堆焊技术

堆焊技术•通过本次学习，了解堆焊技术的特点、分类和应用，熟悉堆焊合金及材料的类型、特点和选用，掌握常用堆焊方法的原理、工艺、装置、特点和应用；能够根据工件的材质、服役条件和性能要求选择合理的堆焊工艺方法，并编制出工艺流程。综合知识模块一堆焊技术概述能力知识点1堆焊技术的特点及分类•原理•分类•特点1.1什么是堆焊•堆焊是采用焊接方法将具有一定性能的材料熔敷在工件表面的一种工艺过程。•堆焊的目的与一般焊接方法不同，不是为了连接工件。而是对工件表面进行改性，以获得所需的耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的熔敷层，或恢复工件因磨损或加工失误造成的尺寸不足，这两方面的应用在表面工程学中称为修复与强化。1.2堆焊的特点•堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高，抗冲击性能好。•堆焊层金属的成分和性能调整方便，一般常用的焊条电弧焊堆焊焊条或药芯焊条调节配方很方便，可以设计出各种合金体系，以适应不同的工况要求。•堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在2～30mm内调节，更适合于严重磨损的工况。1.2堆焊的特点•节省成本，经济性好。当工件的基体采用普通材料制造，表面用高合金堆焊层时，不仅降低了制造成本，而且节约大量贵重金属。在工件维修过程中，合理选用堆焊合金，对受损工件的表面加以堆焊修补，可以大大延长工件寿命，延长维修周期，降低生产成本。•由于堆焊技术就是通过焊接的方法增加或恢复零部件尺寸，或使零部件表面获得具有特殊性能的合金层，所以对于能够熟练掌握焊接技术的人员而言，其难度不大，可操作性强。1.3堆焊技术的分类•堆焊技术是熔焊技术的一种，因此凡是属于熔焊的方法都可用于堆焊。•按实现堆焊的条件，常用堆焊方法的分类如图6-1所示。堆焊方法稀释率（%）熔敷速度/（㎏/h）最小堆焊厚度/mm熔敷效率（%）氧乙炔火焰堆焊手工送丝自动送丝粉末堆焊1～101～101～100.5～1.80.5～6.80.5～1.80.80.80.210010085～95焊条电弧堆焊10～200.5～5.43.265钨极氩弧堆焊10～200.5～4.52.498～100熔化极气体保护电弧堆焊其中：自保护电弧堆焊10～4015～400.9～5.42.3～11.33.23.290～9580～85埋弧堆焊单丝多丝串联电弧单带极多带极30～6015～2510～2510～208～154.5～11.311.3～27.211.3～15.912～3622～683.24.84.83.04.09595959595等离子弧堆焊自动送粉手工送粉自动送丝双热丝5～155～155～155～150.5～6.81.5～3.60.5～3.613～270.252.42.42.485～9598～10098～10098～100电渣堆焊10～1415～751595～100•为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。资料卡稀释率高，基体金属混入堆焊层中的量多,改变了堆焊合金的化学成分,将直接影响堆焊层的固有性能。因此，堆焊时，常希望获得较低的稀释率，以充分发挥堆焊合金性能，达到预期目的。能力知识点2堆焊技术的应用•作为焊接领域中的一个分支，堆焊技术的应用范围非常广泛，堆焊技术的应用几乎遍及所有的制造业，如矿山机械、输送机械、冶金机械、动力机械、农业机械、汽车、石油设备、化工设备，建筑、以及工具模具及金属结构件的制造与维修中大量应用堆焊技术。•通过堆焊可以修复外形不合格的金属零部件及产品，或制造双金属零部件。采用堆焊可以延长零部件的使用寿命，降低成本，改进产品设计，尤其对合理使用材料（特别是贵重金属）具有重要意义。2.1恢复工件尺寸堆焊•由于磨损或加工失误造成工件尺寸不足，是厂矿企业经常遇到的问题。用堆焊方法修复上述工件是一种很常用的工艺方法，修复后的工件不仅能正常使用，很多情况下还能超过原工件的使用寿命，因为将新工艺新材料用于堆焊修复，可以大幅度提高原有零部件的性能。•如冷轧辊、热轧辊及异型轧辊的表面堆焊修复，农用机械（拖拉机、农用车、插秧机、收割机等）磨损件的堆焊修复等。据统计，用于修复旧工件的堆焊合金量占堆焊合金总量的72.2%。冷轧辊修复堆焊2.2耐磨损、腐蚀堆焊•磨损和腐蚀是造成金属材料失效的主要因素，为了提高金属工件表面耐磨性和耐蚀性，以满足工作条件的要求，延长工件使用寿命，可以在工件表面堆焊一层或几层耐磨或耐蚀层。就是将工件的基体与表面堆焊层选用具有不同性能的材料，制造出双金属工件。由于只是工件表面层具有合乎要求的耐磨、耐蚀等方面的特殊性能，所以充分发挥了材料的作用与工作潜力，而且节约了大量的贵重金属。综合知识模块二堆焊材料•在实施堆焊前，有两个问题需要解决。一是堆焊材料的选择，二是堆焊工艺的制定。•堆焊材料是堆焊时形成或参与形成堆焊合金层的材料，例如所用的焊条、焊丝、焊剂和气体等。•每一种材料只有在特定的工作环境下，针对特定的焊接工艺才表现出较高的使用性能，了解和正确选用堆焊材料对于能否达到堆焊的预期效果有着极其重要的意义。能力知识点1堆焊合金的类型根据堆焊合金的主要成分可划分为：•铁基堆焊合金•碳化钨堆焊合金•铜基堆焊合金•镍基堆焊合金•钴基堆焊合金•合金铸铁类堆焊合金•喷熔用自熔性合选用的堆焊合金必须能够满足零件工作表面使用性能的要求，这些使用性能主要包括合金的耐磨性、耐蚀性、耐冲击性以及耐高温性能。•根据堆焊合金的形状可划分为：•丝状•铸条状•带状•粉粒状•块状堆焊合金•根据堆焊合金层的使用目的划分为：•耐蚀堆焊也称为包层堆焊，是为了防止工件在运行过程中发生腐蚀而在其工作表面上熔敷一层一定厚度、具有耐腐蚀性能金属层的焊接方法。•耐磨堆焊为了防止在工作过程中工件表面被磨损并且延长使用寿命的堆焊。•隔离层堆焊为了防止母材成分对焊缝金属化学成分的不利影响，以保证接头性能和质量，而预先在母材表面（或接头的坡口面上）熔敷一定成分的金属层（称隔离层）。熔敷隔离层的工艺过程，称隔离层堆焊。根据堆焊合金的形状划分为•丝状、铸条状、带状、粉粒状和块状堆焊合金等。1.铁基堆焊合金•铁基堆焊合金的性能变化范围广，韧性和耐磨性配合好，并且成本低，品种也多，所以使用十分广泛。•铁基堆焊由于碳质量分数、合金元素的的含量和冷却速度的不同，堆焊层的金相组织可以是珠光体、奥氏体、马氏体和合金铸铁组织等几种基本类型。2．碳化钨堆焊合金•这类堆焊合金由大量碳化钨颗粒分布于金属基体（如碳钢、低合金钢、镍基合金、钴基合金和青铜等）上构成，堆焊层中钨的质量分数45%以上、碳的质量分数1.5%～2%。碳化钨由WC和W2C组成，有很高的硬度和熔点。•碳质量分数3.8%的碳化钨硬度达2500HV，熔点接近2600℃。碳化钨种类组织和性能制造方法铸造碳化钨WC+W2C共晶，呈不规则粒状和球状。硬度高、耐磨性好，但脆性大，抗高温氧化性差熔炼→浇注后破碎（呈不规则粒状）或熔炼→离心法分离（呈球状）烧结碳化钨呈不规则粒状和球状。硬度高、耐磨性好，脆性大小视粘结剂钴的多少；高钴型韧性好，低钴型脆性大，但抗高温氧化性好混合→压块→烧结→破碎（呈不规则粒状）或混合→制球→烧结（呈球状）3．铜基堆焊合金•堆焊用的铜基合金主要有青铜、纯铜、黄铜、白铜四大类。其中应用比较多的是青铜类的铝青铜和锡青铜。铝青铜强度高，耐腐蚀、耐金属间磨损，常用于堆焊轴承、齿轮、蜗轮及耐海水腐蚀工件，如水泵、阀门、船舶螺旋桨等。锡青铜有一定强度，塑性好，能承受较大的冲击载荷，减摩性优良，常用于堆焊轴承、轴瓦、蜗轮、低压阀门及船舶螺旋桨等。4．镍基堆焊合金•镍基堆焊合金分为含硼化物合金、含碳化物合金和含金属间化合物合金三大类。•这类堆焊合金的抗金属间摩擦磨损性能最好，并具有很高的抗氧化性、耐蚀性和耐热性。此外，由于镍基合金易于熔化，有较好的工艺性能，所以尽管比较贵，但应用仍广泛，常用于高温高压蒸汽阀门、化工阀门、泵柱塞的堆焊。5．钴基合金•钴基堆焊合金又称司太立（Stellite）合金，以Co为主要成分，加入Cr、W、C等元素。•主要成分为：WC=0.7%～3.3%、WW=3%～21%、WCr=26%～32%，其余为Co，堆焊层的金相组织是奥氏体＋共晶组织。碳质量分数低时，堆焊层由呈树枝状晶的Co-Cr-W固溶体(奥氏体)和共晶体组成，随着碳质量分数的增加，奥氏体数量减少，共晶体增多，因此，改变碳和钨的含量可改变堆焊合金的硬度和韧性。堆焊合金种类碳质量分数组织钴基1号较低由树枝状结晶的Co-Cr-W合金固溶体（奥氏体）初晶+该固溶体与Cr-W复合碳化物的共晶体组成钴基2号钴基4号钴基3号较高过共晶组织，即由粗大的一次Cr-W复合碳化物+该碳化物与固溶体的共晶体组成四、堆焊合金的选用•正确地选择堆焊合金是一项很复杂的工作。首先，要考虑满足工件的工作条件和要求；其次，还要考虑经济性、母材的成分、工件的批量以及拟采用的堆焊方法。但在满足工作要求与堆焊合金性能之间并不存在简单的关系，如堆焊合金的硬度并不能直接反映堆焊金属的耐磨性，所以堆焊合金的选择在很大程度上要靠经验和试验来决定。对一般金属间磨损件表面强化与修复，可遵循等硬度原则来选择堆焊合金；对承受冲击负荷的磨损表面，应综合分析确定堆焊合金；对腐蚀磨损、高温磨损件表面强化或修复，应根据其工作条件与失效特点确定合适的堆焊合金，如表6-5所示。工作条件堆焊合金高应力金属间磨损钴基合金低应力金属间磨损低合金钢金属间磨损+腐蚀或氧化钴基、镍基合金低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀高合金铸铁低应力严重磨料磨损，切割刃碳化物严重冲击高合金锰钢严重冲击+腐蚀+氧化钴基合金高温下金属间磨损钴基合金热稳定性，高温蠕变强度（540℃）钴基、镍基合金能力知识点2常用的堆焊材料一、堆焊焊条1．堆焊焊条分类和牌号的表示方法•堆焊焊条大部分采用H08A冷拔焊芯，药皮填加合金的形式，也有采用管状芯、铸芯或合金冷拔焊芯的。•我国堆焊焊条的牌号由字母D+三位数字组成，其中“D”为“堆”字汉语拼音第一个字母，表示堆焊焊条；牌号中的第一位数字，表示该焊条的用途、组织或熔敷金属主要成分；牌号中的第二个数字，表示同一用途、组织或熔敷金属主要成分中的不同编号，按0、1、2、3、4、……、9顺序编号；牌号中的第三位数字，表示药皮类型和焊接电流种类，例如2为钛钙型，6为低氢型，7为低氢型、直流反接，8为石墨型。D256低氢钾型药皮，交直流两用常温高锰钢堆焊焊条堆焊焊条序号用途牌号1不规定用途的堆焊焊条D00×～09×2不同硬度常温堆焊焊条D10×～24×3常温高锰钢堆焊焊条D25×～29×4刀具工具堆焊焊条D30×～49×5阀门堆焊焊条D50×～59×6合金铸铁堆焊焊条D60×～69×7碳化钨堆焊焊条D70×～79×8钴基合金堆焊焊条D80×～89×9尚待发展的堆焊焊条D90×～99×2．堆焊焊条型号的编制方法•根据GB/T984—2001《堆焊焊条》标准规定，堆焊焊条型号按熔敷金属化学成分及药皮类型划分。其编制方法如下：•1）型号最前列为英文字母“E”，表示焊条。•2）型号第二字母“D”表示用于堆焊焊条。•3）字母“D”后面用一或两字母、元素符号表示焊条熔敷金属化学成分分类代号，还可附加一些主要成分的元素符号；在基本型号内可用数字、字母进行细分类，细分类代号也可用短划“-”与前面分开。EDPCrMo-A1-03焊条内主要合金元素型号分类（普通低中合金钢）表示堆焊焊条表示焊条细分型号药皮类型，交直流两用堆焊焊丝、焊剂自学综合知识模块三焊条电弧堆焊概述•焊条电弧堆焊是目前应用最广泛的堆焊方法，它使用的设备简单，成本低，对形状不规则的工件表面及狭窄部位进行堆焊的适应性好，方便灵活。•焊条电弧堆焊在我国有一定的应用基础，我国生产的堆焊焊条有完整的产品系列，仅标准定型产品就有近百个品种，还有很多专用及非标准的堆焊焊条产品。•焊条电弧堆焊在冶金机械、矿山机械、石油化工、交通运输、模具及金属构件的制造和维修中得到了广泛应用。能力知识点1焊条电弧堆焊的特点和应用1.特点•焊条电弧堆焊与一般焊条电弧焊的特