双金属排气阀的电子束焊接(上)

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　　排气阀是中低速船用柴油机运行工况最苛刻的零部件之一，不仅工作温度高达600～800℃，要承受较高的热负荷，而且还在诸如振动、冲击等机械负荷下运行,由此引起的热疲劳、机械疲劳、磨损、烧蚀及热腐蚀成为主要的损毁方式.上述问题还因为燃油的质量而进一步恶化.众所周知，世界油价在1973年和1986年两次大幅度上涨，迫使船主不得不使用劣质原油，使排气阀的寿命进一步降低.提高排气阀的热强度和热腐蚀抗力已成为保证中低速船用柴油机正常维修周期的关键.

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　　作为对策，一方面排气阀的设计者从结构上进行不断的改进，另一方面则采用超合金,如Nimonic80A和Nimonic81作为新的排气阀材料，其使用寿命已达1万h以上.不足之处是这种排气阀昂贵的造价令不少船主们难以接受，为此，人们又研制了双金属排气阀，即阀体损毁严重的部位采用超合金，其余部分仍为传统排气阀材料.MAN已用热等静压烧结方法成功生产出这种双金属排气阀.这无疑是生产质优价廉的排气阀的方向.本文拟介绍双金属排气阀的另外一种电子束焊接方法.

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　　1实验方法

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　　电子束焊接由于具有能量密度大、焊接线能量可精确控制等优点，已成功地用于超合金的焊接.用电子束焊接的双金属排气阀是在普通奥氏体不锈钢排气阀的阀座上焊接一个Nimonic80A超合金环(如图1所示).超合金环的内径和外径分别为300 mm和390 mm,厚度为20 mm.Nimonic80A经过标准的1080℃/8 h/空冷固溶处理和700℃/16 h/空冷时效处理.焊接过程将电子束聚焦至阀座与环的结合处，同时把奥氏体不锈钢和Nimonic80A融化形成熔池，不使用任何焊丝填料.焊接工艺参数如加速电压、束流、焊接速度、聚焦电流等的选择要在保证电子束刚好穿透工件的前提下使焊缝具有最大的深宽比和最小的热影响区，且无裂纹和气孔等冶金缺陷.用于焊接的排气阀和Nimonic80A超合金环的化学成分见表1.

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　　图1双金属排气阀的电子束焊接示意图

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　　表1双金属排气阀的化学成分(Wt.%)

	阀体材料	Nimonic80A
C	0.29	0.07
Mn	1.66	0.04
S	0.014	<0.001
P	0.023	<0.005
Si	1.36	0.16
Cr	20.82	19.51
Ni	8.31	76
Mo	0.38	—
W	2.50	—
Co	0.27	—
Fe	64.3	—
Al	—	1.40
Ti	—	2.59

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　　将完成焊接的3个双金属排气阀进行X光检验,一个在垂直焊缝的方向切取试样,观察分析焊缝和热影响区的组织,测试硬度及高温拉伸性能,其余两个进行装机实船考核实验.

　　2实验结果

　　(1)宏观组织焊缝及热影响区形貌见图2所示，焊缝深宽比为～10,未见明显热影响区，无可见冶金缺陷.

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　　图2双金属排气阀的焊缝

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　　(2)微观组织将样品横断面抛光，用硫酸铜溶液腐蚀后，在MM6金相显微镜下观察焊缝及热影响区的组织(如图3所示)焊缝为细小的树枝状结晶，柱状晶粒沿着与母材垂直亦即散热最快的方向生长，但并未贯穿焊缝,热影响区的宽度不足1 mm,未见裂纹或气孔等冶金缺陷.

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　　图3焊缝及热影响区的显微组织400倍

　　(3)维氏硬度分别测量了焊接母材、焊缝区及热影响区的维氏硬度,测试载荷为10 kg.结果见图4和表2.值得指出的是，为了考察焊接过程热循环的影响，同时测量了每个区域不同位置的硬度.

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　　图4硬度测量位置示意图

　　表2双金属排气阀焊接区的维氏硬度

	1	2	3
A	249	242	247
B	292	274	264
C	215	219	219
D	227	287	299
E	357	354	351

 

　　(4)高温拉伸高温拉伸温度为415℃.三个样品的直径为8 mm标距40 mm,σs、σb和δ测量结果的平均值分别为240 N/mm2,500 N/mm2和17.5%.样品均在远离焊缝的奥氏体不锈钢区域断裂.

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