焊接-堆焊技术

0.5～5.4
0.5～4.5
0.9～5.4 2.3～11.3
4.5～11.3 11.3～27.2 11.3～15.9
12～36 22～68
0.5～6.8 1.5～3.6 0.5～3.6 13～27
15～75
最小堆焊厚度 /mm
0.8 0.8 0.2
3.2
2.4
3.2 3.2
3.2 4.8 4.8 3.0 4.0
Si
24
Cr
5
Mo
4
Ni
15
11
（1）低合金钢堆焊材料
1) 珠光体钢堆焊材料：ωc<0.5％，堆焊层为珠光体组织，硬 度20~38HRC。可焊性好，有一定的耐磨性、韧性和切削加 工性能，价格便宜，可用于不要求高硬度零件表面的堆焊和 打过渡层的堆焊。用手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，焊前 不预热。
多层焊接修复时，必须使用钢丝刷等工具把每一层修复熔 敷金属的焊渣清理干净。如果待修复部位表面有油和水分， 可用气焊焊炬进行烘烤，并用钢丝刷清除。
23
二、焊条选择及烘干
根据对工件的技术要求，如工作温度、压力等级、工件介 质以及对堆焊层的使用要求，选择合适的焊条。有些焊条 虽不属于堆焊焊条，但有时也可用作堆焊焊条，如碳钢焊 条、低合金焊条、不锈钢焊条和铜合金焊条等。
手工电弧堆焊
10
1. 铁基堆焊材料
按合金元素含量分为低合金、中合金和高合金三种。根据 材料的碳当量选择最低预热温度。
不同碳当量下堆焊金属的预热温度
碳当量/ω(c)eq % 0.4
预热温度/℃ ≥100
0.5
≥150
0.6
≥200
0.7
≥250
0.8
≥300
*
碳当量 (c)eq
c
Mn
6
资料卡
稀释率高，基体金属混入堆焊 层中的量多,改变了堆焊合金的 化学成分,将直接影响堆焊层的 固有性能。因此，堆焊时，常 希望获得较低的稀释率，以充 分发挥堆焊合金性能，达到预 期目的。
7
堆焊层与基材的相容性 1） 冶金相容性：堆焊材料与基体在液态和固态时的互溶性， 是否出现金属间化合物。 2） 物理相容性：两者之间的熔点、膨胀系数、热导率的差异 将影响堆焊层的应力和结合强度。
预热是焊接修复开始前对被堆焊部位局部进行适当加热的 工艺措施，一般只对刚性大或焊接性差、容易开裂的结构 件采用。预热可以减小修复后的冷却速度，避免产生淬硬 组织，减小焊接应力及变形，防止产生裂纹。工件堆焊前 的预热温Байду номын сангаас可视工件材料的碳当量而定。
堆焊后的缓冷一般可在石棉灰坑中进行，也可适当补充 加热，使其缓慢冷却。
3
节省成本，经济性好。当工件的基体采用普通材料制造， 表面用高合金堆焊层时，不仅降低了制造成本，而且节约 大量贵重金属。在工件维修过程中，合理选用堆焊合金， 对受损工件的表面加以堆焊修补，可以大大延长工件寿命， 延长维修周期，降低生产成本。
由于堆焊技术就是通过焊接的方法增加或恢复零部件尺寸， 或使零部件表面获得具有特殊性能的合金层，所以对于能 够熟练掌握焊接技术的人员而言，其难度不大，可操作性 强。
等离子弧堆 焊
自动送粉 手工送粉 自动送丝 双热丝
电渣堆焊
稀释率 （%）
1～10 1～10 1～10
10～20
10～20
10～40 15～40
30～60 15～25 10～25 10～20 8～15
5～15 5～15 5～15 5～15
10～14
熔敷速度 /（㎏/h）
0.5～1.8 0.5～6.8 0.5～1.8
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焊条电弧堆焊工艺
一、焊前准备
堆焊前工件表面进行粗车加工，并留出加工余量，以保证 堆焊层加工后有3mm以上的高度。
工件上待修复部位表面上的铁锈、水分、油污、氧化皮等， 堆焊修复时容易引起气孔、夹杂等缺陷，所以在焊接位复 前必须清理干净。
堆焊工件表面不得有气孔、夹渣、包砂、裂纹等缺陷，如 有上述缺陷须经补焊清除、再粗车后方可堆焊。
堆焊材料的形状及适用的堆焊方法
堆焊材料的形状
适用的堆焊方法
丝(dw =0.5～5.8mm)
熔化极气体保护电弧堆焊、震动堆焊、埋弧堆焊
带(t=0.4～0.8 mm，B=30～300mm)
埋弧堆焊、电渣堆焊
铸棒(dw=2.2～8.Omm) 管状焊丝
钨极氩弧堆焊 自保护电弧堆焊、埋弧堆焊、钨极氩弧堆焊
焊条
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焊条电弧堆焊的缺点是生产效率低、劳动条件差、稀释率 高。当工艺参数不稳定时，易造成堆焊层合金的化学成分 和性能发生波动，同时不易获得薄而均匀的堆焊层。焊条 电弧堆焊主要用于堆焊形状不规则或机械化堆焊可达性差 的工件。
由于焊条电弧堆焊成本低、灵活性强，就其堆焊基体的材 料种类而言，焊条电弧堆焊既可以在碳素钢工件上进行， 又可以在低合金钢、不锈钢、铸铁、镍及镍合金、铜及铜 合金等工件上进行。
0.25 2.4 2.4 2.4
15
熔敷效率 （%）
100 100 85～95
65
98～100
90～95 80～85
95 95 95 95 95
85～95 98～100 98～100 98～100
95～100 6
为了最有效地发挥堆焊层 的作用，希望采用的堆焊 方法有较小的母材稀释、 较高的熔敷速度和优良的 堆焊层性能，即优质、高 效、低稀释率的堆焊技术。
16
3. 钴基堆焊材料及工艺
称为司太立合金。具有一定的 抗粘着磨损能力和较高的抗氧化、 耐蚀和耐热性能，在650℃时仍能 保持高的硬度。钴基堆焊材料价格 昂贵，应采用低稀释率的氧一乙炔 焰堆焊或粉末等离子堆焊，焊前预 热200～500℃。可用于高温腐蚀和 高温磨损工况条件下工件的堆焊。
17
4. 碳化钨堆焊材料及工艺
堆焊合金 钴基合金 低合金钢
钴基、镍基合金 高合金铸铁 碳化物 高合金锰钢 钴基合金 钴基合金
钴基、镍基合金
20
1. 焊条电弧堆焊
5.3 堆焊方法
焊条电弧堆焊与一般 焊条电弧焊的特点基本相同， 设备简单、使用可靠、操作 方便灵活、成本低、适宜于 现场或野外堆焊，可以在任 何位置焊接，特别是能通过 堆焊焊条获得几乎所有的堆 焊合金层。因此，焊条电弧 堆焊是目前主要的堆焊方法 之一。
耐磨料磨损性能最好，受磨面变粗糙
2 高铬舍金铸铁 耐低应力磨料磨损性很好，抗氧化
3 钴基合金 抗氧化、耐腐蚀、耐热及抗蠕变
4 镍基合金 耐腐蚀，也能抗氧化和抗蠕变
5 马氏体钢 6 珠光体钢
兼有良好的耐磨料磨损和耐冲击性能 价廉，耐磨料磨损与抗冲击较好
7 奥氏体钢 可加工硬化
不锈钢
耐腐蚀
高锰钢， 韧性最好，耐凿削式磨料磨损性较好
4
堆焊技术的分类
堆焊技术是熔焊技术的一种，因此凡是属于熔焊的方法都 可用于堆焊。
按实现堆焊的条件，常用堆焊方法的分类如图所示。
5
堆焊方法
氧乙炔火焰堆焊
手工送丝 自动送丝 粉末堆焊
焊条电弧堆焊
钨极氩弧堆焊
熔化极气体保护电弧堆焊 其中：自保护电弧堆焊
埋弧堆焊
单丝 多丝 串联电弧 单带极 多带极
为确保焊条电弧堆焊的质量，所用焊条在堆焊前应进行烘 干，去除焊条药皮的吸附水分。焊条烘干一般不能超过3 次，以免药皮变质或开裂以致影响堆焊质量。滚压工艺的 缺点是只能适合一些形状简单的平板类零件、轴类零件和 沟槽类零件等，对于形状复杂的零件表面就无法使用。
24
三、焊条直径和焊接电流
为提高生产效率，总希望采用较大直径的焊条和焊接电流。 但是由于堆焊层厚度和堆焊质量的限制，必须把焊条直径 和焊接电流控制在一定范围内。
27
碳当量Cep /（%） 0.4
0.5
0.6
0.7
0.8
最低预热温度/ ℃ 100 150 200 250 300
28
2. 氧乙炔火焰堆焊
氧乙炔火焰堆焊使用氧气和乙炔混合燃烧产生的火 焰作热源的堆焊方法。
25
堆焊层厚度/ mm
焊条直径/mm 堆焊层数 堆焊电流/A
<1.5
3.2 1 80～100
<5
4～5 1～2 140～200
≥5
5～6 >2 180～240
26
四、堆焊预热和缓冷
堆焊中最常碰到的问题是开裂，为了防止堆焊层和热影响 区产生裂纹，减少零件变形，通常要对堆焊区域进行预热 和焊后缓冷。
14
(4) 高铬合金铸铁：堆焊组织中含 有大量柱状高硬度的Cr7C3相，有 很高的抗磨粒磨损、耐热、耐蚀性 能，用于铲斗齿、高炉料钟等设备 的堆焊。堆焊方法有手工电弧堆焊 和氧一乙炔焰堆焊，堆焊层允许有 一些裂纹。
15
2. 镍基堆焊材料及工艺
常用的镍基堆焊材料Ni-Cr-B-Si型有较低的熔点（1040℃）、 较好的润湿性和流动性，堆焊层组织是奥氏体+硼化物+碳化物， 有优良的耐低应力磨料磨损和耐金属间磨损性能，以及耐高温、 耐腐蚀和抗氧化性。因镍基合金脆，一般制成铸造焊丝用气焊或 钨极氩弧焊（TIG焊）堆焊。可用于高温阀门、泵的柱塞等零件 的堆焊。
堆焊焊条的直径主要取决于工件的尺寸和堆焊层的厚度。
增大焊接电流可提高生产率，但电流过大，稀释率增大， 易造成堆焊合金成分偏析和堆焊过程中液态金属流失等缺 陷。而焊接电流过小，容易产生未焊透、夹渣等缺陷，且 电弧的稳定性差、生产率低。
一般来说，在保证堆焊合金成分合格的条件下，尽量选用 大的焊接电流；但不应在焊接过程中由于电流过大而使焊 条发红、药皮开裂、脱落。
为修复与强化。
2
堆焊的特点
堆焊层与基体金属的结合是冶金结合，结合强度高， 抗冲击性能好。
堆焊层金属的成分和性能调整方便，一般常用的焊条 电弧焊堆焊焊条或药芯焊条调节配方很方便，可以设 计出各种合金体系，以适应不同的工况要求。
堆焊层厚度大，一般堆焊层厚度可在2～30mm 内调节， 更适合于严重磨损的工况。
堆焊层的内应力 用焊前预热和焊后缓冷，或打底层的方法减少堆焊层的内应力。
8
堆焊的熔合区 避免在熔合区产生脆性相。
9
5.2 堆焊材料的类型及选择
根据堆焊合金的主要成分可划分为堆焊材料分铁基、 镍基、钴基、铜基和碳化钨基等。
根据堆焊合金的形状可划分为丝状、铸条状、带状、 粉粒状、块状堆焊合金。
第五章 堆焊技术
堆焊的基本概念 堆焊材料的类型及选择 堆焊方法 堆焊技术的应用
1
5.1 堆焊的基本概念
堆焊是采用焊接方法将具有一定性能的材料熔敷在工 件表面的一种工艺过程。 堆焊的目的与一般焊接方法不同，不是为了连接工件。 而是对工件表面进行改性，以获得所需的耐磨、耐热、 耐蚀等特殊性能的熔敷层，或恢复工件因磨损或加工失 误造成的尺寸不足，这两方面的应用在表面工程学中称
a) 焊前不预热，用小电流、断续焊、焊后快冷，使碳化物来 不及析出。
b) 采用短道焊、分散焊、焊后捶击等方法，以减少焊接应力。 c) 旧件堆焊时，应先磨去表面冷作硬化部分后再焊。
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（3） 奥氏体铬镍钢：有优良的耐 蚀性和抗高温氧化性，主要用于石 化企业中需要耐蚀、耐热零件的堆 焊。常用手工电弧焊和带极埋弧堆 焊堆焊。基材是低碳（合金）钢时， 先用高铬不锈钢打过渡层。多数情 况下不预热，堆焊电流尽可能小。
堆焊层是含碳化钨硬质颗粒和较软的基体金属复合材料。 基体金属有铁基、镍基、钴基和铜基合金。碳化钨堆焊多用 氧一乙炔焰手工堆焊，用中性焰，停留时间不宜过长，焊后 应缓冷。碳化钨堆焊在石油钻探、冶金、矿山开采等设备上 应用较普遍。
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韧性增加 耐磨料磨损性能增加
各种堆焊材料的性能比较
堆焊合金性能比较
1 碳化钨
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5. 堆焊材料的选择
满足工件的工作条件和要求； 经济性、母材的成分、工件的批量以及拟采用的堆焊方法。
工作条件 高应力金属间磨损 低应力金属间磨损 金属间磨损+腐蚀或氧化 低应力磨料磨损、冲击浸蚀、磨料浸蚀 低应力严重磨料磨损，切割刃
严重冲击 严重冲击+腐蚀+氧化
高温下金属间磨损 热稳定性，高温蠕变强度（540℃）
2) 马氏体钢：堆焊层组织为马氏体，硬度25~65HRC。堆焊 层韧性、强度和耐磨性都好，是最经济的堆焊材料。堆焊方 法有手工电弧堆焊和熔化极自动堆焊，预热温度150～350℃。
12
（2） 中、高合金钢堆焊材料
1) 工、模具钢堆焊时需预热200～600℃ 。可用手工电弧堆焊、 气保堆焊和埋弧焊。母材碳当量较高时可先用～30HRC珠光 体钢堆焊一、二层，然后再堆焊耐磨层。焊后应缓冷。 2) 高锰钢（奥氏体锰钢）：硬度约200HB，受强烈冲击后转变 成马氏体，硬度提高到450～500HB。高锰钢用铬锰钢和高锰钢 堆焊材料堆焊，主要用于高锰钢铸件缺陷的补焊和修复，一般 用手工电弧焊。为减少裂纹，应采取以下措施：