一、概述
堆焊是指用焊接的方法將具有一定性能的材料堆敷在焊件表面上的一種工藝方法。其目的不是連接焊件,而是為了在焊件表面獲得具有耐磨耐熱耐腐蝕等特殊性能的熔敷金屬層,或是為了恢復(fù)或增加焊件的尺寸。堆焊方法在制造和修理中得到廣泛的應(yīng)用。
二、堆焊用的金屬
一般而言,堆焊的金屬首先應(yīng)滿足焊件的使用條件;其次考慮堆焊的金屬焊接性要好,再后適當(dāng)選擇比較經(jīng)濟(jì)的堆焊金屬。
常見的工作環(huán)境條件下使用的堆焊金屬有:高應(yīng)力金屬間磨損選用亞共晶鈷基合金、含金屬間化合物的鈷基合金；低應(yīng)力金屬間磨損選用堆焊用低合金鋼；金屬間磨損＋腐蝕或氧化選用大多鈷基合金或鎳基合金；低應(yīng)力磨料磨損、沖擊浸蝕、磨料浸蝕選用高合金鑄鐵；低應(yīng)力嚴(yán)重磨料磨損、切割刃選用碳化物；氣蝕浸蝕選用鈷基合金；嚴(yán)重沖擊選用高合金錳鋼；嚴(yán)重沖擊＋腐蝕＋氧化選用亞共晶鈷基合金；高溫下金屬間磨損選用亞共晶鈷基合金、含金屬間化合物的鈷基合金；鑿削式磨料磨損選用奧氏體錳鋼；熱穩(wěn)定性高溫蠕變強(qiáng)度(540℃)選用鈷基合金碳化物型鈷基合金。
鐵基堆焊金屬,其品較多,性能變化范圍廣,韌性和耐磨性配合好,最大的優(yōu)點(diǎn)是成本低,因而使用很廣泛。大致有四類:
其一是珠光體鋼堆焊金屬,這種類型合金焊接性好,抗沖擊能力強(qiáng),硬度較低,主要用于修復(fù)象軸類的機(jī)械零件。
其二是奧氏體鋼堆焊金屬,奧氏體錳鋼堆焊金屬具有較高的沖擊韌度和加工硬化的特點(diǎn),但容易產(chǎn)生熱裂紋,一般用來修復(fù)在嚴(yán)重沖擊載荷下金屬間磨損和磨料磨損的零件,如礦山料車、鐵路道岔等。奧氏體鉻錳堆焊金屬比奧氏體錳鋼焊接性好,還有較好的耐腐蝕性、耐熱性和抗熱裂紋性,主要修復(fù)受嚴(yán)重沖擊的金屬間磨損的錳鋼和碳鋼零件。
其三是馬氏體鋼堆焊金屬,這類堆焊金屬的組織主要為馬氏體,堆焊層的硬度和屈服強(qiáng)度高、耐磨性較高,可受中等沖擊,但抗沖擊能力卻比珠光體鋼和奧氏體鋼堆焊層差。主要用于修復(fù)金屬間磨損的零件,如齒輪、牽引車底盤等。
其四是合金鑄鐵堆焊金屬,這類堆焊層具有很高的抗磨料磨損、耐熱、耐腐蝕性能,抗氧化性能較好,能耐輕度的沖擊,但堆焊時(shí)很容易出現(xiàn)裂紋,焊接時(shí)特別小心,主要用于堆焊農(nóng)機(jī)具、礦山設(shè)備等零件。
鎳基堆焊金屬,其中使用最多的是鎳鉻硼硅系列合金,它具有優(yōu)良的抗低應(yīng)力磨料磨損和抗金屬間磨損的性能比較好的耐腐蝕耐熱和抗高溫氧化性能,但抗高應(yīng)力磨料磨損和耐沖擊性稍差,通常用于腐蝕介質(zhì)或高溫環(huán)境中受到低應(yīng)力磨料磨損的場(chǎng)合。
含金屬間化合物的鎳基合金,如Ni-32Mo-15Cr-3Si高溫硬度高，具有優(yōu)良的耐金屬間磨損和中等的磨料磨損的能力，但抗沖擊性較差；這種合金比較適用于鎢極氣體保護(hù)電弧堆焊或等離子弧堆焊，常用來堆焊在嚴(yán)重腐蝕介質(zhì)中工作的閥門密封面。
含碳化物的鎳基合金的價(jià)格比鈷基合金低得多，從經(jīng)濟(jì)角度看，成為鈷基堆焊金屬的替代品而得到較多應(yīng)用。
鈷基堆焊金屬,主要指鈷鉻鎢合金,在650℃左右能保持較高的強(qiáng)度和硬度,具有一定的耐腐蝕性和優(yōu)良的抗黏著磨損性能,在各種堆焊金屬中鈷基合金的綜合性能最好,常用于高溫工作狀態(tài)的零件表面堆焊。
銅基堆焊金屬,通常有青銅、黃銅、白銅、純銅四類,銅基堆焊合金耐腐蝕、耐氣蝕和耐金屬間磨損的性能較好,可在鐵基材料上堆焊制作成雙金屬件,也可用來修補(bǔ)磨損的零件;但銅基堆焊金屬的耐硫化物腐蝕、耐磨料磨損和抗高溫蠕變的能力較差,硬度低,也不容易施焊,只適用于200℃以下的環(huán)境中,這類堆焊金屬主要用于軸瓦、低壓閥門密封面等的堆焊。
碳化物堆焊金屬,主要用于受嚴(yán)重磨損的工況,如油井鉆頭、筑路機(jī)械零件的堆焊。
三、堆焊的焊接工藝方法
氧-乙炔堆焊
其主要用于表面光潔、質(zhì)量要求較高的零件的堆焊,以中、小型焊件小批量為主。如閥門、油井鉆頭、犁鏵等零件的堆焊。
氧-乙炔的設(shè)備簡(jiǎn)單操作方便成本低,可與氣焊設(shè)備通用,只是焊炬的焊嘴孔徑比氣焊大些;幾乎所有形狀的堆焊材料都能用(包括邊角料);能見度大,能在很小的面積上進(jìn)行堆焊,并且能得到薄而光滑的堆焊層;此法稀釋率低,熔化層深度可控制在0.1mm以內(nèi)，較容易保作證的堆焊層的質(zhì)量；還原焰碳化焰的滲碳作用會(huì)降低堆焊層的韌度，但可提高以碳化物為在主要抗磨相的堆焊層的耐磨性；該種方法手工操作勞動(dòng)強(qiáng)度大，生產(chǎn)效率低，對(duì)焊工有一定的技術(shù)要求。
氧-乙炔堆焊一般使用碳化焰堆焊,火焰性質(zhì)與堆焊金屬的種類有關(guān):鎳基合金通常采用中性焰,但為了提高金屬流動(dòng)性,偶爾也用碳化焰;鐵基合金堆焊時(shí)采用兩倍的乙炔過剩焰(內(nèi)焰與焰心長(zhǎng)度比為2:1);用含碳量高的低熔點(diǎn)堆焊合金(如高鉻鑄鐵或鈷基合金)進(jìn)行堆焊時(shí),采用3倍的乙炔過剩焰。
絕大多數(shù)鋼件不用熔劑即可堆焊,堆焊鑄鐵時(shí)必須使用熔劑,同時(shí)要采取措施,以防出現(xiàn)白口組織和裂紋。預(yù)熱和緩冷可很大程度減少堆焊層開裂的可能,也有利于降低稀釋率;小工件可用焊炬直接加熱,而大工件一般在爐中加熱,并保證有足夠的時(shí)間使溫度均勻,每堆焊一層的最大厚度約1.6mm為宜，可多層堆焊。
采用自熔性合金粉末進(jìn)行氧-乙炔噴焊（噴熔），根據(jù)噴粉和重熔的先后次序不同，噴焊工藝分為“一步法”和“二步法”；“一步法”噴焊的特點(diǎn)是噴粉和重熔同時(shí)進(jìn)行，即邊噴邊熔的方法，一般噴粉很細(xì)，它的步驟是預(yù)熱、預(yù)噴粉、噴工作粉并熔化；“二步法”噴焊的特點(diǎn)是噴粉和重熔分兩步進(jìn)行，使用重熔槍進(jìn)行重熔，它的步驟是預(yù)熱、噴粉和重熔。
氧-乙炔堆焊常見的缺陷是氣孔未熔合等，這是由于操作不當(dāng)或堆焊材料質(zhì)量不好而造成的。
焊條電弧堆焊
焊條電弧焊設(shè)備低廉，通用性強(qiáng)，適合現(xiàn)場(chǎng)堆焊,電源常用的有:弧焊變壓器、弧焊整流器、弧焊發(fā)電機(jī)和弧焊逆變器等;特別適合堆焊形狀不規(guī)則的零件及可達(dá)性差的部位;電弧熱量集中,變形小,生產(chǎn)率高,但其熔深大,稀釋率高,堆焊層硬度和耐磨性下降,通常焊2～3層,多層焊容易開裂。焊條電弧堆焊主要用于小批量生產(chǎn)和修復(fù)已磨損的零件,我國(guó)堆焊焊條有:D10×～24×;D25×～29×;D30×～49×;D50×～59×;D60×～69×;D70×～79×;D80×～89×等。
鈦鈣型、鈦鐵礦型、低氫型藥皮的焊條最好采用直流反接進(jìn)行堆焊,石墨型藥皮的焊條堆焊以直流正接為宜,也可采用交流電源。堆焊前焊條應(yīng)參考焊條說明書的規(guī)定溫度進(jìn)行烘干,一般酸性焊條150℃烘0.5～1h,堿性焊條250～350℃烘1～2h。堆焊的預(yù)熱溫度主要根據(jù)碳當(dāng)量確定，如碳當(dāng)量(%)是0.4、0.5、0.6、0.7、0.8,預(yù)熱溫度（℃）分別為：100、150、200、250、300。堆焊后的緩冷可在爐中或石棉中進(jìn)行，也可適當(dāng)加熱來使其緩慢冷卻。
焊條電弧堆焊工藝參數(shù)見圖1。
埋弧堆焊
埋弧堆焊是自動(dòng)生產(chǎn),大電流,高效率;無光輻射,勞動(dòng)條件好;埋弧熱量多稀釋率大,一般堆焊23層才能保證所需的性能,為避免開裂常采取預(yù)熱緩冷等措施;主要用于水平位置堆焊,對(duì)于較大的且不易變形的零件的堆焊最適用,如大直徑容器內(nèi)壁堆焊耐腐蝕層,在軋鋼機(jī)的軋輥上堆焊耐磨層不宜堆焊小零件。
埋弧堆焊可以用直流電源或交流電源,從提高堆焊質(zhì)量及生產(chǎn)效率的角度考慮,大多采用直流反接;增加焊接電流,稀釋率、熔深和堆焊層厚度都會(huì)加大;焊接電弧的電壓對(duì)稀釋率的影響不太明顯,一般電弧電壓選用30～35V,焊絲伸出長(zhǎng)度一般選用8倍的焊絲直徑；為降低稀釋率，提高熔敷速度，
電極采用多絲、帶極（串列并列）等改進(jìn)方法。
其它堆焊的方法還有：熔化極氣體保護(hù)電弧堆焊、鎢極氬弧堆焊、等離子弧堆焊、電渣堆焊、激光堆焊、摩擦堆焊等。
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