第5章-堆焊技术

洛阳理工学院材料成型与控制工程第5章堆焊技术教材：《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5.1堆焊的基本概念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。5.1.1堆焊的特点及类型（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：2~30mm−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5.1.2堆焊层的形成与控制稀释率−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%。5.1.2堆焊层的形成与控制相容性−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，增加焊接应力，降低结合质量。5.1.2堆焊层的形成与控制熔合区−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。5.1.2堆焊层的形成与控制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。5.1.2堆焊层的形成与控制内应力−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堆焊材料的类型及选择5.2.1堆焊材料的种类5.2.2堆焊材料的选择5.2.1堆焊材料的种类（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）Ni基堆焊合金（4）Cu基堆焊金属（5）碳化钨堆焊金属（1）Fe基堆焊合金珠光体钢堆焊合金−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（1）Fe基堆焊合金奥氏体钢堆焊合金−高锰奥氏体钢堆焊合金含碳量：0.7~1.2%，含锰量：10~14%强度高，韧性好，易产生热裂纹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不耐低应力磨粒磨损−铬锰奥氏体钢堆焊合金−镍铬奥氏体钢堆焊合金（1）Fe基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低铬锰含铬量4%，含锰量：12~15%，少量Ni、Mo焊接性好适合严重冲击条件下磨粒磨损的零件，如铲斗、冲击轧碎机高铬锰含铬量：12~17%，含锰量：15%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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（1）Fe基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如18-8型和25-20型等不锈钢具有很高的耐腐蚀、耐高温氧化性能、热强性也好耐磨性较差主要用于化工容器和阀门密封面的堆焊（1）Fe基堆焊合金马氏体钢堆焊合金−C含量0.1~1.0%，含有低到中等含量的合金元素−堆焊层硬度30~60HRC，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低碳马氏体钢堆焊层硬度小于45HRC，可进行机加工，常用于小机件的堆焊高碳马氏体钢可用于中等磨粒磨损和中度冲击的场合（1）Fe基堆焊合金合金铸铁堆焊合金−马氏体合金铸铁含碳量：2~5%，常加入Cr、W、Ni、B、Nb等，含量小于25%亚共晶合金铸铁：马氏体+残余奥氏体+含碳化物的莱氏体硬度：50~60HRC抗磨粒磨损性能很好，耐热、耐蚀和抗氧化性能较好脆性大，易出现裂纹，一般需预热300~400℃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（1）Fe基堆焊合金合金铸铁堆焊合金−马氏体合金铸铁−奥氏体合金铸铁含C：2.5~4.5%，含Cr：12~28%，Mn、Ni、Mo、Si共晶组织：奥氏体+网状莱氏体硬度：45~50HRC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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（1）Fe基堆焊合金合金铸铁堆焊合金−马氏体合金铸铁−奥氏体合金铸铁−高铬合金铸铁含C：0.5~0.6%，含Cr15~35%，W、Mo、Ni、Si、B组织：基体中分布大量初生的针状Cr7C3很高的抗低应力磨粒磨损和耐热、耐蚀能力裂纹倾向大，需预热400~500℃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也用于在高炉料钟料斗、排气机叶片等零件的堆焊（2）Co基堆焊合金含C0.7~3.3%，含Cr25~33%，含W3~21%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价格高，应用不广泛（3）Ni基堆焊合金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（4）Cu基堆焊金属分为纯铜、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件的堆焊（5）碳化钨堆焊金属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3.7~4.0%，钨的质量分数为95~96%，是WC-W2C的混合物，粉碎成8~100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5~15%的钴可降低熔点，增加韧性。−烧结碳化钨钴质量分数为3~5%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。5.2.2堆焊材料的选择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堆焊方法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）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）氧-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3050~3100℃，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焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，完全淹埋在40～60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。（3）埋弧堆焊（3）埋弧堆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（30~60%)、生产率中等（4）CO2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（15~25%）对质量要求高的焊缝，CO2气体的纯度应大于99.5%，焊丝必须要有足够的脱氧能力。（5）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