堆焊的技术技巧及工艺方法

一、概述

堆焊是指用焊接的方法将具有一定性能的材料堆敷在焊件表面上的一种工艺方法。其目的不是连接焊件,而是为了在焊件表面获得具有耐磨耐热耐腐蚀等特殊性能的熔敷金属层,或是为了恢复或增加焊件的尺寸。堆焊方法在制造和修理中得到广泛的应用。

二、堆焊用的金属

一般而言,堆焊的金属首先应满足焊件的使用条件;其次考虑堆焊的金属焊接性要好,再后适当选择比较经济的堆焊金属。

常见的工作环境条件下使用的堆焊金属有:高应力金属间磨损选用亚共晶钴基合金、含金属间化合物的钴基合金；低应力金属间磨损选用堆焊用低合金钢；金属间磨损＋腐蚀或氧化选用大多钴基合金或镍基合金；低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀选用高合金铸铁；低应力严重磨料磨损、切割刃选用碳化物；气蚀浸蚀选用钴基合金；严重冲击选用高合金锰钢；严重冲击＋腐蚀＋氧化选用亚共晶钴基合金；高温下金属间磨损选用亚共晶钴基合金、含金属间化合物的钴基合金；凿削式磨料磨损选用奥氏体锰钢；热稳定性高温蠕变强度(540℃)选用钴基合金碳化物型钴基合金。

铁基堆焊金属,其品较多,性能变化范围广,韧性和耐磨性配合好,最大的优点是成本低,因而使用很广泛。大致有四类:

其一是珠光体钢堆焊金属,这种类型合金焊接性好,抗冲击能力强,硬度较低,主要用于修复象轴类的机械零件。

其二是奥氏体钢堆焊金属,奥氏体锰钢堆焊金属具有较高的冲击韧度和加工硬化的特点,但容易产生热裂纹,一般用来修复在严重冲击载荷下金属间磨损和磨料磨损的零件,如矿山料车、铁路道岔等。奥氏体铬锰堆焊金属比奥氏体锰钢焊接性好,还有较好的耐腐蚀性、耐热性和抗热裂纹性,主要修复受严重冲击的金属间磨损的锰钢和碳钢零件。

其三是马氏体钢堆焊金属,这类堆焊金属的组织主要为马氏体,堆焊层的硬度和屈服强度高、耐磨性较高,可受中等冲击,但抗冲击能力却比珠光体钢和奥氏体钢堆焊层差。主要用于修复金属间磨损的零件,如齿轮、牵引车底盘等。

其四是合金铸铁堆焊金属,这类堆焊层具有很高的抗磨料磨损、耐热、耐腐蚀性能,抗氧化性能较好,能耐轻度的冲击,但堆焊时很容易出现裂纹,焊接时特别小心,主要用于堆焊农机具、矿山设备等零件。

镍基堆焊金属,其中使用最多的是镍铬硼硅系列合金,它具有优良的抗低应力磨料磨损和抗金属间磨损的性能比较好的耐腐蚀耐热和抗高温氧化性能,但抗高应力磨料磨损和耐冲击性稍差,通常用于腐蚀介质或高温环境中受到低应力磨料磨损的场合。

含金属间化合物的镍基合金,如Ni-32Mo-15Cr-3Si高温硬度高，具有优良的耐金属间磨损和中等的磨料磨损的能力，但抗冲击性较差；这种合金比较适用于钨极气体保护电弧堆焊或等离子弧堆焊，常用来堆焊在严重腐蚀介质中工作的阀门密封面。

含碳化物的镍基合金的价格比钴基合金低得多，从经济角度看，成为钴基堆焊金属的替代品而得到较多应用。

钴基堆焊金属,主要指钴铬钨合金,在650℃左右能保持较高的强度和硬度,具有一定的耐腐蚀性和优良的抗黏着磨损性能,在各种堆焊金属中钴基合金的综合性能最好,常用于高温工作状态的零件表面堆焊。

铜基堆焊金属,通常有青铜、黄铜、白铜、纯铜四类,铜基堆焊合金耐腐蚀、耐气蚀和耐金属间磨损的性能较好,可在铁基材料上堆焊制作成双金属件,也可用来修补磨损的零件;但铜基堆焊金属的耐硫化物腐蚀、耐磨料磨损和抗高温蠕变的能力较差,硬度低,也不容易施焊,只适用于200℃以下的环境中,这类堆焊金属主要用于轴瓦、低压阀门密封面等的堆焊。

碳化物堆焊金属,主要用于受严重磨损的工况,如油井钻头、筑路机械零件的堆焊。

三、堆焊的焊接工艺方法

氧-乙炔堆焊

其主要用于表面光洁、质量要求较高的零件的堆焊,以中、小型焊件小批量为主。如阀门、油井钻头、犁铧等零件的堆焊。

氧-乙炔的设备简单操作方便成本低,可与气焊设备通用,只是焊炬的焊嘴孔径比气焊大些;几乎所有形状的堆焊材料都能用(包括边角料);能见度大,能在很小的面积上进行堆焊,并且能得到薄而光滑的堆焊层;此法稀释率低,熔化层深度可控制在0.1mm以内，较容易保作证的堆焊层的质量；还原焰碳化焰的渗碳作用会降低堆焊层的韧度，但可提高以碳化物为在主要抗磨相的堆焊层的耐磨性；该种方法手工操作劳动强度大，生产效率低，对焊工有一定的技术要求。

氧-乙炔堆焊一般使用碳化焰堆焊,火焰性质与堆焊金属的种类有关:镍基合金通常采用中性焰,但为了提高金属流动性,偶尔也用碳化焰;铁基合金堆焊时采用两倍的乙炔过剩焰(内焰与焰心长度比为2:1);用含碳量高的低熔点堆焊合金(如高铬铸铁或钴基合金)进行堆焊时,采用3倍的乙炔过剩焰。

绝大多数钢件不用熔剂即可堆焊,堆焊铸铁时必须使用熔剂,同时要采取措施,以防出现白口组织和裂纹。预热和缓冷可很大程度减少堆焊层开裂的可能,也有利于降低稀释率;小工件可用焊炬直接加热,而大工件一般在炉中加热,并保证有足够的时间使温度均匀,每堆焊一层的最大厚度约1.6mm为宜，可多层堆焊。

采用自熔性合金粉末进行氧-乙炔喷焊（喷熔），根据喷粉和重熔的先后次序不同，喷焊工艺分为“一步法”和“二步法”；“一步法”喷焊的特点是喷粉和重熔同时进行，即边喷边熔的方法，一般喷粉很细，它的步骤是预热、预喷粉、喷工作粉并熔化；“二步法”喷焊的特点是喷粉和重熔分两步进行，使用重熔枪进行重熔，它的步骤是预热、喷粉和重熔。

氧-乙炔堆焊常见的缺陷是气孔未熔合等，这是由于操作不当或堆焊材料质量不好而造成的。

焊条电弧堆焊

焊条电弧焊设备低廉，通用性强，适合现场堆焊,电源常用的有:弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊发电机和弧焊逆变器等;特别适合堆焊形状不规则的零件及可达性差的部位;电弧热量集中,变形小,生产率高,但其熔深大,稀释率高,堆焊层硬度和耐磨性下降,通常焊2～3层,多层焊容易开裂。焊条电弧堆焊主要用于小批量生产和修复已磨损的零件,我国堆焊焊条有:D10×～24×;D25×～29×;D30×～49×;D50×～59×;D60×～69×;D70×～79×;D80×～89×等。

钛钙型、钛铁矿型、低氢型药皮的焊条最好采用直流反接进行堆焊,石墨型药皮的焊条堆焊以直流正接为宜,也可采用交流电源。堆焊前焊条应参考焊条说明书的规定温度进行烘干,一般酸性焊条150℃烘0.5～1h,碱性焊条250～350℃烘1～2h。堆焊的预热温度主要根据碳当量确定，如碳当量(%)是0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,预热温度（℃）分别为：100、150、200、250、300。堆焊后的缓冷可在炉中或石棉中进行，也可适当加热来使其缓慢冷却。

焊条电弧堆焊工艺参数见图1。