温度较低（3050～3100℃），火焰能率可调，堆焊熔深浅，稀释率低（1%～10%）等特有的属性，在不锈钢母材钴基合金堆焊领域等到广泛应用，特别是在堆焊过程中对熔敷金属有增碳要求时，氧-乙炔堆焊有着其他焊接方法不可替代的工艺优势。在堆焊小孔径销孔（φ16mm至φ30mm）、小型阀门及深槽轨道等相对密封的特殊结构堆焊时，会出现操作空间受限，随着堆焊时间的延长，出现火焰焰型燃烧不稳定、回火“爆枪”及堆焊层硬度超标等问题，严重影响堆焊的堆焊质量。

2 问题分析

2.1 火焰燃烧不稳定

在堆焊过程中随着气瓶内气体储存量的减少、压力减小，造成火焰性质的转变，操作人员需要根据经验对火焰进行观察，调节气体流量，火焰的稳定性很差。

2.2 回火爆枪问题

在小孔径销孔、小型阀门及深槽轨道等相对密闭空间内长时间堆焊，由于结构受限产生回旋火焰对焊炬自身加热，随着焊炬温度的不断升高，达到乙炔燃点时就会发生回火爆枪现象，每次回火爆枪都会造成局部堆焊层密集性气孔、夹渣、硬度超高等质量问题。

2.3 焊炬结构尺寸

目前现行国家标准JB/T6969系列焊炬的整体结构尺寸比较大，不太适合小孔径销孔、小型阀门及深槽轨道等相对密封的特殊结构堆焊。

3 解决方案

通过对上述问题的综合分析，从以下三个方面制定解决方案。首先，通过研究以射吸式焊炬为基体，分别在氧气调节阀和乙炔调节阀增设气体流量计，在堆焊过程中动态检测气体流量变化，随时对气体流量作出调整，稳定火焰焰型；其二，针对焊炬温度过高发生回火爆枪现象，研制水冷焊炬，解决焊炬因长时间在相对密闭空间内堆焊焊炬过热产生的回火爆枪问题；第三，结合堆焊产品的结构尺寸特点，研制专用焊炬，拓展其在小型密闭空间内堆焊的可操作性。

4 方案实施

4.1 设计选材

依据GB/T6969第5.6条规定“焊炬所有气体通路零件应用抗腐蚀材料制造，乙炔通路的零件不能用含铜量大于70%的合金制造”，所以焊炬主体材料以黄铜为主；焊嘴选材为紫铜（T2），增加其热传导性，提高循环水冷却效果。

4.2 主要结构设计

焊炬整体结构设计遵循GB/T6969的标准规定要求，整体结构尺寸按比例进行设计，对最关键的焊嘴和后接体部件进行创新设计，增加循环水冷却功能和气体流量控制检测功能。实现整个堆焊过程中对焊嘴进行动态冷却和对氧气、乙炔气体流量进行在线检测，实现动态调整。

4.3 装配技术要求

各零件加工完成后，装配应达到以下技术要求：

（1）各气阀应保证灵活地关闭气路及均匀地调节流量。

（2）焊嘴与焊炬接头的配合、软管接头与后部接体的配合应能保证气密和互换。

（3）焊炬各密封螺母配合处的螺纹应有1～3个螺距的调整余量。

4.4 密封性试验

4.4.1 试验要求

（1）焊炬所有气管连接处和气阀在下列进气压力下不允许漏气：

a.氧气通路内：按最大氧气工作压力提高50%；b.乙炔和混合气通路内：压力为0.25MPa。

（2）循环冷却水管路连接处在0.6MPa水压下不允许有漏水现象。

4.4.2 试验方法

（1）焊炬在第1条规定的压力下，通入压缩气体，在气阀关闭和打开两种状态下，浸没在水中持续20s，各气阀和所有连接处不允许漏气。

（2）焊炬在第2条规定的压力下，通入0.6MPa循环水，保持30min，在所有接头处不得有水珠或漏水现象。

4.4.3 试验结果

试验过程中未出现漏气现象；在循环水冷却过程中，未出现漏水现象。

4.5 抗回火试验

4.5.1 试验要求

（1）在氧气工作压力為0.4MPa，乙炔压力为0.006～endprint

0.008MPa时进行燃烧试验，焊炬的焰芯形状呈圆柱状，顶端为圆锥形或半球形，不允许有偏斜和弯曲。

（2）在风速10m/s工况下，焊炬火焰燃烧应稳定。

（3）在持续燃烧的情况下不允许有回火现象（爆鸣现象）。

4.5.2 试验方法

（1）将焊炬火焰朝上与地面垂直，在自然状态下保持30s，观察焊炬焰心形状。

（2）试验前，采用ZRQF-F30J型号风速仪测量试验风速，将焊炬嘴引燃，按额定流量调节成中性火焰，稳定30s 后，使火焰与风向垂直风速为10m/s处，若焊嘴的焰芯在10s内能正常燃烧为合格。

（3）抗回火试验按下列步骤进行。首先开启循环水冷却系统，引燃焊炬，按焊接过程中使用的最大气体流量调节成标准的中性焰，稳定30s后将焊嘴深入直径为Φ16mm，深8mm的盲孔内，继续稳定30s，工件以10转/min开始旋转，高速燃烧火焰在盲孔内产生大量火焰回旋，对焊嘴本体进行持续加热，保持30min，不发生回火爆枪现象为合格。

4.5.3 试验结果

（1）通过观察整个试验过程，火焰焰芯形状呈圆柱状，顶端为圆锥形，整个过程未发现焰心有偏斜，分叉及弯曲现象，完全符合试验要求。

（2）观察整个试验过程未发现有火焰跳动、灭火等现象，整个试验过程满足试验要求。

（3）焊炬在盲孔内燃烧30min后，未出现回火现象，在试验完成后及時采用MS6506型号测温仪对焊嘴部位进行温度测量，其显示值为10℃（当时室温温度为8℃），焊炬的水冷试验结果完全达到设计要求。

5 堆焊工艺性试验

5.1 试验要求

采用直径16.0-14.8深度为14的锥孔进行堆焊工艺试验，详细记录整个堆焊试验过程，同时对堆焊层表面进行PT检验及HRC硬度检测，探伤及检测应满足下述要求：

（1）PT检验不得出现线性显示；大于4mm的圆形显示；3个或3个以上排列在一条直线上，且两显示间边与边的距离小于3mm的显示；以最不利的方式选择的最大边长不大于20cm的100cm2的矩形表面上存在5个或5个以上的密集显示。

（2）将堆焊层厚度加工掉2mm，至少测量5个HRC硬度值，其硬度值应在38HRC～50HRC之间，且最大值与最小值差值不得大于5HRC。试验方法按照GB/T230进行。

5.2 试验方法

（1）按3件一组进行三组堆焊试验，焊丝：牌号Stellite6，直径φ2。

（2）调整火焰参数至碳化焰比例为1：1.5（焰心与内焰比例），注意观察火焰比例，适时对流量进行调整。

（3）记录每一件的堆焊时间及过程中回火爆枪次数。

（4）堆焊后工件加工Φ12的通孔，对堆焊层进行PT探伤。

（5）在直径Φ12的圆周上均布测量10个HRC硬度值。

5.3 试验结果

整个堆焊试验过程火焰焰型燃烧稳定，单件堆焊时间稳定在28min至30min之间，三组试验中未发生回火爆枪现象。PT探伤结果满足试验结果要求，堆焊层硬度检测结果值在41HRC至45HRC之间。整个试验过程及检验、检测结果基本满足试验要求，达到了预期的试验要求。

6 结束语

通过分析小孔径氧乙炔钴基合金堆焊过程中出现的火焰燃烧不稳定，回火爆枪，操作空间受限等焊接问题。分析研究问题根源，以氧乙炔焊炬作为解决问题的切入点，通过研制专用的水冷焊嘴及后接部件气体流量检测系统，比较圆满的解决了火焰燃烧不稳定、回火“爆枪”及操作空间受限等问题，通过了最终的钴基合金堆焊试验。

参考文献：

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