第5章 堆焊技术

1、洛阳理工学院材料成型与控制工程洛阳理工学院材料成型与控制工程 第第5 5章章 堆焊技术堆焊技术 教材： 材料表面工程技术李慕勤 化学工业出版社 5.1堆焊的基本概念 5.2堆焊材料的类型与选择 5.3堆焊方法 5.4堆焊技术的应用 堆焊是指将具有一定使用性能的材料借助一定的热源手段 熔覆在基材表面，使母材具有特殊的使用性能或使零件恢 复原有形状尺寸的工艺方法。 因此，堆焊即可用于修复材料的缺陷，亦可用于强化材料 或零件的表面，使材料具有新的性能，如高 的耐磨性、 良好的耐蚀性等。 （1）堆焊的特点 堆焊是利用焊接热源使基材表面与敷焊的材料之间形成熔 化冶金结合的一种表面工程技术 基体材料：为普

2、通碳钢，当有特殊要求时，也可选用低合 金钢、不锈钢、耐热钢等 堆焊层厚度：230mm 堆焊实质是利用焊接手段对金属材料表面进行厚膜改质 显著特点是堆焊层与基体具有典型的冶金结合，堆焊层在 服役过程中剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设 计堆焊合金，使零件表面具有良好的耐磨、耐蚀、耐高温、 耐氧化、耐辐射等性能，在工艺上具有很大灵活性。 （2）堆焊的类型 根据使用目的分 耐蚀堆焊（包层堆焊） 耐磨堆焊 增厚堆焊 隔离层堆焊 为了防止腐蚀而在工作表面上熔敷 一定厚度的具有耐腐蚀性的金属层 的焊接方法 为了减轻工作表面磨损和延长其使 用寿命而进行的堆焊 为了恢复或达到工件所要求的尺寸， 需熔敷一

3、定厚度金属的焊接方法 多属于同质材料的焊接 熔敷隔离层的工艺过程熔敷隔离层的工艺过程 在焊接异种金属材料或有特殊性能要求的材料时，为了防止母材成 分对焊缝金属的不利影响，保证接头性能和质量，而预先在母材表 面或接头的坡口上熔敷一定成分的金属层，又称隔离层 稀释率 在焊接热源的作用下，不仅堆焊金属发生熔化，基材表面也 发生不同程度的熔化，将堆焊金属被基材稀释的程度称为稀 释率 用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来表示 稀释率强烈影响堆焊层的成分和性能。高的稀释率降低堆焊 层性能，增加堆焊材料的消耗。必须考虑各种焊接方法所获 得的稀释率的大小，以便选择合适的填充材料和焊接方法。 在堆焊方法和设

4、备已选定的情况下，应从堆焊材料成分上补 偿稀释率的影响，并从工艺参数严格控制稀释率。 一般选择堆焊工艺时，应控制稀释率低于20%。 相容性 在堆焊过程中堆焊层材料和基体材料的相容性非常重要，由 于堆焊层材料与基体材料成分不同，在堆焊时必然会产生一 层组织和性能与基体或堆焊层都不相同的过渡层，该过渡层 如果是脆性的，将恶化堆焊层性能。 堆焊材料和基体材料在冶金学上是否相容取决于它们在液态 和固态时的互溶性以及在堆焊过程中是否产生金属间化合物 堆焊材料和基材的物理相容性也很重要，即两者之间的熔化 温度、膨胀系数、热导率等物理性能差异应尽可能小，因为 这些差异将影响堆焊的热循环过程和结晶条件，增加焊

5、接应 力，降低结合质量。 熔合区 是堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和具有结晶 层和扩散层的过渡区，该过渡区成分是不固定的，它与基体 之间的界线称为熔合线。 熔合区的化学成分介于基材和堆焊层之间，性能也不同于基 材，堆焊的熔合区有时会出现延性下降的脆性交界层，在冲 击载荷作用下易出现堆焊层剥离。而且当工件在高温环境长 期工作或堆焊后热处理时，熔合区有时会出现碳迁移现象， 使高温持久强度和抗腐蚀性能下降。 熔合区的成分和性能常通过正确选择堆焊材料和堆焊工艺来 控制，必要时可在工作层堆焊前先在基材上堆焊隔离层。 热循环的影响 堆焊层经受的热循环比一般焊缝复杂得多，这使堆焊层的 化学成分和金

6、相组织很不均匀。 在堆焊生产过程中，为了防止堆焊层开裂和剥离，主要采 用预热、层间保温和焊后缓冷等措施。有些焊件在焊后需进 行去应力退火。 内应力 堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小。 由于堆焊操作而产生的残余应力叠加或抵消使用过程中产 生的应力，因而加大或减少堆焊层开裂的倾向。 为减少残余应力，除了采取必要的预热、缓冷等工艺措施， 还可从减少堆焊金属与基材的线膨胀系数差、增设过渡层、 改进堆焊金属的塑形来控制。 5.2.1堆焊材料的种类 5.2.2堆焊材料的选择 （1）Fe基堆焊合金 珠光体钢堆焊合金 马氏体钢堆焊合金 奥氏体钢堆焊合金 合金铸铁堆焊合金 （2）Co基堆焊合金 （3）N

7、i基堆焊合金 （4）Cu基堆焊金属 （5）碳化钨堆焊金属 珠光体钢堆焊合金 C含量0.25%以下，合金元素以Mn、Cr、Mo、Si为主， 总质量分数5%以下。 自然冷却条件下，得到珠光体组织，有时也会出现少量索 氏体和奥氏体 硬度较低，冲击韧性高、可焊性好 主要用来修复被磨损的零件，如轴类和辊子等 有时也在堆焊高耐磨材料时做打底焊，起恢复尺寸和过渡 层的作用 奥氏体钢堆焊合金 高锰奥氏体钢堆焊合金 n含碳量：0.71.2%，含锰量：1014% n强度高，韧性好，易产生热裂纹 n一般用来修复严重冲击载荷下金属间磨损和磨粒磨损的零 件，如矿山料车、铁道道岔 n不耐低应力磨粒磨损 铬锰奥氏体钢堆焊合

8、金 镍铬奥氏体钢堆焊合金 奥氏体钢堆焊合金 高锰奥氏体钢堆焊合金 铬锰奥氏体钢堆焊合金 n低铬锰 n含铬量4%，含锰量：1215%，少量Ni、Mo n焊接性好 n适合严重冲击条件下磨粒磨损的零件，如铲斗、冲击轧碎机 n高铬锰 n含铬量：1217%，含锰量：15% n具有高锰奥氏体的优点，还有较好的耐腐蚀性、耐热性、抗 热裂性 n用来修复受到严重冲击的金属间磨损的锰钢和碳钢零件，如 堆焊热剪切机；也用于水轮机耐气蚀堆焊 镍铬奥氏体钢堆焊合金 奥氏体钢堆焊合金 高锰奥氏体钢堆焊合金 铬锰奥氏体钢堆焊合金 镍铬奥氏体钢堆焊合金 n如18-8型和25-20型等不锈钢 n具有很高的耐腐蚀、耐高温氧化性能

9、、热强性也好 n耐磨性较差 n主要用于化工容器和阀门密封面的堆焊 马氏体钢堆焊合金 C含量0.11.0%，含有低到中等含量的合金元素 堆焊层硬度3060HRC，主要取决于碳和铬的含量，并 受到冷却速度和合金元素含量的影响。 耐磨性较高，能耐受中等冲击 主要用于金属间摩擦磨损的零件，如齿轮、牵引车底架等 的堆焊 n低碳马氏体钢 n堆焊层硬度小于45HRC，可进行机加工，常用于小机件的堆 焊 n高碳马氏体钢 n可用于中等磨粒磨损和中度冲击的场合 合金铸铁堆焊合金 马氏体合金铸铁 n含碳量：25%，常加入Cr、W、Ni、B、Nb等，含量小 于25% n亚共晶合金铸铁：马氏体+残余奥氏体+含碳化物的莱

10、氏体 n硬度：5060HRC n抗磨粒磨损性能很好，耐热、耐蚀和抗氧化性能较好 n脆性大，易出现裂纹，一般需预热300400 n主要用于矿山和农业机械中与矿石、泥沙接触的零件堆焊 奥氏体合金铸铁 高铬合金铸铁 合金铸铁堆焊合金 马氏体合金铸铁 奥氏体合金铸铁 n含C：2.54.5%，含Cr ：1228% ，Mn、Ni、Mo、Si n共晶组织：奥氏体+网状莱氏体 n硬度：4550HRC n耐低应力磨损，有一定韧性，可承受中等冲击载荷，抗氧 化性能好 n常用于挖掘机斗齿、粉碎机辊等承受中等载荷的磨粒磨损 高铬合金铸铁 合金铸铁堆焊合金 马氏体合金铸铁 奥氏体合金铸铁 高铬合金铸铁 n含C：0.50

11、.6%，含Cr 1535% ，W、Mo、Ni、Si、B n组织：基体中分布大量初生的针状Cr7C3 n很高的抗低应力磨粒磨损和耐热、耐蚀能力 n裂纹倾向大，需预热400500 n广泛用于低应力或高盈利磨粒磨损条件下工作的推土机铲 刃、犁铧、球磨机衬板等零件 n也用于在高炉料钟料斗、排气机叶片等零件的堆焊 含C 0.73.3%，含Cr 2533%，含W 321% 斯太立特合金 组织：奥氏体+共晶组织 抗磨损，抗高温蠕变能力高于任何一种堆焊金属， 具有一定和抗腐蚀能力和良好地抗粘着磨损的能力 可用于高温腐蚀、高温磨损等条件下的零件表面， 如高温高压阀门、燃气涡轮机叶片、热剪机刀刃等 零件表面的堆焊

12、 价格高，应用不广泛 高镍堆焊材料用于铸铁堆焊时常用作过渡层 Ni-Cr-B-Si型（科尔蒙合金） 具有较低的熔点（1040），较好的润湿性和流动 性，主要用于粉末离子堆焊和氧-乙炔喷涂。 Ni-Cr-Mo-W型（哈斯特洛伊合金） 硬度低，加工性好，主要用来抗腐蚀，也可用作高温 耐磨堆焊材料。 Ni-Cu型（蒙乃尔合金） 硬度较低，耐腐蚀性高，主要用于耐腐蚀零件堆焊 分为纯铜、黄铜、青铜和白铜四种。 形式有焊条、焊丝和堆焊用的带极。 有较好耐大气、耐海水和耐各种酸碱溶液的腐蚀， 耐气蚀和金属间磨损的性能 常用于铁基材料为母体的双金属零件的制备或磨损 工件的修补 主要用于轴瓦、低压阀门密封面等零

13、件的堆焊 堆焊用的碳化钨分为铸造碳化钨和烧结碳化钨两类。 铸造碳化钨 碳质量分数为3.74.0%，钨的质量分数为9596%， 是WC-W2C的混合物，粉碎成8100目的粒状，装入铁 管内供堆焊使用 脆性大，加工过程中容易碎裂脱落。加入515%的钴可 降低熔点，增加韧性。 烧结碳化钨 钴质量分数为35% 是WC-Co的混合物，粉碎成粒状，供等离子堆焊或氧乙 炔堆焊使用 由基体金属和嵌在其中的碳化钨颗粒组成。硬度高，耐 磨性好，单脆性大。主要用于受严重磨损的工况，如油 井钻头、筑路机械等零件的堆焊。 堆焊材料的选择原则 满足使用要求 堆焊合金的经济性 选择堆焊合金的步骤 分析工作条件，确定失效类型

14、及其对堆焊层的要求 按一般规律选择几种可供选择的堆焊合金和堆焊方法 分析这些堆焊合金与基材的相容性，同时要考虑热引力和 裂纹倾向的大小，初步制定堆焊工艺 进行堆焊试验 根据使用寿命和成本进行评价，确定堆焊材料和堆焊方法 的最佳方案 制定严密的堆焊工艺 5.3.1常用堆焊方法 手工电弧堆焊 氧-乙炔火焰堆焊 埋弧堆焊 CO2气体保护堆焊 等离子弧堆焊 5.3.2堆焊新方法 激光堆焊 带极电渣堆焊 钨极-熔化极间接电弧焊堆焊 双电极焊条单弧堆焊 GMT堆焊 冷体热丝TIG堆焊方法 堆焊复合新技术 （1 1）手工电弧堆焊）手工电弧堆焊 火焰设备简单，机动灵活、成本低，应用实心堆焊焊条 和管状焊条可得

15、到范围较大的堆焊合金，应用范围广。 稀释率较高、生产率较低、堆焊层不太平整，堆焊后的 加工量大，因此通常应用于少量零件的修复和强化。 （2 2）氧）氧- -乙炔火焰堆焊乙炔火焰堆焊 采用氧-乙炔做热源使填充金属熔敷在基体表面的一种堆焊 方法。 设备简单、使用方便、成本低 火焰温度较低30503100 ，可得到非常小的稀释率和小 于1mm的均匀薄堆焊层。 一般选用合金铸棒及Ni基、基Cu的实心焊丝 缺点是生产率低，熔敷速度低，工人劳动强度大。 一般用于较小的零件。 埋弧焊焊缝的形成过程埋弧焊焊缝的形成过程 焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，完全淹埋在焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，完全淹埋在40406

16、060毫米厚的焊剂层毫米厚的焊剂层 下燃烧。靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化，这样，颗粒状焊下燃烧。靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化，这样，颗粒状焊 剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝。剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝。 焊丝不断地送进到电弧区，并沿着焊接方向移动。电弧也随之移动，继焊丝不断地送进到电弧区，并沿着焊接方向移动。电弧也随之移动，继 续熔化焊件与焊剂，形成大量液态金属与液态焊剂。待冷却后，便形成续熔化焊件与焊剂，形成大量液态金属与液态焊剂。待冷却后，便形成 了焊缝与焊渣。了焊缝与焊渣。 （3 3）埋弧堆焊）埋弧堆

17、焊 电弧埋在熔剂层下 面进行堆焊 质量好、生产效率 高，适用于自动化 生产 工人工作条件好， 无电弧威胁 主要用于具有大平 面和简单圆形表面 的零件 单丝埋弧焊熔深大、 稀释率高 （3060%)、生产 率中等 （4 4）COCO2 2气体保护堆焊气体保护堆焊 是以CO2气体作为保护气体，以焊丝作为电极，靠焊丝与 焊件之间产生的电弧熔化金属的堆焊工艺。 由于CO2气体的保护，焊层中含氢量低；电弧热量集中， 工件热变形小；堆焊层硬度高且均匀，生产率高且成本低。但 CO2气体氧化性强，存在合金元素烧损、气孔和飞溅大等问题 熔覆率高，稀释率也高（1525%） 对质量要求高的焊缝， CO2气体的纯度应大

18、于99.5%， 焊丝必须要有足够的脱氧能力。 （5 5）等离子弧堆焊）等离子弧堆焊 采用联合型或转移型等离子弧作热源，将合金粉末或焊丝等填充材料 熔覆在基体表面上获得堆焊层的方法。 分为粉末等离子弧焊和填丝等离子弧焊 温度很高，高堆焊速度和高的熔敷率，稀释率很低（最低可达5%） 缺点是设备成本高，堆焊时有很强的紫外线辐射和臭氧污染，需 有效保护。 （1 1）激光堆焊）激光堆焊 以激光为热源进行堆焊的方法 包括激光合金化和激光熔覆等工艺 特点 热输入控制准确，焊接速度高，冷却速度快 热畸变小，厚度成分和稀释率可控性好 堆焊层组织致密，性能优越 节省高性能材料，同时可以实现在普通材料上覆盖耐磨、

19、耐高温、耐蚀等高性能堆焊层 （2 2）带极电渣堆焊）带极电渣堆焊 靠熔融的焊渣产生电阻热， 不断地熔化焊带和基材形 成堆焊接头的过程 焊剂从单侧送进，有强烈 可见光 大电流、低电弧电压，焊 接速度快，生产效率高、 焊剂的消耗低，焊道表面 成形更美观。 主要用于石油化工容器。 如加氢反应器、原流合成 塔，核电站的厚壁压力容 器 焊后一般需要热处理 （3 3）钨极）钨极- -熔化极间接电弧焊堆焊熔化极间接电弧焊堆焊 使用单电源，工件不接电源，电源的两极分别接熔化极焊枪 和钨极焊枪，两焊枪之间具备一定角度，钨极端头距离焊丝 很近，电弧在两焊枪的电极之间进行并稳定燃烧，形成熔滴 过渡到工件，实施堆焊

20、焊缝熔敷率高，最大限度降低工件母材热输入的优势，稀释 率很小 （4 4）双电极焊条单弧堆焊）双电极焊条单弧堆焊 工件不接电源，焊条的两焊芯分别接电源的两极。电弧在两焊芯 之间燃烧，形成单一电弧。电弧可以在空间的任何位置引燃和燃 烧。 电弧对母材的热输入可以在一定的范围内调节，以获得不同熔合 比的焊缝。熔合比较小的焊缝，工件的焊接变形和应力较小。 双电极焊条单弧焊则是利用焊条双电极端部产生熔滴热和电弧热， 将工件熔化而进行焊接的。 对母材热输入除调节焊接电流、焊接速度外，还可调节焊条离工 件之间的距离。 因母材熔化量少，降低了熔合比，从而减小焊接变形和焊接应力。 （5 5）GMTGMT堆焊堆焊 冷金属过渡技术 将汉斯运动直接同焊接过程控制相结合，其熔滴过 渡时电流几乎为零 图5-15 (6)(6)冷体热丝冷体热丝TIGTIG堆焊方法堆焊