焊粉受潮對等離子弧堆焊層氣孔的影響

劉金湘　陳銳　宋磊　許云飛　孫凡　俞增強　賀彥鵬

摘要：某先進堆型高溫液態金屬泵的靜壓軸承內壁需大面積堆焊司太立合金，由于司太立合金硬度高、韌性差，堆焊過程中預熱溫度高，熔池冷卻速度慢，且連續堆焊時間長，堆焊層易出現裂紋、未熔合、氣孔等問題。針對堆焊層內部出現的氣孔，逐一排查可能原因，確定主要原因是焊粉受潮。對焊粉進行烘干試驗和烘干前后的堆焊試驗，再現了焊接缺陷，由此規定焊粉使用前必須進行250 ℃×2 h的烘干處理，避免氣孔產生。

關鍵詞：司太立合金;等離子弧堆焊;氣孔;焊粉受潮

中圖分類號：TG445文獻標志碼：A文章編號：1001-2303（2020）05-0124-04

DOI：10.7512/j.issn.1001-2303.2020.05.26

0 前言

司太立合金因其優良的高溫耐磨性能，在各種閥門、軸套、軸瓦等零件中得到了廣泛應用[1]。某先進堆型高溫液態金屬泵的靜壓軸承內壁需大面積堆焊司太立合金，總堆焊面積接近2 m2。堆焊完成后需對堆焊層表面進行PT檢測，不得有任何線性顯示，圓形顯示的直徑不能超過3 mm。由于司太立合金硬度高、韌性差，堆焊過程中預熱溫度高，熔池冷卻速度慢，連續堆焊時間長，因此最終堆焊層很容易出現裂紋、未熔合、氣孔等問題。根據零件形狀及工藝要求選用焊粉作為填充材料，采用等離子弧堆焊工藝，將焊粉堆焊在母材表面[2]。等離子弧堆焊具有熱量集中，稀釋率低、焊接效率高的優點。能夠較好地實現半自動堆焊，可以在高溫條件下連續作業，進行大面積堆焊。

本項目制作的靜壓軸承內圓直徑約φ600 mm，長度約1 000 mm，壁厚約80 mm。需在內壁堆焊司太立合金，堆焊層厚度不小于5 mm。堆焊材料為SFA

5.21 ERCoCr-A，其化學成分如表1所示。

堆焊完成后對堆焊層進行硬度檢測，滿足39～47 HRC的硬度要求。將堆焊層表面去除約1 mm后再次進行PT檢測，發現堆焊層內部出現26個直徑約0.5～1 mm的圓形氣孔，如圖1所示。針對氣孔產生原因進行分析，以便后續堆焊時不再出現類似問題。

1 等離子堆焊氣孔缺陷產生機理

氣孔是焊縫的主要缺陷之一，是焊縫金屬凝固過程中由于侵入氣體而形成的氣囊或空穴。一般呈圓形或圓柱形，是具有自由表面的孔洞[3]。

形成氣孔的根本原因是焊接過程中存在的各種氣體。當焊接熱源使熔滴與熔池液體金屬過熱，氣體過飽和地溶解于熔池金屬內，隨著焊接熱循環急速冷卻，溶解度下降而析出，隨同焊接冶金反應中產生的氣體，在金屬結晶過程中出現的非金屬夾雜物的胚核誘發下產生氣泡，這種氣泡來不及從熔融金屬中逸出即導致氣孔[4]。

氣孔主要分為CO氣孔、H2氣孔及N2氣孔。本次出現氣孔的位置全部在焊道內部，必須表面光出一部分焊道后才能發現氣孔，較符合H2和CO氣孔的特點。

堆焊過程中氣孔的影響因素有：母材成分、焊粉成分、工件表面狀態、保護氣體成分、焊粉吸潮程度、焊接規范、焊接位置、氣體保護條件、環境條件、焊接設備和附屬裝置。

由于之前已經完成過軸瓦工藝件的堆焊，所用母材、焊材成分及結構形式基本一致，未出現氣孔問題，因此基本可以排除除焊粉受潮之外的影響因素。

2 兩批次焊粉對比試驗

2.1 兩批次焊粉外觀對比照片

將未出現氣孔的軸瓦工藝件使用的A焊粉（生產日期八月）與堆焊層出現氣孔的B焊粉（生產日期五月）在光學顯微鏡下放大50倍進行觀察，結果分別如圖2、圖3所示。可以看出，焊粉外觀無明顯差別。

2.2 兩批次焊粉堆焊后焊道對比照片

將已經堆焊好的軸瓦工藝件在堆焊層中間車出3條圓槽進行整圈補焊試驗。其中槽1采用B焊粉;槽2和3采用A焊粉;保護氣體為純氬氣;3條環槽的焊接工藝參數與之前出現氣孔的軸瓦一樣;3條環槽所采用的焊接設備、保護氣體、焊槍均完全一致。

焊接完成后對堆焊層表面進行PT檢測，無缺陷顯示，如圖4所示。將堆焊層表面光出后進行PT檢測，發現槽1中有18處圓形缺陷顯示，符合氣孔特征。槽2和槽3無缺陷顯示，如圖5所示。缺陷局部放大照片如圖6所示。可以看出，槽1有氣孔，槽2和槽3無缺陷顯示。即B焊粉堆焊后產生氣孔，A焊粉堆焊后未產生氣孔。

2.3 焊粉烘干試驗

根據上述試驗，分析可能是焊前未對焊粉進行烘焙，影響了堆焊層質量，導致出現氣孔。因此從庫房領出未開封的B焊粉進行烘干前后質量對比試驗。烘干前焊粉質量為1 652.15 g，在250 ℃烘干2 h后，焊粉質量變為1 650.50 g，如圖7所示。可見烘干前焊粉中含有約1.65 g水分，其進入熔池可能會導致熔池產生氣孔。烘干不充分的焊粉裝進焊粉桶后在桶內形成的水汽照片如圖8所示。

2.4 焊粉烘干后進行的堆焊試驗

為確定工程樣機采用的焊粉在烘干后是否還會產生氣孔，在軸瓦工藝件堆焊層表面進行堆焊試驗。采用B焊粉，使用前經過250 ℃×2 h烘干處理，堆焊2圈，均2層。焊接工藝參數及焊接設備、焊槍、保護氣體形式等均保持不變。堆焊完成后焊縫外觀照片如圖9所示，未發現氣孔。焊粉堆焊2層后進行PT檢測，照片如圖10所示，無缺陷顯示。焊道表面車除2 mm后對此堆焊層表面進行PT檢測，照片如圖11所示，未發現任何缺陷顯示。

3 結論

經上述試驗可知，導致堆焊層氣孔產生缺陷的主要原因是焊粉受潮。A批號焊粉未經烘干也未產生氣孔的主要原因可能在于該批次焊粉為八月份生產，氣溫較高，空氣濕度低，B批號焊粉為五月份生產，空氣濕度高，A焊粉在包裝時進入包裝瓶過程中吸收水分比B焊粉少。因此后續產品在堆焊前，所使用的焊粉必須先經過250 ℃×2 h的烘干處理，避免焊粉受潮導致堆焊層產生氣孔。

參考文獻：

[1] 湯丹，王建新. 鈷基合金在閥門密封面上的應用[J]. 閥門，2012（5）：19-22.

[2] 李明，高捷，李輝. 閥門密封面粉末等離子堆焊鈷基合金技術研究[J]. 閥門，2010（6）：8-12.

[3] 遲立茹，徐恒文. 閥門等離子弧堆焊層氣孔的排除[J]. 工業技術，2007（9）：83.

[4] 徐曉，顏波，張河清. 閥門堆焊產生氣孔和裂紋原因的分析[J]. 焊接，2000（5）：24-26。

[5] 周敏惠，於美甫. 焊接缺陷與對策[M]. 上海：上海科學技術文獻出版社，1989：142-175.