第5章 堆焊技术

5.3堆焊方法
5.3.1常用堆焊方法
− − − − − − − − − − − − 手工电弧堆焊 氧-乙炔火焰堆焊 埋弧堆焊 CO2气体保护堆焊 等离子弧堆焊
5.3.2堆焊新方法
激光堆焊 带极电渣堆焊 钨极-熔化极间接电弧焊堆焊 双电极焊条单弧堆焊 GMT堆焊 冷体热丝TIG堆焊方法 堆焊复合新技术
5.1.2堆焊层的形成与控制
熔合区
− 是堆焊层与基体之间的分界区，一般包括熔合线和具有结 晶层和扩散层的过渡区，该过渡区成分是不固定的，它与 基体之间的界线称为熔合线。
− 熔合区的化学成分介于基材和堆焊层之间，性能也不同于 基材，堆焊的熔合区有时会出现延性下降的脆性交界层， 在冲击载荷作用下易出现堆焊层剥离。而且当工件在高温 环境长期工作或堆焊后热处理时，熔合区有时会出现碳迁 移现象，使高温持久强度和抗腐蚀性能下降。
可用于中等磨粒磨损和中度冲击的场合

高碳马氏体钢

（1）Fe基堆焊合金
合金铸铁堆焊合金
− 马氏体合金铸铁



含碳量：2~5%，常加入Cr、W、Ni、B、Nb等，含量小 于25% 亚共晶合金铸铁：马氏体+残余奥氏体+含碳化物的莱氏体 硬度：50~60HRC 抗磨粒磨损性能很好，耐热、耐蚀和抗氧化性能较好 脆性大，易出现裂纹，一般需预热300~400℃ 主要用于矿山和农业机械中与矿石、泥沙接触的零件堆焊
5.1.2堆焊层的形成与控制
内应力
− 堆焊应用的成功与否有时取决于内应力的大小。 − 由于堆焊操作而产生的残余应力叠加或抵消使用过程中产 生的应力，因而加大或减少堆焊层开裂的倾向。 − 为减少残余应力，除了采取必要的预热、缓冷等工艺措施， 还可从减少堆焊金属与基材的线膨胀系数差、增设过渡层、 改进堆焊金属的塑形来控制。

高铬锰


− 镍铬奥氏体钢堆焊合金
（1）Fe基堆焊合金
奥氏体钢堆焊合金
− 高锰奥氏体钢堆焊合金 − 铬锰奥氏体钢堆焊合金 − 镍铬奥氏体钢堆焊合金

如18-8型和25-20型等不锈钢 具有很高的耐腐蚀、耐高温氧化性能、热强性也好 耐磨性较差 主要用于化工容器和阀门密封面的堆焊
（1）Fe基堆焊合金
5.1.2堆焊层的形成与控制
相容性
− 在堆焊过程中堆焊层材料和基体材料的相容性非常重要， 由于堆焊层材料与基体材料成分不同，在堆焊时必然会产 生一层组织和性能与基体或堆焊层都不相同的过渡层，该 过渡层如果是脆性的，将恶化堆焊层性能。 − 堆焊材料和基体材料在冶金学上是否相容取决于它们在液 态和固态时的互溶性以及在堆焊过程中是否产生金属间化 合物 − 堆焊材料和基材的物理相容性也很重要，即两者之间的熔 化温度、膨胀系数、热导率等物理性能差异应尽可能小， 因为这些差异将影响堆焊的热循环过程和结晶条件，增加 焊接应力，降低结合质量。
5.1.1堆焊的特点及类型
（1）堆焊的特点
− 堆焊是利用焊接热源使基材表面与敷焊的材料之间形成熔 化冶金结合的一种表面工程技术 − 基体材料：为普通碳钢，当有特殊要求时，也可选用低合 金钢、不锈钢、耐热钢等 − 堆焊层厚度：2~30mm − 堆焊实质是利用焊接手段对金属材料表面进行厚膜改质 − 显著特点是堆焊层与基体具有典型的冶金结合，堆焊层在 服役过程中剥落倾向小，而且可以根据服役性能选择或设 计堆焊合金，使零件表面具有良好的耐磨、耐蚀、耐高温、 耐氧化、耐辐射等性能，在工艺上具有很大灵活性。
5.2堆焊材料的类型及选择
5.2.1堆焊材料的种类 5.2.2堆焊材料的选择
5.2.1堆焊材料的种类
（1）Fe基堆焊合金
− − − − 珠光体钢堆焊合金 马氏体钢堆焊合金 奥氏体钢堆焊合金 合金铸铁堆焊合金
（2）Co基堆焊合金 （3）Ni基堆焊合金
（4）Cu基堆焊金属
（5）碳化钨堆焊金属
（1）Fe基堆焊合金
（3）埋弧堆焊
电弧埋在熔剂层下 面进行堆焊 质量好、生产效率 高，适用于自动化 生产 工人工作条件好， 无电弧威胁 主要用于具有大平 面和简单圆形表面 的零件 单丝埋弧焊熔深大、 稀释率高 （30~60%)、生产 率中等
奥氏体钢堆焊合金
− 高锰奥氏体钢堆焊合金 − 铬锰奥氏体钢堆焊合金

低铬锰

含铬量<4%，含锰量：12~15%，少量Ni、Mo 焊接性好 适合严重冲击条件下磨粒磨损的零件，如铲斗、冲击轧碎机 含铬量：12~17%，含锰量：15% 具有高锰奥氏体的优点，还有较好的耐腐蚀性、耐热性、抗 热裂性 用来修复受到严重冲击的金属间磨损的锰钢和碳钢零件，如 堆焊热剪切机；也用于水轮机耐气蚀堆焊
马氏体钢堆焊合金
− C含量0.1~1.0%，含有低到中等含量的合金元素 − 堆焊层硬度30~60HRC，主要取决于碳和铬的含量，并 受到冷却速度和合金元素含量的影响。 − 耐磨性较高，能耐受中等冲击 − 主要用于金属间摩擦磨损的零件，如齿轮、牵引车底架等 的堆焊

低碳马氏体钢

堆焊层硬度小于45HRC，可进行机加工，常用于小机件的堆 焊
由基体金属和嵌在其中的碳化钨颗粒组成。硬度高，耐 磨性好，单脆性大。主要用于受严重磨损的工况，如油 井钻头、筑路机械等零件的堆焊。
5. 2.2堆焊材料的选择
堆焊材料的选择原则
− 满足使用要求 − 堆焊合金的经济性
选择堆焊合金的步骤
− 分析工作条件，确定失效类型及其对堆焊层的要求 − 按一般规律选择几种可供选择的堆焊合金和堆焊方法 − 分析这些堆焊合金与基材的相容性，同时要考虑热引力和 裂纹倾向的大小，初步制定堆焊工艺 − 进行堆焊试验 − 根据使用寿命和成本进行评价，确定堆焊材料和堆焊方法 的最佳方案 − 制定严密的堆焊工艺
− 奥氏体合金铸铁 − 高铬合金铸铁
（1）Fe基堆焊合金
合金铸铁堆焊合金
− 马氏体合金铸铁 − 奥氏体合金铸铁


含C：2.5~4.5%，含Cr ：12~28% ，Mn、Ni、Mo、Si 共晶组织：奥氏体+网状莱氏体 硬度：45~50HRC 耐低应力磨损，有一定韧性，可承受中等冲击载荷，抗氧 化性能好 常用于挖掘机斗齿、粉碎机辊等承受中等载荷的磨粒磨损
− 高铬合金铸铁
（1）Fe基堆焊合金
合金铸铁堆焊合金
− 马氏体合金铸铁 − 奥氏体合金铸铁 − 高铬合金铸铁


含C：0.5~0.6%，含Cr 15~35% ，W、Mo、Ni、Si、B 组织：基体中分布大量初生的针状Cr7C3 很高的抗低应力磨粒磨损和耐热、耐蚀能力 裂纹倾向大，需预热400~500℃ 广泛用于低应力或高盈利磨粒磨损条件下工作的推土机铲 刃、犁铧、球磨机衬板等零件 也用于在高炉料钟料斗、排气机叶片等零件的堆焊
一般用于较小的零件。
（3）埋弧堆焊
埋弧焊焊缝的形成过程
焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，完全淹埋在40～60毫米厚的焊剂层 下燃烧。靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化，这样，颗粒状焊 剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝 。焊丝不断地送进到电弧区，并沿着焊接方向移动。电弧也随之移动， 继续熔化焊件与焊剂，形成大量液态金属与液态焊剂。待冷却后，便形 成了焊缝与焊渣。
（5）碳化钨堆焊金属
堆焊用的碳化钨分为铸造碳化钨和烧结碳化钨两类。
− 铸造碳化钨 碳质量分数为3.7~4.0%，钨的质量分数为95~96%， 是WC-W2C的混合物，粉碎成8~100目的粒状，装入铁 管内供堆焊使用 脆性大，加工过程中容易碎裂脱落。加入5~15%的钴可 降低熔点，增加韧性。 − 烧结碳化钨 钴质量分数为3~5% 是WC-Co的混合物，粉碎成粒状，供等离子堆焊或氧乙 炔堆焊使用
珠光体钢堆焊合金
− C含量0.25%以下，合金元素以Mn、Cr、Mo、Si为主， 总质量分数5%以下。 − 自然冷却条件下，得到珠光体组织，有时也会出现少量索 氏体和奥氏体 − 硬度较低，冲击韧性高、可焊性好 − 主要用来修复被磨损的零件，如轴类和辊子等 − 有时也在堆焊高耐磨材料时做打底焊，起恢复尺寸和过渡 层的作用
（1）Fe基堆焊合金
奥氏体钢堆焊合金
− 高锰奥氏体钢堆焊合金


含碳量：0.7~1.2%，含锰量：10~14% 强度高，韧性好，易产生热裂纹 一般用来修复严重冲击载荷下金属间磨损和磨粒磨损的零 件，如矿山料车、铁道道岔 不耐低应力磨粒磨损
− 铬锰奥氏体钢堆焊合金 − 镍铬奥氏体钢堆焊合金
（1）Fe基堆焊合金
硬度较低，耐腐蚀性高，主要用于耐腐蚀零件堆焊
（4）Cu基堆焊金属
分为纯铜、黄铜、青铜和白铜四种。 形式有焊条、焊丝和堆焊用的带极。 有较好耐大气、耐海水和耐各种酸碱溶液的腐蚀， 耐气蚀和金属间磨损的性能 常用于铁基材料为母体的双金属零件的制备或磨损 工件的修补 主要用于轴瓦、低压阀门密封面等零件的堆焊
5.1.2堆焊层的形成与控制
稀释率
− 在焊接热源的作用下，不仅堆焊金属发生熔化，基材表面 也发生不同程度的熔化，将堆焊金属被基材稀释的程度称 为稀释率 − 用基材的熔化面积占整个熔池面积的百分比来表示 − 稀释率强烈影响堆焊层的成分和性能。高的稀释率降低堆 焊层性能，增加堆焊材料的消耗。必须考虑各种焊接方法 所获得的稀释率的大小，以便选择合适的填充材料和焊接 方法。 − 在堆焊方法和设备已选定的情况下，应从堆焊材料成分上 补偿稀释率的影响，并从工艺参数严格控制稀释率。
（3）Ni基堆焊合金
高镍堆焊材料用于铸铁堆焊时常用作过渡层
− Ni-Cr-B-Si型（科尔蒙合金）
具有较低的熔点（1040℃），较好的润湿性和流动 性，主要用于粉末离子堆焊和氧-乙炔喷涂。
− Ni-Cr-Mo-W型（哈斯特洛伊合金）
硬度低，加工性好，主要用来抗腐蚀，也可用作高温 耐磨堆焊材料。