我國堆焊復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用與發(fā)展

盧 靜，李 勇，歐陽航，閔小兵，羅豐華

（1.湖南省冶金材料研究院有限公司，湖南 長沙 410129；2.中南大學(xué)粉末冶金國家重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，湖南 長沙 410083）

1 我國堆焊復(fù)合技術(shù)的發(fā)展現(xiàn)狀

堆焊復(fù)合技術(shù)要求較小的稀釋率，較大的熔敷效率和優(yōu)良的焊層性能，近年來，國內(nèi)研究者其主要從堆焊材料、堆焊方法及堆焊設(shè)備等三個(gè)方面來改善焊層性能，也相應(yīng)取得了一定新的進(jìn)展[1-3]。

1.1 堆焊材料

1.1.1 材料形態(tài)

（1）堆焊焊條。堆焊焊條一般有普通焊條、管狀焊條、鑄條等，一般由于材料的軋制和拉拔加工性較差，不能拉制成絲狀，如鈷基、鎳基和合金鑄鐵等可直接供氣焊、氣體保護(hù)堆焊和等離子弧堆焊時(shí)用作熔敷金屬材料[4]。該焊條適應(yīng)性強(qiáng)、靈活方便，可以全位置施焊，應(yīng)用較為廣泛[5]。主要應(yīng)用在礦山機(jī)械和石油化工機(jī)械等設(shè)備磨損部位的堆焊修補(bǔ)，如在常用于礦山機(jī)械大齒輪修復(fù)的J857Cr低氫鈉型藥皮的低合金高強(qiáng)鋼焊條。

（2）堆焊焊絲、焊帶。絲狀和帶狀堆焊材料主要分為實(shí)心和藥芯兩大類，兩者都有利于實(shí)現(xiàn)堆焊的機(jī)械化和自動(dòng)化，其主要應(yīng)用于埋弧堆焊、氣體保護(hù)堆焊和電渣堆焊等。兩者最大的區(qū)別是實(shí)心焊絲、焊帶的管是實(shí)心的，而藥芯的管內(nèi)則有藥芯保護(hù)，它有著穩(wěn)弧、改善操作性能的作用，相對于實(shí)心焊、絲焊帶來說應(yīng)用范圍更為廣泛[6]。

而且，藥芯的成分可根據(jù)零部件的服役環(huán)境來進(jìn)行調(diào)節(jié)，表現(xiàn)出其對金屬材料極強(qiáng)的適應(yīng)性，芯部藥粉作為一種連續(xù)填充的材料，又能大大提高堆焊焊絲、焊帶的生產(chǎn)效率[7]。例如華中科技大學(xué)[8]研究了自保護(hù)硬面藥芯焊絲中的具體成分對焊接飛濺的影響，如藥芯粉中金紅石、氟化物、硅灰石等，并對其成分配比進(jìn)行優(yōu)化，得到焊接工藝最佳的硬面藥芯焊絲。

（3）堆焊合金粉、合金塊。粉粒狀堆焊材料包括用來作為熔敷材料的合金粉末和起保護(hù)作用的埋弧堆焊的焊劑，堆焊合金粉的種類幾乎包含了所有的合金種類，焊劑中的燒結(jié)焊劑和黏結(jié)焊劑可過渡合金[9]。塊狀堆焊材料一般是由合金粉中加入膠黏劑制成的，在堆焊時(shí)也可根據(jù)不同的工況來選擇不同的成分配比，具有很大的成分調(diào)整空間。

1.1.2 材料成份

（1）鐵基堆焊合金。鐵基堆焊合金具有良好的耐磨性能和經(jīng)濟(jì)性，是堆焊材料中應(yīng)用最廣泛的一類。鐵基堆焊合金的基體組織一般表現(xiàn)為馬氏體、奧氏體、珠光體等幾種類型，其主要由于合金含量、含碳量和冷卻速度的不同造成的，根據(jù)不同服役工況選擇不同類型的鐵基堆焊合金材料。其主要的合金化元素有Cr、Mo、W、Ti、B等，它們不僅作為堆焊層的硬質(zhì)相元素，還對基體組織的性能也有影響[10]。

（2）鎳基堆焊合金。鎳基堆焊合金耐金屬-金屬間摩擦磨損性能在各類堆焊合金中是最好的，且具有很高的耐熱性能、抗氧化性能和耐腐蝕性能。根據(jù)強(qiáng)化相的不同，鎳基堆焊合金又可分為含硼化物合金（科爾蒙合金）、含碳化物合金（哈斯特洛伊合金）和含金屬間化合物合金（蒙乃爾合金）三大類?？茽柮珊辖鸬挠捕雀撸℉RC50～60），具有比較好的紅硬性，熔點(diǎn)低(約1000℃)，在950℃以下具有良好的抗氧化性和耐腐蝕性,流動(dòng)性好。堆焊時(shí)稀釋率低且堆焊層成形美觀，但是合金堆焊層的抗裂性差，堆焊前應(yīng)高溫預(yù)熱、焊后緩冷。哈斯特洛伊合金的堆焊組織主要由奧氏體+金屬間化合物組成，加入W、Mo、Fe元素后，合金的耐蝕性能和耐高溫性能明顯提高，主要用于耐強(qiáng)腐蝕、耐高溫的金屬-金屬間摩擦磨損。蒙乃爾合金主要用于耐腐蝕零部件堆焊，有很高的耐腐蝕性能，硬度較低，一般含Ni 70%、Cu 30%。

（3）鈷基堆焊合金。鈷基堆焊合金又稱為司太立合金，其堆焊層的基體組織主要表現(xiàn)為奧氏體組織+共晶組織[11]，在高溫耐磨條件下綜合性能最好，如高的紅硬性、抗磨料磨損性能優(yōu)異、抗腐蝕強(qiáng)等。王慶田等人[12]通過改進(jìn)秦山核電二期工程反應(yīng)堆內(nèi)鈷基合金堆焊工藝和參數(shù)，經(jīng)過檢測分析，結(jié)果表明可滿足設(shè)計(jì)要求。但是這類合金容易形成冷裂紋或結(jié)晶裂紋，堆焊工藝復(fù)雜，在制造過程中必須嚴(yán)格按照堆焊工藝來實(shí)施，對堆焊技術(shù)人員要求高[13]。

（4）碳化鎢堆焊合金。碳化鎢堆焊層由基材和熔敷在其表面的碳化鎢顆粒組成?；目捎设F基、鎳基、鈷基等合金材料構(gòu)成。碳化鎢一般由含C3.5%～4.0%和含W 95%～96%的WC及W2C組成，具有很高的硬度和熔點(diǎn)，可主要主要分為兩類：鑄造碳化鎢及以Co為黏結(jié)金屬的粉末燒結(jié)碳化鎢兩類[14]。碳化鎢堆焊合金具有良好的耐磨性、耐熱性、耐腐蝕性和耐低溫沖擊性,但堆焊時(shí)碳化鎢顆粒會熔化,硬度只有HV1200左右的碳化鎢會在熔敷金屬中析出,導(dǎo)致耐磨性下降,這種合金的脆性大,易產(chǎn)生裂紋，堆焊時(shí)需要對其基體進(jìn)行預(yù)熱。

1.2 堆焊方法

（1）氣體保護(hù)電弧堆焊。氣體保護(hù)堆焊根據(jù)保護(hù)氣體的種類可分為CO2氣體保護(hù)堆焊、Ar氣體保護(hù)堆焊和混合氣體保護(hù)堆焊等。氣體保護(hù)電弧堆焊具有成本低、生產(chǎn)效率高、熱影響區(qū)小、操作方便等優(yōu)點(diǎn)，適用于合金鋼和特殊合金的堆焊。如張良成利用CO2氣體保護(hù)電弧堆焊，采用超低碳不銹鋼焊絲，對加氫反應(yīng)器總體結(jié)構(gòu)進(jìn)行堆焊，經(jīng)檢測，堆焊產(chǎn)品的一次合格率為100%，且比普通電條堆焊提高了近1倍的工作效率。

（2）帶極電弧堆焊。帶極電弧堆焊作為一種新型的堆焊復(fù)合技術(shù)，可主要分為兩種：帶極埋弧堆焊和帶極電渣堆焊。帶極電渣堆焊是在帶極埋弧堆焊基礎(chǔ)上發(fā)展起來的，它利用導(dǎo)電渣的電阻熱熔化母材和焊帶。與帶極埋弧堆焊相比，帶極電渣堆焊的熔敷率更高，堆焊速度也更快，而稀釋率也比帶極埋弧堆焊更低，所使用的焊劑消耗也更少。由于其工藝參數(shù)的特點(diǎn)，它的熔敷速度是各種單絲堆焊熔敷速度的十幾倍至幾十倍，其主要應(yīng)用在石油化工行業(yè)的原流合成塔、煤液化反應(yīng)器及核電站的厚壁壓力容器等內(nèi)表面均需大面積堆焊耐高溫、抗氧及硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里。

（3）電子束堆焊。電子束堆焊(EBW)是一種利用透鏡聚集的高能電子束在真空中轟擊和熔化金屬基體和合金材料的超合金化。電子束堆焊的能量效率高，轟擊點(diǎn)直徑小，加熱功率密度大，熱影響區(qū)面積小，規(guī)范參數(shù)易于調(diào)節(jié)，因此堆焊層的成型性更優(yōu)于普通電弧堆焊。由于母材在熔融時(shí)不受金屬蒸氣的影響，堆焊金屬冷卻速度快，堆焊層的耐磨性提高近10倍。俄羅斯的М.В.Радченкo等專家利用電子束堆焊法強(qiáng)化內(nèi)燃機(jī)活塞表面取得了良好的效果，可保證獲得高度均勻的樹枝狀結(jié)晶的彌散組織，提高硬度以及活塞的使用壽命。

（4）激光堆焊。激光堆焊的表面焊層厚度一般為0.8～3.0mm，對于堆焊層很薄的情況，若利用預(yù)置粉末或噴涂后重熔的方式很難獲得，在熔敷時(shí)易出現(xiàn)裂紋、氣孔。激光堆焊熱影響區(qū)和熱畸變小，且堆焊層的厚度、成分和稀釋率可控性好。由于激光的堆焊速度高、冷卻速度快，可以獲得組織致密、性能優(yōu)異的堆焊層，焊接可靠性高，易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化，符合現(xiàn)代生產(chǎn)的發(fā)展趨勢，主要用于模具、傳動(dòng)軸、齒輪等各類易損易耗件的局部修復(fù)強(qiáng)化。

（5）聚焦光束堆焊。聚焦光束表面堆焊是近年來發(fā)展起來的新型表面堆焊技術(shù)，由于光束易被金屬材料吸收，能源利用率可達(dá)50%以上。由于電弧吹力的影響和功率密度的限制，傳統(tǒng)粉末堆焊工藝很難同時(shí)達(dá)到高效率和低稀釋率的目的，而聚焦束粉末堆焊的功率與傳統(tǒng)的電弧堆焊相當(dāng)，但加熱過程對熔池沒有力學(xué)影響，可獲得較低的稀釋堆焊層。1998年，清華大學(xué)研制了功率密度達(dá)到104W/cm2以上二次聚焦的光束加熱設(shè)備，在此基礎(chǔ)上，采用結(jié)合預(yù)置粉末方法在碳鋼表面研究了鎳基合金和鐵基合金的堆焊。結(jié)果表明，利用聚焦光束堆焊和采用合適的合金材料和工藝，可以獲得成形良好的大面積堆焊層，堆焊層的宏觀硬度高于采用相同材料獲得的熱噴涂層。

1.3 堆焊設(shè)備

（1）CO2氣體保護(hù)自動(dòng)堆焊設(shè)備。CO2氣體保護(hù)自動(dòng)堆焊設(shè)備應(yīng)用廣，操作方便，其堆焊機(jī)床上安裝有焊槍運(yùn)行機(jī)構(gòu)、送絲機(jī)構(gòu)和工件運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)。焊槍結(jié)構(gòu)簡單，自身質(zhì)量輕，維修方便。焊槍運(yùn)行機(jī)構(gòu)和工件運(yùn)轉(zhuǎn)機(jī)構(gòu)使電弧在工件表面上按特定規(guī)律運(yùn)動(dòng)而形成致密均勻的堆焊層。許惠斌、王和松等人根據(jù)火車車鉤鉤舌面補(bǔ)焊的實(shí)際要求，設(shè)計(jì)并研制出了一種專用于火車車鉤鉤舌的CO2氣體保護(hù)自動(dòng)焊機(jī)，焊機(jī)的空中電機(jī)以PLC為核心的控制，焊槍能夠進(jìn)行三維移動(dòng)，系統(tǒng)運(yùn)行可靠，實(shí)用性強(qiáng)。

（2）電子束堆焊設(shè)備。電子束堆焊設(shè)備由高壓電子槍和其他精密控制部件組成，一般都在真空中進(jìn)行，雖然可以獲得更高質(zhì)量的堆焊層，但它的成本更高，目前主要應(yīng)用于活性金屬的表面堆焊以及精密零件的近凈成形。由于成本的原因，非真空電子束堆焊設(shè)備和技術(shù)的研究成為了國內(nèi)外電子束焊接的重要研究發(fā)展方向之一，也是電子束堆焊的重要發(fā)展方向。在非真空電子束焊接方面，德國已實(shí)現(xiàn)了以AlMg0.4 Si1.2為基材的旋轉(zhuǎn)件的充絲焊接，加絲材料為AlMg4.5Mn，送絲速度35m/min，焊接速度可達(dá)60m/min，該研究在斯圖加特大學(xué)的25kW電子束焊機(jī)上完成。

2 堆焊復(fù)合技術(shù)的應(yīng)用

2.1 堆焊復(fù)合技術(shù)在礦山機(jī)械上的應(yīng)用

（1）刮板輸送機(jī)中部槽。刮板輸送機(jī)的工作原理是由電機(jī)驅(qū)動(dòng)刮板鏈，在中部槽中進(jìn)行物料輸送，主要受到物料、刮板和鏈對中板及槽幫鋼的磨損，但在實(shí)際應(yīng)用中，由于地面不平等因素，鋪設(shè)角將超過規(guī)定的彎曲傾角，從而增加鏈條與中部槽的接觸壓力，加速了中部槽的磨損。中國礦大專門研制生產(chǎn)出一種KD-1型耐磨焊條用來修復(fù)類似于中部槽磨損失效的零部件，對其采用合適的堆焊工藝，獲得良好的堆焊層，使磨損主要在堆焊層上進(jìn)行，從而有效保護(hù)中板。

（2）礦用截齒。礦用截齒主要應(yīng)用于煤礦的掘進(jìn)機(jī)和采煤機(jī)破巖落煤,其主要的失效形式有：磨損(包括硬質(zhì)合金刀頭、齒體)、刀頭碎裂(崩刃)及截齒丟失等，是煤礦機(jī)械中更換量最大的零件之一。堆焊復(fù)合技術(shù)是預(yù)保護(hù)和修復(fù)礦用截齒失效的主要形式之一，如蘇倫昌等人利用激光堆焊在截齒母材42CrMo鋼表面上堆焊含一定量Ti、W和Mo等強(qiáng)碳化物的FeCrSiBC鐵系堆焊合金粉末后，再制造修復(fù)的截齒的壽命可延長3～5倍。孫咸采用高速鋼焊條在35CrMnSi鋼截齒基體上堆焊耐磨層，得到抗沖擊性極強(qiáng)的堆焊層，良好的預(yù)防由損壞帶來的影響。

2.2 堆焊復(fù)合技術(shù)在冶金機(jī)械上的應(yīng)用

（1）連鑄輥。連鑄輥由于受到高溫鋼坯的鼓肚力和靜壓力而引起的循環(huán)載荷影響，還有噴淋冷卻水的交變熱循環(huán)作用，其破壞形式主要表現(xiàn)為黏著磨損、腐蝕磨損及龜裂狀熱疲勞裂紋。目前，連鑄輥廣泛采用的是1Cr13LiMo系焊材帶極螺旋堆焊和埋弧焊工藝，這些工藝方法雖能滿足連鑄機(jī)的日常生產(chǎn)需要，但是由于堆焊材料一般以碳配合其它合金元素作為強(qiáng)化合金，然而這種合金的抗熱磨損性能和抗熱疲勞性能合金不夠理想，難以達(dá)到連鑄輥長壽命和多次再生使用的目標(biāo)。對此，鞍山鋼鐵集團(tuán)公司研究決定，采用焊帶H0Cr13Ni4MoN，焊劑SJ315，以帶極縱向堆焊的方法，既能有效克服了1Cr13NiMo系用碳強(qiáng)化的不足，保留了1Cr13NiMo系合金的優(yōu)點(diǎn)，又避免了傳統(tǒng)螺旋堆焊方法容易產(chǎn)生“熔合線”的薄弱地帶。實(shí)踐表明，堆焊后的連鑄輥高溫耐磨性和高溫耐疲勞性良好,取得了明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)效果。

（2）輥道輥。輥道輥在工作時(shí)主要受到表面冷熱交替及熱軋板帶的壓力影響，其主要失效表現(xiàn)為表面疲勞磨損。就目前國內(nèi)輥道輥的堆焊復(fù)合制造的現(xiàn)狀看，對于窄帶鋼軋機(jī)前后的輥道輥，堆焊復(fù)合技術(shù)較為成熟，其堆焊材料通常為多元微合金化的1Cr13或2Cr13馬氏體不銹鋼。然而，對于寬帶軋機(jī)前后的輥道輥（輥面長度達(dá)到8m），若要保證其堆焊層的質(zhì)量，這對堆焊材料、堆焊工藝、堆焊設(shè)備及堆焊過程保溫設(shè)備的穩(wěn)定性都有著極高的要求。

2.3 堆焊復(fù)合技術(shù)在石油化工機(jī)械上的應(yīng)用

（1）原油換熱器。原油換熱器主要應(yīng)用在應(yīng)用在石化行業(yè)的運(yùn)輸管道上，為提高管程耐腐蝕能力，一般在管內(nèi)堆焊一層不銹鋼耐腐蝕堆焊層，中石化第四分公司采用帶極堆焊的方法，在大直徑16MnR上堆焊了過渡層（過渡層材料采用H309L焊帶，焊劑為SJ304）和耐蝕層（耐蝕層材料采用H316L焊帶，焊劑為SJ304），發(fā)現(xiàn)采用合適的工藝參數(shù)和變形控制措施可獲得具有良好焊接質(zhì)量的堆焊層，提高了原油換熱器的使用壽命。

（2）壓力容器。壓力容器的質(zhì)量是保證石化企業(yè)正常生產(chǎn)的關(guān)鍵。目前我國在役壓力容器（包括國外引進(jìn)和國產(chǎn)），有一部分處于超期服役或帶傷運(yùn)行，從而對其檢驗(yàn)和維修顯得更加重要。李平謹(jǐn)?shù)冉?jīng)過對某石化廠的中和塔中段環(huán)縫多處泄漏的現(xiàn)象進(jìn)行失效分析，發(fā)現(xiàn)是由于采用大線能量（特別是埋弧焊）焊接后，焊接殘余應(yīng)力增大，導(dǎo)致晶粒粗化，造成耐蝕性降低，在中段酸性介質(zhì)中，氯離子在含溶解氧的熱水中加速作用而引起應(yīng)力腐蝕開裂。針對這種具有應(yīng)力腐蝕工況的不銹鋼設(shè)備，通過改用抗點(diǎn)蝕和抗應(yīng)力腐蝕優(yōu)良的藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的方法，以小線能量施焊，既可降低殘余應(yīng)力，又能減少過熱和敏化區(qū)的區(qū)段，修復(fù)后正常運(yùn)行了4年未再發(fā)生泄漏。

2.4 模具修復(fù)

模具的失效都發(fā)生在工作表面或亞表面，其失效形式主要表現(xiàn)為磨損、斷裂（包括碎裂、崩刃、剝落、腐蝕、疲勞和變形等）。堆焊復(fù)合技術(shù)作為一種比較成熟的模具修復(fù)技術(shù)，它只需對模具的型腔表面或亞表面進(jìn)行表面修復(fù)，而不需要對模具進(jìn)行整體處理，就能獲得很好的使用性能并且延長它的使用壽命。

H13鋼是近20年來我國低合金大截面熱作模具鋼領(lǐng)域發(fā)展的鋼種之一。其失效形式一般有熱磨損、熱疲勞龜裂、斷裂和裂紋等幾種形式。其主要失效形式為型腔表面的熱磨損，極大的影響了模具使用壽命。實(shí)踐表明，采用堆焊復(fù)合技術(shù)對報(bào)廢的舊熱鍛模或加工差的熱鍛模進(jìn)行修復(fù)，可提高模具的使用壽命。堆焊材料采用準(zhǔn)4.0 mm D022鈦鈣型鎢鉻鉬釩合金高硬度耐磨堆焊焊條，采用適當(dāng)?shù)墓に噮?shù)對其進(jìn)行堆焊，再經(jīng)過機(jī)械處理獲得原有的尺寸。經(jīng)檢測，獲得的表面堆焊層具有良好的紅硬性和熱強(qiáng)性，硬度也高于基體H13的硬度，且沒有裂紋產(chǎn)生，將H13鋼模具型腔表面堆焊工藝參數(shù)研究結(jié)果投入生產(chǎn)，大大提高了模具的使用效率，降低了模具成本。