（材料加工工程专业论文）焊条chr132和chr172堆焊熔敷金属组织及性能研究.pdf

西华大学硕士学位论文 焊条c h r l 3 2 和c h r l 7 2 堆焊熔敷金属组织及性能研究 材料加工工程 研究生潘全喜指导教师屈金山教授 摘要 采用焊条电弧堆焊方法，选用c h r l 3 2 和c h r l 7 2 堆焊焊条在4 5 钢基体 上进行多层堆焊试验，并对得到的熔敷金属显微组织和显微硬度进行了分析 和研究。主要内容有以下两部分。 第1 部分是研究不同堆焊工艺参数条件下所获得的熔敷金属显微组织及 其显微硬度。结果表明：( 1 ) 合金元素对熔敷金属显微组织和显微硬度有较大 的影响；( 2 ) 第一层熔敷金属受基体金属稀释的影响最大，而第二层受基体金 属影响较小，第三层受基体金属影响最小，能够基本反映堆焊焊条熔敷金属本 身的性能；( 3 ) 堆焊两层时，在平均焊接速度和焊接电压相同的情况下，随着 输入的焊接电流增大，焊接线能量也逐渐增加，c h r l 3 2 和c h r l 7 2 堆焊焊条 熔敷金属硬度随着焊接线能量的增加而降低。 第2 部分是研究4 0 0 0 c x 2 h 、5 5 0 0 c x 2 h 和7 0 0 0 c x 2 h 焊后热处理条件下获 得的熔敷金属显微组织及其显微硬度。 熔敷金属显微组织和焊态时明显不同； 结果表明：( 1 ) 经过焊后热处理得到的 ( 2 ) 堆焊两层时，c h r l 3 2 和c h r l 7 2 堆焊焊条熔敷金属硬度随着焊后热处理温度的升高逐渐降低；( 3 ) 堆焊三层时， 经5 5 0 0 c x 2 h 热处理的焊条c h r l 3 2 熔敷金属硬度值最高，4 0 0 0 c x 2 h 的次之， 7 0 0 0 c x 2 h 的最低。焊态下熔敷金属的硬度值高于热处理后熔敷金属的硬度值。 关键词：堆焊，熔敷金属，焊后热处理，显微组织，显微硬度 西华大学硕士学位论文 s t u d yo nm i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t yo fd e p o s i t e dm e t a l p r e p a r e d b ye l e c t r o d ec h r l 3 2a n dc h r l 7 2 m a t e r i a l sp r o c e s s i n ge n g i n e e r i n g g r a d u a t e ：p a nq u a l l ) 【is u p e r v i s o r ：p r o f q uj i n s h a n a b s t r a c t i nt h i sp a p e r , o v e r l a y i n gp r o c e s si sc o n d u c t e db ys h i e l d e dm e t a la r cw e l d i n g p r o c e s so n t h e4 5s t e e ls u b s t r a t eu s i n ge l e c t r o d ec h r l3 2a n dc h r l7 2 t h e a n a l y s e so nm i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so fd e p o s i t e dm e t a l a r em a d e ，w h i c h i n c l u d e sf o l l o w i n gt w om a i np a r t s t h ef i r s tp a r ti st h a tt h ea n a l y s e so nm i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so f d e p o s i t e dm e t a la r ec o n d u c t e du n d e rt h ec o n d i t i o no fv a r y i n gw e l d i n gp a r a m e t e r s t h ee x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) t h ee f f e c to f t h ea l l o y i n ge l e m e n t so nt h e m i c r o s t r u c t u r ea n dt h em i c r o h a r d n e s so fd e p o s i t e dm e t a li ss i g n i f i c a n t ( 2 ) t h e a c t i o no ft h ef i r s td e p o s i t e dm e t a ll a y e rd i l u t e db ys u b s t r a t em e t a li sl a r g e s t ，b u tt h e a c t i o no ft h es e c o n dd e p o s i t e dm e t a ll a y e rd i l u t e db ys u b s t r a t em e t a li ss m a l l e r ，a n d t h ee f f e c to ft h et h i r dd e p o s i t e dm e t a ll a y e rd i l u t e db ys u b s t r a t em e t a li ss m a l l e s t ，t h e p r o p e r t yo f e l e c t r o d ed e p o s i t e dm e t a li sa l m o s te q u a lt ot h a to fe l e c t r o d em e t a l ( 3 ) i f t w od e p o s i t e dm e t a ll a y e r sa r ep u t ，a n dw h e nt h ea v e r a g ew e l d i n gs p e e da n da r c v o l t a g ea r ec o n s t a n t ，w i t ht h ei n c r e a s eo f t h ew e l d i n gc u r r e n t ，t h e nw e l d i n gh e a t i n p u ti sg r a d u a l l yi n c r e a s e d ，a n dt h em i c r o h a r d n e s so fc h r l 3 2a n dc h r l7 2 d e p o s i t e dm e t a li sg r a d u a l l yd e c r e a s e d t h es e c o n dp a r ti st h a tt h ea n a l y s e so nm i c r o s t r u c t u r ea n dm i c r o h a r d n e s so f d e p o s i t e dm e t a la r ec a r r i e do u ta f t e rt h ep o s t w e l dh e a tt r e a t m e n ti sp e r f o r m e du s i n g f o l l o w i n gh e a tt r e a t m e n tp a r a m e t e r s ：4 0 0 0 c x 2 h ，5 5 0 0 c x 2 ha n d7 0 0 0 c x 2 h t h e e x p e r i m e n t a lr e s u l t ss h o wt h a t ( 1 ) c o m p a r e dw i t ha s w e l d e dd e p o s i t e dm e t a l ，t h e 西华大学硕士学位论文 m i c r o s t r u c t u r eo fh e a tt r e a t e dd e p o s i t e dm e t a li so b v i o u s l yd i f f e r e n t ( 2 ) w h e nt w o d e p o s i t e d m e t a ll a y e r sa r e p u t ，t h em i c r o h a r d n e s so f c h r l 3 2a n dc h r l 7 2 d e p o s i t e d m e t a li sg r a d u a l l yd e c r e a s e dw i t ht h et e m p e r a t u r ei n c r e a s e ( 3 ) w h e n t h r e ed e p o s i t e dm e t a ll a y e r sa rep u t ，t h eh i g h e s th a r d n e s sv a l u ei sg o ta p p l y i n g 5 5 0 0 c x 2 hh e a tt r e a t m e n tp r o c e s s ，n e x th a r d n e s sv a l u ei so b t a i n e df o r4 0 0 0 c x 2 hh e a t t r e a t m e n t ，a n dt h em i n i m u mh a r d n e s sv a l u ei sg o tf o r7 0 0 0 c x 2 hh e a tt r e a t m e n t h o w e v e r ，t h eh a r d n e s sv a l u e so fa s w e l d e dd e p o s i t e dm e t a la r eh i g h e rt h a nt h a to f t h eh e a t 骶a t e dd e p o s i t e dm e t a l k e y w o r d s ：o v e r l a y i n g ，d e p o s i t e dm e t a l ，p o s t w e l dh e a tt r e a t m e n t ，m i c r o s t r u c t u r e ， m i c r o h a r d n e s s 西华大学硕士学位论文 毕业论文声明 本人声明所呈交的毕业论文是本人在指导教师指导下进行的研究工作及取 得的研究成果。除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他人 已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得西华大学或其他教育机构的学 位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均在 论文中作了明确的说明并表示谢意。 本学位论文成果是本人在西华大学读书间在导师指导下取得的，论文成果 归西华大学所有，特此声明。 作者签名： 导师签 4 9 务公差柝p - 月z n 占蛩教日 西华大学硕士学位论文 1 绪论 随着科学技术的日益进步，各种产品、机械装备正向大型化、高效率、高 参数的方向发展，对产品的可靠性和使用性能要求越来越高。而焊接作为一种 重要的材料加工工艺，已广泛应用于各行业部门，在推动我国经济建设和发展 科学的事业上，焊接技术起到了极其重要的作用。 1 1 中碳钢的焊接 1 1 1 中碳钢的焊接性 中碳钢w ( c ) = 0 3 0 0 0 , - - 0 6 0 。当以c ) 接近o 3 0 而w ( m n ) 不高时，焊接性 良好。随着w ( c ) 的增加，焊接性逐渐变差。如果w ( c ) 为o 5 0 左右而仍按焊接 低碳钢常用的工艺施焊时，则热影响区可能产生硬脆的马氏体组织，易于开裂。 当焊接材料和焊接过程控制不好时，甚至焊缝也会如此。焊接时，相当数量母 材金属会熔化进入焊缝，使其“c ) 增高，容易产生焊缝热裂纹。特别是杂质s 控制不严时，更易显示出来，这种热裂纹在弧坑处更为敏感。此外，由于w ( c ) 增高，气孔敏感性也增大。 中碳钢既可用作强度较高的结构件，也可用作机械部件和工具。用作机械 部件和工具时，又常用其坚硬耐磨而非高强度。无论是高强度还是耐磨，常常 通过热处理来达到所希望的性能。因此，中碳钢母材金属焊接以前已经正火或 者调质( 淬火+ 回火) ，例如，本次试验采用的4 5 钢，除了用作结构件外，也常 用作机械的轴件或工具。4 5 钢的化学成分如表1 所示。 表14 5 钢化学成分( 质量分数肠) t a b l e1c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f n o 4 5s t e e l ( w t ) 如果中碳钢母材金属系焊后热处理，而要求热处理后焊缝与母材金属性能 匹配，则必须注意选择焊接材料。如果对已经热处理的部件进行焊接，则必须 采取措施防止裂纹产生。不过，焊接的热量会使热影响区软化，为了恢复热影 响区的性能，焊件需要再行热处理【1 1 。 西华大学硕士学位论文 1 1 2 焊接材料的选用 应当尽量选用低氢焊接材料，例如低氢焊条，它们有一定的脱硫能力，熔 敷金属塑性和韧性良好，扩散氢量又少，所以，无论对热裂纹或氢致冷裂纹来 说，抗裂性都较高。在个别情况下，也可采用钛铁矿型或钛钙型焊条，但一定 要有严格的工艺措施配合，例如认真控制预热温度和尽量减少母材金属熔深( 较 少焊缝w ( c ) ) ，方能有满意的结果。特殊情况下，亦可采用铬镍奥氏体不锈钢 焊条焊接，这时不需要预热，而焊缝奥氏体金属塑性良好，可以减少焊接接头 应力，避免热影响区冷裂纹产生。用于中碳钢焊接的铬镍不锈钢焊条牌号有 e 3 0 8 1 6 ( a 1 0 2 ) 、e 3 0 8 1 5 ( a 1 0 7 ) 、e 3 0 9 1 6 ( a 3 0 2 ) 、e 3 0 9 1 5 ( a 3 0 7 ) 、 e 3 1 0 1 6 ( a 4 0 2 ) 、e 3 1 0 1 5 ( a 4 0 7 ) 等。 如果选用碳钢焊条或低合金钢焊条，而焊缝与母材金属并不要求等强时， 可以选用强度等级稍低的低氢焊条。通常，焊条强度等级可以比母材金属强度 等级低一档，例如，母材金属为4 9 0 m p a 级则焊条可用e 4 3 1 6 ( j 4 2 6 ) 或 e 4 3 1 5 ( j 4 2 7 ) ，以代替e 5 0 1 6 ( j 5 0 6 ) 和e 5 0 1 5 ( j 5 0 7 ) 。4 5 钢焊接部分用焊条如表2 所示【1 2 1 。 表24 5 钢焊接用焊条举例 t a b l e2t h ec i t e de x a m p l eo fe l e c t r o d eu s e df o rw e l d i n g4 5s t e e l 注：带为选用焊条牌号 2 西华大学硕士学位论文 1 2 堆焊合金类型、焊接特点和选用 一 中碳合金钢堆焊合金：这类合金属于马氏体钢，含碳量约为0 3 o 6 ，并 含有较低或中等含量的合金元素。主要用c r 、m o ，也有用m n 、s i 的，并提高 含碳量使合金强化。如5 c r 3 m o 、5 c r m 0 2 、4 m n 6 s i 、5 c r 5 m 0 4 等属此类。堆焊 合金组织主要是马氏体和残余奥氏体，有时含有珠光体，硬度为3 5 5 5 h r c 左 右。它有较好的耐磨性和良好的抗压强度。裂纹倾向比低碳低合金堆焊合金大， 所以焊前一般应预热2 5 0 - 3 5 0 0 c 。 1 2 1 工作条件 零件的工作条件十分复杂，选择堆焊合金时，必须首先确定被堆焊零件的 磨损类型，然后选取适于该类磨损的堆焊合金。例如，挖掘机斗齿属于受强烈 冲击的凿削式磨料磨损，因此，可选择能抗冲击磨损的高锰钢等堆焊合金；而 推土机铲刃和犁铧属于低应力磨料磨损，则应选择合金铸铁或碳化钨等堆焊合 金；如果再选用高锰钢，由于工作时表面不能产生加工硬化效果，因此具有很 差的耐磨性。 1 2 2 堆焊零件的经济性 当有几种堆焊合金都能满足使用要求时，应尽量选取价格低的堆焊合金， 以降低堆焊零件的成本。但需要注意，一般比较贵的高合金堆焊合金往往使用 寿命比较长，因此必须把合金的价格与使用寿命同时考虑才合理。比如，碳化 钨合金虽然价格比低合金钢合金贵，但是它在磨料磨损条件下使用寿命很高， 因此，碳化钨堆焊零件的实际成本反而可能较低。情况比较复杂时，应进行认 真比较才能选择出一种最经济的堆焊合金。 1 2 3 焊接问题 在满足使用条件和经济指标的前提下，应考虑采用焊接性比较好的堆焊合 金。焊接性较差的材料，容易产生焊接缺陷，并使工艺复杂化，这会降低堆焊 合金的使用性能和提高堆焊成本。 堆焊合金一般含碳量较高，合金元素较多，使得焊缝内多含有马氏体、共 西华大学硕士学位论文 晶碳化物等脆硬组织，导致堆焊合金的抗裂性往往较差，常需要进行预热、缓 冷。所以，应力求选择抗裂性能较好的合金，堆焊时不预热或较低预热温度， 使工艺简化和提高堆焊质量。 1 2 4 我国资源状况 尽量选用我国富有的合金资源。如w 、b 、m n 、s i 、m o 、v 、t i 等，少用 n i 、c r 、c o 。 ， 大多数情况下，中碳钢焊接需要预热和层间温度，以降低焊缝和热影响区 冷却速度，从而防止产生马氏体。预热温度取决于碳当量、母材金属厚度、结 构刚性、焊条类型和工艺方法。通常，3 5 钢和4 5 钢预热温度可为1 5 0 - - 2 5 0 0 c ， 如w ( c ) 再高，或厚度大，或刚性大，则预热温度可在2 5 0 - - 4 0 0 0 c 。焊后最好立 即进行消除应力热处理，特别是大厚度工件、大刚性结构件和苛刻的工况条件 下( 例如动载荷或冲击载荷) 工作的工件更如此【l - 3 】 1 - 3 研究目的和意义 课题为企业委托项目。堆焊是焊接领域的一个重要组成部分，是金属晶内 结合的一种熔化焊接方法。但它与一般焊接不同，不是为了连接零件，而是用 焊接的方法，在零件的表面堆焊一层或数层具有一定性能材料的工艺过程。其 目的是在于修复或增加零件表面耐磨、耐热、耐蚀等方面的性能。因此，堆焊 具有一般焊接方法的特点，但又有其特殊性。就其应用而言，它广泛应用于汽 车、拖拉机。冶金机械、矿山机械、煤矿机械、动力机械、石油化工设备、建 筑设备、运输设备以及工具模具及金属工件的制造与维修中【2 ，3 l 。 进行本课题研究的目的是系统研究焊接工艺参数以及热处理工艺参数对熔 敷金属组织性能的影响，为厂家提供具有生产实践意义的工艺。 1 4 研究内容及技术路线 1 4 1 研究内容 1 ) 研究优化c h r l 3 2 和c h r l 7 2 焊条堆焊用的工艺。 2 ) 研究优化工艺参数下c h r l 3 2 和c h r l 7 2 焊条熔敷金属的组织性能。 4 西华大学硕士学位论文 3 ) 研究不同的热处理工艺参数对c h r l 3 2 和c h r l 7 2 焊条熔敷金属组织性能的 影响。 1 4 2 技术路线 本试验的技术路线见图1 。 f i g 1 f l o wc h a r t 图1 技术路线图 西华大学硕士学位论文 2 堆焊技术 2 1 堆焊概述 堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层或多层具有特定性能材料的工艺过 程。其目的不是为了连接零件，而是在于使零件表面获得具有耐磨、耐热、耐 蚀等特定性能的熔敷金属，或者为了恢复或增加零件表面尺寸而进行的焊接过 程。 堆焊是焊接领域的一个重要组成部分，它在冶金、矿山、农机、石油化工、 车站、车辆、航天等工业部门的零件制造和修复中获得了广泛的应用。主要用 在以下两个方面：( 1 ) 制造新零件：用堆焊工艺制成双金属零件。它可采用不 同于基体的堆焊材料使表层性能优化，获得具有耐磨、耐热、耐蚀等性能的工 作表面。这样，不仅保证了零件有很长的使用寿命，而且大大减少了贵重合金 消耗，使设备的成本降低。( 2 ) 修复旧零件：选择合适的堆焊合金材料对已磨 损的零件进行堆焊，可恢复尺寸或同时进一步提高工作面的使用性能，这对降 低生产成本、节约材料、提高使用寿命、减少配件消耗等具有重要的意义i z ，3 l 。 堆焊工艺在我国应用越来越广，堆焊合金百种以上。堆焊焊条已形成了完 整的产品系列；合金粉末、合金焊丝( 带) 等也迅速发展；各种焊接方法、热 喷涂、喷熔等在堆焊工作中广为采用。一些高效堆焊方法，如带极堆焊、药芯 焊丝堆焊、粉末合金堆焊、热丝等离子堆焊等工艺已在生产中应用。我国将进 一步开发新的堆焊合金、堆焊材料和新的堆焊方法，提高堆焊质量和堆焊效率， 以适应工业的迅速发展。堆焊和其他焊接方法的相异之处见表3 。 表3 堆焊和其他焊接方法的比较1 2 】 t a b l e3 c o m p a r i s o no fo v e r l a y i n ga n do t h e rw e l d i n gm e t h o d s 6 西华大学硕士学位论文 堆焊的最大优点是能充分发挥材料的性能优势，达到节约用材和延长零部 件使用寿命等目的。堆焊过程的物理本质、冶金过程和热过程的基本规律与一 般焊接相似。由于堆焊合金层与母材金属大多属于异种材料，并且还要求充分 发挥表面堆焊合金的性能，所以材料堆焊有如下特点： 1 ) 熔敷金属的合金成分是决定堆焊效果的主要因素：被堆焊的材料种类繁 多，工作环境复杂，基体材料几乎包括了所有类型的金属。因此必须针对具体 情况，合理选择熔敷金属的合金系统，这样才能使堆焊零件具有较高的使用寿 命。 2 ) 尽量降低稀释率是制定堆焊工艺的重要出发点：熔合比表示堆焊焊缝中 含有母材金属的百分率，而稀释率可用熔合比来表征。例如稀释率是1 0 ，表 示熔敷金属中含有母材金属1 0 ，含有堆焊合金9 0 。熔敷金属一般含有较多 的合金元素，而零件的基体往往采用普通碳钢或低合金钢。因此，为了获得理 想使用性能的表面熔敷金属成分，保证熔敷金属的特殊性能，必须尽量减少母 材金属在堆焊金属中的熔入量，即降低稀释率。因此，稀释率是堆焊中一项重 要的指标。 3 1 堆焊合金与基体金属之间的匹配：熔敷金属与母材金属成分往往相差较 为悬殊。为防止堆焊时或焊后热处理以及零件使用过程中，堆焊接头产生过大 的热应力和组织应力，从而使熔敷金属开裂甚至产生剥离现象，导致堆焊件的 报废，往往要求堆焊合金和基体金属具有相近的膨胀系数和相变温度等热物理 性能。 4 ) 提高堆焊生产率：堆焊就其物理本质、冶金过程和热过程的基本规律而 言，与一般焊接是相同的，但由于其目的在于发挥熔敷金属的特殊性能，所以 它自身的一些特点、影响熔敷金属效果的主要因素是熔敷金属的合金成分及组 织性能。因此，根据零件的使用条件，选择最优的焊接材料与工艺方法进行堆 焊至为重要，而堆焊零部件往往数量很大( 如各类阀门) ，熔敷金属合金所需要 的堆敷金属量大，应选用和研制生产率较高的堆焊方法和堆焊工艺p , 4 】。 2 2 几种堆焊方法概述 一般地说，凡是能实现熔化焊的方法，原则上都可以用来进行堆焊，目前， 7 西华大学硕士学位论文 常见的堆焊方法有：氧乙炔火焰堆焊、焊条电弧堆焊、自动埋弧堆焊、振动电 弧堆焊、等离子堆焊、气体保护堆焊、电渣堆焊。 熔焊、钎焊、热喷涂、喷熔等方法，都可以用于堆焊，而各种熔焊方法的 应用，在堆焊工作中占比例最大。选择堆焊方法时，应着重考虑：有低的稀释 率；有高的熔敷速度；工件尺寸、形状复杂程度和批量大小；力求成本较低。 由于以连接为目的的常规焊接方法，往往不能满足高熔敷效率和低稀释率的要 求，因此，在堆焊领域中出现了许多新的工艺方法。因此，在选择合适的堆焊 方法时，应着重考虑下列因素： 1 ) 有较低的稀释率，较高的熔敷速度和效率； 2 ) 现有焊接设备及工装，焊工技术水平： 3 ) 所需堆焊工件的尺寸、形状复杂程度和是否批量生产； 4 ) 堆焊金属件的堆焊位置，堆焊材料形状是否满足工件的堆焊要求； 5 ) 有无所需堆焊的材料( 焊条、焊丝、带极、焊剂等) ： 6 ) 较低的综合成本【3 】。 2 2 1 氧乙炔火焰堆焊 采用普通氧乙炔火焰焊接设备，包括氧气瓶、乙炔瓶、减压表、焊炬和胶 管等。在堆焊耐磨合金之前，必须预先加工金属表面，要求无油脂、无铁锈和 其他表面污物。如果堆焊要求经受冲击的工件，如冲头、剪刀或冲模等，要求 有边棱并应加工出一凹槽才能进行耐磨堆焊。 氧乙炔火焰堆焊一般用于获得具有最小修正加工量的平滑表面。在熔敷无 裂纹的碳化钨颗粒熔敷金属时，这一点特别重要，小块的碳化钨颗粒装在碳钢 管中，当钢管被火焰加热并熔化时，碳化钨颗粒便熔化到碳钢基体的表面上形 成耐磨合金层。 2 2 2 气体保护电弧堆焊 ( 1 ) 钨极气体保护电弧堆焊： 采用钨极氩弧焊设备，包括焊接电源、送气装置和钨极焊把等，另填充耐 磨堆焊合金焊丝。可以增加辅助焊丝( 冷丝) ，使在熔敷金属的基体上得到要求 8 西华大学硕士学位论文 的各种性能。所谓冷丝，是指它不参与产生的电弧能量，在母材金属为高碳合 金时，使用这种复制焊丝形成的基体有助于减少裂纹。焊道可以用横向摆动或 不摆动的方法焊成。 这种方法一般用于在新结构上堆焊要求无缺陷的熔敷金属，而不是用于对 已磨损的表面进行修复堆焊。 ( 2 ) 熔化极气体保护电弧堆焊 采用熔化极气体保护焊设备，包括焊接电源、送丝机构、焊枪、送气装置 等。对于耐磨堆焊来说，最初认为这种方法堆焊的熔敷速度慢，后来经过对工 艺做了改进，除了向下通过电弧的焊丝之外，又把一根附加的冷丝自动地送丝 熔池，填加这根冷丝可使熔敷速度提高o 5 1 5 倍，熔敷速度可达 9 5 2 1 5 8 7 k g h 。这种方法同样可用于熔敷铜或不锈钢的熔敷金属。 2 2 3 埋弧堆焊 自动埋弧堆焊的电弧在焊剂下形成，由于熔渣的保护，减少了冷空气中 n h o 对熔池的侵入。熔敷金属化学成分均匀、成形美观。对于大批量相似工件 的长直堆焊焊道来说，埋弧焊方法最有实用价值。采用多丝和摆动技术可以提 高这种方法的生产率。采用摆动技术的前进速度可达到7 6 2 1 2 7 m m m i n ，耐磨 堆焊埋弧焊焊剂配额和低碳钢焊丝一起使用，可使熔敷金属的硬度达到 5 8 h r c 。 埋弧堆焊的效率高，适于自动化生产，特别适用于容器衬里堆焊等，但采 用大线能量埋弧堆焊的主要缺点是硬化了的熔敷金属可能产生裂纹。除了采用 焊丝，为了提高堆焊熔敷效率，还可以采用带极埋弧堆焊。 2 2 4 电渣堆焊 电渣堆焊的熔敷效率最高，板极电渣堆焊的熔敷效率可达1 5 0 k g h ，而且 能一次堆焊很大的厚度，因而稀释率并不高。但是由于电渣堆焊接头过热，堆 焊后需要进行热处理。电渣堆焊的熔敷金属不能太薄( 一般应大于1 4 , - - 1 6 m m ) ， 否则不能建立稳定的电渣过程。电渣堆焊主要用于需要较厚的熔敷金属、堆焊 9 西华大学硕士学位论文 表面形状比较简单的大、中型零件。可采用实芯焊丝、药芯焊丝、板极或带极 进行堆焊l 引。 2 2 5 常用堆焊工艺的比较 堆焊是用焊接方法在零件表面堆敷一层或多层具有一定性能材料的工艺过 程，目的是使零件表面获得具有耐磨，耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷金属。例 如在普通碳素钢工件的磨损面上堆焊一层耐磨合金，不但可以降低成本而且可 以获得优异的综合性能。常用堆焊方法所采用的堆焊材料见表4 。 表4 常用堆焊方法所采用的堆焊材料纠 t a b l e4c o m m o no v e r l a y i n gm a t e r i a l s 堆焊方法 堆焊材料 氧乙炔火焰堆焊、气体保护电弧堆焊、 埋弧堆焊、等离子堆焊、振动堆焊 埋弧堆焊、电渣堆焊 氧乙炔火焰堆焊、钨极氩弧堆焊、 等离子堆焊 等离子堆焊、氧乙炔火焰堆焊 手工电弧堆焊 气体保护电弧堆焊、自保护电弧堆焊、 埋弧堆焊、氧乙炔火焰堆焊、 钨极氩弧堆焊、等离子堆焊 实芯堆焊焊丝( 直径o 5 5 8 r a m ) 药芯 焊丝 带状电极( 厚0 4 - 4 ) 8 m m ，宽3 0 - - 3 0 0 m m ) 铸条状( 直径2 2 8 0 m m ) 粉( 粒) 状 堆焊焊条( 钢芯、铸芯、药芯) 药芯焊丝 1 0 西华大学硕士学位论文 2 3 堆焊研究现状及应用 机械零件大多数是用金属材料制造的，在使用过程中会发生磨损；由于大 气的影响还会产生化学和电化学的作用，导致零件部件的金属表面被腐蚀。有 时两种现象同时发生，称为磨蚀。随着现代化的发展，机械零件部件经常处于 异常复杂和苛刻的条件下工作，大量的机械装备往往因磨损、腐蚀或磨蚀等而 报废。这就要求在高温高压、承受较大载荷以及氧化、腐蚀等工作条件下的机 械装备表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温和抗氧化性等性能。而堆焊技术 是提高机械零件表面性能的重要途径之一。在实际的金属堆焊过程中，工件能 否获得满足的要求的熔敷金属有着主要的实践性指导意义。几种基体金属的堆 焊适用性见表5 。 表5 几种基体金属的堆焊适用性【2 4 1 t a b l e5 o v e r l a y i n ga d a p t a b i l i t yo fs e v e r a lb a s em e t a l s 基体金属类型堆焊适用性 碳当量c c q 郢4 的低、 中碳钢及低合金钢 碳当量c 岔0 4 的中、 高碳钢 纯镍 镍铬不锈钢 含钛不锈钢 铁素体类不锈钢 马氏体类不锈钢 高锰钢 易于堆焊，除厚大件外，一般不进行预热和焊后热处理 可以堆焊，但要焊前退火，焊接时需预热、焊后缓冷、回火 容易堆焊，但用氩弧堆焊较好 o c r l 8 n i 9 、l c r l 8 n i 9 、。1 c r l 8 n i l l n b 等镍铬不锈钢易于堆焊 1 c r l 8 n i 9 t i 等不锈钢宜用氩弧堆焊、不宜用氧乙炔火焰堆焊 不宜采用堆焊工艺。堆焊时易引起裂纹和晶粒长大，需严格控制 预热温度和层间温度 不宣采用堆焊工艺。堆焊时有淬火倾向，热处理过的零件堆焊前 应退火，堆焊中要严格控制预热温度和层间温度，堆焊后要立即 同火 可以堆焊。但应注意熔敷金属碳、锰含量以及冷却速度。宜断续 焊，堆焊后需水韧出来 注：碳当量一般按公式c 。口_ c + m n 6 + ( c r + m o + v ) 5 + ( n i + c u ) 1 5 ( ) , t 算- 西华大学硕士学位论文 堆焊技术作为焊接领域的一个重要分支，就其前景和应用范围而言，它广 泛应用于汽车、拖拉机、冶金机械、矿山机械、煤矿机械、动力机械、石油化 工设备、建筑设备、运输设备以及工具模具及金属工件的制造与维修中。堆焊 技术应用的领域如表6 所示【“1 。 表6 堆焊技术的应用领域 t a b l e6 a p p l i c a t i o nc a t e g o r yo fo v e r l a y i n g 目前，轧辊堆焊在堆焊领域中已经占有很大的比重，几乎所有的大、中型 钢厂都有轧辊堆焊的能力。许多科研单位、焊接材料公司等都在致力于研究生 产有关轧辊堆焊的材料、设备和工艺。仅现有的用于轧辊堆焊的材料就有十几 1 2 西华大学硕士学位论文 种。例如，3 0 c r m n s i 、4 0 c r m n 等低合金钢，由于合金含量低，所以具有良好 的塑性、韧性和抗裂性，在恢复轧辊尺寸和打底层方面具有重要的作用； 3 c r 5 m n 2 m o s i 等热作模具钢，具有良好的耐磨性和耐疲劳性能，已广泛应用于 轧机、板带及各种类型的开环轧辊的堆焊；c r l 8 n i 8 m n 6 、c r l 6 n i 8 m n 6 、 c r 2 0 n i l o m n 6 等奥氏体加工硬化不锈钢，由于加工硬化效果显著，在使用过程 中硬度大大增加，加之它的热稳定性和抗氧化性均较高，因此，在深孔轧辊的 孔型堆焊中取得了很好的效果。 模具作为机械制造业的重要装备，采用堆焊技术进行模具修复及预保护在 国内外取得了显著的经济效益。模具钢具有较高的碳和合金元素含量，堆焊时 往往需要先堆焊过渡层。目前常用的过渡层材料有0 0 c r 2 4 n i l 3 ，该材料适用于 4 0 0 0 c 以下作业的淬火敏感性钢种。同时，国内外开发的具有这种功能的过渡 层材料有瑞士的t o t i g 6 9 0 、英国的m e t r o d 3 0 9 s 9 2 以及日本的d w - 3 0 9 l 等。 对使用温度高、堆焊难度更大的模具，常采用镍基过渡材料。国内在堆焊基体 为5 c r m n m o 、5 c r n i m 0 、3 c r w 8 锻模时，常采用1 0 m n 2 和0 8 m n 2 s i 等材料作 为过渡层。 随着堆焊技术的进步和堆焊材料的开发应用，采用马氏体钢堆焊丝材、 c r n i w m o n b 堆焊合金作为表面工作层，修复压铸模，可以大大提高其耐热疲 劳性，使用寿命延长；修复断裂模具，可保证足够的力学性能；在塑料成形模 具上进行堆焊，可以获得具有良好耐蚀、耐磨和优异的镜面加工性能。 采用堆焊技术制造机械零件时，不仅可发挥零件的综合技术性能和金属材 料的工作潜力，还能节约大量的贵重合金。例如，一般热锻模采用5 c r m n m o 或5 c r n i m o 等合金钢整体模制造，而我国有的单位已成功应用4 5 m n 2 铸钢作 为热锻模基体、采用电渣堆焊合金材料来制造，从而大量节约了贵重的n i 、 m o 等合金元素。又如，我国成功采用了高频堆焊农机犁铧，从而使农机具的 生产迈进了一大步。因此，合理地采用堆焊技术具有重大的经济意义。 另外，随着计算机技术的不断发展，为了提高及稳定堆焊质量，国内外已 开始建立堆焊专家系统，如德国建立的堆焊专家系统，可根据零件磨损程度和 磨损形式及母材金属成分是否适宜堆焊、是否需要过渡层，并能够选择堆焊材 料和确定堆焊工艺。这有利于指导操作人员制定较佳的堆焊工艺参数，促进堆 西华大学硕士学位论文 焊技术的继续发展与堆焊质量的不断提高，进而扩大堆焊工艺的应用范刚巧】。 冷剪刃等冶金机械零部件是工业生产的关键备件，不仅其消耗量大，费用 昂贵，而且其材质的好坏直接影响着产品的数量、质量和生产效率。冷剪刃一 般用5 c r w 2 s i 或6 c r w 2 s i 制造，属于中高碳钢，其在工作时要承受大的冲击载 荷和强烈的震动挤压，常常发生压塌、崩刃和剥落，使用寿命较短。采用堆焊 可以修复废旧的冷剪刃，但是，因其含碳量较高，若采用传统的堆焊焊条，很 难在冷剪刃表面获得高硬度、高耐磨性、抗开裂性等特殊性能的熔敷金属。冷 剪刃等冶金机械零部件一般由含有贵重合金元素c r ，m o ，w 等的钢制造而成， 整体制造费用十分昂贵，因此我国焊接工作者研制了新的堆焊焊条，对失效的 冷剪刃进行堆焊再制造，使其恢复原来的性能，进而继续使用，产生了巨大的 经济效益p j 。 梅花接轴是用于型钢轧机齿轮座出轴与轧辊之间的联接或轧机工作机架间 轧辊和轧辊的联接。梅花接轴的优点是结构简单，换辊方便。缺点是梅花接轴 与套筒间的磨损严重，若用铸铁套筒，则铸铁套筒经常损坏，影响轧钢生产， 而改为铸钢套筒后，则梅花接轴常被套筒磨损，须经常焊补。特别是薄板机上 用的梅花接轴磨损现象严重，因为薄板轧机是单辊传动的二辊不可逆式轧机， 这种轧机上辊不传动，因此上辊没有平衡装置，每轧一道钢，轧辊就要向上冲 击一次，产生较大的冲击载荷。尤其是当卡钢时，轧机的传动装置、梅花接轴 承受着强烈的冲击和扭转振动载荷，加剧了梅花瓣部位的磨擦和摩损。一件梅 花接轴使用2 个月后，梅花瓣部位即过度磨损需要重新更换。因此，薄板轧机上 的梅花接轴更换修复频繁。我国有的单位通过新工艺方法修复梅花接轴，使得 梅花瓣表层性能大为改善，梅花瓣部位的使用寿命由原来的2 个月提高到4 个月， 并且修复后的接轴传动性能较好【6 】。 随着汽车、拖拉机工业的迅猛发展，大型覆盖件冲压模具的加工制造越来 越普遍。由于这类模具的尺寸比较大，结构又比较复杂，尤其是修边模具，其 韧口形状很不规则，并且受到制件形状及尺寸的限制，若采用整体制造，一般 需要复杂的机加工和热处理，艺复杂、周期长、成本高。而堆焊法制造模具是 在较低强度、硬度的普通钢材上堆焊一层满足高硬度、高耐磨性等工作性能要 求的工作面，这样基体便于机械加工且刃口在堆焊后自动达到要求的高硬度， 1 4 西华大学硕士学位论文 不需热处理。不仅大大节省了优质合金工具钢。而且加工工艺简化、周期短、 成本低，因而应用越来越广。何柏林等研究者以4 2 c r m o 为基体，通过刃口部位 堆焊高硬度合金钢制造修边模，代替传统的修边模制造工艺，为正确掌握冷作 模具的堆焊制造工艺以及对使用过程中坏模具的堆焊修复奠定了一定的基础。 取得了较好的效果【7 】。 v s b 立辊是热轧板生产线上粗轧工段的关键部件，质量约5t ，其辊面呈中 间凹的槽形，辊槽的底部尺寸与板厚相匹配，主要用于初生氧化铁皮的破鳞、 定扳宽、板坯边部的轧制、控制板形等，其结构及工作原理如图2 所示。热轧生 产中，一般v s b 立辊的更换周期为1 5 万t 的过钢量，更换后的v s b 立辊表面有热 疲劳龟裂、局部剥落，需车削加工后再装机使用。随着生产节奏的加快，对v s b 立辊的更换周期有了更高的要求。国内外广泛应用堆焊技术提高热轧支撑辊、 热轧粗轧工作辊等平面轧辊( 即辊面展开的形状为平面) 的辊面性能，充分发 挥旧辊的“绿色”再利用潜力，堆焊修复v s b 立辊这种深槽形、短辊面的大型轧 辊，对堆焊工艺、堆焊工装还是设备，都采用了新的工艺试验。试验表明，在 一个轧制计划周期内，堆焊的v s b 立辊的过钢量达2 0 - 2 5 t ，使用寿命提高了 3 3 6 6 t 8 1 。 6 13 8 0 f i g 2 c o n s t i t u t i o na n do p e r a t i n gp r i n c i p l eo f v s bv e r t i c a lr o l l e r 图2v s b 立辊结构及工作原理 西华大学硕士学位论文 2 2 2 辊系斜辊棒料矫直机的矫直辊套是高频率耗件。辊套材质为9 c r 2 m o v 高强度合金钢，要求表面淬硬层深度为8 1 0 m m ，硬度为8 5 h s 以上。由于轧制 后的棒材表面有一层硬度很高的氧化皮，辊套在长期的恶劣条件下工作，磨损 严重，如果报废的话，对企业来说无疑是一种损失。采用堆焊方法修复辊套最 突出的优点是修复后辊身表面具有高硬度、高耐磨性等特点，而且能节约大量 的资金。矫直辊套的工作过程主要承受金属与金属之间的磨损，以及棒材表面 氧化皮等硬质点引起的磨粒磨损，而且7 0 以上以磨损失效为主，因此要求辊 套表面有高的硬度和耐磨性。又由于辊套在使用时与棒料摩擦，产生热量，因 此，一方面要求焊材有很好的热硬性和优良的耐冷热疲劳性；另一方面，辊套 长期与棒料接触，要求有良好的回火稳定性和抗高温氧化性。张小红等焊接工 作者经过多次试验，成功地采用了堆焊方法对矫直辊套进行了修复p j 。 马氏体时效钢是1 9 6 0 年前后研究开发出来的超高强度钢，应用微观强韧化 理论，对在超低碳的位错马氏体基体上分布着的沉淀强化相一金属间化合物进 行强化。经过固溶处理和时效处理后获得优异的工艺性能和力学性能，具有优 异的强韧性配合，是广泛应用于工业结构和高性能模具的材料。马氏体时效钢 作为常用的热作模具材料，其工作寿命为h 1 3 钢( 4 c r 5 m o s i v l ) 的1 0 倍而备受 青睐。国外研制了c t 6 0 5 5 实心焊丝与1 8 n i 马氏体时效钢配套使用。因其合金 含量较高，制造拉拔困难，因此有研究者提出将马氏体时效钢金属粉芯焊丝应 用于模具表面堆焊，对模具进行制造及修复。金属粉芯焊丝具有合金成分调整 方便、熔覆速度高、熔渣少、效率高等优点，在实际应用中已部分取代实心焊 丝。研究采用小电流钨极脉冲t i g 焊接方法进行模具表面堆焊，与一般钨极氩 弧焊的主要区别在于采用可控的脉冲电流加热焊件，脉冲电流停歇时，熔化的 点状熔池凝固结晶，由基值电流来维持电弧稳定燃烧，具有可严格控制热输入、 焊缝成形、接头质量以及避免基材受热变形等优点。铝合金压铸模具在工作中 由于受到反复的高温加热和冷却作用，以致极易产生热疲劳裂纹。国内的模具 寿命较低，因此研制和开发经济实用、性能优良的堆焊材料具有重大的意义i l 。 超临界6 0 0 m w 汽轮机主蒸汽进汽插管长期运行在超临界工况下( 工作温度 5 6 6 0 c ，压力2 4 2 m p a ) ，由于受高速气流的冲刷和震动作用，容易在插管与前 汽缸相连接附近造成损坏，影响运行危及安全。设计要求在镶汽封环处插管表 1 6 西华大学硕士学位论文 面堆焊司太立合金以增加其耐冲刷及抗震动冲击能力，提高插管的使用寿命， 保证安全运行。阀门硬质合金堆焊早在上世纪6 0 年代已经成功应用在汽轮机生 产中，早期用氧乙炔气焊堆焊司太立合金密封面完成了大量的阀门产品，随着 科技进步，为了提高生产效率和改善劳动条件，以自动钨极氩弧焊堆焊技术代 替原先的氧一乙炔气焊，堆焊了汽轮机和船机的各种类型阀门，保证了产品质量， 满足了生产需要。超临界汽轮机进汽插管，工况恶劣，技术要求高，而且其金 属焊接性差，焊接工艺复杂，给堆焊带来很大困难。试验研究表明，采用氩弧 焊堆焊方法解决了堆焊中的技术问题，完成了该重大试验课题，解决了超临界 6 0 0 m w 制造中的技术难题，保证了进汽插管表面堆焊生产任务【l 。 阀门是保证内燃机工作可靠性耐热性的重要零件，其工作条件十分恶劣， 一方面不断的开启和关闭，反复受到冲击负荷作用，另一方面排气阀头部炽热 燃气的高温冲刷，而又不易散热。此外阀门在高温下还经受侵蚀介质的腐蚀， 润滑条件差，密封面极易破。为延长阀门的使用寿命，同时又能节省贵重金属， 在生产过程中都采用在密封面上堆焊，但实践生产中会出现气孔、破裂、后裂 纹等。研究者通过分析认为：气孔的主要原因一是材质本