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双金属排气阀的电子束焊接
关德林，于志伟

摘要：与Nimonic80A超合金排气阀相比,奥氏体不锈钢与Nimonic80A的双金属排气阀不但具有同样优异的热强度和热腐蚀抗力,而且价格低廉．研究了双金属排气阀的电子束焊接方法，对焊缝和热影响区的组织结构、力学性能及可焊性进行了分析讨论．

关键词:排气阀;电子束焊接;可焊性
分类号:TG113.263　　　文献标识码：A
　　文章编号：1006-7736(1999)03-0075-04
Bi-metal exhaust valve spindle by electric beam welding
GUAN De-lin1,YU Zhi-wei2
（1.Marine Engineering College,Dalian Maritime Univ., Dalian 116026,China;
2.Institute of Materials and Technology,Dalian Maritime Univ., Dalian 116026,China)
Abstract：Bi-metal exhaust valve spindle of austenitic stainless steel and Nimonic80A superalloy has been found to exhibit a strength and corrosion resistance at high temperature as well as Nimonic80A valve spindle. The bi-metal valve spindle by electric beam welding was studied. In conjunction with metallographic examination of weld and heat affect zone, and evaluation of mechanical properties, the weldability is discussed.
Key words:exhaust valve spindle;electric beam welding;weldability
　　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．
　　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［1］．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．
1　实验方法
　　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．
图1　双金属排气阀的电子束焊接示意图
表1　双金属排气阀的化学万分(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

　　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．

图2　双金属排气阀的焊缝

　　（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．
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．
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．
　　（5）装机实船考核　两只排气阀寿命均已超过1万 h,阀座的平均烧蚀速率小于0.3 mm/1000 h．

3　讨论
　　(1) 焊缝及热影响区的组织结构变化　焊接熔池金属的凝固结晶过程及毗邻的母材金属在其作用下的热循环直接影响焊缝及热影响区的组织结构，显然这与焊接方法及焊接过程的工艺参数密切相关．假使焊缝熔池的成分为奥氏体不锈钢与Nimonic80A成分的平均值如表3所示.
表3　焊缝成分的计算值
C
Mn
S
P
Si
Cr
Ni
Mo
W
Co
Fe
Al
Ti
0.18
1.35
0.007
0.012
0.76
20.1
42.1
0.19
1.25
0.15
32.2
0.7
1.3
　　该成分的铬镍比为0.5,远大于Suutala 裂纹敏感系数比值1.48［2］．由焊缝的硬度值可知在凝固结晶过程中极少或者没有强化相析出，这对于防止焊缝出现热裂纹是有益的．
　　此外,在奥氏体不锈钢的热影响区,硬度值沿着焊缝从上至下的方向递减．而Nimonic80A则呈递增趋势,这无疑是由于在焊接过程中焊缝上部的热输入大于下部,从而使热影响区产生了温度梯度所致．因为在不同的温度,碳化物的析出及γ′相的溶解动力学不同．靠近焊缝上部的热影响区温度高于下部,奥氏体不锈钢中可析出较多的碳化物,使硬度升高．与之相反,Nimonic80A的时效处理后析出的γ′强化相在高温时则会溶解,使硬度降低．显然,使该硬度差值保持在某一临界范围对于保证排气阀的使用性能是必要的．高温拉伸试样均断裂在奥氏体不锈钢的母材区,证明上述焊缝及热影响区的组织状态具有较高的热强度．
　　(2) Nimonic80A超合金的可焊性　一般认为,由铝钛强化的超合金在焊接时有较强的裂纹敏感性, 因此在凝固结晶过程中焊缝及热影响区有较强的凝固裂纹、液化裂纹及应变时效裂纹生成倾向,不同的焊接方法和工艺参数有不同的裂纹敏感性．此外, 裂纹敏感性还与γ'相形成元素总量有关,有人指出,当总量超过6%时则热裂纹敏感［3］．Nimonic80A超合金的铝钛总量在4%左右, 裂纹敏感系数为10％～15%,仍属可焊类．除了Al,Ti之外S,Si,C,B等元素对焊接性能也有较大影响,这些元素几乎全部富集在晶界上,在凝固过程中极易形成沿晶界的液态膜导致裂纹,Arata等人尚为此定义出脆性温度范围（BTR）［4］．值得指出的是虽然焊缝金属的Al、Ti含量比Nimonic80A低,但是S、P含量却高出许多,而且裂纹敏感性还会因为高速冷却条件下的偏折而增加．因此选择合适的焊接方法和焊接工艺参数及严格控制焊接母材的杂质含量是十分重要的．在本实验中焊缝及热影响区均未有可见裂纹,说明电子束焊接方法及采用的工艺参数对奥氏体不锈钢与Nimonic80A超合金的焊接是可行的．
4　结论
　　（1）由奥氏体不锈钢和Nimonic80A构成的双金属排气阀可用电子束焊接的方法完成,运行寿命已超过1万h．（2）焊缝由细小的树枝状柱晶组成,热影响区宽度～1 mm,未有可见的裂纹及气孔等冶金缺陷．（3）焊缝及热影响区的热强度均高于奥氏体不锈钢母材．

收稿日期：1999-04-10
作者简介：关德林(1946～)，男，教授
作者单位：关德林　大连海事大学　轮机工程学院，辽宁　大连　116026;
　　　　　于志伟　大连海事大学　金属材料工艺研究所，辽宁　大连　116026
参　考　文　献
［1］　Service Experience of The MC Engines［R］． MAN B&W Diesel A / S.
［2］　Lippold J C. Solidification Behavior and Cracking Susceptibility of Pulsed -Laser Welds in Austenitic Stainless Steels［J］． Welding Journal June, 1994，73（6）：129．
［3］　中国机械工程学会焊接学会编.焊接手册［M］.北京:机械工业出版社，1992.
［4］　Arata Y , Matsuda F and Katayama S. Trans Solidification Crack Susceptibility in Weld Metals of Fully Austenitic Stainless Steels［J］． Trans JWEI,1977， 6(1)：105．