焊条电弧堆焊技术分析及应用

2022-09-10

堆焊作为一种表面强化技术, 可使母材表面具有良好的耐磨、耐蚀、耐高温、抗氧化、耐辐射等优良性能, 使母材和表面金属承受不同的载荷或发挥其不同的理化特性, 做到物尽其用。目前堆焊方法多样, 且在制造业的推动下不断有新的堆焊技术开发并在诸多行业得到应用。但焊条电弧堆焊作为一种传统的堆焊技术, 因其设备简单、工艺灵活、便于操作与控制、成本较低, 可以方便地在各种基体上堆焊所需性能的合金, 在石油、化工、冶金等行业各种设备的强化与修复中得到广泛应用。

1 堆焊时存在的主要问题

由于堆焊合金与基体的物理性能和化学性能通常相差较大, 它们的熔点、热导率、线膨胀系数及力学性能等方面都有很大的差别这给堆焊带来了很大的不利影响, 堆焊时存在的主要问题如下。

1.1 易产生热裂纹[1]

由于合金元素及有害杂质的作用, 在焊缝中出现偏析后易形成低熔共晶体和脆性化合物, 使接头易产生热裂纹, 且两种金属的线膨胀系数差别越大, 热裂倾向越大。

1.2 难溶合, 易变性

当两种被焊金属的熔点相差很大时, 易使焊接接头难以熔合, 甚至导致焊缝与母材剥离。当两种金属的导热系数和比热容不同时会改变焊缝的温度场及结晶条件, 使焊接热影响区变宽, 焊接时产生较大的焊接应力与变形。

1.3 电弧不稳定, 焊缝形成不良

当两种金属的电磁特性相差很大时, 容易发生磁偏吹现象, 影响电弧的稳定性, 使焊缝形成不良。

2 焊条电弧堆焊工艺要点分析

(1) 为保证堆焊质量, 焊前必须彻底清理焊件表面的铁锈、油污, 使堆焊表面不留任何对焊接有影响的杂物。

(2) 堆焊时要注意控制热输入, 以减少母材对堆焊层的稀释作用。通常采用直流反接、直线运条、短弧焊接的焊接工艺, 尽量减少和分散焊缝, 每条焊缝不能太长, 焊缝间距不能太小, 并注意合理安排焊接顺序, 使构件受热均匀, 以减少焊接热影响区的宽度, 减少焊接变形及裂纹。必要时可堆焊过渡层, 以降低熔合比, 保证堆焊层的性能。

(3) 对于容易开裂和剥离的焊缝, 通常需对工件进行预热和缓冷, 预热温度由焊件的刚性决定, 堆焊层数也不能过多, 以减少堆焊应力。

3 焊条电弧堆焊应用

3.1 在冶金设备中的应用

冶金行业生产设备大部分是在高交变应力与高热应力的恶劣环境下工作, 如各种轧辊、轧机出入口导板、导板滑座、支承辊等。在生产中用手工电弧堆焊对这些零件进行表面强化或堆焊修复, 可以延长其寿命, 提高产品质量。

安阳钢铁集团采用φ4.0mm的T237铝青铜焊条堆焊轧机导板, 导板材料为ZG35, 焊时采用煤气预热 (150℃~260℃) , 石棉布保温缓冷, 焊后回火 (300℃~400℃) 等工艺措施, 加工后对堆焊层进行检查, 堆焊层与基体结合良好, 其表面质量和硬度检测均符合质量要求[2]。邯郸钢铁集团针对烧结热矿破碎机中主要部件齿辊 (材料为中碳铸钢ZG310—570) 焊接性能较差、易于产生裂纹的特点, 采用低组配方法, 首先用低氢焊条506、507打底, 以降低焊缝中扩散氢含量, 再用J422焊条中间过渡, 以降低焊层金属中的含碳量, 降低焊层的实际拘束应力, 随后连续用FB-1高铬耐磨焊条堆焊, 这样既控制了焊缝中扩散氢含量及焊层金属中的含碳量, 又最大限度地防止了热影响区粗大非平衡组织的出现, 减少了焊接应力, 减小了根部裂纹和焊接区冷裂纹倾向[3]。

为了简化堆焊工艺, 在无需预热和缓冷、无需拆装的情况下进行堆焊, 广州钢铁股份公司与西安交通大学联合开发了一种JD—D3耐热、耐磨、耐冲蚀堆焊焊条, 满足了水冷式单辊烧结破碎机齿辊和篦板的堆焊要求。该焊条能够在不预热、不后热的条件下随时堆焊, 不会出现裂纹和裂缝等缺陷, 且工艺简单、操作方便、修复快捷、质量好。对于烧结机而言, 意味着可以不拆卸齿辊和篦板, 只要在烧结机停机的间隙, 便可以进行修补堆焊, 同时, 由于它可以在常温下工作, 工作环境大为改善, 具有显著的社会经济效益[4]。

3.2 在石化行业中的应用

石油、化工行业中所用的机械设备及部件如风机叶片、水轮机叶片、内燃机排气阀、排污阀、隔板、轴瓦、轴颈、换热器、过滤器等大都要求具有较高的耐腐蚀、耐气蚀、耐热及常温或高温耐磨等特性。采用手工电弧堆焊可获得不同特性的堆焊层, 可以满足在不同介质中使用的性能有求。

金泥集团对磨损高温风机叶片 (材质15Cr Mo) 进行堆焊修复, 共采用三类焊条:J422、J507、D502或D507焊条。用J422找平磨损点, 用J507打底焊, 防止堆焊层剥离, 用D502或D507焊条堆焊叶片表面, 并采用合适的工艺参数和变形控制措施, 可获得具有良好抗气蚀能力的堆焊层, 修复以后的叶片具有良好的工作特性[5]。

现代石化行业技术的迅速发展, 对材料的耐冲击及磨损性能有了更高的要求, 传统的碳钢、不锈钢、镍基合金等材料的耐磨损性能都比较差, 已经不能满足性能要求。而专用耐磨损、耐腐蚀的硬质合金硬度达到HRC38以上, 可以起到很好的耐磨耐蚀作用。中石化集团煤气化装置中的渣收集器基体为16Mn R, 用A309Mo焊材过渡后, 再采用钴基硬质合金 (stellite6) 焊材堆焊, 结合合适的焊接工艺规范, 可获得高耐磨耐蚀堆焊层[6]。

4 结语

随着工业技术的迅速发展, 生产设备日趋大型化、复杂化, 拆装往往比较困难, 因此迫切需要开发多种无需预热和缓冷的堆焊材料, 能够在现场不解体条件下直接进行电弧堆焊修复, 另外工作环境的多样性也对堆焊焊条的理化性能、力学性能、环保性能及可操作性等提出了更高的要求, 因此开发多种新型专用堆焊焊条对于改进产品设计、简化堆焊工艺、降低生产成本以及节约资源、能源等方面都具有非常重要的意义。

摘要：文章分析了焊条电弧堆焊时出现的主要问题及堆焊时的工艺要点, 介绍了焊条电弧堆焊技术的最新应用情况, 并分析指出不断发展新型堆焊焊条对简化堆焊工艺、节约资源能源至关重要。

关键词：焊条电弧堆焊,分析,应用