堆焊技術(shù)發(fā)展及應(yīng)用綜述

黃智泉，賀定勇，劉仁培，龔建勛，趙軍軍

1. 鄭州機(jī)械研究所有限公司，河南 鄭州 450001

2. 北京工業(yè)大學(xué) 材料與制造學(xué)部，北京 100124

3. 南京航空航天大學(xué) 材料科學(xué)與技術(shù)學(xué)院，江蘇 南京 211106

4. 湘潭大學(xué) 機(jī)械工程學(xué)院，湖南 湘潭 411105

5. 浙江巴頓焊接技術(shù)研究院，浙江 杭州 310022

0 前言

堆焊作為制造和再制造的重要技術(shù)手段，被廣泛應(yīng)用于礦山、冶金、建筑、工程機(jī)械、車輛、石油化工、航空航天等領(lǐng)域裝備零件的制造或修復(fù)，通過再制造、高質(zhì)量翻新、延壽等技術(shù)手段，大幅削減制造新件帶來的資源能源消耗和碳排放。近十年，堆焊作為制造和再制造技術(shù)的重要支撐，迎來了前所未有的發(fā)展機(jī)遇，僅在“堆焊”“修復(fù)”“再制造”相關(guān)領(lǐng)域就制定了40 余項(xiàng)標(biāo)準(zhǔn)。增材制造作為一種近凈成形制造工藝，是堆焊技術(shù)的數(shù)字化表現(xiàn)形式，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 時代智能制造的關(guān)鍵技術(shù)[1]。國內(nèi)眾多單位經(jīng)過多年的研究和工程實(shí)踐，形成了一系列先進(jìn)的堆焊材料和智能化裝備技術(shù)。隨著焊接裝備在數(shù)字化、自動化方面能力的提升，堆焊技術(shù)不斷進(jìn)步并快速發(fā)展。

1 電弧堆焊制造和再制造的發(fā)展及應(yīng)用

在材料研究方面，耐磨堆焊材料是電弧堆焊制造及再制造應(yīng)用最為廣泛的材料，其中高鉻和高硼鐵基耐磨合金是目前市場應(yīng)用最多的抗磨粒磨損堆焊材料。有關(guān)高鉻合金理論研究和工程應(yīng)用較為成熟，為進(jìn)一步降低堆焊材料成本和提高性能，近十年來，針對高硼鐵基耐磨堆焊材料所取得的原創(chuàng)成果居世界領(lǐng)先水平。高硼鐵基耐磨堆焊材料以藥芯焊絲為主。目前國內(nèi)研究較多的高硼鐵基合金系列有：Fe-Cr-B-C、Fe-Cr-B、Fe-Cr-Mo-B、Fe-Cr-B-Nb-C、Fe-Cr-B-Ti-C、Fe-Cr-B-Si-C等[2-5]。B在α-Fe和γ-Fe的溶解度低于0.02%，堆焊層的絕大部分硼原子以硼化物析出。耐磨硬質(zhì)相為M2B、M23（C，B）6、M7（C，B）3，其中，M代表Fe、Cr、Mo、Mn、V 等金屬元素。M3（C，B）也屬于耐磨相，但其以共晶化合物的形式析出而明顯損害合金韌性。根據(jù)需要，B 主要以硼鐵或B4C 的形式添加。國內(nèi)研究顯示，Cr可提高M(jìn)2B相的顯微硬度及斷裂韌性，改善高硼鐵基合金的耐磨性[6]，提高耐腐蝕性。Mo 可細(xì)化高硼合金晶粒[7]，并可析出Mo2FeB2相，從而改善耐磨性。Nb、Ti 以析出MC 型碳化物的方式減少堆焊熔體中的碳含量，減少甚至抑制M3（C，B）共晶相的析出。高硼合金屬于偏脆的一種耐磨合金，硼化物生長的方向性較強(qiáng)，國內(nèi)研究了Y、Ce 等稀土元素變質(zhì)處理來改善耐磨相形態(tài)，以提高合金韌性，并取得了較好效果[8]。

在設(shè)備研究方面，為了提高堆焊效率，國內(nèi)外在多絲堆焊系統(tǒng)、多機(jī)頭堆焊系統(tǒng)方面進(jìn)行了開發(fā)。多絲堆焊技術(shù)采用多根焊絲并行排列，多個電弧聯(lián)合燃燒，可以獲得較寬的焊道，目前已有單電源三絲、雙絲三電弧、雙絲+冷絲埋弧等多種系統(tǒng)。雙絲三電弧系統(tǒng)設(shè)備外觀如圖1所示。多機(jī)頭堆焊系統(tǒng)通常采用單絲、多機(jī)頭（條件允許，至少4 個機(jī)頭）同時施焊，各機(jī)頭軸向移動應(yīng)單獨(dú)控制，并在堆焊作業(yè)時做到同步、穩(wěn)定、可靠，多機(jī)頭堆焊系統(tǒng)如圖2所示。與堆焊過程密切相關(guān)的打磨及清理自動化設(shè)備同樣發(fā)展迅速，碳弧氣刨連續(xù)送碳棒結(jié)構(gòu)、等離子氣刨和自動打磨系統(tǒng)等相繼開發(fā)并投入工程應(yīng)用。

圖1 雙絲三電弧系統(tǒng)設(shè)備Fig.1 Double wires and three arcs system

圖2 多機(jī)頭堆焊系統(tǒng)Fig.2 Multi-head surfacing system

在耐磨堆焊方面，為了提高硬質(zhì)相占比和表面耐磨性，逐漸發(fā)展了碳化物顆粒給料器、合金粉末和合金粉芯熔覆技術(shù)。其中碳化物顆粒給料器將顆粒對準(zhǔn)電弧熔池的尾部，這一過程需要進(jìn)行微調(diào)流程操作試驗(yàn)；合金粉末及粉芯電弧熔覆技術(shù)分別以粉末、粉芯絲材為熔覆材料，近十年得到了快速發(fā)展和研究。G. N. Sokolov[9]等研究了GMAW 工藝下引入具有超分散TiN 顆粒的粉芯絲材，堆焊金屬中形成TiCN 納米粒子簇，可提高熔敷金屬在500 ℃時的耐磨性能。

在電弧堆焊制造及修復(fù)再制造工程應(yīng)用上，建材行業(yè)粉磨系統(tǒng)設(shè)備和礦山機(jī)械行業(yè)破碎關(guān)鍵大型設(shè)備，如輥壓機(jī)、立磨、高壓輥磨機(jī)等耐磨件堆焊修復(fù)再制造近年來已快速發(fā)展了在線、離線的自動化修復(fù)再制造技術(shù)。堆焊技術(shù)主要在形狀規(guī)則的大型零部件上的應(yīng)用技術(shù)成熟且自動化程度高，如中部槽等規(guī)則性槽體鏈道焊接已成規(guī)模，但針對刮板輸送機(jī)機(jī)頭、機(jī)尾、過渡槽等不規(guī)格槽體焊接仍需人工調(diào)整[10]。

冶金行業(yè)相關(guān)設(shè)備如軋輥等在長期應(yīng)力下磨損、剝落的堆焊再制造仍是研究熱點(diǎn)，通過增加堆焊材料合金元素、控制相占比等方法能夠提高堆焊層質(zhì)量[11]，以防止在不匹配的堆焊條件下再制造支承輥堆焊層的服役早期開裂[12]。電力行業(yè)輔機(jī)設(shè)備耐磨件如因腐蝕和磨損失效的火電中速磨輥、水電站水輪機(jī)葉片、風(fēng)機(jī)葉片等，可通過堆焊技術(shù)進(jìn)行表面預(yù)保護(hù)和修復(fù)再制造。相關(guān)應(yīng)用研究表明，采用金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨煤機(jī)磨碗襯板及輥套的檢修時間間隔可延長1.5～2.0 倍[13-14]。堆焊技術(shù)近年來逐漸應(yīng)用于掘進(jìn)設(shè)備的再制造。掘進(jìn)設(shè)備盾構(gòu)機(jī)、TBM等易磨損件（如密封跑道、主軸承大齒圈、刀具刀盤等）在運(yùn)轉(zhuǎn)過程中出現(xiàn)損傷后，可通過堆焊進(jìn)行修復(fù)[15]。密封跑道和大齒圈分別如圖3、圖4所示。

圖3 盾構(gòu)機(jī)密封跑道[15]Fig.3 Wear of seal runway of shield machine[15]

圖4 盾構(gòu)機(jī)主軸承大齒圈[15]Fig.4 Main bearing big tooth ring with collapse tooth of shield machine[15]

2 等離子堆焊制造和再制造的發(fā)展及應(yīng)用

等離子弧堆焊工藝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中唯一能適應(yīng)各種高合金鋼以及高性能材料（如CoCrW 等）堆焊要求的電弧堆焊方法。等離子弧堆焊具有熔深淺而寬的特點(diǎn)，因此，相比電弧堆焊可以制備出較薄的堆焊層。

Kartsev[16]等通過大量研究得到了表征各因素對堆焊層沉積過程貢獻(xiàn)的一階多項(xiàng)式回歸方程，為后期等離子弧堆焊的研究和發(fā)展提供了理論計(jì)算依據(jù)。在堆焊制造方面，等離子弧堆焊可實(shí)現(xiàn)鎳基材料、鈷基材料等多種材料在工件表面形成高性能的預(yù)保護(hù)層。郝建軍[17]等人采用等離子弧堆焊技術(shù)在旋耕刀鋼基材上成功制備了金屬陶瓷復(fù)合層（見圖5），耐磨性相較碳化鎢堆焊刀提高約20%。

圖5 等離子堆焊制備旋耕刀[17]Fig.5 Rotary blade with plasma surfacing layer[17]

在修復(fù)再制造方面，近年來軌道交通、礦山機(jī)械設(shè)備在服役中產(chǎn)生的損傷類缺陷修復(fù)再制造逐漸成為發(fā)展趨勢。航空發(fā)動機(jī)葉片堆焊如圖6 所示，研究表明，對于航空發(fā)動機(jī)葉尖磨損和葉片表面裂紋，相較于鎢極氬弧堆焊，等離子弧堆焊過程更加穩(wěn)定，與控制系統(tǒng)相結(jié)合可減少堆焊后葉形的加工流程[18]。

3 激光堆焊制造和再制造的發(fā)展及應(yīng)用

激光熔覆具有傳統(tǒng)堆焊技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)，其利用高能量密度激光束快速加熱熔化熔覆材料（粉末、絲、帶、箔等），在基材表面形成熔池，冷卻凝固后在基材表面形成冶金結(jié)合層。近十年，國內(nèi)開展了許多有關(guān)激光修復(fù)技術(shù)方面的應(yīng)用基礎(chǔ)研究和工程應(yīng)用。圖7為激光熔覆堆焊后的蒸汽發(fā)電機(jī)葉片，其使用壽命提高了3 倍[19]。核電金屬密封型核閥也可通過激光熔覆制備出滿足核閥技術(shù)要求、測試要求及驗(yàn)收標(biāo)準(zhǔn)的堆焊層[20]。董世運(yùn)[21]等針對發(fā)動機(jī)灰鑄鐵缸蓋“鼻裂”問題，研究了激光熔覆技術(shù)仿形再制造缸蓋的工藝方法，最終實(shí)現(xiàn)了質(zhì)量優(yōu)異的缸蓋激光熔覆再制造，如圖8 所示。2017 年后，（超）高速激光熔覆技術(shù)得到了長足發(fā)展，加之激光熔覆設(shè)備成本的降低，激光熔覆技術(shù)在煤礦機(jī)械、冶金設(shè)備等領(lǐng)域得到了工程化應(yīng)用，成為替代電鍍鉻的一項(xiàng)優(yōu)選技術(shù)。

圖7 激光熔覆堆焊后的蒸汽發(fā)電機(jī)葉片[19]Fig.7 Blade of steam generator after laser overlay[19]

圖8 激光再制造缸蓋[21]Fig.8 Remanufactured cylinder head by laser cladding[21]

4 增材制造和再制造的發(fā)展及應(yīng)用

增材制造作為一種近凈成形制造工藝，是堆焊技術(shù)的數(shù)字化表現(xiàn)形式，是實(shí)現(xiàn)工業(yè)4.0 時代智能制造的關(guān)鍵技術(shù)。電弧堆焊系統(tǒng)在超大型工件增材制造方面得到了開發(fā)和應(yīng)用。面對傳統(tǒng)工藝制造水電轉(zhuǎn)輪體過流面焊接時出現(xiàn)的工作量大、質(zhì)量穩(wěn)定性差、勞動強(qiáng)度高等問題，國內(nèi)哈電、東電等多家單位開展了水輪機(jī)電弧堆焊增材路徑、工藝及應(yīng)用研究[22]。近兩年，堆焊增材制造沖擊式和軸流式水輪機(jī)真機(jī)轉(zhuǎn)輪陸續(xù)研制成功，堆焊增材制造沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪如圖9所示。

圖9 沖擊式水輪機(jī)轉(zhuǎn)輪Fig.9 Impulse turbine

其典型應(yīng)用還有模具堆焊（再）制造。模具電弧增材（再）制造技術(shù)將電弧增材制造與逆向重構(gòu)相結(jié)合，主要包括：缺陷探測與清理技術(shù)；修復(fù)區(qū)快速測量與重構(gòu)技術(shù)；分層切片、路徑規(guī)劃與姿態(tài)調(diào)整軟件設(shè)計(jì)技術(shù)；微渣氣體保護(hù)模具專用焊材研制技術(shù)；焊接工藝與成形控制技術(shù)等。重慶大學(xué)的周杰等[23-24]開發(fā)了多種過程規(guī)劃算法以應(yīng)對堆焊修復(fù)精度和成形質(zhì)量問題，并以失效的熱鍛曲軸模具驗(yàn)證了整個工藝過程的穩(wěn)定性，曲軸熱鍛模具修復(fù)如圖10 所示。為了解決在各類復(fù)雜模具基體上進(jìn)行增材再制造時的壽命、撞槍、未熔合、焊瘤、金屬欠填充、成形精度和焊接缺陷控制難等問題，南京航空航天大學(xué)的劉仁培等[25-29]研制了基于分區(qū)策略的混合填充路徑規(guī)劃算法、焊槍姿態(tài)優(yōu)化設(shè)計(jì)算法、曲面分層算法、模具氣刨工藝規(guī)程與離線編程準(zhǔn)則等專用于模具增材再制造的工藝、算法、材料、軟件技術(shù)。如圖11所示，采用研制的成套技術(shù)和集成的硬件裝備應(yīng)用于數(shù)十個廠家數(shù)百套模具的增材再制造。

圖10 曲軸熱鍛模具修復(fù)Fig.10 Repair of crankshaft hot forging die

圖11 增材再制造的各類模具Fig.11 Additive remanufacturing of various molds

5 結(jié)論及展望

我國正由制造大國向智造大國發(fā)展，堆焊技術(shù)作為制造和再制造技術(shù)的重要支撐，正面臨前所未有的發(fā)展機(jī)遇。

（1）隨著設(shè)備的大型化和技術(shù)成熟度的提高，堆焊制造和修復(fù)再制造的行業(yè)競爭激烈。目前多專業(yè)融合復(fù)合技術(shù)處于快速發(fā)展中，如復(fù)合材料開發(fā)、復(fù)合熱源研究、粉末冶金-堆焊復(fù)合技術(shù)等。激光修復(fù)技術(shù)、增材制造修復(fù)技術(shù)會成為關(guān)鍵裝備制造與再制造表面改性技術(shù)的強(qiáng)增長點(diǎn)。

（2）由于零部件的幾何構(gòu)型復(fù)雜化、材質(zhì)復(fù)雜化、尺寸大型化或精細(xì)化，對熱加工過程材料和工藝控制、堆焊技術(shù)研究和應(yīng)用提出了更高的要求，需要從前期堆焊固態(tài)相變和焊接應(yīng)力應(yīng)變的模擬、執(zhí)行過程堆焊數(shù)據(jù)庫的建立和大型部件堆焊后的自動降低焊接殘余應(yīng)力及組織應(yīng)力的手段和方法進(jìn)行更深入的研究，為資源節(jié)約和高質(zhì)量再制造提供技術(shù)支撐。實(shí)現(xiàn)堆焊修復(fù)成形控制系統(tǒng)的集成化，提高修復(fù)系統(tǒng)的智能化和柔性化程度，發(fā)展堆焊修復(fù)流程管理和過程監(jiān)控平臺。

（3）國內(nèi)目前有些高端堆焊材料（尤其是Ni基、Co 基高溫合金堆焊材料）和先進(jìn)裝備還存在“卡脖子”問題，如適用于“三深一極”（深空、深海、深地、極地）極端環(huán)境的材料體系，仍需不斷強(qiáng)化適用于超高溫、極寒、強(qiáng)腐蝕、強(qiáng)磨損等環(huán)境的材料性能。