復合堆焊工藝淺析

梁順生，袁學軍

（河南省安陽市安鋼集團機制公司，河南 安陽 455004）

藥芯焊絲堆焊是冶金備件制作的一種復合制造方法，它是焊接工藝的一個分支，能將填充金屬熔敷到零件的表面，以獲得特殊要求的表層性能和表面尺寸。在冶金企業易損備件修復過程中，利用原零件，通過堆焊的方法，，在其上堆焊一層或多層特種材料，提高備件抗熱疲勞性、抗高溫氧化能力、耐磨性耐腐蝕性綜合機械性能，最大限度地利用材料的各自優點，收到“物盡其用”的效果。通過焊接的方法，將不同性能的材料焊接成復合零部件，即能滿足各種性能的要求，又可節約各種貴重材料，降低成本，讓即將報廢備件“起死回生”，是提高產品質量，降低生產成本的關鍵技術之一。

1 工藝制定

以精除鱗輥子制作為例。其結構如圖示1所示：

圖1 結構圖

精除鱗輥在使用過程中，輥面與熱鋼長時間接觸受熱，同時，除鱗工作時高壓水對輥面急劇冷卻，輥面需承受交變熱循環作用，原表面熱處理性能破壞，材料力學性能下降。此外，精除鱗輥還起到對薄板的夾送作用，輥面承受較大的摩擦，因此，當輥子使用一段時間之后，輥面會產出現不同程度的磨損、腐蝕和龜裂狀熱疲勞裂紋。

新輥制作和舊輥修復，在首次堆焊時，堆焊工藝基本相同，均需堆焊打底層和工作層；在毛坯粗加工時，加工目的不同：新輥制作時，粗加工主要是去除調質處理時輥面留下的氧化皮，同時保證堆焊層厚度；舊輥修復時，粗加工主要是去除輥面疲勞層如裂紋、腐蝕坑等，同時保證堆焊層厚度，為保證堆焊層的性能，一般工作層設計為厚5～6mm。新輥制作和舊輥修復主要工藝流程如下：①新輥制作流程為：采購鍛件→粗加工→調質處理→粗加工→預熱→堆焊→回火→加工；②舊輥修復流程為：粗加工→預熱→堆焊→回火→加工；在此處，需要說明的是，如輥子已為堆焊輥，可直接對輥子進行修磨，配對加工即可，一般可修磨3～4次；如輥子經多次修磨，尺寸接近φ592時，如需恢復至圖紙尺寸φ600，只需車去1～1.5mm即可堆焊工作層。

材料焊接性分析，材料的可焊性一般用碳當量來衡量，它是評定材料焊接性的一個參考指標，其估算公式如下：Ceq=C%+Mn%/6+（Cr%+Mo%+V%）/5+（Si%+Ni%+Cu%）/15。

經驗表明：Ceq≤0.4%時，材料焊接性能好，淬硬傾向性小，焊接時可不預熱；Ceq=0.4%～0.6%時，材料焊接性能尚可，但工件必須進行預熱、要控制焊接工藝；Ceq≥0.6時，材料焊接性能差，屬于較難焊的材料，工件必須預熱，焊后進行熱處理，并嚴格控制焊接工藝。上述三種材料45#、55#、42CrMo的碳當量Ceq分別為0.72、0.84、0.9，焊接性能差，焊接時需采取嚴格的工藝措施，尤其是在焊接材料的選擇上，要充分考慮各種因素的影響，盡可能選擇一定強度、韌性好、含碳量低的焊絲。

通過分析、比較，我們確定采用C r 13系馬氏體不銹鋼焊絲堆焊輥子工作層，具體采用YD414N（M）進行工作層堆焊，其熔敷金屬化學成分見表2。

表2 堆焊層熔敷金屬的化學成分

該焊絲的優點主要有：①Cr13系馬氏體不銹鋼抗高溫氧化、耐腐蝕性優良；②焊絲中含碳量極低，僅為0.05%，焊接性和耐熱疲勞性好；③焊絲中含氮，在保持堆焊層優良的抗氧化性、耐腐蝕性的同時，進一步提高熱強性、耐磨性和耐熱疲勞性能；④Ni能確保堆焊層金屬的延展性；⑤堆焊層力學性能優良，沖擊功 Akv≈16.2J，抗拉強度 σb≈1240Mpa，延伸率δ≈10.3%，斷面收縮率ψ≈33%，顯著優于基體組織；⑥堆焊層組織為馬氏體加少量的沿柱晶方向生長的鐵素體，同時，在馬氏體基體上分布有均勻細小的合金氮化物及金屬間化合物，這比單一的馬氏體組織具有更高的耐磨性和抗冷熱疲勞性。

（1）焊劑的選用。選用堿性燒結焊劑RD-SJ414，其渣系為MgO-Al2O3-CaF2-SiO2，堿度約為BⅡW≥1.8，化學活性系數Af≈0.15。選用該焊劑，主要是基于以下兩方面的考慮：①提高焊劑堿度可以降低焊縫金屬的含氧量和含硫量，提高焊縫的韌性和抗裂能力；②由于在堆焊過程中，工件溫度較高，焊劑要有利于高溫脫渣。因此，要適當降低焊劑的化學活性。選用該焊劑，其化學活性系數Af≈0.15，遠低于熔煉HJ260（Af≈0.46）。焊層設計，堆焊層厚度因工藝不同均有一定限制，超過限度焊層地力學性能和應力狀態會發生不良變化，與基體結合強度下降，考慮到堆焊層的安全厚度及多次修磨需要，堆焊層總厚度為設計為7mm，其中，打底層為1.5～2mm，工作層為5mm左右。

為確保母材和堆焊金屬之間的良好冶金結合，即保證二者具有強韌俱佳的結合性能，降低母材和堆焊層界面的脆化以免在使用過程中產生局部剝落，在堆焊工作層材料前，先堆焊一層打底層，采用YD430，堆焊組織為馬氏體，硬度約HRC22，其抗裂性好，線膨脹系數小。此外，通過在基體上堆焊打底層，能降低工作層焊絲在堆焊過程中的稀釋，保證工作層性能。

（2）堆焊實施。輥子堆焊部位兩端加焊焊接式擋環，其作用是托住焊劑，防止輥子兩端堆焊時發生熔渣流淌，保證在輥子兩端得到良好的堆焊層形狀。在后續的機加工過程中，車去擋環。然后預熱，預熱的目的是降低堆焊過程中，堆焊金屬和熱影響區的冷卻速度，降低淬硬傾向并減少焊接應力，防止母材和堆焊金屬在堆焊過程中發生相變導致裂紋。考慮到本件堆焊部分尺寸為φ600*1830，工件重量大，熱容量大，我們將工件預熱溫度定為120～150℃，堆焊打底層，所用焊接材料為YD430（M）+SJ414，焊高 1～1.5mm；堆焊工作層，所用焊接材料為 YD414N（M）+SJ414，焊高 7～8mm，留機加工余量 4～6mm；熱處理，采用低溫回火工藝，回火溫度為350～370℃，保溫1h。

堆焊作業過程中的注意點：①焊劑烘焙 為去除焊劑中水分影響焊接質量，需對焊劑進行烘焙，溫度為（250～300）℃，時間約2h。②焊接參數采用可控硅弧焊整流器MZ-1250電源，直流反接極性；焊接電流I≈330～380A；焊接電壓U≈28～32V。焊接速度V≈400～500mm/min（堆焊層圓周線速度）。③導前距在12.7～50.8mm范圍內，具體尺寸可根據焊道成型情況進行調整；④焊絲伸出長度25～35mm。⑤焊道搭接量相鄰焊道搭接大于50%，具體搭接量可根據焊道平整情況進行調整；⑥層間焊道位置為保證堆焊層焊道層間的均勻性，要求操作時，堆焊層間的焊道位置。

2 機械加工工序

（1）刀具選擇。由于堆焊層硬度（HRC41～44）較高，堆焊層表面高低不平，需選擇抗沖擊性好、切削性能好的刀具，此外，刀片尺寸不能太小，以免影響刀具由于切削力波動時損壞。刀具材料一般選用YG6X，刀片尺寸型號為A125A。

（2）表面粗糙度提高。砂帶磨分段加工，提高表面粗糙度。

3 效果

輥子通過表面強化后，工作表面性能耐磨性、耐熱疲勞性、耐蝕性得到極大提高，使用壽命最高可達新輥的1～1.5倍，費用為新輥的1/3，減少換輥次數，提高作業時間。減少備件消耗和降低備件成本為我公司帶來直接經濟效益，形成產值169萬元。

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