我国堆焊复合技术的应用与发展

卢 静，李 勇，欧阳航，闵小兵，罗丰华

（1.湖南省冶金材料研究院有限公司，湖南 长沙 410129；2.中南大学粉末冶金国家重点实验室，湖南 长沙 410083）

1 我国堆焊复合技术的发展现状

堆焊复合技术要求较小的稀释率，较大的熔敷效率和优良的焊层性能，近年来，国内研究者其主要从堆焊材料、堆焊方法及堆焊设备等三个方面来改善焊层性能，也相应取得了一定新的进展[1-3]。

1.1 堆焊材料

1.1.1 材料形态

（1）堆焊焊条。堆焊焊条一般有普通焊条、管状焊条、铸条等，一般由于材料的轧制和拉拔加工性较差，不能拉制成丝状，如钴基、镍基和合金铸铁等可直接供气焊、气体保护堆焊和等离子弧堆焊时用作熔敷金属材料[4]。该焊条适应性强、灵活方便，可以全位置施焊，应用较为广泛[5]。主要应用在矿山机械和石油化工机械等设备磨损部位的堆焊修补，如在常用于矿山机械大齿轮修复的J857Cr低氢钠型药皮的低合金高强钢焊条。

（2）堆焊焊丝、焊带。丝状和带状堆焊材料主要分为实心和药芯两大类，两者都有利于实现堆焊的机械化和自动化，其主要应用于埋弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。两者最大的区别是实心焊丝、焊带的管是实心的，而药芯的管内则有药芯保护，它有着稳弧、改善操作性能的作用，相对于实心焊、丝焊带来说应用范围更为广泛[6]。

而且，药芯的成分可根据零部件的服役环境来进行调节，表现出其对金属材料极强的适应性，芯部药粉作为一种连续填充的材料，又能大大提高堆焊焊丝、焊带的生产效率[7]。例如华中科技大学[8]研究了自保护硬面药芯焊丝中的具体成分对焊接飞溅的影响，如药芯粉中金红石、氟化物、硅灰石等，并对其成分配比进行优化，得到焊接工艺最佳的硬面药芯焊丝。

（3）堆焊合金粉、合金块。粉粒状堆焊材料包括用来作为熔敷材料的合金粉末和起保护作用的埋弧堆焊的焊剂，堆焊合金粉的种类几乎包含了所有的合金种类，焊剂中的烧结焊剂和黏结焊剂可过渡合金[9]。块状堆焊材料一般是由合金粉中加入胶黏剂制成的，在堆焊时也可根据不同的工况来选择不同的成分配比，具有很大的成分调整空间。

1.1.2 材料成份

（1）铁基堆焊合金。铁基堆焊合金具有良好的耐磨性能和经济性，是堆焊材料中应用最广泛的一类。铁基堆焊合金的基体组织一般表现为马氏体、奥氏体、珠光体等几种类型，其主要由于合金含量、含碳量和冷却速度的不同造成的，根据不同服役工况选择不同类型的铁基堆焊合金材料。其主要的合金化元素有Cr、Mo、W、Ti、B等，它们不仅作为堆焊层的硬质相元素，还对基体组织的性能也有影响[10]。

（2）镍基堆焊合金。镍基堆焊合金耐金属-金属间摩擦磨损性能在各类堆焊合金中是最好的，且具有很高的耐热性能、抗氧化性能和耐腐蚀性能。根据强化相的不同，镍基堆焊合金又可分为含硼化物合金（科尔蒙合金）、含碳化物合金（哈斯特洛伊合金）和含金属间化合物合金（蒙乃尔合金）三大类。科尔蒙合金的硬度高（HRC50～60），具有比较好的红硬性，熔点低(约1000℃)，在950℃以下具有良好的抗氧化性和耐腐蚀性,流动性好。堆焊时稀释率低且堆焊层成形美观，但是合金堆焊层的抗裂性差，堆焊前应高温预热、焊后缓冷。哈斯特洛伊合金的堆焊组织主要由奥氏体+金属间化合物组成，加入W、Mo、Fe元素后，合金的耐蚀性能和耐高温性能明显提高，主要用于耐强腐蚀、耐高温的金属-金属间摩擦磨损。蒙乃尔合金主要用于耐腐蚀零部件堆焊，有很高的耐腐蚀性能，硬度较低，一般含Ni 70%、Cu 30%。

（3）钴基堆焊合金。钴基堆焊合金又称为司太立合金，其堆焊层的基体组织主要表现为奥氏体组织+共晶组织[11]，在高温耐磨条件下综合性能最好，如高的红硬性、抗磨料磨损性能优异、抗腐蚀强等。王庆田等人[12]通过改进秦山核电二期工程反应堆内钴基合金堆焊工艺和参数，经过检测分析，结果表明可满足设计要求。但是这类合金容易形成冷裂纹或结晶裂纹，堆焊工艺复杂，在制造过程中必须严格按照堆焊工艺来实施，对堆焊技术人员要求高[13]。

（4）碳化钨堆焊合金。碳化钨堆焊层由基材和熔敷在其表面的碳化钨颗粒组成。基材可由铁基、镍基、钴基等合金材料构成。碳化钨一般由含C3.5%～4.0%和含W 95%～96%的WC及W2C组成，具有很高的硬度和熔点，可主要主要分为两类：铸造碳化钨及以Co为黏结金属的粉末烧结碳化钨两类[14]。碳化钨堆焊合金具有良好的耐磨性、耐热性、耐腐蚀性和耐低温冲击性,但堆焊时碳化钨颗粒会熔化,硬度只有HV1200左右的碳化钨会在熔敷金属中析出,导致耐磨性下降,这种合金的脆性大,易产生裂纹，堆焊时需要对其基体进行预热。

1.2 堆焊方法

（1）气体保护电弧堆焊。气体保护堆焊根据保护气体的种类可分为CO2气体保护堆焊、Ar气体保护堆焊和混合气体保护堆焊等。气体保护电弧堆焊具有成本低、生产效率高、热影响区小、操作方便等优点，适用于合金钢和特殊合金的堆焊。如张良成利用CO2气体保护电弧堆焊，采用超低碳不锈钢焊丝，对加氢反应器总体结构进行堆焊，经检测，堆焊产品的一次合格率为100%，且比普通电条堆焊提高了近1倍的工作效率。

（2）带极电弧堆焊。带极电弧堆焊作为一种新型的堆焊复合技术，可主要分为两种：带极埋弧堆焊和带极电渣堆焊。带极电渣堆焊是在带极埋弧堆焊基础上发展起来的，它利用导电渣的电阻热熔化母材和焊带。与带极埋弧堆焊相比，带极电渣堆焊的熔敷率更高，堆焊速度也更快，而稀释率也比带极埋弧堆焊更低，所使用的焊剂消耗也更少。由于其工艺参数的特点，它的熔敷速度是各种单丝堆焊熔敷速度的十几倍至几十倍，其主要应用在石油化工行业的原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温、抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。

（3）电子束堆焊。电子束堆焊(EBW)是一种利用透镜聚集的高能电子束在真空中轰击和熔化金属基体和合金材料的超合金化。电子束堆焊的能量效率高，轰击点直径小，加热功率密度大，热影响区面积小，规范参数易于调节，因此堆焊层的成型性更优于普通电弧堆焊。由于母材在熔融时不受金属蒸气的影响，堆焊金属冷却速度快，堆焊层的耐磨性提高近10倍。俄罗斯的М.В.Радченкo等专家利用电子束堆焊法强化内燃机活塞表面取得了良好的效果，可保证获得高度均匀的树枝状结晶的弥散组织，提高硬度以及活塞的使用寿命。

（4）激光堆焊。激光堆焊的表面焊层厚度一般为0.8～3.0mm，对于堆焊层很薄的情况，若利用预置粉末或喷涂后重熔的方式很难获得，在熔敷时易出现裂纹、气孔。激光堆焊热影响区和热畸变小，且堆焊层的厚度、成分和稀释率可控性好。由于激光的堆焊速度高、冷却速度快，可以获得组织致密、性能优异的堆焊层，焊接可靠性高，易于实现自动化，符合现代生产的发展趋势，主要用于模具、传动轴、齿轮等各类易损易耗件的局部修复强化。

（5）聚焦光束堆焊。聚焦光束表面堆焊是近年来发展起来的新型表面堆焊技术，由于光束易被金属材料吸收，能源利用率可达50%以上。由于电弧吹力的影响和功率密度的限制，传统粉末堆焊工艺很难同时达到高效率和低稀释率的目的，而聚焦束粉末堆焊的功率与传统的电弧堆焊相当，但加热过程对熔池没有力学影响，可获得较低的稀释堆焊层。1998年，清华大学研制了功率密度达到104W/cm2以上二次聚焦的光束加热设备，在此基础上，采用结合预置粉末方法在碳钢表面研究了镍基合金和铁基合金的堆焊。结果表明，利用聚焦光束堆焊和采用合适的合金材料和工艺，可以获得成形良好的大面积堆焊层，堆焊层的宏观硬度高于采用相同材料获得的热喷涂层。

1.3 堆焊设备

（1）CO2气体保护自动堆焊设备。CO2气体保护自动堆焊设备应用广，操作方便，其堆焊机床上安装有焊枪运行机构、送丝机构和工件运转机构。焊枪结构简单，自身质量轻，维修方便。焊枪运行机构和工件运转机构使电弧在工件表面上按特定规律运动而形成致密均匀的堆焊层。许惠斌、王和松等人根据火车车钩钩舌面补焊的实际要求，设计并研制出了一种专用于火车车钩钩舌的CO2气体保护自动焊机，焊机的空中电机以PLC为核心的控制，焊枪能够进行三维移动，系统运行可靠，实用性强。

（2）电子束堆焊设备。电子束堆焊设备由高压电子枪和其他精密控制部件组成，一般都在真空中进行，虽然可以获得更高质量的堆焊层，但它的成本更高，目前主要应用于活性金属的表面堆焊以及精密零件的近净成形。由于成本的原因，非真空电子束堆焊设备和技术的研究成为了国内外电子束焊接的重要研究发展方向之一，也是电子束堆焊的重要发展方向。在非真空电子束焊接方面，德国已实现了以AlMg0.4 Si1.2为基材的旋转件的充丝焊接，加丝材料为AlMg4.5Mn，送丝速度35m/min，焊接速度可达60m/min，该研究在斯图加特大学的25kW电子束焊机上完成。

2 堆焊复合技术的应用

2.1 堆焊复合技术在矿山机械上的应用

（1）刮板输送机中部槽。刮板输送机的工作原理是由电机驱动刮板链，在中部槽中进行物料输送，主要受到物料、刮板和链对中板及槽帮钢的磨损，但在实际应用中，由于地面不平等因素，铺设角将超过规定的弯曲倾角，从而增加链条与中部槽的接触压力，加速了中部槽的磨损。中国矿大专门研制生产出一种KD-1型耐磨焊条用来修复类似于中部槽磨损失效的零部件，对其采用合适的堆焊工艺，获得良好的堆焊层，使磨损主要在堆焊层上进行，从而有效保护中板。

（2）矿用截齿。矿用截齿主要应用于煤矿的掘进机和采煤机破岩落煤,其主要的失效形式有：磨损(包括硬质合金刀头、齿体)、刀头碎裂(崩刃)及截齿丢失等，是煤矿机械中更换量最大的零件之一。堆焊复合技术是预保护和修复矿用截齿失效的主要形式之一，如苏伦昌等人利用激光堆焊在截齿母材42CrMo钢表面上堆焊含一定量Ti、W和Mo等强碳化物的FeCrSiBC铁系堆焊合金粉末后，再制造修复的截齿的寿命可延长3～5倍。孙咸采用高速钢焊条在35CrMnSi钢截齿基体上堆焊耐磨层，得到抗冲击性极强的堆焊层，良好的预防由损坏带来的影响。

2.2 堆焊复合技术在冶金机械上的应用

（1）连铸辊。连铸辊由于受到高温钢坯的鼓肚力和静压力而引起的循环载荷影响，还有喷淋冷却水的交变热循环作用，其破坏形式主要表现为黏着磨损、腐蚀磨损及龟裂状热疲劳裂纹。目前，连铸辊广泛采用的是1Cr13LiMo系焊材带极螺旋堆焊和埋弧焊工艺，这些工艺方法虽能满足连铸机的日常生产需要，但是由于堆焊材料一般以碳配合其它合金元素作为强化合金，然而这种合金的抗热磨损性能和抗热疲劳性能合金不够理想，难以达到连铸辊长寿命和多次再生使用的目标。对此，鞍山钢铁集团公司研究决定，采用焊带H0Cr13Ni4MoN，焊剂SJ315，以带极纵向堆焊的方法，既能有效克服了1Cr13NiMo系用碳强化的不足，保留了1Cr13NiMo系合金的优点，又避免了传统螺旋堆焊方法容易产生“熔合线”的薄弱地带。实践表明，堆焊后的连铸辊高温耐磨性和高温耐疲劳性良好,取得了明显的技术和经济效果。

（2）辊道辊。辊道辊在工作时主要受到表面冷热交替及热轧板带的压力影响，其主要失效表现为表面疲劳磨损。就目前国内辊道辊的堆焊复合制造的现状看，对于窄带钢轧机前后的辊道辊，堆焊复合技术较为成熟，其堆焊材料通常为多元微合金化的1Cr13或2Cr13马氏体不锈钢。然而，对于宽带轧机前后的辊道辊（辊面长度达到8m），若要保证其堆焊层的质量，这对堆焊材料、堆焊工艺、堆焊设备及堆焊过程保温设备的稳定性都有着极高的要求。

2.3 堆焊复合技术在石油化工机械上的应用

（1）原油换热器。原油换热器主要应用在应用在石化行业的运输管道上，为提高管程耐腐蚀能力，一般在管内堆焊一层不锈钢耐腐蚀堆焊层，中石化第四分公司采用带极堆焊的方法，在大直径16MnR上堆焊了过渡层（过渡层材料采用H309L焊带，焊剂为SJ304）和耐蚀层（耐蚀层材料采用H316L焊带，焊剂为SJ304），发现采用合适的工艺参数和变形控制措施可获得具有良好焊接质量的堆焊层，提高了原油换热器的使用寿命。

（2）压力容器。压力容器的质量是保证石化企业正常生产的关键。目前我国在役压力容器（包括国外引进和国产），有一部分处于超期服役或带伤运行，从而对其检验和维修显得更加重要。李平谨等经过对某石化厂的中和塔中段环缝多处泄漏的现象进行失效分析，发现是由于采用大线能量（特别是埋弧焊）焊接后，焊接残余应力增大，导致晶粒粗化，造成耐蚀性降低，在中段酸性介质中，氯离子在含溶解氧的热水中加速作用而引起应力腐蚀开裂。针对这种具有应力腐蚀工况的不锈钢设备，通过改用抗点蚀和抗应力腐蚀优良的药芯焊丝气体保护焊的方法，以小线能量施焊，既可降低残余应力，又能减少过热和敏化区的区段，修复后正常运行了4年未再发生泄漏。

2.4 模具修复

模具的失效都发生在工作表面或亚表面，其失效形式主要表现为磨损、断裂（包括碎裂、崩刃、剥落、腐蚀、疲劳和变形等）。堆焊复合技术作为一种比较成熟的模具修复技术，它只需对模具的型腔表面或亚表面进行表面修复，而不需要对模具进行整体处理，就能获得很好的使用性能并且延长它的使用寿命。

H13钢是近20年来我国低合金大截面热作模具钢领域发展的钢种之一。其失效形式一般有热磨损、热疲劳龟裂、断裂和裂纹等几种形式。其主要失效形式为型腔表面的热磨损，极大的影响了模具使用寿命。实践表明，采用堆焊复合技术对报废的旧热锻模或加工差的热锻模进行修复，可提高模具的使用寿命。堆焊材料采用准4.0 mm D022钛钙型钨铬钼钒合金高硬度耐磨堆焊焊条，采用适当的工艺参数对其进行堆焊，再经过机械处理获得原有的尺寸。经检测，获得的表面堆焊层具有良好的红硬性和热强性，硬度也高于基体H13的硬度，且没有裂纹产生，将H13钢模具型腔表面堆焊工艺参数研究结果投入生产，大大提高了模具的使用效率，降低了模具成本。