堆焊修復應用

堆焊引言

電力工業(yè)作為國民經濟的基礎產業(yè)，一直是國家發(fā)展的重點對象。近二十年是中國電力發(fā)展史上發(fā)展最快，成就最大的時期。截止到1998年，中國電力裝機容量達到277 289MW，全年發(fā)電量達11 576億千瓦小時，全國大型火力發(fā)電廠（裝機容量1000MW以上）已達68家[1]。隨著電廠數(shù)量增加、單機容量和參數(shù)不斷提高，機組維護、修復也日趨復雜重要。作為汽輪機發(fā)電機組心臟部件——發(fā)電機轉子，其運行精度高，運轉速度快，制造成本高，一旦損壞，將直接導致整個機組輸出功率下降甚至癱瘓。曾采用熱噴涂、氬弧焊、貼片機、電刷鍍等多種工藝進行修復 [2]，但修復后的實際實用效果均不令人滿意。本文采用中國農業(yè)機械化科學研究院表面工程技術研究所研制生產的DZ-1400型電火花堆焊設備（簡稱 ESD）對磨損的發(fā)電機轉子密封段軸徑現(xiàn)場修復，獲得滿意效果和成功經驗，現(xiàn)已完成近二十根磨損轉子軸徑的修復，其中修復后運行時間最長的已超過兩年半。實踐證明，電火花堆焊工藝在電廠部件的修復中發(fā)揮重要作用，產生出巨大經濟效益和社會效益。

堆焊軸徑磨損

0.125mm。一但軸徑磨損或拉傷，密封層中油壓難以維持均衡，氫氣就會泄露，軸徑與瓦間密封層被完全破壞，轉子的高速運轉受到阻礙，嚴重時可導致機組不能工作。電火花堆焊及相關工藝比較~為保證轉子高速運行和冷卻效果，轉子軸與瓦間由氫氣、油、水組成的三級密封層。運行中軸徑與軸瓦的間隙保持在0.075電火花堆焊工藝有別于焊接、噴涂或元素滲入等工藝。簡單地講，是介于它們中間的工藝，間有焊接等工藝的一些特點，又有熱輸入量小、焊層與母材冶金結合等獨特優(yōu)點的工藝。在某些特殊要求應用上，電火花堆焊工藝彌補了其他工藝的不足（工作原理另文發(fā)表）。表1是電火花堆焊工藝與其他工藝比較。

堆焊部件應用

近兩年，采用電火花沉積堆焊工藝成功解決電廠關鍵部件的修復及表面強化問題，如汽輪機汽缸密封面沖蝕修復，熱網(wǎng)循環(huán)泵主軸磨損面修復等。

堆焊結論

⒈ 電火花堆焊層與母材冶金結合，堆焊熱影響區(qū)極窄，殘余應力可忽略不計。⒉ 采用電火花堆焊工藝對電廠關鍵部件損壞進行修復，可在線操作，工藝簡單。補焊后加工量小，減少停機時間。⒊ 電火花堆焊工藝在電廠具有廣泛的應用前景，蘊藏著巨大經濟效益和社會效益。

堆焊產生背景

石油化工行業(yè)的加氫反應器、原流合成塔、煤液化反應器及核電站的厚壁壓力容器等內表面均需大面積堆焊耐高溫，抗氧及硫化氫等腐蝕的不銹鋼襯里。70年代，在該領域內，國內外大量采用了帶極埋弧堆焊（SAW）技術。帶極的寬度也從窄帶向60mm、90mm、120mm、150mm的寬帶方向發(fā)展。該技術在稀釋率和熔敷速度上比絲極埋弧焊有了長足的進步，但隨著壓力容器日趨大型化、高參數(shù)化，促使堆焊技術向更優(yōu)質更高效的方向發(fā)展。70年代初，德國首先發(fā)明，后被日、美、前蘇聯(lián)等國進一步完善的帶極電渣堆焊技術由于它具有比帶極埋弧焊更高的生產效率、更低的稀釋率和良好的焊縫成形等優(yōu)點,在國內外得到迅速發(fā)展和較普遍的應用。

堆焊內容關鍵

帶極電渣堆焊是利用導電熔渣的電阻熱熔化堆焊材料和母材的，除引現(xiàn)階段外，整個堆焊過程應設有電弧產生。為了獲得穩(wěn)定的電渣堆焊過程，有以下幾個技術關鍵

堆焊焊接電源

在電渣堆焊過程中，渣池的穩(wěn)定性對堆焊質量影響極大，而電壓的波動又是影響渣池穩(wěn)定性的最關鍵因素，故希望堆焊過程電壓波動最小，因此要求選用恒壓特性的直流電源。此外，電源應具有低電壓，大電流輸出、控制精度高、較強的補償網(wǎng)路電壓波動的能力和可靠的保護性能。電源的額定電流視所用帶寬而異，一般對60mm×0.5mm帶極，額定電流為1500A，90mm×0.5mm為2000A，120mm×0.5mm為2500A。

堆焊焊劑

獲得穩(wěn)定電渣過程的另一個必要條件是焊劑必須具有良好的導電性。一般電渣堆焊焊劑的電導率需達2～3Ω-1cm-1，為普通埋弧焊焊劑的4～5倍。國內外采用的電渣焊劑多為燒結型。焊劑電導率的大小，取決于焊劑組分中氟化物（NaF、CaF2、Na3AIF6等）的多少，當氟化物（質量分數(shù)）少于40%，堆焊過程為電弧過程，在40%～50%范圍大致是電弧、電渣聯(lián)合過程；當氟化物大于50%后，可形成全電渣過程。CaF2既是良好的導電材料又是主要的造渣劑，因此CaF2通常是電渣堆焊焊劑的主要成分。除了導電性外，焊劑還需有良好的堆焊工藝性（脫渣、成形、潤濕性）及良好的冶金特性（合金元素燒損小，不利元素增量少），適宜的粒度（一般比埋弧焊焊劑粒度細）。滿足上述要求，已用于生產的焊劑種類很多，如有國外的FJ-1（日本）、EST122（德國）、Sandvik37S（美國）；國產的SJ15、SHD202等等。

堆焊磁控裝置

對于寬帶極（帶極寬度大于60mm）電渣堆焊，由于磁收縮效應，會使堆焊層產生咬邊，隨著帶極寬度增加，堆焊電流增大，咬邊現(xiàn)象越重，因此必須采用外加磁場的方法來防止咬邊的產生（磁控法）。同時必須合理布置磁極位置，選擇合理的激磁電流大小，外加磁場太強或太弱均會影響堆焊焊道的成形。二個磁極的磁控電流應可分別調整。比如對于非預熱的平焊位置的工件，當帶極為60mm×0.5mm時，磁控裝置的南、北極控制電流分別為1.5A和3.5A；對于90mm×0.5mm的帶極則分別為3A和3.5A。

堆焊工藝參數(shù)

采用合理的堆焊工藝參數(shù)是保證電渣堆焊過程穩(wěn)定，焊縫質量良好的有效手段。影響帶極電渣堆焊質量的工藝參數(shù)最主要的有焊接電壓、電流和焊接速度，其次還有干伸長，焊劑層厚度，焊道間搭接量、焊接位置等。① 精確控制焊接電壓對帶極電渣堆焊具有重要意義，當電壓太低，有帶極粘連母材的傾向。電壓太高，電弧現(xiàn)象明顯增加，熔池不穩(wěn)定，飛濺也增大，推薦的焊接電壓可在20～30V之間優(yōu)選。② 焊接電流對帶極電渣堆焊質量影響也較大。焊接電流增加，焊道的熔深、熔寬、堆高均隨這增加，而稀釋率略有下降，但電流過大，飛濺會增加。不同寬度的帶極應選擇不同的焊接電流，比如對φ75mm×0.4mm的帶極，電流可在1000～1300A之間優(yōu)選。③ 隨著焊接速度的增加，焊道的熔寬和堆高減小，熔深和稀釋率增加，焊速過高，會使電弧發(fā)生率增加，為控制一定的稀釋率，保證堆焊層性能，焊接速度一般控制在15～17cm/min。④ 帶級電渣堆焊時，母材傾角會影響稀釋率和焊道成形，一般推薦采用水平位置或稍帶坡度（1o～2o；）的上坡焊為宜。⑤ 其他一些參數(shù)的推薦值為：帶極伸出長度為25～35mm，焊劑厚度25～35mm，焊道搭接量5～l0mm。

堆焊應用范圍

帶極電渣堆焊與帶極埋弧堆焊比有以下優(yōu)點：1）熔敷效率高，在中等電流下，比埋弧焊高50%；3）堆焊層成形良好，不易有夾渣等缺陷，表面質量優(yōu)良，表面不平度小于0.5mm（埋弧堆焊時大于lmm）故表面無需機械加工，省料省時。4）帶極中合金元素燒損和不利元素增量極少，堆焊層的塑性和韌性高于埋弧難焊。5）由于接頭熔合區(qū)的碳擴散層窄，馬氏體帶寬度小，故接頭熔合區(qū)性能優(yōu)于帶極埋弧堆焊。正由于帶極電渣堆焊有上述優(yōu)點，國內外在加氫控制反應器、煤氣工程熱壁交換爐、核電站設備中壓力容器的內表面大面積堆焊中均得到了廣泛應用。由于電渣帶圾堆焊自身的一些特點，它也有定的應用范圍：帶極電渣堆焊熱輸入較高，故一般用于堆焊50～200mm的厚壁工件，推薦適用的工件最小直徑和壁厚如表1所示。表 1 推薦適用于帶極電渣堆焊的最小直徑和壁厚電極尺寸最小基體厚度最小曲面直徑外表面 內表面60×0.5 40 250 45090×0.5 80 500 900

冷焊堆焊技術是利用高頻電火花放電原理，對工件進行無熱堆焊，來修補金屬工件的表面缺陷與磨損，能保證工件的完好性；也可以利用其強化功能對工件進行強化處理，實現(xiàn)工件的耐磨性、耐熱性、耐蝕性等。冷焊堆焊設備對金屬制品工件修補后不變形、不退火、溶接強度高、抗耐磨?？赏ㄟ^金相、拉伸及硬度測試，同時焊材與基體的冶金結合保證了焊接的牢固性。常用于精密鑄件的針孔、氣孔、毛刺、飛邊 、磕碰、劃傷、崩角、塌角 、砂眼、裂紋、磨損、內陷 、制造錯誤、制造缺陷、焊接缺陷的修復與機械表面強化。

堆焊模具制造

塑料模表面的打毛，增加美感和使用壽命；頭盔塑料模具分型面堆焊修復；鋁合金壓鑄模具分流錐表面強化；模具腔超差、磨損、劃傷等修復與強化。

堆焊塑料橡膠

橡塑機械零部件修復，橡膠、塑料件用的模具超差、磨損與修補。

堆焊航空航天

飛機發(fā)動機零部件、渦輪、渦輪軸修復或修補，火箭噴嘴表面強化修理，飛機外板部件修復，人造衛(wèi)星外殼強化或修復，鈦合金件的局部滲碳強化，鐵基高溫合金件的局部滲碳強化，鎂合金的表面滲A1等防腐蝕涂層，鎂合金件局部缺陷堆焊修補，鎳基/鈷基高溫合金葉片工件局部堆焊修復，如：葉片葉冠阻尼面與葉尖的磨損和導葉的燒蝕等。

堆焊制造維修

汽車制造和維修工業(yè)中，用于凸輪、曲軸、活塞、汽缸、剎車盤，葉輪，輪轂，離合器、摩擦片、排氣閥等補差和修復，汽車體的表面焊道缺陷補平修正。

堆焊船舶電力

電曲軸、軸套、軸瓦、電氣元件、電阻器等修復，電氣鐵路機車輪與底線軌道連接片的焊接，電鍍廠導 電輥、金屬氧化處理銅鋁電極的制作焊接。

堆焊機械工業(yè)

修正超差工件和修復機床導軌、各種軸、凸輪、水壓機、油壓機柱塞、氣缸壁、軸頸、軋輥、齒輪、皮帶輪、彈簧成形用的芯軸、塞規(guī)、環(huán)規(guī)、各類輥、桿、柱、鎖、軸承等。

堆焊鑄造工業(yè)

鐵、銅、鋁鑄件砂眼氣孔等缺陷的修補，鋁模型磨損修復。

生產中采用的堆焊方法非常多，現(xiàn)將幾種堆焊方法的稀釋率和熔敷速率對比如 所示。

用電焊或氣焊法把金屬熔化，堆在工具或機器零件上的焊接法。通常用來修復磨損和崩裂部分。

手工電弧焊，堆焊雙輥破碎機輥面，取得了使用壽命達10個月，破碎熟料15萬噸的效果。堆焊要點如下：⑴焊條的選用：要選用D－65、D－667和506焊條，堆焊前，按焊條使用說明，將焊條烘干，放在保溫箱中備用。（使用506級別的焊接材料會造成嚴重的剝落。選用堆焊打底的材料應選用100S-G以上級別的焊接材料）⑵輥面處理：輥面修復可分為局部直接補焊和整體清除后整體補焊兩種方法，也可以說是兩個過程。沿輥寬方向的不均勻磨損和花紋、硬質點的不均勻磨損以及輥面的整體磨損，可采取局部修復方法直接補焊；在經過5-6次直接補焊以后，由于母體反復承受高擠壓應力作用，焊接微裂紋不斷擴展，磨輥表面會產生一定厚度的疲勞層，此時若再用耐磨修復焊條直接補焊，易產生層間脫落，故需對磨輥表面疲勞層徹底清理后再進行耐磨層堆焊。協(xié)興水泥廠對輥面的修復為整體清除后補焊。無論是直接補焊還是整體清除后補焊，磨輥的圓度誤差和兩輥直徑誤差都不能過大，否則會引起輥壓機水平振動和兩磨輥不均勻載荷加大。清理輥面疲勞層，可用碳弧氣刨進行清理，要將輥面的疲勞層刨凈，使輥子露出母材層。堆焊前，要按焊條使用說明，對焊條進行烘干，對焊件預熱，焊后緩冷。⑶要選用功率為10千伏安以上的直流或20千伏安以上的交流電焊機。使用直流焊機要反接（焊條接正極）。堆焊時，用交流焊機要求空載電壓≥70V，電流應掌握在200A左右。如空載電壓低于70V時，要加大電流，以焊條和母材充分溶合為準。焊道寬度和高度的比例以3:1為宜。這樣才真正和母材熔結牢固，形成所需的耐磨組織。⑷堆焊次序及厚度：輥面預熱后，要先用506焊條堆焊1－3層，將輥找圓。然后均勻地堆焊數(shù)層D－667，達到應有厚度。D－667焊層堆焊完后，再堆焊一層D－65，堆焊厚度為3－5mm；D－65焊層堆焊后，再用D－65堆焊一層凌形花紋。（輥面磨損的產生，須同時具備粉碎物料所需的壓力和相對滑動兩個因素。壓力由物料性質所決定，通常難以改變。而通過輥面花紋形式來減少物在擠壓過程中與輥面的相對滑動，較容易些。國內早期使用的人字形花紋雖然能阻止物料的圓周滑動，但并未制約對物料在擠壓過程中的軸向滑動，尤其在擠壓顆粒較小的物料時，磨損更為嚴重。與此相比，采用凌形花紋且中間加硬質點的輥面，耐磨性為最好。）凌形花紋的邊長為4－5cm，焊道寬度為1cm左右，高度為4mm左右。各耐磨層的厚度要力求均勻一致，以使擠壓輥在使用過程中永遠保持圓形。⑸堆焊時，要三班倒，歇人不歇馬，使焊件長時間地保持較高的溫度。

原理

耐磨材料等離子弧堆焊技術是采用等離子弧堆焊方法，利用等離子弧的高溫，電流密度大的特點。將高硬度質顆粒均勻地釬鑲于堆焊層金屬中，而硬質顆粒不產生熔化或很少產生熔化.形成復合堆焊層.這種復合堆焊層是由兩種以上在宏觀上具有不同性質的異種材料組成.一種是在堆焊層中起主要耐磨作用的碳化物硬質顆粒，一般為鑄造碳化鎢，碳化鉻，碳化硼，燒結碳化鎢等.從原則上講各種碳化物，硼化物甚至硬度更高的金剛石都可以作為復合堆焊層的組成物.國內外工業(yè)上復合材料等離子弧堆焊應用焊接較多的硬質顆粒是鑄造碳化鎢，它是由共晶組成，硬度為250～300.堆焊層的另一種組成金屬是起"牯結"作用的基材金屬，也稱之為胎體金屬，它是堆焊層中的基體.一般認為，硬質顆粒與胎體金屬的結合是釬焊結合，堆焊層與母材的結合為冶金結合.

特點

采用等離子弧堆焊技術獲得的復合堆焊層質量穩(wěn)定可靠.復合材料等離子弧堆焊技術的最新進展可使堆焊層達到無氣孔，裂紋及碳化物燒損，熔解等缺陷.碳化物顆粒在堆焊層中分布均勻.耐磨材料堆焊層耐磨性高，在磨損嚴重的工況條件下，復合堆焊層的耐磨性表現(xiàn)尤為突出，可較通常的鐵，鈷，鎳基合金表面保護層提高耐磨使用壽命幾倍甚至十幾倍.具有較高的結合強度.由于堆焊層與被保護工件表面是冶金結合，因此可以滿足很高的強度要求.同熱噴涂獲得的復合耐磨保護層比較，堆焊層結合強度是熱噴涂層結合強度的3—8倍.復合堆焊層能滿足一定的抗沖擊要求.例如，水泥生產設備的石灰石破碎機錘頭，由于在磨損過程中所受的沖擊力較大，一般采用高錳鋼材料，使用壽命較低，在表面堆焊高碳高鉻合金后，易造成堆焊層破碎剝離，若采用復合耐磨堆焊層可避免這種情況發(fā)生，并且耐磨性明顯提高.可實現(xiàn)高教自動化生產，降低工人勞動強度,改善作業(yè)條件.提高勞動生產率.

中文名稱

帶極堆焊

英文名稱

strip surfacing

定　　義

使用帶狀熔化電極進行堆焊的方法。

應用學科

機械工程（一級學科），焊接與切割（二級學科），熔焊（三級學科）