我國堆焊技術(shù)的發(fā)展及其在基礎工業(yè)中的應用現狀

1.堆焊技術(shù)在我國基礎工業(yè)中的應用現狀

             堆焊技術(shù)在我國近 50 年的發(fā)展歷程中 為基礎工業(yè)的崛起和發(fā)展作出了重要貢獻 其應用遍及機械 能源 交通 電力和冶金工業(yè)等領(lǐng)域現僅以鋼鐵工業(yè)的軋輥 能源領(lǐng)域的各類(lèi)閥門(mén)交通領(lǐng)域的機車(chē)和汽車(chē)發(fā)動(dòng)機磨擦副零件等為例簡(jiǎn)述堆焊技術(shù)的應用現狀.

3.1  軋輥堆焊 [4~8]

             軋輥是軋鋼生產(chǎn)的關(guān)鍵設備 軋輥質(zhì)量直接影響軋機的工作效率 軋制產(chǎn)品的質(zhì)量和產(chǎn)量軋輥的消耗等 據統計 我國某軋鋼廠(chǎng)熱軋每噸鋼材需消耗 1.46 kg 軋輥 折合人民幣 25 元 冷軋每噸鋼材消耗軋輥 1.24 kg軋輥 折合人民幣 35元 我國年產(chǎn)鋼材已超過(guò) 0.1 Gt 年消耗軋輥約 30億元 因此 采用堆焊方法修復舊軋輥以提高軋輥的使用壽命已成為我國軋鋼企業(yè)降低成本 提高效益的重要舉措 也是符合我國節能節材 清潔生產(chǎn)的基本國策 到 20 世紀 90 年代 絕大多數大中型鋼鐵企業(yè)均具有了軋輥堆焊修復的能力 并為企業(yè)節能降耗奠定了技術(shù)基礎 也取得了顯著(zhù)的經(jīng)濟效益.軋輥早期報廢的主要原因是磨損和表面裂紋 如冷熱交替環(huán)境導致的龜裂 因擠壓產(chǎn)生的粘著(zhù)磨損和磨粒磨損等 因此 軋輥堆焊不僅需要恢復輥身和輥頸的尺寸 更重要的是提高輥身的耐冷熱疲勞及耐磨性能.軋輥早期報廢的主要原因是磨損和表面裂紋 如冷熱交替環(huán)境導致的龜裂 因擠壓產(chǎn)生的粘著(zhù)磨損和磨粒磨損等 因此 軋輥堆焊不僅需要恢復輥身和輥頸的尺寸 更重要的是提高輥身的耐冷熱疲勞及耐磨性能

 

            低合金高強鋼類(lèi)型的焊絲最常用的牌號為30CrMnSi 堆焊層硬度 35 40 HRC 由于硬度較低 因此只能用于恢復尺寸 3Cr2W8V 是常用的熱作模具鋼類(lèi)焊絲 去應力退火后堆焊層硬度可達 40 50 HRC 主要用于初軋機 型鋼軋機 管帶軋機的鍛鋼輥 可使軋輥壽命提高 1 3 倍Cr13 2Cr13 3Cr13 屬馬氏體不銹鋼類(lèi)型 用于堆焊修復開(kāi)坯軋輥以及型鋼軋輥的鍛鋼輥 堆焊層硬度為 45 50 HRC 而高合金高碳工具鋼焊絲的典型牌號是 80Cr4Mo 和 8W2VMnSi 用于精軋機的鍛鋼材質(zhì)工作輥和冷 熱軋機的支撐輥的堆焊修復 堆焊層硬度高達 50 60 HRC 由于合金元素和碳含量高 極易產(chǎn)生堆焊裂紋 為此需較高的預熱和層間溫度

 

           焊劑 260 431 430 是我國軋輥堆焊修復常用的堿性熔煉焊劑 由于其氧化性低 可減少焊絲中碳 鉻元素在堆焊過(guò)程中的燒損 但這類(lèi)焊劑焊后不易脫渣 堆焊層表面質(zhì)量較差 為此燒結焊劑在軋輥堆焊中的使用量增加 這類(lèi)焊劑在 500 ?極易自動(dòng)脫渣 堆焊層表面質(zhì)量顯著(zhù)改善 而且焊絲中的碳 鉻 釩等合金元素的過(guò)渡系數提高 有利于保證堆焊層的設計性能.采用焊絲的埋弧堆焊技術(shù) 即使是多絲埋弧堆焊其熔敷效率也是有限的 而且絲極堆焊的單道寬度小 頻繁的搭接顯著(zhù)降低了堆焊層金屬的使用性能 因此 帶極堆焊特別是寬帶極堆焊技術(shù)在軋輥修復中顯示出良好的應用前景 如帶極堆焊技術(shù)在寶鋼二期 三期工程先后引進(jìn)的四臺大型板坯連鑄機導輥的修復中已得到了應用 堆焊焊帶材質(zhì)為 1Cr13NiMo 規格為 0.4 mm×30 mm和 0.4 mm× 50 mm 堆焊效率和質(zhì)量較傳統方法顯著(zhù)提高.藥芯焊絲具有成分易調整 燃弧穩定的特點(diǎn)特別適合制作高硬度 軋制拔制困難的堆焊合金材料 因此 近年來(lái) 藥芯焊絲堆焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用得到了業(yè)內人士的高度重視 國內有關(guān)單位開(kāi)發(fā)了冷軋輥 熱軋輥 連鑄輥堆焊用系列藥芯.焊絲 并且采用 CMoWMnSiV系藥芯焊絲配合 107焊劑成功堆焊修復了熱軋開(kāi)坯輥我國有關(guān)單位在軋輥堆焊設備的智能化方面作出了積極的努力 開(kāi)發(fā)了軋輥堆焊智能控制系統 可配合不同的焊接電源及相應的送絲機構實(shí)現 CO 2 MIG MAG 和埋弧堆焊 特別適合于異型截面工件堆焊.

 

3.2 閥門(mén)堆焊 

            閥門(mén)的壽命和工作可靠性主要取決于其密封面的質(zhì)量 密封面不僅因閥門(mén)周期性的開(kāi)啟和關(guān)閉而受到擦傷 擠壓和沖擊作用 而且還因所處的工作環(huán)境和介質(zhì)而受到高溫 腐蝕 氧化等作用 我國石化企業(yè)因密封面失效導致閥門(mén)報廢而造成的浪費現象十分嚴重 因此 根據閥門(mén)所處的工作環(huán)境要求 采用合理的堆焊方法修復或強化閥門(mén)密封面 使其具有優(yōu)異的抗擦傷 抗腐蝕抗沖蝕 耐高溫等綜合性能 可有效延長(cháng)閥門(mén)使用壽命 降低成本.

 

           我國閥門(mén)密封面堆焊技術(shù)的研究工作始于 60年代初 歷經(jīng) 40 年的發(fā)展歷程 閥門(mén)堆焊方法從以手工電弧堆焊和氧 乙炔火焰堆焊等非自動(dòng)化 低效率的堆焊方法為主 發(fā)展到廣泛采用高效 自動(dòng)化的堆焊方法 如埋弧堆焊 鎢極氬弧堆焊 等離子弧粉末堆焊乃至激光堆焊 而堆焊材料也從以焊條為主轉向大量采用堆焊焊絲及堆焊粉末 堆焊合金系統相繼開(kāi)發(fā)了馬氏體型 奧氏體型鐵基堆焊合金 鎳基堆焊合金及鈷基堆焊合金 Cr13 馬氏體型系列焊條用于壓力低于 16MPa 溫度低于 450 ?的碳鋼閥門(mén) 含碳量高的2Cr13 型堆焊金屬的抗裂性差 需選取合理的堆焊工藝和后熱處理 CrMn 奧氏體型焊條 焊前不需預熱 堆焊金屬的使用性能優(yōu)于 Cr13型合金 CrNi奧氏體型焊條 常用于溫度低于 600 ?以下工作的蒸汽閥門(mén)堆焊 F1××系列的 NiCrBSi 堆焊粉末NDG – 2型 NiCrWSi 堆焊粉末 F2××系列的鈷基堆焊粉末 以及 F3××系列的鐵基堆焊粉末在高溫耐蝕閥門(mén) 高溫高壓閥門(mén)堆焊中均得到了廣泛應用.

           閥門(mén)密封面堆焊層的厚度是閥門(mén)設計者十分關(guān)注的重要參數 從堆焊角度出發(fā) 若厚度過(guò)小則堆焊金屬稀釋率提高 而厚度過(guò)大不僅浪費貴重材料 而且很多堆焊合金都將因應力增加而產(chǎn)生裂紋 因此 堆焊層厚度的控制標準是在堆焊金屬不被母材過(guò)度稀釋的前提下選擇最小厚度值 各國在閥門(mén)密封面的厚度方面均制定了相應的標準 我國有 GB984 – 85和 EJ/T1027.9 – 96合理控制母材對密封面堆焊合金的稀釋程度是獲得優(yōu)質(zhì)密封面的重要保證 當堆焊合金系統一定時(shí) 稀釋率的決定因素是堆焊方法和堆焊工藝參數 按單層稀釋率由小到大的順序各種堆焊方法排序 氧 乙炔火焰 等離子弧 鎢極氬弧堆焊 手工電弧堆焊 埋弧堆焊 埋弧堆焊雖然稀釋率偏大 但其堆焊效率是各種閥門(mén)堆焊方法中最高的 其單層堆高可達 3 5 mm 鎢極氬弧單層堆焊稀釋率可控制在 10 % 20 % 但堆高偏小 必須堆焊 2 3 層方能達到 3 mm 的有效堆高用于閥門(mén)堆焊的等離子弧堆焊技術(shù)有兩種 粉末等離子弧堆焊單層有效堆高可達 2 mm 稀釋率 5% 30 % 送絲等離子弧單層堆焊稀釋率可控制在 5 % 15 % 但一般需堆焊 2 層以上方能保證 3mm 以上的有效堆高.

 

         我國堆焊技術(shù)專(zhuān)家在閥門(mén)密封面堆焊材料和堆焊方法方面均作出了積極的努力 但堆焊材料方面的發(fā)展空間仍很大 如開(kāi)發(fā)閥門(mén)密封面堆焊用燒結焊劑 埋弧焊絲 合金鋼焊條 鎳基合金焊條等 另外 既有高的堆焊效率 又有低的堆焊稀釋率的堆焊技術(shù)亟待開(kāi)發(fā)堆焊設備 自動(dòng)化和智能化水平亦需提高.

 

3.3 發(fā)動(dòng)機關(guān)鍵部件的堆焊

             在高溫 強腐蝕及頻繁沖擊條件下工作的各類(lèi)發(fā)動(dòng)機進(jìn) 排氣門(mén) 經(jīng)常因盤(pán)錐面的破壞而早期失效 采用合理的堆焊方法和堆焊材料修復發(fā)動(dòng)機氣門(mén)盤(pán)錐面可有效延長(cháng)氣門(mén)的服役壽命 國外內燃機車(chē)柴油機氣門(mén)盤(pán)部采用鐵基奧氏體耐熱鋼制造 其盤(pán)錐面堆焊 Stellite 高溫耐磨合金 或者氣門(mén)盤(pán)部采用高溫鎳基合金而盤(pán)錐面不再進(jìn)行堆焊強化處理 而我國的東方紅系列的 175 型 180型 東風(fēng)系列的 240 型 280 型柴油機的排 進(jìn)氣門(mén)均采用 4Cr14NiW2Mo 或 21 – 12N 型奧氏體耐熱鋼 其盤(pán)錐面均需堆焊 Stellite – 6 鈷基高溫合金如國內某機車(chē)廠(chǎng)采用氧 乙炔火焰堆焊氣門(mén)盤(pán)錐面的實(shí)踐表明 對以 4Cr14NiW2Mo 制造的進(jìn)氣門(mén)而言 堆焊稀釋率為 10 %左右 而以 21 – 12N 母材制造的排氣門(mén)的堆焊稀釋率為 7 %左右 堆焊層的硬度均達到 40 HRC 以上 堆焊生產(chǎn)的 18 萬(wàn)件氣門(mén)經(jīng)機車(chē)線(xiàn)路運行考核 未出現盤(pán)錐面發(fā)生裂紋 穿孔 剝落 掉塊等破壞現象 某廠(chǎng)為解決發(fā)動(dòng)機氣門(mén)盤(pán)錐面因高溫腐蝕破壞的現狀 采用鎢極氬弧堆焊方法在 GH4033 盤(pán)錐面表面堆焊鎳基哈氏合金 合理控制堆焊稀釋率可使氣門(mén)的抗高溫腐蝕性能得到明顯改善.

 

             活塞是服役工況最?lèi)毫拥陌l(fā)動(dòng)機重要部件之一 活塞環(huán)槽特別是第一道環(huán)槽承受 6 14 MPa的高壓和 220 ? 280 ?的高溫 磨損現象十分嚴重 隨著(zhù)發(fā)動(dòng)機向高壽命 大功率方向發(fā)展 鋁合金活塞環(huán)槽的堆焊強化已成為提高發(fā)動(dòng)機性能和延長(cháng)使用壽命的重要舉措 活塞環(huán)槽的堆焊方法主要是氬弧堆焊和等離子弧堆焊 而堆焊合金的選擇則以提高鋁合金的硬度和耐熱性為原則常用的合金元素為 Ni Fe 和稀土元素 Fe 可提高鋁合金的熱強性 但加入過(guò)多引起裂紋 Ni 可改善鋁合金的強度和耐熱性 如堆焊焊絲中 Ni 含量超過(guò) 10 % 可提高活塞壽命 3 倍 稀土元素的加入可使鋁合金中的針狀共晶細化和球化 并能與 AlCu Mn 等形成高熔點(diǎn)化合物 從而提高鋁合金活塞環(huán)槽的高溫強度和耐熱性 但加入量應控制在 1左右.

 

           堆焊在發(fā)動(dòng)機中的凸輪軸與挺柱摩擦副的修復強化中亦顯示了良好的應用前景 汽車(chē)發(fā)動(dòng)機的挺柱材料以 40Cr 制造 為提高其耐磨性一般采用釬焊的鋼 陶瓷復合結構 但陶瓷的脆性易導致陶瓷片破碎或剝落 采用堆焊方法在挺柱的鋼軸表面制造一層陶瓷強化的金屬基復合材料有望解決挺柱的耐磨性問(wèn)題 與挺柱配副的凸輪軸桃尖部位亦可采用堆焊耐磨合金的方法改善其耐磨性能.

 

2. 結 語(yǔ)

           堆焊技術(shù)在我國歷經(jīng) 50 年的發(fā)展歷程 其應用遍及基礎工業(yè)諸領(lǐng)域 我國在堆焊基礎理論的研究方面與國外工業(yè)發(fā)達國家相比并不遜色 但堆焊材料的開(kāi)發(fā) 堆焊設備的自動(dòng)化和智能化水平 精密高效堆焊技術(shù)的開(kāi)發(fā)應用 計算機技術(shù)及模擬仿真技術(shù)在堆焊技術(shù)中的應用水平等方面與國外存在一定差距 研究開(kāi)發(fā)優(yōu)質(zhì) 高效 低耗 靈活 清潔的先進(jìn)堆焊技術(shù) 并將其廣泛應用于先進(jìn)制造業(yè)當是我國堆焊同仁肩負的歷史使命.

 

 

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