堆焊的特点

一、堆焊的特点 字体 大 中 小堆焊是一种异种材质的熔化焊，因此堆焊的特点和异种材料焊接相类似。堆焊层被稀释，熔合区变脆，热影响的结果，导致堆焊层及热影响区成分、组织、性能变化是堆焊的明显特点。 1.稀释率 堆焊时基材和堆焊金属熔化，相互溶解。基材溶解于堆焊金属中的量称为稀释率。稀释率增加使堆焊金属的合金元素比例下降。引起堆焊层性能下降，堆焊材料耗量增加。用多层堆焊、增加堆焊层厚度、增加堆焊材料中的合金元素量的方法，可以补偿稀释作用的影响。各种堆焊方法的稀释率见表9-31。 表9-31 几种堆焊方法的特点比较堆焊方法稀释率(%)熔敷速度(kg/h)最小堆焊厚 度(mm)熔敷效率(%)氧-乙炔焰堆焊手工送丝自动送丝手工送粉1101101100.51.80.56.80.51.80.80.80.21001008595手工电弧堆焊10200.55.43.265钨极氩弧堆焊10200.54.52.498100熔化极气体保护电弧堆焊其中：自保护电弧堆焊104015400.95.42.311.33.23.290958085埋弧堆焊单 丝多 丝串联电弧单带极多带极30601525102510208154.511.311.327.211.315.9123622683.24.84.83.04.09595959595等离子弧堆焊自动送粉手工送丝自动送丝双热丝5155155155150.56.80.53.60.53.613270.252.42.42.48595981009810098100电渣堆焊101415751595100注：指单层堆焊结果;钢母材上堆焊铜及铜合金可低到2%;较早些的文献记载为0.8。 2.堆焊熔合区 堆焊熔合区有时会出现延伸性下降的脆性交界面。受冲击载荷作用时可能产生堆焊层剥离现象。在高温条件下工作时，可能会发生碳迁移现象，导致高温强度和抗腐蚀能力降低。若基材与堆焊层热膨胀系数差别较大时，在焊接、焊后热处理、或使用过程中，可能发生裂纹。在铁基材料上堆焊有色金属时，铁会污染对铁含量有严格限制的堆焊金属。以上堆焊熔合区易出现的问题，可用预先堆焊过渡层或障碍层的办法消除其影响。如在钢基材上堆焊铜合金时，常用镍、因康镍合金、铝青铜作障碍层。 3.反复受热的影响 由于堆焊工艺本身特点的要求，往往采用预热、缓冷、多层焊工艺，因此焊缝区受热情况复杂。反复热循环将引起堆焊层化学成分和金相组织的变化，造成组织和成分的不均匀分布。不同的堆焊方法，热循环状况不同，对堆焊层的影响也不同。如氧-乙炔焰堆焊钴铬钨合金时，由于加热、冷却速度都较慢(与电弧堆焊比较)，因此，堆焊层中碳化物粗大。使用还原性火焰堆焊有增碳作用，碳量增加使堆焊层耐磨性提高。不锈钢和镍基合金堆焊层在490 870高温退火时，可能析出碳化物和相沉淀物，这将引起堆焊层变脆，并降低抗腐蚀能力。 字数：1437知识来源：王文翰 主编.焊接技术手册.郑州：河南科学技术出版社.2004.第480-481页.一、堆焊方法 字体 大 中 小堆焊用的焊接方法很多，几乎所有的熔焊方法都能用来堆焊。选择堆焊方法时要考虑焊件的大小、形状和批量、堆焊层厚度、堆焊金属成分和性能等。 1.常用堆焊方法特点的比较 常用堆焊方法特点的比较见表13-38。 表13-38 几种堆焊方法特点的比较堆 焊 方 法熔敷速度 (kg/h)最小稀释率 (%)最小堆焊厚度 (mm)氧-乙炔火焰堆 焊：手工送丝0.452.710.8自动送丝0.456.810.8焊条电弧堆焊0.74.2152.4埋弧堆焊：单丝4.68.1303.2多丝1127154.5串列电弧1116104.5续表堆 焊 方 法熔敷速度 (kg/h)最小稀释率 (%)最小堆焊厚度 (mm)埋弧堆焊单带极1236103双带极226854钨极氩弧堆焊0.453.6102.4熔化极气体保护堆焊4.56.8303.2粉末等离子堆焊4.56.85*0.255双热丝等离子堆焊13275*2.4电渣堆焊15751015基材熔解于堆焊金属中的量称为稀释率。表中最小稀释率系指单层堆焊结果。 *钢基体上堆焊铜及其合金可达2%。 2.常用堆焊方法的选择 堆焊方法的选择依据是： 满足堆焊层性能要求; 满足堆焊焊件结构的要求; 满足冶金特点的要求; 满足堆焊材料使用状态的要求和满足效率及经济性的要求。 常用堆焊方法的适用范围见表13-39。 表13-39 常用堆焊方法的适用范围方法 项目氧乙 炔堆焊焊条电 弧堆焊埋弧堆焊熔化极 气体保 护堆焊钨极氩 弧堆焊等离子 弧堆焊电渣堆焊设备复 杂度简单简单较复 杂、易实 现机械 化、自动 化较复 杂、可实 现机械 化、自动 化较复杂比TIG 焊机复杂较复杂设备 价格便宜便宜较高较高较便宜较高较高续表方法 项目氧乙 炔堆焊焊条电 弧堆焊埋弧堆焊熔化极 气体保 护堆焊钨极氩 弧堆焊等离子 弧堆焊电渣堆焊堆焊材 料状态任意状 态焊条 (钢芯、药 芯、铸芯)丝(实 芯、管状) 带极丝(实 芯、管状)、 带极管状焊 丝、棒状丝、棒、 粉丝 (实 芯、药芯)、 带极稀释率小较大大较大较小可调小冶金 影响用碳化 焰时增碳合金元 素有烧损可通过 焊剂过渡 合金元素合金元 素Ar焊 时无烧 损，CO2 焊时有烧 损合金元 素不烧 损、不氧 化温度梯 度大，易 产生裂纹可掺合 金元素， 熔合线附 近成分变 化率大效率低较低高较高较低较高高应用 范围光洁、 精密小面 积堆焊， 如阀门、 带锯、犁 铧等小批量 堆焊件和 磨损件修 复大面 积、大批 量件、水 平位置堆 焊，如大 型容器壁 及轧辊堆 焊Ar保 护可堆焊 钴、镍、铝 基合金和 青铜等。 CO2保护 可堆焊铁 基合金如 轴瓦、泥 浆泵等要求高 的形状复 杂的小 件，如汽 轮机叶片 上堆焊钴 基 合 金 等。含铝 镍基合金 的堆焊铁基、 镍基、钴 基、难熔 金属均能 堆焊。如 流量控制 阀、挤压 机螺杆、 汽车发动 机排气阀 等适合大 厚度与垂 直线成 4560 斜面的堆 焊。利用 模具也可 以进行水 平和垂直 面的堆焊字数：1413知识来源：张应立 主编.焊工便携手册.北京：中国电力出版社.2007.第795-797页.堆焊方法操作要点5.钨极氩弧堆焊 (1)采用直流正接可减少和避免钨极对堆焊层的污染。 (2)堆焊时应严格控制工艺规范参数，如电流、堆焊速度、送丝速度和焊枪摆动。 (3)用衰减电流的方法控制堆焊层的凝固速度，可以减少缩孔和弧坑裂纹。 (4)采用摆动焊枪、脉动电流、尽量减少电流或者将电弧主要对着熔敷层等办法来降低稀释率。 (5)将堆焊材料以颗粒状输送到电弧区，随着工件表面被电弧熔化，如将碳化钨颗粒导入到熔化的表面上，碳化钨颗粒基本不熔解，当熔化金属凝固时，就得到碳化钨均匀地分散在工件表面的堆焊层。用这种方法可堆焊钻管接头。 六、钨极氩弧堆焊工艺 字体 大 中 小钨极氩弧堆焊是一种非熔化极的堆焊方法，一般用下降特性的直流电源，也可以用带有连续高频电流的交流电源。由于氩气的良好保护性，有效地防止了合金元素的烧损和氧化。适用于钛作稳定剂的不锈钢、含铝的镍基合金、不允许碳吸附和易挥发材料的堆焊。严格控制堆焊电流、堆焊速度、送丝速度和焊枪摆动等工艺参数，可以获得高质量堆焊层。 为了减少渗钨现象，需采用直流正接方式。 为了降低稀释率可以采用焊枪摆动、脉冲电流、减小电流、电弧主要对着熔敷层等工艺措施。 为了减少缩孔和弧坑裂纹倾向，可采用电流衰减，控制收尾时熔池凝固速度的办法。 为了使某些硬化相颗粒均匀分布在堆焊层中，还研究采用了将强化相颗粒直接送到电弧区。随着工件表面被熔化，强化相颗粒基本不熔化，而又由于熔池的扰动作用，使之均匀的分散在熔池中，随着熔池的凝固得到优良的耐磨堆焊层。如堆焊钻管接头时用这种方法，得到碳化钨强化相颗粒均匀分布的堆焊层。 字数：406知识来源：王文翰 主编.焊接技术手册.郑州：河南科学技术出版社.2004.第490页七、堆焊金属材料的选择 字体 大 中 小堆焊金属材料的选择是一个综合性的技术问题。首先考虑工件的要求和经济性，还要考虑工件的材质、批量及所用的堆焊方法等因素。 1.堆焊金属选择的一般规律 要求最大抗磨料磨损时，选用含碳化物或其他硬度相同的堆焊金属，如碳化钨、合金铸铁等，前者耐磨性高，后者价格便宜，均有较多应用。 要求抗冲击及磨料磨损时，选用既能耐磨料磨损又能承受冲击载荷的堆焊金属。耐磨料磨损的堆焊金属承受冲击载荷能力强弱的顺序是： 合金铸铁、马氏体钢、奥氏体高锰钢。马氏体钢价格便宜，应用最普遍。 要求在腐蚀性介质中工作时，选用抗腐蚀能力强的不锈钢、铜基合金、镍基合金、若要求同时具有耐磨能力时，则可选用钴基和镍基合金。 要求高温耐磨时，可选用钴基合金，含Laves相的钴基合金更好。若同时存在冲击时，可选用含Cr5%的马氏体钢。若要求更高的抗热能力和热强度时，可选用马氏体不锈钢。 在满足工件技术要求的同时，要注意经济效益和资源的合理利用。影响经济效益的因素很多，如堆焊材料的成本、堆焊设备的折旧、生产效率和运输费用等。 堆焊金属选用的一般规律见表13-36。 表13-36 堆焊金属选用的一般规律工作条件可选用的堆焊金属高应力金属间磨损亚共晶钴基合金、含金属 间化合物的钴基合金低应力金属间磨损堆焊用合金钢金属间磨损+腐蚀或氧化大多数钴基或镍基合金低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀高合金铸铁续表工作条件可选用的堆焊金属低应力严重磨料磨损碳化物气蚀不锈钢、钴基合金严重冲击高锰钢严重冲击+腐蚀+氧化亚共晶钴基合金高温下金属间磨损亚共晶钴基合金、含金属 间化合物的钴基合金凿削磨损奥氏体锰钢热稳定性、高温蠕变强度(450)钴基合金、含碳化物的镍 基合金2.堆焊合金的选择步骤 (1) 分析工作条件，确定可能破坏的类型和对堆焊金属的要求。 (2)按一般规律列出几种可供选择比较的堆焊金属材料。 (3)分析待选材料与基体材料的相容性 (包括热应力和裂纹)。初步确定堆焊工艺方法及工艺方案。 (4) 堆焊零件的现场实验。 (5)综合考虑使用寿命和成本，最后选定堆焊合金材料。 (6)选定堆焊方法，制定堆焊生产工艺规程。 3.堆焊材料不同形态适用的堆焊方法 目前国内可提供的堆焊材料形状及适用的堆焊方法见表13-37。 表13-37 堆焊材料不同形态适用的堆焊方法堆焊材料形状适用的堆焊方法丝 (d0.55.8mm)氧乙炔焰堆焊、熔化极气体保护电 弧堆焊、振动堆焊、等离子弧堆焊、埋 弧堆焊带(t=0.40.8mm，B=30 300mm)埋弧堆焊、电渣堆焊续表堆焊材料形状适用的堆焊方法铸棒(d2.28.0mm)氧乙炔焰堆焊、等离子弧堆焊、钨 极氩弧堆焊粉 (粒)等离子弧堆焊、氧乙炔焰堆焊管状焊丝自保护电弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、 埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊堆焊用焊条 (钢芯、铸芯、 药芯)焊条电弧堆焊除常规棒料外，我国已能用水平连续法生产优质的高合金铸棒。 字数：1266知识来源：张应立 主编.焊工便携手册.北京：中国电力出版社.2007.第793-795页二、堆焊前的准备及焊后热处理 字体 大 中 小1.堆焊前准备 做好堆焊前的准备工作是保证堆焊质量的重要因素，主要内容有以下几点： (1)确定零件堆焊部位的要求。 (2)确定堆焊方法、焊接参数、堆焊材料 (焊条、焊丝、焊剂等)，堆焊用设备、熔化极形状及极性的选择等。 (3) 清除焊件表面油、污、裂纹。 (4) 烘干焊条、焊剂。 2.焊前表面处理和退火 需要堆焊的焊件表面，在焊前要脱脂除锈和清除污物。有些焊件在工作过程中表面往往已产生裂纹和剥离，有的表面还有腐蚀坑等，这些缺陷不去除将对堆焊层的质量不利，因此这类焊件焊前要进行去应力退火，还要用机械加工的方法把表面缺陷彻底除掉。 3.焊前预热和焊后缓冷 焊有开裂倾向的碳钢和低合金钢时，防止开裂和剥落的有效方法是预热和缓冷。预热温度高低，与堆焊金属的碳当量，与工件的材质、大小和堆焊部位的刚度等有关。预热温度一般选150600。表13-40列出了碳钢或低合金钢的预热温度。 表13-40 根据碳当量选择预热温度碳当量(%)预热温度()0.40100以上0.50150以上0.60200以上0.70250以上0.80300以上碳当量Ceq一般按公式CeqC+Mn/6+Cr+Mo+V/5+Ni+Cu/15%计算。 对于堆焊金属硬度比较高、堆焊面积比较大的焊件，如锻模、大阀体等，需要整体预热。对于仅需局部堆焊的焊件，可以局部预热。而对于那些在堆焊过程中就能够被整体加热的小零件，可以不预热。 为了防止裂纹和剥离，除了焊前预热外，还要焊后缓冷，缓冷的方法是： 堆焊后可将堆焊零件放在石棉灰、石棉毯或硅酸铝等保温材料中缓冷。对于淬硬倾向小的堆焊金属，如1Cr13、2Cr13等，焊后为了获得较高的硬度，也可选用空冷，机械加工后不再进行加热处理。对于淬硬倾向大的焊金属，如高铬铸铁、碳化钨、钴基合金等，焊后要进行600700回火1h，再缓冷以免出现裂纹。 4.隔离层堆焊 为了减少应力，防止堆焊层产生裂纹和剥离，可先用塑、韧性好的焊条堆焊隔离层，将堆焊层与基体隔离。如在碳钢上堆焊高锰钢时，可先在碳钢上堆焊一层铬镍或铬锰奥氏体钢，然后再在奥氏体钢上堆焊高锰钢，这样既可减少焊接应力，又不影响高锰钢焊后采取快冷的措施。 5.减少母材对堆焊层合金元素和稀释率 堆焊过程中，部分母材金属要熔入堆焊金属中，堆焊金属中的部分合金元素也要烧损，这些都会使堆焊硬度改变和力学性能下降。因此在选择堆焊方法时，要进行比较，尽量选择稀释率低的焊接方法。 6.减少焊件堆焊后的变形 对细长