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阀门密封面制造应用PPW工艺的优越性及经济性分析
阀门密封面制造应用
PPW工艺的优越性及经济性分析
• 武汉高力热喷涂工程有限责任公司 高捷•
摘要：本文介绍了等离子粉末喷焊技术的原理、特点以及在阀门密封面制造中应用的
优越性及经济性分析。
Abstract: The article introduces the principle & characteristic of Plasma Power Welding and analyzs the superiority & advantage of the application of the technology on manufacturing sealing components of valve.
一、基本原理
等离子粉末喷焊（Plasma Powder Welding 简称PPW）是一种先进的堆焊工艺。它是采用氩气等离子电弧作热源（转移型等离子弧为主，非转移型等离子弧为辅），采用粉末状合金作填充料的自动堆焊方法。图1是PPW基本过程示意图。在采用联合型等离子弧喷焊时，一般采用两台独立的直流弧焊机作电源，分别供给非转移弧和转移弧。两个电源的负极并联在一起，通过电缆接至喷焊枪的钨电极（负极）。非转移弧电源正极通过电缆接喷焊枪喷嘴，转移弧电源正极通过电缆接工件。冷却水通过水冷电缆引至焊枪，冷却喷嘴和电极。氩气通过电磁气阀和浮子流量计进入喷焊枪。电源接通后，借助高频火花引燃非转移弧。再借助非转移弧弧焰在钨电极和工件之间造成的导电通道，引燃转移弧。转移弧引燃后，可保留或切断非转移弧。主要利用转移弧在工件表面产生熔池。合金粉末由送粉器按需要量连续供给，借助送粉气流（也用氩气）送入焊枪，并吹入电弧中。合金粉末在弧柱中被预先加热，呈熔化或半熔化状态，喷射到工件熔池里，在熔池里充分熔化，并排出气体和浮出熔渣。通过调节转移弧和非转移弧电流，送粉量和其它工艺规范参数，来控制熔化合金粉末和传递给工件的热量。随着焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐凝固，便在工件上获得所需要的合金熔敷层。
二、特点
等离子喷焊由于利用等离子弧作热源和采用合金粉末作填充金属，从而与其他表面堆焊方法相比较，具有以下特点：
（1） 生产率较高，目前熔敷率达到了9公斤/小时，接近生产率高的埋弧自动焊，超过了常用的手工电弧堆焊和氧炔焰堆焊。
（2）母材对合金冲淡率低，由于工艺上可调规范差数多，能主动控制热量输入；合金粉末在弧柱中被预先加热，呈喷射状过渡到熔池，对电弧吹力有缓冲作用，熔池受热均匀，因而可控制母材熔深，降低母材对合金的冲淡率。冲淡率可控制在5-15%范围内，接近氧炔堆焊，而大大低于其他方式的堆焊。
（3）喷焊层成形平整、光滑，成形尺寸范围宽并可精确控制，通过改变规范参数，一次喷焊可控制宽度3-40毫米，厚度0.25-8毫米，这是其他堆焊方法难以实现的。
（4）喷焊层质量和工艺稳定性好，由于等离子弧稳定性好，外界因素的干扰（周围气流的流动，喷焊枪距工件的高低，角度的微小变化等）对电参数（弧压、弧电流）和电弧稳定性影响较小，从而使工艺易于稳定。合金粉末熔化充分，飞溅少，熔池中熔渣和气体易于排除，容易消除焊层内气孔，夹渣等质量缺陷。由于等离子弧温度高，热量绩中。喷焊速度快，一次熔成，使工件热影响区小。喷焊层合金组织晶粒细，硬度和化学成分均一，喷焊层质量好。
（5）合金粉末制备简便，使用材料范围广。喷焊用合金粉末系熔炼后直接雾化成球状粉末，制备简便，不象丝极材料那样，受铸造、轧制、拔丝、磨削等加工工艺限制。可按需要配方，熔炼成各种成分不同的合金粉末，获得各种不同性能的合金熔焊层，以适应不同条件下对零部件表面性能的要求。喷焊合金材料的种类多，有钴基、镍基、铁基、铜基等。一般具有硬度高、耐磨、耐热、耐腐蚀的合金，是难以制成线材和用其他工艺方法堆焊，而将这些合金制成粉末，用等离子喷焊却是简便易行的。
（6）喷焊过程自动进行，易于实现机械化和自动化操作，减轻劳动强度。
三、在阀门密封面制造上应用的优越性
在阀门密封面制造上采用PPW工艺代替手工电弧堆焊（或手工火焰堆焊），能充分发挥PPW工艺的特点，而显现出独特的优越性。这是因为阀门密封面是阀门的“心脏”，阀门密封面的制造工艺和材料直接关系到阀门的质量和使用寿命，也关系到阀门的制造成本。对于阀门密封面要求有一定的硬度范围和硬度的均匀性，要求有良好的耐擦伤性能和一定的耐腐蚀性，对合金的成分也有相应的要求。
对于量大面广的中温中压阀门和高压阀门，耐腐蚀阀门，其密封面制造基本上是采用合金堆焊。普遍采用的手工电弧堆焊，由于母材冲淡率高，单层堆焊达不到硬度和合金成分的要求，一般要堆焊2-3层。对高温高压阀和耐腐蚀阀门的密封面要求堆焊昂贵的钴基或镍基合金，采用手工堆焊，不仅材料利用率低，而且质量难以保证。手工堆焊成形很差，机械切削量大，这也是影响制造成本的因素之一。采用PPW工艺，其工艺特点正好是解决阀门密封面手工堆焊诸多问题的佳方案，其突出优越性有：
1、 由于可控制母材冲淡率，单层喷焊就能达到硬度均匀性和合金成分的要求，节省合金用量。
2、 尤其适合喷焊昂贵的钴基和镍基合金，喷焊层质量好，合金利用率高，不仅保证了质量而且降低了密封面制造成本。
3、 由于喷焊层成形好，表面平整光滑，可以较精确地控制成形尺寸，因而容易切削，减少机械加工工时。
4、 用铁基合金喷焊代替手工堆焊2Cr13不需要进行退火处理，省掉了退火—淬火的处理程序。
5、 生产效率高，是手工堆焊的3倍以上。
由于有上述的优越性，因而在阀门密封面的制造上采用PPW工艺，是优质、高效、低耗的制造方法，有显著的社会效益和直接的经济效益。
四、经济性分析
对于量大面广的中温中压阀（全国每年产量是数十万吨），目前制造厂大都采用简单易行的手工堆焊2Cr13。用PPW工艺能否代替手工堆焊2Cr13，关键在于能否降低密封制造成本。密封面制造成本主要由：（1）堆焊材料成本；（2）堆焊工时成本；（3）堆焊层机加工成本；（4）热处理成本等构成。现就这四方面分析经济性。
1、 堆焊材料成本
堆焊材料成本主要由堆焊材料的消耗量和材料的价格所决定。对于某一型号是规格的阀门密封面堆焊层的厚度、宽度是有设计要求的，堆焊材料的消耗量取决于堆焊合金的利用率。堆焊合金的利用率又取决于母材冲淡率和外观成形。由于手工电弧堆焊母材冲淡率高，要堆焊两遍以上才能符合要求，因此堆焊层成品设计厚度一般要大于3mm。而PPW工艺，母材冲淡率低，只要焊一遍即达到要求，堆焊层成品设计厚度可降低到2mm。由于手工堆焊成形差，高低不平，一般要加厚加宽，合金堆焊层的利用率仅在40%左右。PPW工艺合金堆焊层的利用率可达70%。
手工电弧堆焊除去焊条的药皮和焊条头，材料的利用率仅70%，而PPW工艺合金粉末的利用率可达95%。
表1 将两种工艺堆焊材料消耗量及材料成本费用作了比较。分析比较结果表明，虽然焊条比合金粉末便宜，但由于焊条手工堆焊的利用率低，耗费材料的重量是PPW工艺的3倍多，因而手工电弧堆焊材料成本费用是PPW工艺的1.9倍。这是一个很惊人的数字，如果各阀门厂每年消耗的2Cr13焊条总计为100T，材料费为330万人民币，用PPW工艺，铁基合金粉末消耗为33T，材料费用约为182万，仅材料费用就节省148万。
|
成本项目 |
PPW工艺
喷焊Fe基合金 |
手工电弧堆焊 2Cr13
|
|
密封面堆焊层合金有效重量，Kg |
1 |
1.5 |
|
堆焊层合金利用率 |
70% |
45% |
|
堆焊层合金重量, Kg |
1.43 |
3.33 |
|
堆焊材料利用率，% |
95% |
70% |
|
堆焊合金材料消耗量，Kg |
1.5 |
4.76 |
|
合金材料单价，元/公斤 |
55 |
33 |
|
材料成本费用，元 |
82.5 |
157 |
|
材料成本费用之比 |
1 |
1.9 |
2、 堆焊工时成本
堆焊工时成本取决于每一个劳动力的生产效率，手工电弧堆焊和PPW工艺堆焊都只需要一个工人操作，手工电弧堆焊每班一个工人的堆焊量平均为12Kg左右，而PPW工艺，每班一个工人的堆焊量可达到20 Kg，按照堆焊材料消耗之比，手工电弧堆焊每班一个工人如果堆焊闸板为12件，那么PPW工艺可喷焊闸板为60件，生产效率是手工电弧堆焊的5倍。如果手工电孤堆焊每一件工时费为10元，那么PPW工艺的工时费每件仅为2元。堆焊工时成本大幅度降低。
3、堆焊层机械加工成本
由于PPW工艺，喷焊层平整光滑，切削量少，虽然焊层硬度提高，但可实现连续切削，不打刀，总的机械加工工时要低于手工电孤堆焊，机械加工成本约降低20%。
4、热处理成本
手工电孤堆焊2Cr13，按照制造工艺，堆焊完毕后，由于焊层很硬无法加工，要经退火处理才能加工。机械加工完毕后为了达到密封面规定的硬度，又必须经高频淬火，再研磨。很多阀门厂不重视密封面质量，退火机械加工后，不再进行高频淬火处理，这样密封面硬度低，耐擦伤性能差。
PPW工艺，喷焊层硬度在规定要求的范围之内，不需要再经过热处理（喷焊合金无淬硬性），而是直接经机械加工成成品，可省去耗电量大，容易出现质量问题的热处理工序。PPW工艺，不仅提高了阀门密封面质量，而且降低了制造成本。
从以上密封面制造成本的经济性分析，可以显示PPW工艺在阀门制造上应用有着可提高质量，降低成本，提高效率等显著的优越性。如果能在阀门制造行业较全面的推广应用PPW工艺，代替落后的手工电孤堆焊，将获得明显的社会效益和企业经济效益。
