焊接堆焊技術(shù)課件

1第五章堆焊技術(shù)

堆焊的基本概念堆焊材料的類型及選擇堆焊方法堆焊技術(shù)的應(yīng)用1第五章堆焊技術(shù)堆焊的基本概念25.1堆焊的基本概念

堆焊是采用焊接方法將具有一定性能的材料熔敷在工件表面的一種工藝過(guò)程。堆焊的目的與一般焊接方法不同，不是為了連接工件。而是對(duì)工件表面進(jìn)行改性，以獲得所需的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷層，或恢復(fù)工件因磨損或加工失誤造成的尺寸不足，這兩方面的應(yīng)用在表面工程學(xué)中稱為修復(fù)與強(qiáng)化。25.1堆焊的基本概念堆焊是采用焊接方法將具有一定性能3堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。堆焊層金屬的成分和性能調(diào)整方便，一般常用的焊條電弧焊堆焊焊條或藥芯焊條調(diào)節(jié)配方很方便，可以設(shè)計(jì)出各種合金體系，以適應(yīng)不同的工況要求。堆焊層厚度大，一般堆焊層厚度可在2～30mm內(nèi)調(diào)節(jié)，更適合于嚴(yán)重磨損的工況。堆焊的特點(diǎn)3堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好4節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)工件的基體采用普通材料制造，表面用高合金堆焊層時(shí)，不僅降低了制造成本，而且節(jié)約大量貴重金屬。在工件維修過(guò)程中，合理選用堆焊合金，對(duì)受損工件的表面加以堆焊修補(bǔ)，可以大大延長(zhǎng)工件壽命，延長(zhǎng)維修周期，降低生產(chǎn)成本。由于堆焊技術(shù)就是通過(guò)焊接的方法增加或恢復(fù)零部件尺寸，或使零部件表面獲得具有特殊性能的合金層，所以對(duì)于能夠熟練掌握焊接技術(shù)的人員而言，其難度不大，可操作性強(qiáng)。4節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)工件的基體采用普通材料制造，表面用高5堆焊技術(shù)的分類堆焊技術(shù)是熔焊技術(shù)的一種，因此凡是屬于熔焊的方法都可用于堆焊。按實(shí)現(xiàn)堆焊的條件，常用堆焊方法的分類如圖所示。5堆焊技術(shù)的分類堆焊技術(shù)是熔焊技術(shù)的一種，因此凡是屬于熔焊的6堆

焊

方

法稀釋率（%）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絲自動(dòng)送絲粉末堆焊1～101～101～100.5～1.80.5～6.80.5～1.80.80.80.210010085～95焊條電弧堆焊10～200.5～5.43.265鎢極氬弧堆焊10～200.5～4.52.498～100熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊其中：自保護(hù)電弧堆焊10～4015～400.9～5.42.3～11.33.23.290～9580～85埋弧堆焊單

絲多

絲串聯(lián)電弧單帶極多帶極30～6015～2510～2510～208～154.5～11.311.3～27.211.3～15.912～3622～683.24.84.83.04.09595959595等離子弧堆焊自動(dòng)送粉手工送粉自動(dòng)送絲雙熱絲5～155～155～155～150.5～6.81.5～3.60.5～3.613～270.252.42.42.485～9598～10098～10098～100電渣堆焊10～1415～751595～1006堆

焊

方

法稀釋率熔敷速度最小堆焊厚度熔敷效率7為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母材稀釋、較高的熔敷速度和優(yōu)良的堆焊層性能，即優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率的堆焊技術(shù)。

稀釋率高，基體金屬混入堆焊層中的量多,改變了堆焊合金的化學(xué)成分,將直接影響堆焊層的固有性能。因此，堆焊時(shí)，常希望獲得較低的稀釋率，以充分發(fā)揮堆焊合金性能，達(dá)到預(yù)期目的。7為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母81）冶金相容性：堆焊材料與基體在液態(tài)和固態(tài)時(shí)的互溶性，是否出現(xiàn)金屬間化合物。2）物理相容性：兩者之間的熔點(diǎn)、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率的差異將影響堆焊層的應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度。堆焊層與基材的相容性堆焊層的內(nèi)應(yīng)力用焊前預(yù)熱和焊后緩冷，或打底層的方法減少堆焊層的內(nèi)應(yīng)力。81）冶金相容性：堆焊材料與基體在液態(tài)和固態(tài)時(shí)的互溶性，是9避免在熔合區(qū)產(chǎn)生脆性相。堆焊的熔合區(qū)9避免在熔合區(qū)產(chǎn)生脆性相。堆焊的熔合區(qū)10

根據(jù)堆焊合金的形狀可劃分為絲狀、鑄條狀、帶狀、粉粒狀、塊狀堆焊合金。5.2堆焊材料的類型及選擇

根據(jù)堆焊合金的主要成分可劃分為堆焊材料分鐵基、鎳基、鈷基、銅基和碳化鎢基等。10根據(jù)堆焊合金的形狀可劃分為絲狀、鑄條狀、帶狀、粉粒狀、11

按合金元素含量分為低合金、中合金和高合金三種。根據(jù)材料的碳當(dāng)量選擇最低預(yù)熱溫度。1.鐵基堆焊材料11按合金元素含量分為低合金、中合金和高合金三種121)珠光體鋼堆焊材料：ωc<0.5％，堆焊層為珠光體組織，硬度20~38HRC?？珊感院?，有一定的耐磨性、韌性和切削加工性能，價(jià)格便宜，可用于不要求高硬度零件表面的堆焊和打過(guò)渡層的堆焊。用手工電弧堆焊和熔化極自動(dòng)堆焊，焊前不預(yù)熱。2)馬氏體鋼：堆焊層組織為馬氏體，硬度25~65HRC。堆焊層韌性、強(qiáng)度和耐磨性都好，是最經(jīng)濟(jì)的堆焊材料。堆焊方法有手工電弧堆焊和熔化極自動(dòng)堆焊，預(yù)熱溫度150～350℃。（1）低合金鋼堆焊材料121)珠光體鋼堆焊材料：ωc<0.5％，堆焊層為珠光體131)工、模具鋼堆焊時(shí)需預(yù)熱200～600℃?？捎檬止る娀《押?、氣保堆焊和埋弧焊。母材碳當(dāng)量較高時(shí)可先用～30HRC珠光體鋼堆焊一、二層，然后再堆焊耐磨層。焊后應(yīng)緩冷。（2）中、高合金鋼堆焊材料2)高錳鋼（奧氏體錳鋼）：硬度約200HB，受強(qiáng)烈沖擊后轉(zhuǎn)變成馬氏體，硬度提高到450～500HB。高錳鋼用鉻錳鋼和高錳鋼堆焊材料堆焊，主要用于高錳鋼鑄件缺陷的補(bǔ)焊和修復(fù)，一般用手工電弧焊。為減少裂紋，應(yīng)采取以下措施：a)焊前不預(yù)熱，用小電流、斷續(xù)焊、焊后快冷，使碳化物來(lái)不及析出。b)采用短道焊、分散焊、焊后捶擊等方法，以減少焊接應(yīng)力。c)舊件堆焊時(shí)，應(yīng)先磨去表面冷作硬化部分后再焊。131)工、模具鋼堆焊時(shí)需預(yù)熱200～600℃。可用14（3）奧氏體鉻鎳鋼：有優(yōu)良的耐蝕性和抗高溫氧化性，主要用于石化企業(yè)中需要耐蝕、耐熱零件的堆焊。常用手工電弧焊和帶極埋弧堆焊堆焊。基材是低碳（合金）鋼時(shí)，先用高鉻不銹鋼打過(guò)渡層。多數(shù)情況下不預(yù)熱，堆焊電流盡可能小。14（3）奧氏體鉻鎳鋼：有優(yōu)良的耐蝕性和抗高溫氧化性，主要15(4)高鉻合金鑄鐵：堆焊組織中含有大量柱狀高硬度的Cr7C3相，有很高的抗磨粒磨損、耐熱、耐蝕性能，用于鏟斗齒、高爐料鐘等設(shè)備的堆焊。堆焊方法有手工電弧堆焊和氧一乙炔焰堆焊，堆焊層允許有一些裂紋。15(4)高鉻合金鑄鐵：堆焊組織中含有大量柱狀高硬度的Cr16

常用的鎳基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有較低的熔點(diǎn)（1040℃）、較好的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，堆焊層組織是奧氏體+硼化物+碳化物，有優(yōu)良的耐低應(yīng)力磨料磨損和耐金屬間磨損性能，以及耐高溫、耐腐蝕和抗氧化性。因鎳基合金脆，一般制成鑄造焊絲用氣焊或鎢極氬弧焊（TIG焊）堆焊?？捎糜诟邷亻y門、泵的柱塞等零件的堆焊。2.鎳基堆焊材料及工藝16常用的鎳基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有較17

稱為司太立合金。具有一定的抗粘著磨損能力和較高的抗氧化、耐蝕和耐熱性能，在650℃時(shí)仍能保持高的硬度。鈷基堆焊材料價(jià)格昂貴，應(yīng)采用低稀釋率的氧一乙炔焰堆焊或粉末等離子堆焊，焊前預(yù)熱200～500℃?？捎糜诟邷馗g和高溫磨損工況條件下工件的堆焊。3.鈷基堆焊材料及工藝17稱為司太立合金。具有一定的抗粘著磨損能力和較18

堆焊層是含碳化鎢硬質(zhì)顆粒和較軟的基體金屬?gòu)?fù)合材料。基體金屬有鐵基、鎳基、鈷基和銅基合金。碳化鎢堆焊多用氧一乙炔焰手工堆焊，用中性焰，停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，焊后應(yīng)緩冷。碳化鎢堆焊在石油鉆探、冶金、礦山開采等設(shè)備上應(yīng)用較普遍。4.碳化鎢堆焊材料及工藝18堆焊層是含碳化鎢硬質(zhì)顆粒和較軟的基體金屬?gòu)?fù)合19各種堆焊材料的性能比較19各種堆焊材料的性能比較20滿足工件的工作條件和要求；經(jīng)濟(jì)性、母材的成分、工件的批量以及擬采用的堆焊方法。5.堆焊材料的選擇工

作

條

件堆

焊

合

金高應(yīng)力金屬間磨損鈷基合金低應(yīng)力金屬間磨損低合金鋼金屬間磨損+腐蝕或氧化鈷基、鎳基合金低應(yīng)力磨料磨損、沖擊浸蝕、磨料浸蝕高合金鑄鐵低應(yīng)力嚴(yán)重磨料磨損，切割刃碳化物嚴(yán)重沖擊高合金錳鋼嚴(yán)重沖擊+腐蝕+氧化鈷基合金高溫下金屬間磨損鈷基合金熱穩(wěn)定性，高溫蠕變強(qiáng)度（540℃）鈷基、鎳基合金20滿足工件的工作條件和要求；5.堆焊材料的選擇工

215.3堆焊方法1.焊條電弧堆焊

焊條電弧堆焊與一般焊條電弧焊的特點(diǎn)基本相同，設(shè)備簡(jiǎn)單、使用可靠、操作方便靈活、成本低、適宜于現(xiàn)場(chǎng)或野外堆焊，可以在任何位置焊接，特別是能通過(guò)堆焊焊條獲得幾乎所有的堆焊合金層。因此，焊條電弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。215.3堆焊方法1.焊條電弧堆焊22焊條電弧堆焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、稀釋率高。當(dāng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，易造成堆焊層合金的化學(xué)成分和性能發(fā)生波動(dòng)，同時(shí)不易獲得薄而均勻的堆焊層。焊條電弧堆焊主要用于堆焊形狀不規(guī)則或機(jī)械化堆焊可達(dá)性差的工件。由于焊條電弧堆焊成本低、靈活性強(qiáng)，就其堆焊基體的材料種類而言，焊條電弧堆焊既可以在碳素鋼工件上進(jìn)行，又可以在低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、鎳及鎳合金、銅及銅合金等工件上進(jìn)行。22焊條電弧堆焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、稀釋率高。當(dāng)23

焊條電弧堆焊工藝一、焊前準(zhǔn)備

堆焊前工件表面進(jìn)行粗車加工，并留出加工余量，以保證堆焊層加工后有3mm以上的高度。工件上待修復(fù)部位表面上的鐵銹、水分、油污、氧化皮等，堆焊修復(fù)時(shí)容易引起氣孔、夾雜等缺陷，所以在焊接位復(fù)前必須清理干凈。堆焊工件表面不得有氣孔、夾渣、包砂、裂紋等缺陷，如有上述缺陷須經(jīng)補(bǔ)焊清除、再粗車后方可堆焊。多層焊接修復(fù)時(shí)，必須使用鋼絲刷等工具把每一層修復(fù)熔敷金屬的焊渣清理干凈。如果待修復(fù)部位表面有油和水分，可用氣焊焊炬進(jìn)行烘烤，并用鋼絲刷清除。23焊條電弧堆焊工藝一、焊前準(zhǔn)備堆焊前工件表面進(jìn)行粗車加24二、焊條選擇及烘干根據(jù)對(duì)工件的技術(shù)要求，如工作溫度、壓力等級(jí)、工件介質(zhì)以及對(duì)堆焊層的使用要求，選擇合適的焊條。有些焊條雖不屬于堆焊焊條，但有時(shí)也可用作堆焊焊條，如碳鋼焊條、低合金焊條、不銹鋼焊條和銅合金焊條等。為確保焊條電弧堆焊的質(zhì)量，所用焊條在堆焊前應(yīng)進(jìn)行烘干，去除焊條藥皮的吸附水分。焊條烘干一般不能超過(guò)3次，以免藥皮變質(zhì)或開裂以致影響堆焊質(zhì)量。滾壓工藝的缺點(diǎn)是只能適合一些形狀簡(jiǎn)單的平板類零件、軸類零件和溝槽類零件等，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件表面就無(wú)法使用。24二、焊條選擇及烘干根據(jù)對(duì)工件的技術(shù)要求，如工作溫度、壓力25三、焊條直徑和焊接電流為提高生產(chǎn)效率，總希望采用較大直徑的焊條和焊接電流。但是由于堆焊層厚度和堆焊質(zhì)量的限制，必須把焊條直徑和焊接電流控制在一定范圍內(nèi)。堆焊焊條的直徑主要取決于工件的尺寸和堆焊層的厚度。增大焊接電流可提高生產(chǎn)率，但電流過(guò)大，稀釋率增大，易造成堆焊合金成分偏析和堆焊過(guò)程中液態(tài)金屬流失等缺陷。而焊接電流過(guò)小，容易產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷，且電弧的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)率低。一般來(lái)說(shuō)，在保證堆焊合金成分合格的條件下，盡量選用大的焊接電流；但不應(yīng)在焊接過(guò)程中由于電流過(guò)大而使焊條發(fā)紅、藥皮開裂、脫落。25三、焊條直徑和焊接電流為提高生產(chǎn)效率，總希望采用較大直徑26堆焊層厚度/mm<1.5<5≥5焊條直徑/mm3.24～55～6堆焊層數(shù)11～2>2堆焊電流/A80～100140～200180～24026堆焊層厚度/mm<1.5<5≥5焊條直徑/mm3.2427四、堆焊預(yù)熱和緩冷堆焊中最常碰到的問(wèn)題是開裂，為了防止堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，減少零件變形，通常要對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱和焊后緩冷。預(yù)熱是焊接修復(fù)開始前對(duì)被堆焊部位局部進(jìn)行適當(dāng)加熱的工藝措施，一般只對(duì)剛性大或焊接性差、容易開裂的結(jié)構(gòu)件采用。預(yù)熱可以減小修復(fù)后的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織，減小焊接應(yīng)力及變形，防止產(chǎn)生裂紋。工件堆焊前的預(yù)熱溫度可視工件材料的碳當(dāng)量而定。

堆焊后的緩冷一般可在石棉灰坑中進(jìn)行，也可適當(dāng)補(bǔ)充加熱，使其緩慢冷卻。27四、堆焊預(yù)熱和緩冷堆焊中最常碰到的問(wèn)題是開裂，為了防止堆28碳當(dāng)量Cep/（%）0.40.50.60.70.8最低預(yù)熱溫度/℃10015020025030028碳當(dāng)量Cep/（%）0.40.50.60.70.8最低292.氧乙炔火焰堆焊

氧乙炔火焰堆焊使用氧氣和乙炔混合燃燒產(chǎn)生的火焰作熱源的堆焊方法。氧乙炔火焰堆焊所用的裝置主要有焊炬、氧氣瓶、乙炔氣瓶或乙炔發(fā)生器、減壓器、回火防止器、膠管等，與普通氧乙炔火焰焊接基本相同。292.氧乙炔火焰堆焊氧乙炔火焰堆焊使用氧30氧乙炔火焰是一種多用途的堆焊熱源，火焰溫度較低(3050～3100℃)，而且可調(diào)整火焰能率，焊時(shí)熔深淺，母材熔化量少，能獲得非常小的稀釋率（1％～10％）。獲得的堆焊層薄，表面平滑美觀、質(zhì)量良好。氧乙炔火焰堆焊所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，可隨時(shí)移動(dòng)，操作工藝簡(jiǎn)便，靈活、成本低，所以得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其是堆焊需要較少熱容量的中、小工件時(shí)，具有明顯的優(yōu)越性。30氧乙炔火焰是一種多用途的堆焊熱源，火焰溫度較低(305031由于是手工操作，氧乙炔火焰堆焊勞動(dòng)強(qiáng)度大、熔敷速度低。當(dāng)要求得到高質(zhì)量的堆焊焊層時(shí)，對(duì)焊工的操作技能要求高。氧乙炔火焰堆焊主要用于要求表面光潔、質(zhì)量高、精密的工件的堆焊，以及在批量不大的中、小型工件上進(jìn)行小面積的堆焊。氧乙炔火焰堆焊在閥門、帶鋸桿、犁鏵及各種農(nóng)用機(jī)械中得到了廣泛應(yīng)用。31由于是手工操作，氧乙炔火焰堆焊勞動(dòng)強(qiáng)度大、熔敷速度低。當(dāng)323.埋弧堆焊

焊絲（或焊帶）與焊件間所產(chǎn)生的高溫電弧使焊劑熔化，形成一個(gè)覆蓋在熔池上面的熔渣層，隔絕大氣對(duì)堆焊金屬的作用，熔化的金屬與熔劑蒸汽在溶渣層下形成一個(gè)密封的空腔，電弧在空腔內(nèi)燃燒，使焊絲熔化，即電弧埋在熔融劑層下面進(jìn)行堆焊，所以稱埋弧堆焊。323.埋弧堆焊焊絲（或焊帶）與焊件間所產(chǎn)生33由于熔渣層對(duì)電弧空間的保護(hù)，減少了堆焊層的氮、氫、氧含量；同時(shí)由于熔渣層的保溫作用，熔化金屬與熔渣、氣體的冶金反應(yīng)比較充分，使堆焊層的化學(xué)成分和性能比較均勻，堆焊層表面光潔平整。由于焊劑中的合金元素對(duì)堆焊金屬的過(guò)渡作用，則能夠根據(jù)工件的工作條件的需要，選用相應(yīng)的焊絲和焊劑，獲得滿意的堆焊層。埋弧堆焊層存在殘余壓應(yīng)力，有利于提高修復(fù)零件的疲勞強(qiáng)度。埋弧堆焊在熔渣層下面進(jìn)行，減少了金屬飛濺，消除了弧光對(duì)工人的傷害，產(chǎn)生的有害氣體少，從而改善了勞動(dòng)條件。埋弧堆焊都是機(jī)械化、自動(dòng)化生產(chǎn)，可采用比焊條電弧堆焊、振動(dòng)電弧堆焊高得多的電流，因而生產(chǎn)率高。33由于熔渣層對(duì)電弧空間的保護(hù)，減少了堆焊層的氮、氫、氧含量3434355.4堆焊技術(shù)的應(yīng)用作為焊接領(lǐng)域中的一個(gè)分支，堆焊技術(shù)的應(yīng)用范圍非常廣泛，堆焊技術(shù)的應(yīng)用幾乎遍及所有的制造業(yè)，如礦山機(jī)械、輸送機(jī)械、冶金機(jī)械、動(dòng)力機(jī)械、農(nóng)業(yè)機(jī)械、汽車、石油設(shè)備、化工設(shè)備，建筑、以及工具模具及金屬結(jié)構(gòu)件的制造與維修中大量應(yīng)用堆焊技術(shù)。通過(guò)堆焊可以修復(fù)外形不合格的金屬零部件及產(chǎn)品，或制造雙金屬零部件。采用堆焊可以延長(zhǎng)零部件的使用壽命，降低成本，改進(jìn)產(chǎn)品設(shè)計(jì)，尤其對(duì)合理使用材料（特別是貴重金屬）具有重要意義。355.4堆焊技術(shù)的應(yīng)用作為焊接領(lǐng)域中的一個(gè)分支，堆焊技術(shù)36由于磨損或加工失誤造成工件尺寸不足，是廠礦企業(yè)經(jīng)常遇到的問(wèn)題。用堆焊方法修復(fù)上述工件是一種很常用的工藝方法，修復(fù)后的工件不僅能正常使用，很多情況下還能超過(guò)原工件的使用壽命，因?yàn)閷⑿鹿に囆虏牧嫌糜诙押感迯?fù)，可以大幅度提高原有零部件的性能。如冷軋輥、熱軋輥及異型軋輥的表面堆焊修復(fù)，農(nóng)用機(jī)械（拖拉機(jī)、農(nóng)用車、插秧機(jī)、收割機(jī)等）磨損件的堆焊修復(fù)等。據(jù)統(tǒng)計(jì)，用于修復(fù)舊工件的堆焊合金量占堆焊合金總量的72.2%。1.恢復(fù)工件尺寸堆焊36由于磨損或加工失誤造成工件尺寸不足，是廠礦企業(yè)經(jīng)常遇到的37冷軋輥修復(fù)堆焊37冷軋輥修復(fù)堆焊383839磨損和腐蝕是造成金屬材料失效的主要因素，為了提高金屬工件表面耐磨性和耐蝕性，以滿足工作條件的要求，延長(zhǎng)工件使用壽命，可以在工件表面堆焊一層或幾層耐磨或耐蝕層。就是將工件的基體與表面堆焊層選用具有不同性能的材料，制造出雙金屬工件。由于只是工件表面層具有合乎要求的耐磨、耐蝕等方面的特殊性能，所以充分發(fā)揮了材料的作用與工作潛力，而且節(jié)約了大量的貴重金屬。2.耐磨損、腐蝕堆焊39磨損和腐蝕是造成金屬材料失效的主要因素，為了提高金屬工件404041第五章堆焊技術(shù)

堆焊的基本概念堆焊材料的類型及選擇堆焊方法堆焊技術(shù)的應(yīng)用1第五章堆焊技術(shù)堆焊的基本概念425.1堆焊的基本概念

堆焊是采用焊接方法將具有一定性能的材料熔敷在工件表面的一種工藝過(guò)程。堆焊的目的與一般焊接方法不同，不是為了連接工件。而是對(duì)工件表面進(jìn)行改性，以獲得所需的耐磨、耐熱、耐蝕等特殊性能的熔敷層，或恢復(fù)工件因磨損或加工失誤造成的尺寸不足，這兩方面的應(yīng)用在表面工程學(xué)中稱為修復(fù)與強(qiáng)化。25.1堆焊的基本概念堆焊是采用焊接方法將具有一定性能43堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好。堆焊層金屬的成分和性能調(diào)整方便，一般常用的焊條電弧焊堆焊焊條或藥芯焊條調(diào)節(jié)配方很方便，可以設(shè)計(jì)出各種合金體系，以適應(yīng)不同的工況要求。堆焊層厚度大，一般堆焊層厚度可在2～30mm內(nèi)調(diào)節(jié)，更適合于嚴(yán)重磨損的工況。堆焊的特點(diǎn)3堆焊層與基體金屬的結(jié)合是冶金結(jié)合，結(jié)合強(qiáng)度高，抗沖擊性能好44節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)工件的基體采用普通材料制造，表面用高合金堆焊層時(shí)，不僅降低了制造成本，而且節(jié)約大量貴重金屬。在工件維修過(guò)程中，合理選用堆焊合金，對(duì)受損工件的表面加以堆焊修補(bǔ)，可以大大延長(zhǎng)工件壽命，延長(zhǎng)維修周期，降低生產(chǎn)成本。由于堆焊技術(shù)就是通過(guò)焊接的方法增加或恢復(fù)零部件尺寸，或使零部件表面獲得具有特殊性能的合金層，所以對(duì)于能夠熟練掌握焊接技術(shù)的人員而言，其難度不大，可操作性強(qiáng)。4節(jié)省成本，經(jīng)濟(jì)性好。當(dāng)工件的基體采用普通材料制造，表面用高45堆焊技術(shù)的分類堆焊技術(shù)是熔焊技術(shù)的一種，因此凡是屬于熔焊的方法都可用于堆焊。按實(shí)現(xiàn)堆焊的條件，常用堆焊方法的分類如圖所示。5堆焊技術(shù)的分類堆焊技術(shù)是熔焊技術(shù)的一種，因此凡是屬于熔焊的46堆

焊

方

法稀釋率（%）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絲自動(dòng)送絲粉末堆焊1～101～101～100.5～1.80.5～6.80.5～1.80.80.80.210010085～95焊條電弧堆焊10～200.5～5.43.265鎢極氬弧堆焊10～200.5～4.52.498～100熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊其中：自保護(hù)電弧堆焊10～4015～400.9～5.42.3～11.33.23.290～9580～85埋弧堆焊單

絲多

絲串聯(lián)電弧單帶極多帶極30～6015～2510～2510～208～154.5～11.311.3～27.211.3～15.912～3622～683.24.84.83.04.09595959595等離子弧堆焊自動(dòng)送粉手工送粉自動(dòng)送絲雙熱絲5～155～155～155～150.5～6.81.5～3.60.5～3.613～270.252.42.42.485～9598～10098～10098～100電渣堆焊10～1415～751595～1006堆

焊

方

法稀釋率熔敷速度最小堆焊厚度熔敷效率47為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母材稀釋、較高的熔敷速度和優(yōu)良的堆焊層性能，即優(yōu)質(zhì)、高效、低稀釋率的堆焊技術(shù)。

稀釋率高，基體金屬混入堆焊層中的量多,改變了堆焊合金的化學(xué)成分,將直接影響堆焊層的固有性能。因此，堆焊時(shí)，常希望獲得較低的稀釋率，以充分發(fā)揮堆焊合金性能，達(dá)到預(yù)期目的。7為了最有效地發(fā)揮堆焊層的作用，希望采用的堆焊方法有較小的母481）冶金相容性：堆焊材料與基體在液態(tài)和固態(tài)時(shí)的互溶性，是否出現(xiàn)金屬間化合物。2）物理相容性：兩者之間的熔點(diǎn)、膨脹系數(shù)、熱導(dǎo)率的差異將影響堆焊層的應(yīng)力和結(jié)合強(qiáng)度。堆焊層與基材的相容性堆焊層的內(nèi)應(yīng)力用焊前預(yù)熱和焊后緩冷，或打底層的方法減少堆焊層的內(nèi)應(yīng)力。81）冶金相容性：堆焊材料與基體在液態(tài)和固態(tài)時(shí)的互溶性，是49避免在熔合區(qū)產(chǎn)生脆性相。堆焊的熔合區(qū)9避免在熔合區(qū)產(chǎn)生脆性相。堆焊的熔合區(qū)50

根據(jù)堆焊合金的形狀可劃分為絲狀、鑄條狀、帶狀、粉粒狀、塊狀堆焊合金。5.2堆焊材料的類型及選擇

根據(jù)堆焊合金的主要成分可劃分為堆焊材料分鐵基、鎳基、鈷基、銅基和碳化鎢基等。10根據(jù)堆焊合金的形狀可劃分為絲狀、鑄條狀、帶狀、粉粒狀、51

按合金元素含量分為低合金、中合金和高合金三種。根據(jù)材料的碳當(dāng)量選擇最低預(yù)熱溫度。1.鐵基堆焊材料11按合金元素含量分為低合金、中合金和高合金三種521)珠光體鋼堆焊材料：ωc<0.5％，堆焊層為珠光體組織，硬度20~38HRC?？珊感院?，有一定的耐磨性、韌性和切削加工性能，價(jià)格便宜，可用于不要求高硬度零件表面的堆焊和打過(guò)渡層的堆焊。用手工電弧堆焊和熔化極自動(dòng)堆焊，焊前不預(yù)熱。2)馬氏體鋼：堆焊層組織為馬氏體，硬度25~65HRC。堆焊層韌性、強(qiáng)度和耐磨性都好，是最經(jīng)濟(jì)的堆焊材料。堆焊方法有手工電弧堆焊和熔化極自動(dòng)堆焊，預(yù)熱溫度150～350℃。（1）低合金鋼堆焊材料121)珠光體鋼堆焊材料：ωc<0.5％，堆焊層為珠光體531)工、模具鋼堆焊時(shí)需預(yù)熱200～600℃。可用手工電弧堆焊、氣保堆焊和埋弧焊。母材碳當(dāng)量較高時(shí)可先用～30HRC珠光體鋼堆焊一、二層，然后再堆焊耐磨層。焊后應(yīng)緩冷。（2）中、高合金鋼堆焊材料2)高錳鋼（奧氏體錳鋼）：硬度約200HB，受強(qiáng)烈沖擊后轉(zhuǎn)變成馬氏體，硬度提高到450～500HB。高錳鋼用鉻錳鋼和高錳鋼堆焊材料堆焊，主要用于高錳鋼鑄件缺陷的補(bǔ)焊和修復(fù)，一般用手工電弧焊。為減少裂紋，應(yīng)采取以下措施：a)焊前不預(yù)熱，用小電流、斷續(xù)焊、焊后快冷，使碳化物來(lái)不及析出。b)采用短道焊、分散焊、焊后捶擊等方法，以減少焊接應(yīng)力。c)舊件堆焊時(shí)，應(yīng)先磨去表面冷作硬化部分后再焊。131)工、模具鋼堆焊時(shí)需預(yù)熱200～600℃。可用54（3）奧氏體鉻鎳鋼：有優(yōu)良的耐蝕性和抗高溫氧化性，主要用于石化企業(yè)中需要耐蝕、耐熱零件的堆焊。常用手工電弧焊和帶極埋弧堆焊堆焊?；氖堑吞迹ê辖穑╀摃r(shí)，先用高鉻不銹鋼打過(guò)渡層。多數(shù)情況下不預(yù)熱，堆焊電流盡可能小。14（3）奧氏體鉻鎳鋼：有優(yōu)良的耐蝕性和抗高溫氧化性，主要55(4)高鉻合金鑄鐵：堆焊組織中含有大量柱狀高硬度的Cr7C3相，有很高的抗磨粒磨損、耐熱、耐蝕性能，用于鏟斗齒、高爐料鐘等設(shè)備的堆焊。堆焊方法有手工電弧堆焊和氧一乙炔焰堆焊，堆焊層允許有一些裂紋。15(4)高鉻合金鑄鐵：堆焊組織中含有大量柱狀高硬度的Cr56

常用的鎳基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有較低的熔點(diǎn)（1040℃）、較好的潤(rùn)濕性和流動(dòng)性，堆焊層組織是奧氏體+硼化物+碳化物，有優(yōu)良的耐低應(yīng)力磨料磨損和耐金屬間磨損性能，以及耐高溫、耐腐蝕和抗氧化性。因鎳基合金脆，一般制成鑄造焊絲用氣焊或鎢極氬弧焊（TIG焊）堆焊。可用于高溫閥門、泵的柱塞等零件的堆焊。2.鎳基堆焊材料及工藝16常用的鎳基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有較57

稱為司太立合金。具有一定的抗粘著磨損能力和較高的抗氧化、耐蝕和耐熱性能，在650℃時(shí)仍能保持高的硬度。鈷基堆焊材料價(jià)格昂貴，應(yīng)采用低稀釋率的氧一乙炔焰堆焊或粉末等離子堆焊，焊前預(yù)熱200～500℃?？捎糜诟邷馗g和高溫磨損工況條件下工件的堆焊。3.鈷基堆焊材料及工藝17稱為司太立合金。具有一定的抗粘著磨損能力和較58

堆焊層是含碳化鎢硬質(zhì)顆粒和較軟的基體金屬?gòu)?fù)合材料?；w金屬有鐵基、鎳基、鈷基和銅基合金。碳化鎢堆焊多用氧一乙炔焰手工堆焊，用中性焰，停留時(shí)間不宜過(guò)長(zhǎng)，焊后應(yīng)緩冷。碳化鎢堆焊在石油鉆探、冶金、礦山開采等設(shè)備上應(yīng)用較普遍。4.碳化鎢堆焊材料及工藝18堆焊層是含碳化鎢硬質(zhì)顆粒和較軟的基體金屬?gòu)?fù)合59各種堆焊材料的性能比較19各種堆焊材料的性能比較60滿足工件的工作條件和要求；經(jīng)濟(jì)性、母材的成分、工件的批量以及擬采用的堆焊方法。5.堆焊材料的選擇工

作

條

件堆

焊

合

金高應(yīng)力金屬間磨損鈷基合金低應(yīng)力金屬間磨損低合金鋼金屬間磨損+腐蝕或氧化鈷基、鎳基合金低應(yīng)力磨料磨損、沖擊浸蝕、磨料浸蝕高合金鑄鐵低應(yīng)力嚴(yán)重磨料磨損，切割刃碳化物嚴(yán)重沖擊高合金錳鋼嚴(yán)重沖擊+腐蝕+氧化鈷基合金高溫下金屬間磨損鈷基合金熱穩(wěn)定性，高溫蠕變強(qiáng)度（540℃）鈷基、鎳基合金20滿足工件的工作條件和要求；5.堆焊材料的選擇工

615.3堆焊方法1.焊條電弧堆焊

焊條電弧堆焊與一般焊條電弧焊的特點(diǎn)基本相同，設(shè)備簡(jiǎn)單、使用可靠、操作方便靈活、成本低、適宜于現(xiàn)場(chǎng)或野外堆焊，可以在任何位置焊接，特別是能通過(guò)堆焊焊條獲得幾乎所有的堆焊合金層。因此，焊條電弧堆焊是目前主要的堆焊方法之一。215.3堆焊方法1.焊條電弧堆焊62焊條電弧堆焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、稀釋率高。當(dāng)工藝參數(shù)不穩(wěn)定時(shí)，易造成堆焊層合金的化學(xué)成分和性能發(fā)生波動(dòng)，同時(shí)不易獲得薄而均勻的堆焊層。焊條電弧堆焊主要用于堆焊形狀不規(guī)則或機(jī)械化堆焊可達(dá)性差的工件。由于焊條電弧堆焊成本低、靈活性強(qiáng)，就其堆焊基體的材料種類而言，焊條電弧堆焊既可以在碳素鋼工件上進(jìn)行，又可以在低合金鋼、不銹鋼、鑄鐵、鎳及鎳合金、銅及銅合金等工件上進(jìn)行。22焊條電弧堆焊的缺點(diǎn)是生產(chǎn)效率低、勞動(dòng)條件差、稀釋率高。當(dāng)63

焊條電弧堆焊工藝一、焊前準(zhǔn)備

堆焊前工件表面進(jìn)行粗車加工，并留出加工余量，以保證堆焊層加工后有3mm以上的高度。工件上待修復(fù)部位表面上的鐵銹、水分、油污、氧化皮等，堆焊修復(fù)時(shí)容易引起氣孔、夾雜等缺陷，所以在焊接位復(fù)前必須清理干凈。堆焊工件表面不得有氣孔、夾渣、包砂、裂紋等缺陷，如有上述缺陷須經(jīng)補(bǔ)焊清除、再粗車后方可堆焊。多層焊接修復(fù)時(shí)，必須使用鋼絲刷等工具把每一層修復(fù)熔敷金屬的焊渣清理干凈。如果待修復(fù)部位表面有油和水分，可用氣焊焊炬進(jìn)行烘烤，并用鋼絲刷清除。23焊條電弧堆焊工藝一、焊前準(zhǔn)備堆焊前工件表面進(jìn)行粗車加64二、焊條選擇及烘干根據(jù)對(duì)工件的技術(shù)要求，如工作溫度、壓力等級(jí)、工件介質(zhì)以及對(duì)堆焊層的使用要求，選擇合適的焊條。有些焊條雖不屬于堆焊焊條，但有時(shí)也可用作堆焊焊條，如碳鋼焊條、低合金焊條、不銹鋼焊條和銅合金焊條等。為確保焊條電弧堆焊的質(zhì)量，所用焊條在堆焊前應(yīng)進(jìn)行烘干，去除焊條藥皮的吸附水分。焊條烘干一般不能超過(guò)3次，以免藥皮變質(zhì)或開裂以致影響堆焊質(zhì)量。滾壓工藝的缺點(diǎn)是只能適合一些形狀簡(jiǎn)單的平板類零件、軸類零件和溝槽類零件等，對(duì)于形狀復(fù)雜的零件表面就無(wú)法使用。24二、焊條選擇及烘干根據(jù)對(duì)工件的技術(shù)要求，如工作溫度、壓力65三、焊條直徑和焊接電流為提高生產(chǎn)效率，總希望采用較大直徑的焊條和焊接電流。但是由于堆焊層厚度和堆焊質(zhì)量的限制，必須把焊條直徑和焊接電流控制在一定范圍內(nèi)。堆焊焊條的直徑主要取決于工件的尺寸和堆焊層的厚度。增大焊接電流可提高生產(chǎn)率，但電流過(guò)大，稀釋率增大，易造成堆焊合金成分偏析和堆焊過(guò)程中液態(tài)金屬流失等缺陷。而焊接電流過(guò)小，容易產(chǎn)生未焊透、夾渣等缺陷，且電弧的穩(wěn)定性差、生產(chǎn)率低。一般來(lái)說(shuō)，在保證堆焊合金成分合格的條件下，盡量選用大的焊接電流；但不應(yīng)在焊接過(guò)程中由于電流過(guò)大而使焊條發(fā)紅、藥皮開裂、脫落。25三、焊條直徑和焊接電流為提高生產(chǎn)效率，總希望采用較大直徑66堆焊層厚度/mm<1.5<5≥5焊條直徑/mm3.24～55～6堆焊層數(shù)11～2>2堆焊電流/A80～100140～200180～24026堆焊層厚度/mm<1.5<5≥5焊條直徑/mm3.2467四、堆焊預(yù)熱和緩冷堆焊中最常碰到的問(wèn)題是開裂，為了防止堆焊層和熱影響區(qū)產(chǎn)生裂紋，減少零件變形，通常要對(duì)堆焊區(qū)域進(jìn)行預(yù)熱和焊后緩冷。預(yù)熱是焊接修復(fù)開始前對(duì)被堆焊部位局部進(jìn)行適當(dāng)加熱的工藝措施，一般只對(duì)剛性大或焊接性差、容易開裂的結(jié)構(gòu)件采用。預(yù)熱可以減小修復(fù)后的冷卻速度，避免產(chǎn)生淬硬組織，減小焊接應(yīng)力及變形，防止產(chǎn)生裂紋。工件堆焊前的預(yù)熱溫度可視工件材料的碳當(dāng)量而定。

堆焊后的緩冷一般可在石棉灰坑中進(jìn)行，也可適當(dāng)補(bǔ)充加熱，使其緩慢冷卻。27四、堆焊預(yù)熱和緩冷堆焊中最常碰到的問(wèn)題是開裂，為了防止堆68碳當(dāng)量Cep/（%）0.40.50.60.70.8最低預(yù)熱溫度/℃10015020025030028碳當(dāng)量Cep/（%）0.40.50.60.70.8最低692.氧乙炔火焰堆焊

氧乙炔火焰堆焊使用氧氣和乙炔混合燃燒產(chǎn)生的火焰作熱源的堆焊方法。氧乙炔火焰堆焊所用的裝置主要有焊炬、氧氣瓶、乙炔氣瓶或乙炔發(fā)生器、減壓器、回火防止器、膠管等，與普通氧乙炔火焰焊接基本相同。292.氧乙炔火焰堆焊氧乙炔火焰堆焊使用氧70氧乙炔火焰是一種多用途的堆焊熱源，火焰溫度較低(3050～3100℃)，而且可調(diào)整火焰能率，焊時(shí)熔深淺，母材熔化量少，能獲得非常小的稀釋率（1％～10％）。獲得的堆焊層薄，表面平滑美觀、質(zhì)量良好。氧乙炔火焰堆焊所用的設(shè)備簡(jiǎn)單，可隨時(shí)移動(dòng)，操作工藝簡(jiǎn)便，靈活、成本低，所以得到較為廣泛的應(yīng)用，尤其