第5章堆焊技术

1、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

2、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：,230mm,?,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,?,?,?,?,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,耐蚀堆焊（包层堆焊）,为了减轻工作表面磨损和延长其使,耐磨堆焊,用寿命而进行的堆焊

3、,增厚堆焊,为了恢复或达到工件所要求的尺寸，,隔离层堆焊,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

4、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。,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、

5、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

6、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

7、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

8、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：,0.71.2%,，含锰量：,1014%,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,

9、?,?,?,含铬量,4%,，含锰量：,1215%,，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,含铬量：,1217%,，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,?,高铬锰,?,?,?,?,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

10、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,0.11.0%,，含有低到中等含量的合金元素,?,堆焊层硬度,3060HRC,，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,可用于中等磨粒磨损和中度冲击的场合,?,高碳马氏体钢,?,（,1,）,Fe,基堆焊合金,合金铸铁堆焊合金,?,马氏体合金铸铁,?,?,?,?,?,

11、?,含碳量：,25%,，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：,5060HRC,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,300400,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,：,2.54.5%,，含,Cr,：,1228%,，,Mn,、,Ni,、,Mo,、,Si,共晶组织：奥氏体,+,网状莱

12、氏体,硬度：,4550HRC,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,：,0.50.6%,，含,Cr 1535%,，,W,、,Mo,、,Ni,、,Si,、,B,组织：基体中分布大量初生的针状,Cr,7,C,3,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,400500,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

13、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,C 0.73.3%,，含,Cr 2533%,，含,W 321%,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

14、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,3.74.0%,，钨的质量

15、分数为,9596%,，,是,WC-W2C,的混合物，粉碎成,8100,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,515%,的钴可,降低熔点，增加韧性。,?,烧结碳化钨,钴质量分数为,35%,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

16、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,CO,2,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

17、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30503100 ，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。,（,3,）埋弧堆焊,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

18、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,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,（,3060%),、生产,率中等,（,4,）,CO,2,气体保护堆焊,是以,CO,2,气体作为

19、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,CO,2,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,CO,2,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（,1525%,）,对质量要求高的焊缝，,CO,2,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,得堆焊层的方法。,分为粉末等离子弧焊和填丝等离子弧焊,温度很高，高堆焊速度和高的熔敷率，稀释率很低（最

20、低可达,5%,）,缺点是设备成本高，堆焊时有很强的紫外线辐射和臭氧污染，需,有效保护。,（,1,）激光堆焊,以激光为热源进行堆焊的方法,包括激光合金化和激光熔覆等工艺,特点,?,?,?,?,热输入控制准确，焊接速度高，冷却速度快,热畸变小，厚度成分和稀释率可控性好,堆焊层组织致密，性能优越,节省高性能材料，同时可以实现在普通材料上覆盖耐磨、,耐高温、耐蚀等高性能堆焊层,（,2,）带极电渣堆焊,靠熔融的焊渣产生电阻热，,不断地熔化焊带和基材形,成堆焊接头的过程,焊剂从单侧送进，有强烈,可见光,大电流、低电弧电压，焊,接速度快，生产效率高、,焊剂的消耗低，焊道表面,成形更美观。,主要用于石油化工容

21、器。,如加氢反应器、原流合成,塔，核电站的厚壁压力容,器,焊后一般需要热处理,（,3,）钨极,-,熔化极间接电弧焊堆焊,使用单电源，工件不接电源，电源的两极分别接熔化极焊枪,和钨极焊枪，两焊枪之间具备一定角度，钨极端头距离焊丝,很近，电弧在两焊枪的电极之间进行并稳定燃烧，形成熔滴,过渡到工件，实施堆焊,焊缝熔敷率高，最大限度降低工件母材热输入的优势，稀释,率很小,（,4,）双电极焊条单弧堆焊,工件不接电源，焊条的两焊芯分别接电源的两极。电弧在两,焊芯之间燃烧，形成单一电弧。电弧可以在空间的任何位置,引燃和燃烧。,电弧对母材的热输入可以在一定的范围内调节，以获得不同,熔合比的焊缝。熔合比较小的焊缝，工件的焊接变形和应力,较小。,双电极焊条单弧焊则是利用焊条双电极端部产生熔滴热和电,弧热，将工件熔化而进行焊接的。,对母材热输入除调节焊接电流、焊接速度外，还可调节焊条,离工件之间的距离。,因母材熔化量少，降低了熔合比，从而减小焊接变形和焊接,（,5,）,GMT,堆焊,冷金属过渡技术,将汉斯运动直接同焊接过程控制相结合，其熔滴过,渡时电流几乎为零,图,5-15,(6),冷体热丝,TIG,堆焊方法,将铜合金堆焊在钢基体上，在,TIG,堆焊过程中采用