堆焊技术简介

堆焊技术简介背景堆焊材料堆焊工艺流程实际问题钢铁工业是国民经济的重要基础产业，我国是钢铁工业大国，对轧辊的需求量非常大，轧辊是轧钢的主要部件，也是轧机的主要消耗部件。轧辊的过量消耗给轧钢厂增加了生产成本，引起了业内人士的高度重视。一般从两个方面解决这个问题：（1）通过合金化等手段提高新轧辊材质的硬度与耐磨性，延长新辊的使用寿命。（2）对旧辊实施修复处理，提高轧辊的利用率，降低成本。一、背景1.1堆焊的概念堆焊是指将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。堆焊的目的与一般焊接方法不同，不是为了连接工件，而是对工件表面进行改性，以获得所需的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷层，或回复工件因磨损或加工失误造成的尺寸不足。这两方面的应用在表面工程学中称为强化与修复。1.2堆焊的应用及特点应用：（1）零件的修复：常用于轧辊、轴等易磨损或易腐蚀零件的修复，这是我国堆焊技术主要运用形式。据资料介绍，堆焊技术总量的72.2%用于零件的修复工作，由于修复的费用比制造新产品时低很多，并且零件的使用寿命也比新产品要长，所以在零件修复工作中广泛采用堆焊工艺。例如采用堆焊工艺修复轧辊的费用是制造新轧辊的30%，对应轧制金属量提高3-5倍。（2）零件的制造：由于表面工程技术的发展，国内外都十分总是改善零件表面性能以满足工作条件的要求。例如采用堆焊工艺制造双层金属的新零件，就是将零件的基体与表面堆焊层选用具有不同性能的材料制造，使这样制造具有符合要求的耐磨、耐蚀等特殊性能。但是由于只有工件表面有一层堆焊上的特殊材料，不仅节约了大量的金属，而且提高了零件的使用寿命。高铬合金耐磨堆焊复合钢板特点：（1）堆焊层合金成分是决定堆焊效果的主要因素。（2）尽量降低稀释率是安排堆焊工艺的重要出发点。（3）需要根据实际要求选择堆焊生产率高的方法。（4）需要注意堆焊金属与基体金属的配合，最好有相同或相近的线膨胀系数和相变温度。1.3堆焊相理论堆焊金属组织的一般规律堆焊离不开熔焊，因此要了解堆焊，就必须了解一般熔焊。而其中最重要的是焊缝的特点。它包括了焊池的形成，焊缝的结晶两个因素。（1）焊池的形成。（2）焊缝的结晶。堆焊前，有两个问题需要解决。一是堆焊材料的选择，二是堆焊工艺的制定。堆焊材料是堆焊时形成或参与形成堆焊合金层的材料，例如所用的焊条、焊丝、焊剂和气体等。每一种材料只有在特定的工作环境下，针对特定的焊接工艺才表现出较高的使用性能，了解和正确选用堆焊材料对于能否达到堆焊的预期效果有着极其重要的意义。2.1堆焊材料的分类方式二、堆焊材料根据堆焊合金的主要成分可划分为：铁基堆焊合金碳化钨堆焊合金铜基堆焊合金镍基堆焊合金钴基合金根据堆焊合金层的使用目的划分为：耐蚀堆焊耐磨堆焊隔离层堆焊根据堆焊合金的形状可划分为：丝状、条状、带状、粉粒状、块状堆焊合金表堆焊材料的形状及适用的堆焊方法堆焊材料的形状适用的堆焊方法丝(dw=0.5～5.8mm)熔化极气体保护电弧堆焊、震动堆焊、埋弧堆焊带(t=0.4～0.8mm，B=30～300mm)埋弧堆焊、电渣堆焊铸棒(dw=2.2～8.Omm)钨极氩弧堆焊管状焊丝自保护电弧堆焊、埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊焊条手工电弧堆焊2.2堆焊材料的简单介绍（按照合金成分）铁基堆焊合金的性能变化范围广，韧性和耐磨性配合好，并且成本低，品种也多，所以使用十分广泛。铁基堆焊由于碳质量分数、合金元素的的含量和冷却速度的不同，堆焊层的金相组织可以是珠光体、奥氏体、马氏体和合金铸铁组织等几种基本类型。2.2.1铁基堆焊合金2.2.2碳化钨堆焊合金这类堆焊合金由大量碳化钨颗粒分布于金属基体（如碳钢、低合金钢、镍基合金、钴基合金和青铜等）上构成，堆焊层中钨的质量分数45%以上、碳的质量分数1.5%至2%。碳化钨由WC和W2C组成，有很高的硬度和熔点。碳质量分数3.8%的碳化钨硬度达2500HV，熔点接近2600℃。2.2.3铜基堆焊合金堆焊用的铜基合金主要有青铜、纯铜、黄铜、白铜四大类。其中应用比较多的是青铜类的铝青铜和锡青铜。铝青铜强度高，耐腐蚀、耐金属间磨损，常用于堆焊轴承、齿轮、蜗轮及耐海水腐蚀工件，如水泵、阀门、船舶螺旋桨等。锡青铜有一定强度，塑性好，能承受较大的冲击载荷，减摩性优良，常用于堆焊轴承、轴瓦、蜗轮、低压阀门及船舶螺旋桨等。2.2.5镍基堆焊合金镍基堆焊合金分为含硼化物合金、含碳化物合金和含金属间化合物合金三大类。这类堆焊合金的抗金属间摩擦磨损性能最好，并具有很高的抗氧化性、耐蚀性和耐热性。此外，由于镍基合金易于熔化，有较好的工艺性能，所以尽管比较贵，但应用仍广泛，常用于高温高压蒸汽阀门、化工阀门、泵柱塞的堆焊。2.2.6钴基堆焊合金钴基堆焊合金又称司太立（Stellite）合金，以Co为主要成分，加入Cr、W、C等元素。主要成分为：WC=0.7%-3.3%、WW=3%-21%、WCr=26%-32%，其余为Co，堆焊层的金相组织是奥氏体和共晶组织。碳质量分数低时，堆焊层由呈树枝状晶的Co-Cr-W固溶体(奥氏体)和共晶体组成，随着碳质量分数的增加，奥氏体数量减少，共晶体增多，因此，改变碳和钨的含量可改变堆焊合金的硬度和韧性。表16-2-1堆焊合金性能比较韧性增加耐磨料磨损性能增加1碳化钨2高铬合金铸铁3钴基合金4镍基合金5马氏体钢6珠光体钢7奥氏体钢不锈钢高锰钢，耐磨料磨损性能最好，受磨面变粗糙耐低应力磨料磨损性很好，抗氧化抗氧化、耐腐蚀、耐热及抗蠕变耐腐蚀，也能抗氧化和抗蠕变兼有良好的耐磨料磨损和耐冲击性能价廉，耐磨料磨损与抗冲击较好可加工硬化耐腐蚀韧性最好，耐凿削式磨料磨损性较好堆焊合金性能比较堆焊材料的选择首先，要考虑满足工件的工作条件和要求；其次，还要考虑经济性、母材的成分、工件的批量以及拟采用的堆焊方法。但在满足工作要求与堆焊合金性能之间并不存在简单的关系，如堆焊合金的硬度并不能直接反映堆焊金属的耐磨性，所以堆焊合金的选择在很大程度上要靠经验和试验来决定。堆焊工艺手工电弧堆焊埋弧自动堆焊等离子喷焊氧-乙炔火焰金属粉末喷焊其他堆焊工艺三、堆焊工艺3.1手工电弧堆焊焊条电弧堆焊与一般焊条电弧焊的特点基本相同，设备简单、使用可靠、操作方便灵活、成本低、适宜于现场或野外堆焊，可以在任何位置焊接，特别是能通过堆焊焊条获得几乎所有的堆焊合金层。焊条电弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。堆焊前工件表面进行粗车加工，并留出加工余量，以保证堆焊层加工后有3mm以上的高度。工件上待修复部位表面上的铁锈、水分、油污、氧化皮等，堆焊修复时容易引起气孔、夹杂等缺陷，所以在焊接位复前必须清理干净。堆焊工件表面不得有气孔、夹渣、包砂、裂纹等缺陷，如有上述缺陷须经补焊清除、再粗车后方可堆焊。3.1.1焊前准备3.1.2焊条选择与烘干根据对工件的技术要求，如工作温度、压力等级、工件介质以及对堆焊层的使用要求，选择合适的焊条。有些焊条虽不属于堆焊焊条，但有时也可用作堆焊焊条，如碳钢焊条、低合金焊条、不锈钢焊条和铜合金焊条等。为确保焊条电弧堆焊的质量，所用焊条在堆焊前应进行烘干，去除焊条药皮的吸附水分。焊条烘干一般不能超过3次，以免药皮变质或开裂以致影响堆焊质量。3.1.3焊条直径和焊接电流为提高生产效率，总希望采用较大直径的焊条和焊接电流。但是由于堆焊层厚度和堆焊质量的限制，必须把焊条直径和焊接电流控制在一定范围内。堆焊焊条的直径主要取决于工件的尺寸和堆焊层的厚度。堆焊层厚度/mm1.55≥5焊条直径/mm3.24～55～6堆焊层数11～22堆焊电流/A80～100140～200180～240增大焊接电流可提高生产率，但电流过大，稀释率增大，易造成堆焊合金成分偏析和堆焊过程中液态金属流失等缺陷。而焊接电流过小，容易产生未焊透、夹渣等缺陷，且电弧的稳定性差、生产率低。一般来说，在保证堆焊合金成分合格的条件下，尽量选用大的焊接电流；但不应在焊接过程中由于电流过大而使焊条发红、药皮开裂、脱落。3.1.4堆焊层数堆焊层数是以保证堆焊层厚度满足设计要求为前提。对于较大构件时需要堆焊多层。堆焊第一层时，为减小熔深，一般采用小电流;或者堆焊电流不变，提高堆焊速度，同样可以达到减少熔深的目的。3.1.5堆焊预热和缓冷堆焊中最常碰到的问题是开裂，为了防止堆焊层和热影响区产生裂纹，减少零件变形，通常要对堆焊区域进行预热和焊后缓冷。堆焊后的缓冷一般可在石棉灰坑中进行，也可适当补充加热，使其缓慢冷却。3.1.6手工电弧堆焊总结优点：设备简单、激活灵动、成本低，能获得几乎所有的堆焊合金成分。缺点：生产效率低、稀释率较高、不易获得薄而均匀的堆焊层、劳动条件较差。关键：防止零件变形，防止热影响区裂纹3.2埋弧自动堆焊焊丝与焊件之间燃烧的电弧使埋在颗粒状焊剂下面的电弧热将焊丝端部及电弧直接作用的母材和焊剂熔化并使部分蒸发，金属和焊剂所蒸发的气体在电弧周围形成一个封闭空腔，电弧在这个空腔中燃烧。即电弧在溶剂层下进行堆焊。3.2.1埋弧堆焊分类为了降低稀释率、提高熔敷速度，埋弧堆焊有多种形式，具体有单丝埋弧堆焊、多丝埋弧堆焊、带极埋弧堆焊、串联电弧埋弧堆焊、粉末埋弧堆焊等。3.2.2埋弧堆焊主要焊接参数埋弧堆焊最主要的焊接参数是电源性质和极性、焊接电流、焊丝直径、电弧电压、堆焊速度。（1）电源性质和极性埋弧堆焊时可用直流电源，亦可采用交流电源。采用直流正接时，形成熔深大、熔宽较小的焊缝；直流反接时，形成扁平的焊缝，而且熔深小。从堆焊过程的稳定性和提高生产率考虑，多采用直流反接。（2）焊接电流对于同一直径的焊丝来说，熔深与工作电流成正比，工作电流对熔池宽度的影响较小。若电流过大，容易产生咬边和成形不良，使热影响区增大，甚至造成烧穿；若电流过小，使熔深减小，容易产生未焊透，而且电弧的稳定性也差。（3）焊丝直径焊丝直径主要影响熔深，直径较细，焊丝的电流密度较大，电弧的吹力大，熔深大，易于引弧。焊丝越粗，允许采用的焊接电流就越大，生产率也越高。焊丝直径的选择应取决于焊件厚度和焊接电流值。（4）电弧电压工作电压过低，起弧困难，堆焊中易熄弧，堆焊层结合强度不高；电压过高，起弧容易，但易出现堆焊层高低不平，脱渣困难，影响堆焊层质量。随着焊接电流的增加，电弧电压也要适当增加，二者之间存在一定的配合关系，以得到比较满意的堆焊焊缝形状。（5）堆焊速度堆焊速度一般为0.4-0.6m/min。堆焊轴类零件时，工件转速与工件直径之间的关系可按下式计算：n=(400-600)/πD式中：n——工件转速(r／min)；D——工件直径(mm)。焊丝直径和焊接电流之间有如下关系埋弧堆焊的工作电流与焊丝直径的关系如下：I=（85-110）d式中I——工作电流/Ad——焊丝直径/mm3.2.3埋弧自动堆焊的总结优点：具有生产率高、机械化程度高、焊接质量好且稳定的优点。缺点：埋弧焊的工作量非常大，所消耗的钢材、焊丝、焊剂的量也很大。应用：在金属结构、桥梁、压力容器、石油化工、核容器、石油天然气管线、船舶制造等领域，埋弧自动焊获得了广泛的应用。射枪内部喷嘴（阳极）与电极（阴极）间产生电弧，空气通过枪内部瞬间变成等离子态，压强上升，远大于外界大气压，故等离子从射枪内喷出，以等离子射束的形式喷出喷嘴3.3.1等离子弧3.3等离子喷焊3.3.2等离子喷焊的分类等离子堆焊具体又分为填丝等离子弧喷焊和粉末等离子弧喷焊。由于填充丝预热，使熔敷效率大大提高，而稀释率则降低很多，且可除去填充丝中的氢，大大减少了堆焊层中的气孔。填丝等离子弧堆焊示意图粉末等离子弧喷焊采用Ar作电离气体，通过调节各种工艺参数的规范，控制过渡到工件的热量，可获得熔深浅、稀释率低、成形平整光滑的优质涂层。粉末等离子堆焊示意图3.3.3等离子喷焊的工艺参数3.3.4等离子喷焊的总结优点：（1）等离子弧温度高、能量集中、燃烧稳定，能堆焊难熔材料，有高的堆焊速度和高的熔敷率，稀释率很低(最低可达5％左