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阀门密封面制造应用

阀门密封面制造应用
PPW工艺的 优越性及经济性分析

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。在采用 联合型等离子弧喷焊时,一般采 用等离子焊机作电源,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8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),最能充分发挥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最佳方案,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。

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。
 

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