堆焊技术的发展及其方法比较

堆焊技术的发展及其方法的介绍

摘要：本文回顾了我国堆焊技术的发展历程，指出了堆焊熔敷效率从单弧电弧堆焊的11kg/h发展到多带极电弧堆焊的70kg/h，稀释率从电弧堆焊的30%~60%降低到等离子弧、激光、聚集光束堆焊的5%左右。介绍了堆焊技术的应用领域，并简要分析了堆焊技术的特点。通过对氧-乙炔焰堆焊、焊条电弧堆焊、钨极氩弧堆焊、等离子堆焊、埋弧堆焊等几种常用堆焊方法的介绍，突出每种堆焊方法的特点，以使读者对堆焊技术有更深刻的了解与认识。

关键词：堆焊；稀释率；埋弧堆焊；等离子堆焊

Abstract: This paper reviews the development of surfacing technology course, pointed out that the deposited efficiency from a single arc welding of 11kg / h to multiple band arc welding in 70kg / h, dilution rate from arc welding30% ～60% to reduce plasma arc, laser beam welding, gathered around 5%. Introduces the application of build-up welding technology, and briefly analyzes the welding technology characteristics. Through the oxygen - acetylene flame surfacing, welding rod arc welding, argon tungsten arc welding, plasma welding, submerged arc welding and other kinds of welding methods are presented, highlighting each kind of welding method, welding technology to enable the readers to have a more profound understanding and the understanding.

Key words: surfacing; dilution rate; submerged arc welding; plasma surfacing

1 引言

随着社会的进步和科学技术的发展，各种机械设备正沿大型化、高效率、高质量的方向发展，对机械产品的可靠性和使用性能要求越来越高。堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，可以提高产品和设备的性能、延长使用寿命、降低成本，因此越来越多地应用于各个工业部门零件的制造和修复中。

堆焊是在零件表面或边缘熔敷耐磨、耐蚀或特殊性能的金属层来制造双金属零件或修复外形不合格的金属旧零件的工艺方法。我国堆焊技术起源于20世纪50年代末，发展初期主要应用于修复零件的形状尺寸，60年代将恢复形状尺寸与表面强化及表面改性相结合，改革开放后堆焊技术的应用领域进一步扩大[2]，堆焊技术从修理业扩展到制造业，90年代药芯焊丝的应用和发展使得一些高合金含量、高硬度的堆焊材料能够制成用途广泛的自动化生产用焊丝，极大地提高了堆焊自动化水平。

我国堆焊技术的研究方向是提高堆焊质量和效率，围绕此目的，我国相继开发了电弧堆焊（单丝、多丝、单带极、多带极）、电渣堆焊（窄带极、宽带极、躺极）、等离子弧粉末堆焊、高能光束（激光、聚焦光束）粉末堆焊等。从熔敷效率上看，已经从单弧电弧堆焊的11kg/h发展到多带极电弧堆焊的70kg/h[5]，稀释率从电弧堆焊的30%~60%降低到等离子弧、激光、聚集光束堆焊的5%左右[6]。

2 堆焊技术的特点及应用

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。然而，堆焊主要是以获得特定性能的表层、发挥表面层金属性能为目的，所以堆焊工艺应该注意以下特点：

1）根据技术要求合理地选择堆焊合金类型因为被堆焊的工件的形状各异，金属种类繁多，所以，堆焊前应首先分析零件的工作状况，确定零件的材料和性质。根据具体的情况选择堆焊合金系统。

2）以降低稀释率为目的，选择堆焊方法零件的基体大多是低碳钢或低合金钢，而表面堆焊层含合金元素较多，为了获得预期的堆焊成分和效果，就必须减小母材向焊缝金属的熔入量，也就是稀释率。

3）堆焊层与基体金属间应有相近的性能由于通常堆焊层与基体的化学成分差别很大，为防止堆焊层与基体间在堆焊、焊后热处理及使用过程中产生较大的热应力与组织应力，常要求堆焊层与基体的热膨胀系数和相变温度最好接近，否则容易造成堆焊层开裂及剥离。

4）材料堆焊必须根据具体情况正确进行选择

5）提高生产率由于堆焊零件的数量繁多、堆焊金属量大，所以应该研发和应用生产率较高的堆焊工艺。

总之，只有全面考虑上述特点，才能在工程实践中正确选择堆焊合金系统与堆焊工艺，获得符合技术要求的经济性好的表面堆焊层。

堆焊工艺是焊接领域中的一个重要分支，它可以采用不同的基体，在这些基体上使用不同的堆焊材料使表面达到我们所需要的性能，如耐磨性、耐蚀性、耐热性等等。因此，堆焊工艺在矿山、电站、冶金、车辆、农机等工业部门的零件修复和制造中都有广泛的使用，其具体表现如表1[4]。

表1 堆焊涉及工业领域及堆焊材料的消耗

3 常用的堆焊方法

常用的焊接方法有：熔焊、钎焊、喷涂等，这些方法都可以在堆焊中使用。其中，熔焊方法所占的比重最大，选择应用怎样的堆焊方法，应考虑以下几个方面的问题：（1）堆焊层的性能和质量要求；（2）堆

焊件的结构特点；（3）堆焊的经济性。随着科学技术的进步和生产的需要，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。表2列出了几种堆焊工艺的主要特点[1]。

表2 常用堆焊方法特点比较

注:表中稀释率为单层堆焊结果。

下面针对表2具体介绍并分析几种常见的堆焊方法及其特点。

1）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。氧—乙炔焰除了用于堆焊外，还应用到喷涂、喷熔等工艺中。

2）焊条电弧堆焊

用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为焊条电弧堆焊。其焊接回路由弧焊电源、电缆、焊钳、焊条、电弧和焊件组成。焊条电弧堆焊在使用中有如下特点：

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，工件温度梯度大，且稀释率高，不容易获得薄且均匀的堆焊层，通常要堆焊2~3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0.5~1.0h，碱性焊条需在250~350℃烘培1~2h，焊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3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。

表3 堆焊材料碳当量与预热温度关系

3）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，但是能够获得质量高的堆焊层金属，除此，还有稀释率低，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。

4）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、化工容器和核反应堆压力容器衬里等大、中型零部件。

①单丝埋弧堆焊

普通单丝埋弧焊是常用的堆焊方法。常用于堆焊面积小的场合，它的缺点是熔深大、稀释率高。因此，可以采用焊丝摆动法，加宽焊道，减小稀释率，也可通过加入填充焊丝的方法，减小稀释率并提高了熔敷率；除此，为了减少熔深，也采用下坡焊、增大伸出长度、焊丝前倾和减小焊道间距等措施。提高电流可以增加熔敷速度，但也必须导致熔深大大增加，所以不能采用。

②多丝埋弧堆焊

双丝、三丝及多丝堆焊，是将几根并列的焊丝接在电源的一个极上，并同时向焊接区送进。多丝堆焊，可以容许采用很大的焊接电流，而稀释率却很小。如用六根直径3mm的焊丝，总电流达700~750A，最大熔深仅1.7mm，焊道堆高5.1mm，熔宽50mm。双丝埋弧堆焊焊接时，前一条焊丝可以小电流，减小稀释率，后一条可用大电流，堆焊焊接金属，提高生产率。为了使两焊丝熔化均匀，通常采用交流电焊接。

③带极埋弧堆焊

带极埋弧堆焊用矩形截面的钢带代替圆形截面的焊丝，可提高填充金属的熔化量，并且有小的熔深。常采用宽60mm，厚0.4~0.8mm的带极堆焊，为提高生产率，可以将宽度提高到180 mm。还可以采用双带极、多带极和加入冷带等方法提高熔敷速度。带极埋弧堆焊常用于设备表面的修复中，也可用于化工和原子能压力容器不锈钢衬里等。

此外，还有串联电弧埋弧堆焊，粉末填充金属埋弧焊等。

5）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0.5~8mm，宽度约3~40mm，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。常用于质量要求高的批量生产上。常用的等离子弧堆焊有如下形式：

①冷丝等离子弧堆焊能拔丝的堆焊合金，如合金钢、不锈钢、铜合金等，一般采用自动送丝法。对于能够铸造成棒状的合金，如钴基合金等，堆焊时为手工送丝。

②热丝等离子弧堆焊这种工艺是将经过电阻预热的焊丝送入电弧区进行堆焊，可用不锈钢、镍基合金、铜基合金等的堆焊由于焊丝预热，所以熔敷率可以得到提高，稀释率下降，可达到5%，并能减少堆焊层的气孔。它通常用于大面积堆焊上，如压力容器内壁堆焊。

③预制型等离子堆焊将堆焊合金预制成环形或其他形状放在被焊零件的表面上，再用等离子弧加热使其熔化，并堆焊于零件表面。适用于形状简单的零件。

④粉末等离子弧堆焊这是将合金粉末自动送入等离子弧区的堆焊方法。由于各种成分的堆焊合金粉末制造比较方便，因此在堆焊时合金成分的要求易于满足。堆焊工作便于实现自动化，而且堆焊质量比较好。在阀门及耐磨件堆焊方面得到了广泛的应用。

4 结论

（1）堆焊技术在我国历经了60多年的发展历史，其应用遍及零件制造和修复等基础工业的众多领域中。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、堆焊设备的自动化和智能化水平、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。

（2）堆焊技术是表面工程中一个很重要的分支，它是将具有一定使用性能的合金材料借助一定的热源手段熔敷在母体材料的表面，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。因为它是在普通材质的基础上制备出需要的耐磨、耐热以及耐腐蚀等特种性能的堆焊层的，所以在节约能源、节省材料、环境保护等方面展示了巨大的经济效益。

参考文献

[1] 王文其. 焊接新技术新工艺实用指导手册第1版. 廊坊：黑龙江文化电子音像出版社,2007年5月.

[2] 单际国, 董祖珏, 徐滨士. 我国堆焊技术的发展及其在基础工业中的应用现状. 中国表面工程2002年第4期（总第57期）.

[3] 唐景富. 堆焊技术及实例(第1版). 北京:机械工业出版社, 2010年4月1日.

[4] 何实, 李家宇, 赵昆. 我国堆焊技术发展历程回顾与展望.金属加工冷加工2009年第22期.

[5] 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.

[6] 单国际,任家烈等.镍基合金粉末光束堆焊层的微观组织及强化机理研究[M].材料研究学报,2002,16(2):151-157.