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1、 表面堆焊技术 摘 要堆焊是为了增大或恢复零部件尺寸或使焊件表面获得具有特殊性能的合金层而进行的焊接, 是一种重要的但又常常不被理解的减少磨损的方法。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。常用的堆焊方法有, 手工电弧堆焊、氧乙炔焰堆焊、埋弧自动堆焊、气体保护堆焊、等离子弧堆焊、振动电弧堆焊、激光堆焊等。目前应用最为广泛的是手工电弧堆焊和氧乙炔焰堆焊。关键词：堆焊；轧辊；阀门；应用现状 目 录摘 要I目 录II1 绪论12 表面堆焊技术的工作原理23 表面堆焊技术的工艺流程44 表面堆焊技术的发展现状45 结语9参考文献91 绪论1.1 引言堆焊是指
2、将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔覆在母体材料的表面，以赋予母材特殊使用性能或使零件恢复原有形状尺寸的工艺方法。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。因此，国内外制造业对堆焊技术的发展十分重视，IIW 以及各工业发达国家的相关学术机构均设置了专门委员会，以协调和促进堆焊技术的发展1。堆焊技术在我国起源于20 世纪 50 年代末，几乎与焊接技术同步发展。发展初期主要用于修复领域，即恢复零件的形状尺寸，60 年代已经将恢复形状尺寸与强化表面及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领
3、域进一步扩大，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90 年代受先进制造技术理念的影响，堆焊方法与智能控制技术和精密磨削技术相结合的近净形技术（Near Net Shape）引起了制造业的广泛关注，这也是堆焊技术从技艺走向科学的重要标志2。堆焊技术在我国历经近 50 年的风雨历程，不仅是延长材料或零件服役寿命的工艺方法，而且成为先进制造技术的发展基础。堆焊技术的显著特点是堆焊层与母材具有典型的冶金结合，堆焊层在服役过程中的剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设计堆焊合金，使材料或零件表面具有良好的耐磨、耐腐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等性能，在工艺上有很大的灵活性。2表面堆焊技术的工作原理堆焊是焊接工
4、艺方法的一种特殊应用。它的目的不是为了联接零件，而是借用焊接的手段改变金属材料厚度和表面的材质，即在零件上堆敷一层或几层所希望性能的材料。概念:为增大或恢复焊件尺寸，或使焊件表面获得具有特殊性能的熔敷金属而进行的焊接。有手弧焊堆焊、埋弧堆焊、振动电弧堆焊、等离子弧堆焊、气体保护堆焊和电渣堆焊等。堆焊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、耐腐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。图1 使用表面堆焊技术制造新零件2. 修复旧零件。选择合适
5、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、减少配件消耗等意义重大。图2 使用表面堆焊技术修复旧零件堆焊的物理本质、热过程、冶金过程以及堆焊金属的凝固结晶与相变过程，与一般的焊接方法相比是没有什么区别的。3 表面堆焊技术的工艺流程一、堆焊方法的选择 熔焊、钎焊、喷涂等方法都可以应用于堆焊中，熔焊方法占的比例最大，选择应用怎样的堆焊方法，应考虑几个问题：（1）堆焊层的性能和质量要求；（2）堆焊件的结构特点；（3）经济性。随着生产的发展，常规的焊接方法往往不能满足堆焊工艺的要求，因此又出现了许多新的堆焊工艺方法。几种堆
6、焊工艺的主要特点如表1所示3。表1 常用堆焊方法特点比较堆焊方法稀释率/%熔敷速度/（kg/h）最小堆焊厚度/mm熔敷效率/%氧-乙炔焰堆焊手工送丝1100.51.80.8100自动送丝1100.56.80.8100手工送丝1100.51.80.28595焊条电弧焊堆焊10200.55.43.265钨极氩弧焊堆焊10200.54.52.498100埋弧堆焊单丝30604.511.33.295多丝152511.327.24.895串联电弧102511.315.94.895单带极102012363.095多带极81522684.095等离子弧堆焊自动送丝5150.56.80.258595手工送丝5
7、150.53.62.498100自动送丝5150.53.62.498100双热丝51513272.498100注:表中稀释率为单层堆焊结果。下面介绍几种常见的堆焊方法及特点。二、氧乙炔焰堆焊氧乙炔焰用途较广，由于它的火焰温度较低（3100左右），而且可以调整火焰的能率，可以得到低的稀释率（1%10%）和薄的堆焊层，一般采用碳化焰焊接，乙炔的用量和堆焊金属有关。该焊接方法有设备简单、操作灵活成本较低等优点，所以得到广泛使用。但也有如劳动强度大、生产率低等缺点。所以该焊接方法主要用于小零件的制造和修复工作，如油井钻头牙轮、蒸汽阀门、内燃机阀门及农机具零件的堆焊4。氧乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷
8、涂、喷熔等工艺中。三、焊条电弧堆焊焊条电弧堆焊有如下特点：1.设备简单，轻便，适合现场焊接。2.焊接时是明弧，便于焊工操作者观察，焊接灵活性大，特别是对一些形状不规则和零件的可达性不好的部位进行堆焊尤为合适。3.焊条电弧焊热量集中，通过选择不同的焊条能够获得几乎所有的堆焊合金成分。4.这种焊接方法的生产率较低，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊23层，但是堆焊层太多会导致开裂。焊条电弧焊堆焊焊条所需电源及其极性取决于焊条涂层的类型。一般使用直流反接，石墨型的药皮适合用直流正接，还可以使用交流。焊接前一般酸性焊条需要150烘培0.51.0h，碱性焊条需在250350烘培12h，焊
9、接材料为了防止焊接裂纹，在焊前可以采用预热处理，预热温度可通过碳当量来计算，见表9-2所示，焊后采用缓冷，焊接时可采用焊条前倾的方法避免焊接缺陷的产生。四、钨极氩弧堆焊这是一种常用的非熔化极堆焊方法，这种方法的生产效率较低，但是能获得质量高的堆焊层金属，稀释率低，变形小，电弧稳定，飞溅小，堆焊层容易控制等优点。适合于质量要求高、形状复杂的小零件上。焊接时可以有丝状、管状、铸棒状和粉末状的焊接材料，通常采用直流正接，可通过摆动焊枪和小电流的方法得到小的稀释率。五、埋弧堆焊埋弧堆焊的实质和一般的埋弧焊没有区别，它有生产效率高，劳动条件好，能获得成分均匀的堆焊层等优点，常用于轧辊、曲轴、化工容器和核
10、反应堆压力容器衬里等大、中型零部件。六、等离子弧堆焊等离子弧的温度很高，所以能堆焊难熔材料，并能提高堆焊速度，稀释率最低可达5%，堆焊层厚度在0.58mm，宽度约340mm，这种方法低稀释率、高熔敷率的堆焊，但设备成本较高，堆焊时有强烈的紫外线辐射及臭氧污染空间，所以要做好防护措施5。常用于质量要求高的批量生产上。4表面堆焊技术的发展现状随着中国工业技术的进步及国家产业政策的调整堆焊技术在工业领域尤其是重工业领域得到了大规模应用，在钢铁冶金、矿山、电力、化工、水利、建材、煤炭、核电、军工及机械制造等行业起着举足轻重的作用。堆焊由原来的简单修复已发展成为新品制造、旧品再制造的重要工艺环节，堆焊产
11、业的规模化发展也带动了堆焊材料的大量消耗。发展至今，堆焊材料的制造业也成为相对独立的规模产业。表2列出了近几年手工堆焊焊条的销售量，从一个侧面可以反映出堆焊产业的发展。表2 近几年手工堆焊焊条的销售量该统计数字来源于行业中心调查国内70余家正规焊材生产企业的反馈数据，实际产销量要高于统计结果6。用于自动化生产的堆焊药芯焊丝实芯焊丝和焊剂的消耗量要远大于手工焊条，初步估计近二三年堆焊材料的年消耗量在15-20万t，占焊接材料年消耗总量的5%以上7。在堆焊材料的使用形式方面，已从堆焊发展初期的以焊条为主转向焊条、实心焊丝配焊剂、焊带配焊剂、药芯焊丝及粉末等多种使用形式，而且药芯焊丝的使用比例呈逐年
12、增长趋势。与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面（如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等）并不落后于工业发达国家，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，因此，无论是堆焊材料的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高。6 结语堆焊技术在我国历经 50 年的发展历程，其应用遍及基础工业诸领域。我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色，但堆焊材料的开发、堆焊设备
13、的自动化和智能化水平、精密高效堆焊技术的开发应用、计算机技术及模拟仿真技术在堆焊技术中的应用水平等方面与国外存在一定差距，研究开发优质、高效、低耗、灵活、清洁的先进堆焊技术，并将其广泛应用于先进制造业当是我国堆焊同仁肩负的历史使命。参考文献1 周永强，李午申，冯灵芝. 表面工程技术的发展与应用 M. 焊接技术，2001，30（4）5-7.2 董祖珏，黄庆云，等. 国内外堆焊发展现状 C. 第八次全国焊接会议论文集，北京：机械工业出版社，1997.3 愈斌，等. 轧辊的堆焊及价值初探 M. 四川冶金，2001，1：25-27.4 胡秀彬，等. ZG75CrMo 热轧工作辊堆焊工艺研究 M.焊接技术，1999，4：13-14. 5 秦红珊，杨新歧. 搅拌摩擦点焊技术及在汽车工业应用前景J. 汽车技术，2006（1）：14.6 伍珠良，雷万钧，等. 用药芯焊丝堆焊修复热轧辊M.焊接技术，1997，3：12. 7 7 苏志东. 阀门密封面堆焊层厚度的研究 M. 阀门，2001，3：19-22.
