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1.堆焊技术在我国基础工业中的应用现状
堆焊技术在我国近 50 年的发展历程中 为基础工业的崛起和发展作出了重要贡献 其应用遍及机械 能源 交通 电力和冶金工业等领域现仅以钢铁工业的轧辊 能源领域的各类阀门交通领域的机车和汽车发动机磨擦副零件等为例简述堆焊技术的应用现状.
3.1 轧辊堆焊 [4~8]
轧辊是轧钢生产的关键设备 轧辊质量直接影响轧机的工作效率 轧制产品的质量和产量轧辊的消耗等 据统计 我国某轧钢厂热轧每吨钢材需消耗 1.46 kg 轧辊 折合人民币 25 元 冷轧每吨钢材消耗轧辊 1.24 kg轧辊 折合人民币 35元 我国年产钢材已超过 0.1 Gt 年消耗轧辊约 30亿元 因此 采用堆焊方法修复旧轧辊以提高轧辊的使用寿命已成为我国轧钢企业降低成本 提高效益的重要举措 也是符合我国节能节材 清洁生产的基本国策 到 20 世纪 90 年代 绝大多数大中型钢铁企业均具有了轧辊堆焊修复的能力 并为企业节能降耗奠定了技术基础 也取得了显著的经济效益.轧辊早期报废的主要原因是磨损和表面裂纹 如冷热交替环境导致的龟裂 因挤压产生的粘着磨损和磨粒磨损等 因此 轧辊堆焊不仅需要恢复辊身和辊颈的尺寸 更重要的是提高辊身的耐冷热疲劳及耐磨性能.轧辊早期报废的主要原因是磨损和表面裂纹 如冷热交替环境导致的龟裂 因挤压产生的粘着磨损和磨粒磨损等 因此 轧辊堆焊不仅需要恢复辊身和辊颈的尺寸 更重要的是提高辊身的耐冷热疲劳及耐磨性能
低合金高强钢类型的焊丝最常用的牌号为30CrMnSi 堆焊层硬度 35 40 HRC 由于硬度较低 因此只能用于恢复尺寸 3Cr2W8V 是常用的热作模具钢类焊丝 去应力退火后堆焊层硬度可达 40 50 HRC 主要用于初轧机 型钢轧机 管带轧机的锻钢辊 可使轧辊寿命提高 1 3 倍Cr13 2Cr13 3Cr13 属马氏体不锈钢类型 用于堆焊修复开坯轧辊以及型钢轧辊的锻钢辊 堆焊层硬度为 45 50 HRC 而高合金高碳工具钢焊丝的典型牌号是 80Cr4Mo 和 8W2VMnSi 用于精轧机的锻钢材质工作辊和冷 热轧机的支撑辊的堆焊修复 堆焊层硬度高达 50 60 HRC 由于合金元素和碳含量高 极易产生堆焊裂纹 为此需较高的预热和层间温度
焊剂 260 431 430 是我国轧辊堆焊修复常用的碱性熔炼焊剂 由于其氧化性低 可减少焊丝中碳 铬元素在堆焊过程中的烧损 但这类焊剂焊后不易脱渣 堆焊层表面质量较差 为此烧结焊剂在轧辊堆焊中的使用量增加 这类焊剂在 500 ?极易自动脱渣 堆焊层表面质量显著改善 而且焊丝中的碳 铬 钒等合金元素的过渡系数提高 有利于保证堆焊层的设计性能.采用焊丝的埋弧堆焊技术 即使是多丝埋弧堆焊其熔敷效率也是有限的 而且丝极堆焊的单道宽度小 频繁的搭接显著降低了堆焊层金属的使用性能 因此 带极堆焊特别是宽带极堆焊技术在轧辊修复中显示出良好的应用前景 如带极堆焊技术在宝钢二期 三期工程先后引进的四台大型板坯连铸机导辊的修复中已得到了应用 堆焊焊带材质为 1Cr13NiMo 规格为 0.4 mm×30 mm和 0.4 mm× 50 mm 堆焊效率和质量较传统方法显著提高.药芯焊丝具有成分易调整 燃弧稳定的特点特别适合制作高硬度 轧制拔制困难的堆焊合金材料 因此 近年来 药芯焊丝堆焊技术的开发应用得到了业内人士的高度重视 国内有关单位开发了冷轧辊 热轧辊 连铸辊堆焊用系列药芯.焊丝 并且采用 CMoWMnSiV系药芯焊丝配合 107焊剂成功堆焊修复了热轧开坯辊我国有关单位在轧辊堆焊设备的智能化方面作出了积极的努力 开发了轧辊堆焊智能控制系统 可配合不同的焊接电源及相应的送丝机构实现 CO 2 MIG MAG 和埋弧堆焊 特别适合于异型截面工件堆焊.
3.2 阀门堆焊
阀门的寿命和工作可靠性主要取决于其密封面的质量 密封面不仅因阀门周期性的开启和关闭而受到擦伤 挤压和冲击作用 而且还因所处的工作环境和介质而受到高温 腐蚀 氧化等作用 我国石化企业因密封面失效导致阀门报废而造成的浪费现象十分严重 因此 根据阀门所处的工作环境要求 采用合理的堆焊方法修复或强化阀门密封面 使其具有优异的抗擦伤 抗腐蚀抗冲蚀 耐高温等综合性能 可有效延长阀门使用寿命 降低成本.
我国阀门密封面堆焊技术的研究工作始于 60年代初 历经 40 年的发展历程 阀门堆焊方法从以手工电弧堆焊和氧 乙炔火焰堆焊等非自动化 低效率的堆焊方法为主 发展到广泛采用高效 自动化的堆焊方法 如埋弧堆焊 钨极氩弧堆焊 等离子弧粉末堆焊乃至激光堆焊 而堆焊材料也从以焊条为主转向大量采用堆焊焊丝及堆焊粉末 堆焊合金系统相继开发了马氏体型 奥氏体型铁基堆焊合金 镍基堆焊合金及钴基堆焊合金 Cr13 马氏体型系列焊条用于压力低于 16MPa 温度低于 450 ?的碳钢阀门 含碳量高的2Cr13 型堆焊金属的抗裂性差 需选取合理的堆焊工艺和后热处理 CrMn 奥氏体型焊条 焊前不需预热 堆焊金属的使用性能优于 Cr13型合金 CrNi奥氏体型焊条 常用于温度低于 600 ?以下工作的蒸汽阀门堆焊 F1××系列的 NiCrBSi 堆焊粉末NDG – 2型 NiCrWSi 堆焊粉末 F2××系列的钴基堆焊粉末 以及 F3××系列的铁基堆焊粉末在高温耐蚀阀门 高温高压阀门堆焊中均得到了广泛应用.
阀门密封面堆焊层的厚度是阀门设计者十分关注的重要参数 从堆焊角度出发 若厚度过小则堆焊金属稀释率提高 而厚度过大不仅浪费贵重材料 而且很多堆焊合金都将因应力增加而产生裂纹 因此 堆焊层厚度的控制标准是在堆焊金属不被母材过度稀释的前提下选择最小厚度值 各国在阀门密封面的厚度方面均制定了相应的标准 我国有 GB984 – 85和 EJ/T1027.9 – 96合理控制母材对密封面堆焊合金的稀释程度是获得优质密封面的重要保证 当堆焊合金系统一定时 稀释率的决定因素是堆焊方法和堆焊工艺参数 按单层稀释率由小到大的顺序各种堆焊方法排序 氧 乙炔火焰 等离子弧 钨极氩弧堆焊 手工电弧堆焊 埋弧堆焊 埋弧堆焊虽然稀释率偏大 但其堆焊效率是各种阀门堆焊方法中最高的 其单层堆高可达 3 5 mm 钨极氩弧单层堆焊稀释率可控制在 10 % 20 % 但堆高偏小 必须堆焊 2 3 层方能达到 3 mm 的有效堆高用于阀门堆焊的等离子弧堆焊技术有两种 粉末等离子弧堆焊单层有效堆高可达 2 mm 稀释率 5% 30 % 送丝等离子弧单层堆焊稀释率可控制在 5 % 15 % 但一般需堆焊 2 层以上方能保证 3mm 以上的有效堆高.
我国堆焊技术专家在阀门密封面堆焊材料和堆焊方法方面均作出了积极的努力 但堆焊材料方面的发展空间仍很大 如开发阀门密封面堆焊用烧结焊剂 埋弧焊丝 合金钢焊条 镍基合金焊条等 另外 既有高的堆焊效率 又有低的堆焊稀释率的堆焊技术亟待开发堆焊设备 自动化和智能化水平亦需提高.
3.3 发动机关键部件的堆焊
在高温 强腐蚀及频繁冲击条件下工作的各类发动机进 排气门 经常因盘锥面的破坏而早期失效 采用合理的堆焊方法和堆焊材料修复发动机气门盘锥面可有效延长气门的服役寿命 国外内燃机车柴油机气门盘部采用铁基奥氏体耐热钢制造 其盘锥面堆焊 Stellite 高温耐磨合金 或者气门盘部采用高温镍基合金而盘锥面不再进行堆焊强化处理 而我国的东方红系列的 175 型 180型 东风系列的 240 型 280 型柴油机的排 进气门均采用 4Cr14NiW2Mo 或 21 – 12N 型奥氏体耐热钢 其盘锥面均需堆焊 Stellite – 6 钴基高温合金如国内某机车厂采用氧 乙炔火焰堆焊气门盘锥面的实践表明 对以 4Cr14NiW2Mo 制造的进气门而言 堆焊稀释率为 10 %左右 而以 21 – 12N 母材制造的排气门的堆焊稀释率为 7 %左右 堆焊层的硬度均达到 40 HRC 以上 堆焊生产的 18 万件气门经机车线路运行考核 未出现盘锥面发生裂纹 穿孔 剥落 掉块等破坏现象 某厂为解决发动机气门盘锥面因高温腐蚀破坏的现状 采用钨极氩弧堆焊方法在 GH4033 盘锥面表面堆焊镍基哈氏合金 合理控制堆焊稀释率可使气门的抗高温腐蚀性能得到明显改善.
活塞是服役工况最恶劣的发动机重要部件之一 活塞环槽特别是第一道环槽承受 6 14 MPa的高压和 220 ? 280 ?的高温 磨损现象十分严重 随着发动机向高寿命 大功率方向发展 铝合金活塞环槽的堆焊强化已成为提高发动机性能和延长使用寿命的重要举措 活塞环槽的堆焊方法主要是氩弧堆焊和等离子弧堆焊 而堆焊合金的选择则以提高铝合金的硬度和耐热性为原则常用的合金元素为 Ni Fe 和稀土元素 Fe 可提高铝合金的热强性 但加入过多引起裂纹 Ni 可改善铝合金的强度和耐热性 如堆焊焊丝中 Ni 含量超过 10 % 可提高活塞寿命 3 倍 稀土元素的加入可使铝合金中的针状共晶细化和球化 并能与 AlCu Mn 等形成高熔点化合物 从而提高铝合金活塞环槽的高温强度和耐热性 但加入量应控制在 1左右.
堆焊在发动机中的凸轮轴与挺柱摩擦副的修复强化中亦显示了良好的应用前景 汽车发动机的挺柱材料以 40Cr 制造 为提高其耐磨性一般采用钎焊的钢 陶瓷复合结构 但陶瓷的脆性易导致陶瓷片破碎或剥落 采用堆焊方法在挺柱的钢轴表面制造一层陶瓷强化的金属基复合材料有望解决挺柱的耐磨性问题 与挺柱配副的凸轮轴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. 结 语
堆焊技术在我国历经 50 年的发展历程 其应用遍及基础工业诸领域 我国在堆焊基础理论的研究方面与国外工业发达国家相比并不逊色 但堆焊材料的开发 堆焊设备的自动化和智能化水平 精密高效堆焊技术的开发应用 计算机技术及模拟仿真技术在堆焊技术中的应用水平等方面与国外存在一定差距 研究开发优质 高效 低耗 灵活 清洁的先进堆焊技术 并将其广泛应用于先进制造业当是我国堆焊同仁肩负的历史使命.
