復(fù)合堆焊工藝淺析

梁順生，袁學(xué)軍

（河南省安陽(yáng)市安鋼集團(tuán)機(jī)制公司，河南 安陽(yáng) 455004）

藥芯焊絲堆焊是冶金備件制作的一種復(fù)合制造方法，它是焊接工藝的一個(gè)分支，能將填充金屬熔敷到零件的表面，以獲得特殊要求的表層性能和表面尺寸。在冶金企業(yè)易損備件修復(fù)過(guò)程中，利用原零件，通過(guò)堆焊的方法，，在其上堆焊一層或多層特種材料，提高備件抗熱疲勞性、抗高溫氧化能力、耐磨性耐腐蝕性綜合機(jī)械性能，最大限度地利用材料的各自?xún)?yōu)點(diǎn)，收到“物盡其用”的效果。通過(guò)焊接的方法，將不同性能的材料焊接成復(fù)合零部件，即能滿(mǎn)足各種性能的要求，又可節(jié)約各種貴重材料，降低成本，讓即將報(bào)廢備件“起死回生”，是提高產(chǎn)品質(zhì)量，降低生產(chǎn)成本的關(guān)鍵技術(shù)之一。

1 工藝制定

以精除鱗輥?zhàn)又谱鳛槔Ｆ浣Y(jié)構(gòu)如圖示1所示：

圖1 結(jié)構(gòu)圖

精除鱗輥在使用過(guò)程中，輥面與熱鋼長(zhǎng)時(shí)間接觸受熱，同時(shí)，除鱗工作時(shí)高壓水對(duì)輥面急劇冷卻，輥面需承受交變熱循環(huán)作用，原表面熱處理性能破壞，材料力學(xué)性能下降。此外，精除鱗輥還起到對(duì)薄板的夾送作用，輥面承受較大的摩擦，因此，當(dāng)輥?zhàn)邮褂靡欢螘r(shí)間之后，輥面會(huì)產(chǎn)出現(xiàn)不同程度的磨損、腐蝕和龜裂狀熱疲勞裂紋。

新輥制作和舊輥修復(fù)，在首次堆焊時(shí)，堆焊工藝基本相同，均需堆焊打底層和工作層；在毛坯粗加工時(shí)，加工目的不同：新輥制作時(shí)，粗加工主要是去除調(diào)質(zhì)處理時(shí)輥面留下的氧化皮，同時(shí)保證堆焊層厚度；舊輥修復(fù)時(shí)，粗加工主要是去除輥面疲勞層如裂紋、腐蝕坑等，同時(shí)保證堆焊層厚度，為保證堆焊層的性能，一般工作層設(shè)計(jì)為厚5～6mm。新輥制作和舊輥修復(fù)主要工藝流程如下：①新輥制作流程為：采購(gòu)鍛件→粗加工→調(diào)質(zhì)處理→粗加工→預(yù)熱→堆焊→回火→加工；②舊輥修復(fù)流程為：粗加工→預(yù)熱→堆焊→回火→加工；在此處，需要說(shuō)明的是，如輥?zhàn)右褳槎押篙仯芍苯訉?duì)輥?zhàn)舆M(jìn)行修磨，配對(duì)加工即可，一般可修磨3～4次；如輥?zhàn)咏?jīng)多次修磨，尺寸接近φ592時(shí)，如需恢復(fù)至圖紙尺寸φ600，只需車(chē)去1～1.5mm即可堆焊工作層。

材料焊接性分析，材料的可焊性一般用碳當(dāng)量來(lái)衡量，它是評(píng)定材料焊接性的一個(gè)參考指標(biāo)，其估算公式如下：Ceq=C%+Mn%/6+（Cr%+Mo%+V%）/5+（Si%+Ni%+Cu%）/15。

經(jīng)驗(yàn)表明：Ceq≤0.4%時(shí)，材料焊接性能好，淬硬傾向性小，焊接時(shí)可不預(yù)熱；Ceq=0.4%～0.6%時(shí)，材料焊接性能尚可，但工件必須進(jìn)行預(yù)熱、要控制焊接工藝；Ceq≥0.6時(shí)，材料焊接性能差，屬于較難焊的材料，工件必須預(yù)熱，焊后進(jìn)行熱處理，并嚴(yán)格控制焊接工藝。上述三種材料45#、55#、42CrMo的碳當(dāng)量Ceq分別為0.72、0.84、0.9，焊接性能差，焊接時(shí)需采取嚴(yán)格的工藝措施，尤其是在焊接材料的選擇上，要充分考慮各種因素的影響，盡可能選擇一定強(qiáng)度、韌性好、含碳量低的焊絲。

通過(guò)分析、比較，我們確定采用C r 13系馬氏體不銹鋼焊絲堆焊輥?zhàn)庸ぷ鲗?，具體采用YD414N（M）進(jìn)行工作層堆焊，其熔敷金屬化學(xué)成分見(jiàn)表2。

表2 堆焊層熔敷金屬的化學(xué)成分

該焊絲的優(yōu)點(diǎn)主要有：①Cr13系馬氏體不銹鋼抗高溫氧化、耐腐蝕性?xún)?yōu)良；②焊絲中含碳量極低，僅為0.05%，焊接性和耐熱疲勞性好；③焊絲中含氮，在保持堆焊層優(yōu)良的抗氧化性、耐腐蝕性的同時(shí)，進(jìn)一步提高熱強(qiáng)性、耐磨性和耐熱疲勞性能；④Ni能確保堆焊層金屬的延展性；⑤堆焊層力學(xué)性能優(yōu)良，沖擊功 Akv≈16.2J，抗拉強(qiáng)度 σb≈1240Mpa，延伸率δ≈10.3%，斷面收縮率ψ≈33%，顯著優(yōu)于基體組織；⑥堆焊層組織為馬氏體加少量的沿柱晶方向生長(zhǎng)的鐵素體，同時(shí)，在馬氏體基體上分布有均勻細(xì)小的合金氮化物及金屬間化合物，這比單一的馬氏體組織具有更高的耐磨性和抗冷熱疲勞性。

（1）焊劑的選用。選用堿性燒結(jié)焊劑RD-SJ414，其渣系為MgO-Al2O3-CaF2-SiO2，堿度約為BⅡW≥1.8，化學(xué)活性系數(shù)Af≈0.15。選用該焊劑，主要是基于以下兩方面的考慮：①提高焊劑堿度可以降低焊縫金屬的含氧量和含硫量，提高焊縫的韌性和抗裂能力；②由于在堆焊過(guò)程中，工件溫度較高，焊劑要有利于高溫脫渣。因此，要適當(dāng)降低焊劑的化學(xué)活性。選用該焊劑，其化學(xué)活性系數(shù)Af≈0.15，遠(yuǎn)低于熔煉HJ260（Af≈0.46）。焊層設(shè)計(jì)，堆焊層厚度因工藝不同均有一定限制，超過(guò)限度焊層地力學(xué)性能和應(yīng)力狀態(tài)會(huì)發(fā)生不良變化，與基體結(jié)合強(qiáng)度下降，考慮到堆焊層的安全厚度及多次修磨需要，堆焊層總厚度為設(shè)計(jì)為7mm，其中，打底層為1.5～2mm，工作層為5mm左右。

為確保母材和堆焊金屬之間的良好冶金結(jié)合，即保證二者具有強(qiáng)韌俱佳的結(jié)合性能，降低母材和堆焊層界面的脆化以免在使用過(guò)程中產(chǎn)生局部剝落，在堆焊工作層材料前，先堆焊一層打底層，采用YD430，堆焊組織為馬氏體，硬度約HRC22，其抗裂性好，線膨脹系數(shù)小。此外，通過(guò)在基體上堆焊打底層，能降低工作層焊絲在堆焊過(guò)程中的稀釋?zhuān)ＷC工作層性能。

（2）堆焊實(shí)施。輥?zhàn)佣押覆课粌啥思雍负附邮綋醐h(huán)，其作用是托住焊劑，防止輥?zhàn)觾啥硕押笗r(shí)發(fā)生熔渣流淌，保證在輥?zhàn)觾啥说玫搅己玫亩押笇有螤睢Ｔ诤罄m(xù)的機(jī)加工過(guò)程中，車(chē)去擋環(huán)。然后預(yù)熱，預(yù)熱的目的是降低堆焊過(guò)程中，堆焊金屬和熱影響區(qū)的冷卻速度，降低淬硬傾向并減少焊接應(yīng)力，防止母材和堆焊金屬在堆焊過(guò)程中發(fā)生相變導(dǎo)致裂紋?？紤]到本件堆焊部分尺寸為φ600*1830，工件重量大，熱容量大，我們將工件預(yù)熱溫度定為120～150℃，堆焊打底層，所用焊接材料為YD430（M）+SJ414，焊高 1～1.5mm；堆焊工作層，所用焊接材料為 YD414N（M）+SJ414，焊高 7～8mm，留機(jī)加工余量 4～6mm；熱處理，采用低溫回火工藝，回火溫度為350～370℃，保溫1h。

堆焊作業(yè)過(guò)程中的注意點(diǎn)：①焊劑烘焙 為去除焊劑中水分影響焊接質(zhì)量，需對(duì)焊劑進(jìn)行烘焙，溫度為（250～300）℃，時(shí)間約2h。②焊接參數(shù)采用可控硅弧焊整流器MZ-1250電源，直流反接極性；焊接電流I≈330～380A；焊接電壓U≈28～32V。焊接速度V≈400～500mm/min（堆焊層圓周線速度）。③導(dǎo)前距在12.7～50.8mm范圍內(nèi)，具體尺寸可根據(jù)焊道成型情況進(jìn)行調(diào)整；④焊絲伸出長(zhǎng)度25～35mm。⑤焊道搭接量相鄰焊道搭接大于50%，具體搭接量可根據(jù)焊道平整情況進(jìn)行調(diào)整；⑥層間焊道位置為保證堆焊層焊道層間的均勻性，要求操作時(shí)，堆焊層間的焊道位置。

2 機(jī)械加工工序

（1）刀具選擇。由于堆焊層硬度（HRC41～44）較高，堆焊層表面高低不平，需選擇抗沖擊性好、切削性能好的刀具，此外，刀片尺寸不能太小，以免影響刀具由于切削力波動(dòng)時(shí)損壞。刀具材料一般選用YG6X，刀片尺寸型號(hào)為A125A。

（2）表面粗糙度提高。砂帶磨分段加工，提高表面粗糙度。

3 效果

輥?zhàn)油ㄟ^(guò)表面強(qiáng)化后，工作表面性能耐磨性、耐熱疲勞性、耐蝕性得到極大提高，使用壽命最高可達(dá)新輥的1～1.5倍，費(fèi)用為新輥的1/3，減少換輥次數(shù)，提高作業(yè)時(shí)間。減少備件消耗和降低備件成本為我公司帶來(lái)直接經(jīng)濟(jì)效益，形成產(chǎn)值169萬(wàn)元。

[1]中國(guó)機(jī)械工程學(xué)會(huì)焊接學(xué)會(huì).焊接手冊(cè)(第2卷)[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1993:588-602.

[2]完衛(wèi)國(guó).焊條電弧堆焊應(yīng)用實(shí)例[M].北京:機(jī)械工業(yè)出版社，1999:132-134.

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