带极堆焊技术的应用和发展现状

1、带极堆焊技术的应用和发展现状摘要：本文简要介绍带极堆焊的基本原理，并分别对埋弧带极堆焊和电渣堆焊进行以 下几方面综述:工艺因素对焊缝成型的影响，磁控技术和应用领域。最后指出带极堆焊存 在的不足和发展趋势。关键词：带极堆焊；应用；发展0序言堆焊是指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U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。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

2、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。山于带极堆焊具有熔敷率高和稀释率 低的特点，适合于平面或曲面堆焊。因此带极堆焊是压力容器内罹大面积不锈钢堆焊的 重要方法。对于不锈钢管件或傑基合金构件，在许多应用场合需要能够防止腐蚀。但是， 较高的成本在许多情况下使这些材料的堆焊一层保护层以满足使用要求。因此，在压力 容器产品制造过程中，常会用到堆焊技术，堆焊有效节约贵重金属的损耗，而带极堆焊 因为其高效，焊接质量好而广受好评。因其具有技术和经济的优势，近儿年来在石油化 工、核电制造和海洋平台等领域得到

3、广泛的应用W1带极堆焊技术带极堆焊的基本原理如图1所示，是利用“金属带”代替焊丝作为电极，在熔炼型 焊剂或陶质焊剂层下进行的一种焊接方法。带极堆焊从堆焊过程来讲，可分为带极埋弧 堆焊和带极电渣堆焊法。其中，带极电渣堆焊是在带极埋弧堆焊基础上发展起来的。图1带极堆焊原理示意图2带极堆焊特点2. 1带极埋弧堆焊的特点带极埋弧堆焊施焊时，电弧在带极端部来回移动。山于带极产生的电阻热小，因而 可以使用大电流堆焊使带极堆焊具有较高的生产率。带极堆焊能将熔深控制在1mm以内， 因而稀释率很低，熔池上的焊剂可以保护焊接熔池并且焊缝表面成形良好.因而堆焊层 质量较高。图2为管的带极埋弧焊的堆焊效果图。图2管的

4、带极埋弧焊的堆焊效果图2.2带极电渣堆焊的特点带极电渣堆焊是在带极埋弧堆焊的基础上发展起来的，它具有以下儿个特点：熔敷 率高；稀释率低，这是由于熔深很浅（大约10%15%的稀释率）；焊接电压低（24V-26V）； 电流和电流密度大（60毫米宽焊带通过电流为1000-1250A,相应的电流密度为33 42A/MM）,尤其是高速焊剂允许电流超过2000A,相应的电流密度为70A/MM）；提高了焊 接速度（50200%）,导致覆盖面积提高；热输入量相当；焊剂烧损低（大约0.4 0. 5KG/KG）； ESW焊焊缝金属的冷却速率很低，有利于气泡逸出减少气孔缺陷。氧气能够 从熔融的金属表面逸出到表面：堆

5、焊层金属表面相当干净，从冶金学角度看，减少了热 裂纹和腐蚀倾向“综上所述，带极堆焊在实际应用中，为了得到优质的堆焊层，必须制定最佳的工艺 参数进行焊接。山于材料的不同，材料的焊接性存在差异。因此，带极堆焊的最佳规范 也随材料和焊接方法不同而有所不同，需要通过系统的试验来确定最佳工艺参数来保证 堆焊层的质量。3工艺参数对带极堆焊的影响3. 1焊接电流对带极堆焊质量的影响魏继昆网采用焊接电压波形分析法，对影响带极电渣堆焊和高速带极堆焊电弧发生 率的因素及其变化规律进行研究，结果表明：对这两种堆焊方法，影响堆焊过程电弧发 生率的因素主要是焊接电流。当焊接电流增加时，热输入量增加。焊剂中Cd的蒸发量增

6、 大，电弧气氛中离子的量增加，电弧越容易形成.所以电流增大时.电弧发生率是增加的。冯国昌悶通过改变焊接电流的方法，对工件进行焊接，结果表明：焊接电流越大， 电弧增强，熔深加大，并且熔化更多的母材使稀释率增大。反之，稀释率减小。黄坚网等人通过对压力容器的带极堆焊的研究，得到带极电渣堆焊采用直流反接效 果比较好。采用直流正接会导致熔化不稳定、飞溅增加。电流的增加使堆道厚度和熔深 都会得到增加.但总的来说稀释率是略有下降的。电流过分的增加也会影响过程的稳定 性.使飞溅增多。当电流较大时.堆道的成型会恶化，甚至会出现咬边等焊接缺陷。3.2焊接电压对带极堆焊质量的影响电压越稳定，焊带的熔化就越规则。最合

7、适的电压总是受到焊剂的影响，因此焊接 电压必须保持在一个很窄的范圉里。因为在焊带端部必须保持有一浅层电传导性的熔 渣。电压太高，有时会引起偶尔的飞溅和溶化的不稳定，反之电压太低则会增加短路的 危险，造成焊带与母材金属粘住。王富州冋等人通过对压力容器的焊接实验，得到电压太低不利于焊接开始时的引弧, 电压太高不利于电渣过程的稳定,而且产生电弧的比例增高。魏继昆3采用焊接电压波形分析法，得到焊接电压是带极堆焊规范参数中最重要的 参数之一，它的变化直接影响着电渣过程的稳定和电弧发生率的大小。焊接电圧增加， 电弧发生率明显增大.山于电渣过程的稳定是山焊接电压决定的，当焊接电压增大时， 电渣过程的稳定性降

8、低，电弧过程比例增加；当其它条件一定，电压增大时，热输入量 增加，有利于电弧的形成，使电弧比例增大所以采用这两种堆焊方法时，为保证电渣过 程的稳定和控制电弧发生率都必须使堆焊过程的电压稳定。赵林祥通过对石化设备不锈钢复合层堆焊实验，得到带极堆焊对电弧电圧要求的 范围较窄，电弧电圧高，焊道增宽并带有不规则的边缘，脱渣不充分；电弧电压偏低， 将明显使焊道成形变差或难以施焊。所以要求在保证电弧稳定燃烧下，电弧电压不宜过 咼3. 3焊接速度对带极堆焊质量的影响王富州冋等人通过改变焊接速度对压力容器的焊接实验，得到焊接速度太低，生产 效率低，且母材受热作用时间长，组织粗大、熔深增加。焊接速度太高，山于进

9、入熔池的 焊剂不能充分熔化而使渣池温度下降而产生电弧，也使焊道堆高减小。魏继昆通过改变焊接速度对2. 25Gr-Mo钢进行焊接，得到当焊接速度比较低时， 其变化对电弧发生率的影响不太显著，即随焊接速度的增加，电弧发生率增加较小。但 当焊接速度较高时，电弧发生率已经很大，随着焊接速度的增大，电弧发生率急剧增加。 其原因是:焊速增加时，焊缝单位长度上的热输入量降低，带极的熔化仅依靠电渣热是 不够的，因而电渣过程的稳定性下降，使电弧的比例增加；山于焊接速度高，在熔池中 向着焊接方向的带极就部和带极端部的熔融金属量减少，使带极与熔融金属和熔渣接触 的面积减少，在电圧的作用下，在未接触部位产生电弧，使电

10、弧比例增加。赵林祥通过对石化设备不锈钢复合层堆焊实验，得到带极堆焊焊接速度越快，其 堆焊层就越薄，稀释率就越大。3. 4焊带干伸长对带极堆焊质量的影响焊带的干伸长指的是从焊带端部到导电嘴的长度。其值大小将会对堆焊层的质量产 生影响。李晓清等人通过实验得到：干伸长太长将导致焊带过热，不仅电弧不稳，还容易 爆断，无法进行稳定的堆焊；干伸长太短，也会影响电渣堆焊过程的稳定和焊道的成形。张良成等人采用SoUDOTAPE625焊带，30和60mm宽，RECORDEST 236焊剂进行试验。 结果表明：过长的干伸长度会带来带极过热的问题。高合金化的带极的电阻越高，山于 过热使得釆用过长的干伸长方式的可能性

11、降低。相反短的干伸长度在使用低电流的时候 是有用的，过多的热用于熔化足够量的焊剂来保持过程的稳定是非常必要的，这时熔敷 速度会降低，导电嘴的载热量会增加。3. 5带极堆焊中的磁控技术随着进一步要求缩短焊接时间.降低带极堆焊的热输入量.减小对母材性能的影 响.无论是宽带极工艺、单层堆焊工艺还是高速带极堆焊工艺.都意味着其焊接电流将 进一步增加。大电流电渣堆焊时，山焊接电感应磁场而产生的磁收缩效应十分明显.使 熔渣和熔池金属从两侧边缘向中心流动，从而影响到堆层的平整性、对称性和堆道两侧 的坡度。通常堆道会变窄，其中堆焊层变厚.并会产生咬边。对此必须釆用外加辅助磁 场之措施来削弱焊接电流在熔池中产生

12、的磁收缩，从而克服咬边和改善堆道成型。带极电渣堆焊时，焊接电流在整个带极宽度上分布，并流经导电渣池进入母材。通过 带极端部的电流可以分为垂直分量和水平分量，而水平分量将发生磁收缩效应，即每个 平行电流源之间的吸引力使熔池和熔融金属从焊道边缘向中心流动根据左手定则，图2 为磁控原理图。李晓清等人通过在不锈钢电渣带极堆焊工艺试验，结果表明：，带极电渣堆焊过程 是三种磁场的叠加。随着带极宽度的增加，焊接电流加大，三种磁场对焊道的成形的影 响增大，要获得优质的堆焊层外观和内部质量，必须采取有效的控制措施使三种磁场达 到平衡。顾振波网等人通过建立数学模型，得到，流经工件的焊接电流在熔池区域产生的磁 场作

13、用导致了焊道的收缩，其作用随焊道的加长加长而变强，但在大于500mm以后，渐 趋稳定。另外，当焊逆幕近工件边缘时、电场分布布已很不对称，但磁场分布在两侧的 相差并不根大。这是由于磁场分布首先受焊接电流大小的影响。李大军购等人通过对15CrMoR,壁厚6 mm容器进行焊接试验。结果表明：采取的措 施一个外加磁场到焊接熔池，可以防止咬边。生产使用的磁控装置为加在带极两侧的通 电线圈组成的磁头。两磁头的位置不同，产生的外磁场的影响也不同，一般磁头端部距 堆焊表面15 mm左右比较合适。通过调节磁控电流来改变外磁场的强弱。磁控电流大小, 以获得平坦的焊道，且厚度均匀没有咬肉为最好。当磁控电流太大，焊道

14、宽度增多，会 出现两侧厚，中间下凹现象，磁控电流太小，焊道搭接处不平滑，甚至会出现咬边。在使用上述堆焊规范参数范圉内，磁控电流控制在3 A左右，且左右2个磁头电流一般不相等。3. 6带极堆焊层的性能带极堆焊层是我们期望得到的符合使用性能要求的堆焊层。正是这样，我们才更关 注堆焊层的性能。谢翔:等人釆用带极电渣堆焊和带极埋弧堆焊两种方法在Q235母材上熔敷不锈 钢层，分析了这两种方法和不同焊接速度下得到的堆焊层金属的电化学腐蚀及晶间腐蚀 性能。电化学腐蚀结果表明:9. 8% H=SO.,液中，当扫描电位低于一300 mV时，堆焊层金 属即可进入钝化状态，堆焊层金属（ESWv二8m/h）的电化学腐

15、蚀性能最佳；5%HC1溶 液中，由于穿透性强的C1 一使堆焊层表面形成的钝化膜溶解破坏，导致堆焊层金属在扫 描电位一800200mV范圉内处于活化状态，发生点腐蚀。10%草酸溶液晶间腐蚀试验表 明，带极电渣堆焊层金属的抗晶间腐蚀性能明显优于带极埋弧堆焊层金属。4带极堆焊现状和展望随着石化装置的大型化和对耐高温、耐腐蚀、抗氧化及硫化氢腐蚀等要求的不断提 高，为了降低设备制造成本，减少贵重及稀有金属的使用量,在设备部分表面大面积堆焊 耐腐蚀层已在设备的设汁制造或维修中被大量采用淤呦。这样也对堆焊技术提出了更高 的要求。ill于带极堆焊自身的特点，其应用受到一定的限制。带极堆焊采用带状熔化电 极，焊

16、接电流大，热输人大.所以对最小的被堆焊件的厚度、工件的最小曲率半径都有 一定的要求。而工件的最小曲率半径除受熔池大小的制约外还受到焊接机头大小的影 响.内表面堆焊时的工件最小曲率半径要大于外表面堆焊的。带极堆焊的大热输入量造 成堆焊层和母材近界面处的组织/晶粒粗大，使小锈钢堆焊层的抗氢致脱离性能较差。 对此，一方面可使用更纯净的焊接材料和抗氢致脱离性能高的母材。另一方面可优化焊 后热处理工艺。使堆层的抗氢脱离能力得到改善。此外，磁控装置的激磁电流不能过 大.否则线圈发热严重.使用寿命降低。焊接电流的增加受到限制，为此。需研究相应 的措施。在较低的激磁电流下外加磁场的作用效果得到增强.或使线圈的

17、发热程度减轻。 山于堆焊残余应力较大，为了得到优质的堆焊层必须进行焊后热处理3。焊后热处理分 为中间热处理和最终热处理。中间热处理的LI的在于消氢去应力，防止在最终热处理前 先焊部位出现延迟裂纹，而最终热处理的LI的是消除焊接残余应力和改善焊缝组织。在 实际大面积堆焊过程中，山于各种原因容易在焊道与焊道搭接处产生气孔、夹渣和咬边 等缺陷。这时可通过采用手工补焊法进行修补。为了满足工业需要，出现了高速带极堆 焊方法。可见，带极堆焊将朝着高速和宽带的方向发展旳。参考文献11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J中国 表面工程,2002:19-222 李晓淸，刘志颖，张

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