堆焊作为材料表面改性的一种经济而快速的工艺方法，越来越广泛地应用于各个工业部门零件的制造修复中。为了最有效地发挥堆焊层的作用，希望采用的堆焊方法有较小的母材稀释、较高的熔敷速度和优良的堆焊层性能，即优质、高效、低稀释率的堆焊技术。

概述(应用 几种堆焊方法特点比较)

冷焊堆焊技术

冷焊技术的应用领域(1、模具制造行业 2、塑料橡胶工业 3、航空、航天业 4、汽车与机车的制造与维修行业 5、船舶、电力行业 6、机械工业 7、铸造工业)

宽带极电渣堆焊技术(（1）产生背景 （2）技术内容和技术关键 1）焊接电源 2）焊剂 3）磁控装置 4）工艺参数的控制 （3）优缺点及应用范围)

电火花堆焊工艺在电厂关键部件修复应用(摘要 关键词 1.引言 2.发电机转子轴径的磨损[3] 3.试验与结果 优点 缺点 4. 电厂其他部件应用 5. 结论)

挤压辊堆焊方法

等离子弧堆焊

简介

duī hàn

用电焊或气焊法把金属熔化，堆在工具或机器零件上的焊接法。通常用来修复磨损和崩裂部分。

英文 ： overlay welding

概述

应用

目前，生产中采用的堆焊方法非常多，现将几种堆焊方法的稀释率和熔敷速率对比如 [表] 所示。

几种堆焊方法特点比较

堆焊方法 稀释率（%） 熔敷速度（kg/h）

埋弧堆焊 单丝 30～60 4.5～11.3

多丝 15～25 11.3～27.2

串联电弧 10～25 11.3～15.9

单带极 10～20 12 ～ 36

多带极 8～15 22 ～ 68

等离子弧堆焊自动送粉 5～15 0.5～6.8

手工送丝 5～15 0.5～3.6

自动送丝 5～15 0.5～3.6

双热丝 5～15 13～27

熔化极气体保护电弧堆焊其中：自保护电弧堆焊 10～40 0.9～5.4

15～40 2.3～11.3

带极电渣堆焊 10～14 15～75

从表3可看出，带极堆焊有较高的熔敷速度，等离子弧堆焊有较低的稀释率。近年来，在此基础上，研究工作者进一步开发了既高效又低稀释率的先进的带极堆焊技术和等离子弧堆焊技术。

冷焊堆焊技术

冷焊堆焊技术是利用高频电火花放电原理，对工件进行无热堆焊，来修补金属工件的表面缺陷与磨损，能保证工件的完好性；也可以利用其强化功能对工件进行强化处理，实现工件的耐磨性、耐热性、耐蚀性等。

冷焊堆焊设备对金属制品工件修补后不变形、不退火、溶接强度高、抗耐磨。可通过金相、拉伸及硬度测试，同时焊材与基体的冶金结合保证了焊接的牢固性。常用于精密铸件的针孔、气孔、毛刺、飞边 、磕碰、划伤、崩角、塌角 、砂眼、裂纹、磨损、内陷 、制造错误、制造缺陷、焊接缺陷的修复与机械表面强化。

冷焊技术的应用领域

1、模具制造行业

塑料模表面的打毛，增加美感和使用寿命；头盔塑料模具分型面堆焊修复；铝合金压铸模具分流锥表面强化；模具腔超差、磨损、划伤等修复与强化。

2、塑料橡胶工业

橡塑机械零部件修复，橡胶、塑料件用的模具超差、磨损与修补。

3、航空、航天业

飞机发动机零部件、涡轮、涡轮轴修复或修补，火箭喷嘴表面强化修理，飞机外板部件修复，人造卫星外客强化或修复，钛合金件的局部渗碳强化，铁基高温合金件的局部渗碳强化，镁合金的表面渗A1等防腐蚀涂层，镁合金件局部缺陷堆焊修补，镍基/钴基高温合金叶片工件局部堆焊修复，如：叶片叶冠阻尼面与叶尖的磨损和导叶的烧蚀等。

4、汽车与机车的制造与维修行业

汽车制造和维修工业中，用于凸轮、曲轴、活塞、汽缸、刹车盘，叶轮，轮毂，离合器、摩擦片、排气阀等补差和修复，汽车体的表面焊道缺陷补平修正。

5、船舶、电力行业

电曲轴、轴套、轴瓦、电气元件、电阻器等修复，电气铁路机车轮与底线轨道连接片的焊接，电镀厂导 电辊、金属氧化处理铜铝电极的制作焊接。

6、机械工业

修正超差工件和修复机床导轨、各种轴、凸轮、水压机、油压机柱塞、气缸壁、轴颈、轧辊、齿轮、皮带轮、弹簧成形用的芯轴、塞规、环规、各类辊、杆、柱、锁、轴承等。

7、铸造工业

铁、铜、铝铸件砂眼气孔等缺陷的修补，铝模型磨损修复。

宽带极电渣堆焊技术

（1）产生背景

石油化工行业的加氢反应器、原流合成塔、煤液化反应器及核电站的厚壁压力容器等内表面均需大面积堆焊耐高温，抗氧及硫化氢等腐蚀的不锈钢衬里。70年代，在该领域内，国内外大量采用了带极埋弧堆焊（SAW）技术。带极的宽度也从窄带向60mm、90mm、120mm、150mm的宽带方向发展。该技术在稀释率和熔敷速度上比丝极埋弧焊有了长足的进步，但随着压力容器日趋大型化、高参数化，促使堆焊技术向更优质更高效的方向发展。70年代初，德国首先发明，后被日、美、前苏联等国进一步完善的带极电渣堆焊技术由于它具有比带极埋弧焊更高的生产效率、更低的稀释率和良好的焊缝成形等优点，近年来在国内外得到迅速发展和较普遍的应用。

（2）技术内容和技术关键

带极电渣堆焊是利用导电熔渣的电阻热熔化堆焊材料和母材的，除引现阶段外，整个堆焊过程应设有电弧产生。为了获得稳定的电渣堆焊过程，有以下几个技术关键：

1）焊接电源

在电渣堆焊过程中，渣池的稳定性对堆焊质量影响极大，而电压的波动又是影响渣池稳定性的最关键因素，故希望堆焊过程电压波动最小，因此要求选用恒压特性的直流电源。此外，电源应具有低电压，大电流输出、控制精度高、较强的补偿网路电压波动的能力和可靠的保护性能。电源的额定电流视所用带宽而异，一般对60mm×0.5mm带极，额定电流为1500A，90mm×0.5mm为2000A，120mm×0.5mm为25O0A。

2）焊剂

获得稳定电渣过程的另一个必要条件是焊剂必须具有良好的导电性。一般电渣堆焊焊剂的电导率需达2～3Ω-1cm-1，为普通埋弧焊焊剂的4～5倍。目前国内外采用的电渣焊剂多为烧结型。焊剂电导率的大小，取决于焊剂组分中氯化物（NaF、CaF2、Na3AIF6等）的多少，当氯化物（质量分数）少于40%，堆焊过程为电弧过程，在40%～50%范围大致是电弧、电渣联合过程；当氯化物大于50%后，可形成全电渣过程。CaF2既是良好的导电材料又是主要的造渣剂，因此CaF2通常是电渣堆焊焊剂的主要成分。

除了导电性外，焊剂还需有良好的堆焊工艺性（脱渣、成形、润湿性）及良好的冶金特性（合金元素烧损小，不利元素增量少），适宜的粒度（一般比埋弧焊焊剂粒度细）。目前满足上述要求，已用于生产的焊剂种类很多，如有国外的FJ-1（日本）、EST122（德国）、Sandvik37S（美国）；国产的SJ15、SHD202等等。

3）磁控装置

对于宽带极（带极宽度大于60mm）电渣堆焊，由于磁收缩效应，会使堆焊层产生咬边，随着带极宽度增加，堆焊电流增大，咬边现象越重，因此必须采用外加磁场的方法来防止咬边的产生（磁控法）。如图所示。同时必须合理布置磁极位置，选择合理的激磁电流大小，外加磁场太强或太弱均会影响堆焊焊道的成形（图2）。二个磁极的磁控电流应可分别调整。比如对于非预热的平焊位置的工件，当带极为60mm×0.5mm时，磁控装置的南、北极控制电流分别为1.5A和3.5A；对于90mm×0.5mm的带极则分别为3A和3.5A。

4）工艺参数的控制

采用合理的堆焊工艺参数是保证电渣堆焊过程稳定，焊缝质量良好的有效手段。影响带极电渣堆焊质量的工艺参数最主要的有焊接电压、电流和焊接速度，其次还有干伸长，焊剂层厚度，焊道间搭接量、焊接位置等。

① 精确控制焊接电压对带极电渣堆焊具有重要意义，当电压太低，有带极粘连母材的倾向。电压太高，电弧现象明显增加，熔池不稳定，飞溅也增大，推荐的焊接电压可在20～30V之间优选。

② 焊接电流对带极电渣堆焊质量影响也较大。焊接电流增加，焊道的熔深、熔宽、堆高均随这增加，而稀释率略有下降，但电流过大，飞溅会增加。不同宽度的带极应选择不同的焊接电流，比如对φ75mm×0.4mm的带极，电流可在1000～1300A之间优选。

③ 随着焊接速度的增加，焊道的熔宽和堆高减小，熔深和稀释率增加，焊速过高，会使电弧发生率增加，为控制一定的稀释率，保证堆焊层性能，焊接速度一般控制在15～17cm/min。

④ 带级电渣堆焊时，母材倾角会影响稀释率和焊道成形，一般推荐采用水平位置或稍带坡度（1º～2º）的上坡焊为宜。

⑤ 其他一些参数的推荐值为：带极伸出长度为25～35mm，焊剂厚度25～35mm，焊道搭接量5～l0mm。

（3）优缺点及应用范围

带极电渣堆焊与带极埋弧堆焊比有以下优点：

1）熔敷效率高，在中等电流下，比埋弧焊高50%；

2）熔深浅而均匀，母材稀释率低，一般可控制在10%以下，比埋弧焊小一倍、单层堆焊即可满足性能要求。

3）堆焊层成形良好，不易有夹渣等缺陷，表面质量优良，表面不平度小于0.5mm（埋弧堆焊时大于lmm）故表面无需机械加工，省料省时。

4）带极中合金元素烧损和不利元素增量极少，堆焊层的塑性和韧性高于埋弧难焊。

5）由于接头熔合区的碳扩散层窄，马氏体带宽度小，故接头熔合区性能优于带极埋弧堆焊。

正由于带极电渣堆焊有上述优点，近年来国内外在加氢控制反应器、煤气工程热壁交换炉、核电站设备中压力容器的内表面大面积堆焊中均得到了广泛应用。

由于电渣带圾堆焊自身的一些特点，它也有定的应用范围：

带极电渣堆焊热输入较高，故一般用于堆焊50～200mm的厚壁工件，推荐适用的工件最小直径和壁厚如表1所示。

表 1 推荐适用于带极电渣堆焊的最小直径和壁厚

电极尺寸最小基体厚度 最小曲面直径

外表面 内表面

60×0.5 40 250 450

90×0.5 80 500 900

电火花堆焊工艺在电厂关键部件修复应用

中国农业机械化科学研究院表面技术研究所汪瑞军黄小鸥

摘要

电力工业作为国民经济的基础产业，一直是国家发展的重点对象。本文采用电火花堆焊工艺成功修复汽轮机发电机转子密封段轴径磨损缺陷，并顺利通过两年半运行试验。另外还完成汽轮机汽缸密封面修复、热网循环主轴磨损面修复。到目前为止，采用该工艺已成功修复相关类型转子近二十根，相关部件几十件，获得巨大经济效益和社会效益。

关键词

电火花堆焊、电厂、磨损、修复

1.引言

电力工业作为国民经济的基础产业，一直是国家发展的重点对象。近二十年是我国电力发展史上发展最快，成就最大的时期。截止到1998年，我国电力装机容量达到277 289MW，全年发电量达11 576亿千瓦小时，全国大型火力发电厂（装机容量1000MW以上）已达68家[1]。

随着电厂数量增加、单机容量和参数不断提高，机组维护、修复也日趋复杂重要。作为汽轮机发电机组心脏部件——发电机转子，其运行精度高，运转速度快，制造成本高，一旦损坏，将直接导致整个机组输出功率下降甚至瘫痪。曾采用热喷涂、氩弧焊、贴片机、电刷镀等多种工艺进行修复 [2]，但修复后的实际实用效果均不令人满意。

本文采用中国农业机械化科学研究院表面工程技术研究所研制生产的DZ-1400型电火花堆焊设备（简称 ESD）对磨损的发电机转子密封段轴径现场修复，获得满意效果和成功经验，现已完成近二十根磨损转子轴径的修复，其中修复后运行时间最长的已超过两年半。实践证明，电火花堆焊工艺在电厂部件的修复中发挥重要作用，产生出巨大经济效益和社会效益。

2.发电机转子轴径的磨损[3]

0.125mm。一但轴径磨损或拉伤，密封层中油压难以维持均衡，氢气就会泄露，轴径与瓦间密封层被完全破坏，转子的高速运转受到阻碍，严重时可导致机组不能工作。图1是转子轴径磨损后的示意图3.电火花堆焊及相关工艺比较~为保证转子高速运行和冷却效果，转子轴与瓦间由氢气、油、水组成的三级密封层。运行中轴径与轴瓦的间隙保持在0.075电火花堆焊工艺有别于焊接、喷涂或元素渗入等工艺。简单地讲，是介于它们中间的工艺，间有焊接等工艺的一些特点，又有热输入量小、焊层与母材冶金结合等独特优点的工艺。在某些特殊要求应用上，电火花堆焊工艺弥补了其他工艺的不足（工作原理另文发表）。表1是电火花堆焊工艺与其他工艺比较。

3.试验与结果

3.1 试样的制备

50mm10mm根据转子轴径的通用材料，选择35CrMoA作为试样基体材料，尺寸为25mm6.0mm的因康镍高合金棒作为堆焊电极，化学成分如 表2 堆焊电极成分。

3.2堆焊电极材料的选择是根据工厂要求：堆焊层硬度与基体一致，具有自润滑、自磨光、抗气蚀特性与高合金含量。

车削法电刷镀贴片法电火花堆焊

优点

1. 加工精度高

1. 适合现场处理

2. 费用低

3. 保证原设计尺寸

1. 适合现场处理

2. 效率高

1. 现场施工

2. 周期短

3. 保证原尺寸

4. 结合强度高

5. 残余应力极小

缺点

1. 轴径尺寸减小

2. 需要重新配瓦、零件互换性差。

3. 周期长、费用高、现场处理难度大

1. 结合强度低

2. 镀层厚度有限

3.铜镀层耐磨性能差，且容易形成原电池腐蚀。

1.贴片层间孔隙率高

2.结合强度低——效率较低

表2 堆焊电极成分

Ni Cr Fe Mo Mn Si Other

70 14 4.5 --- 7.8 0.5 Bar

3.2 试验分析

用砂纸、铜丝刷清除试样表面的氧化物，然后用丙酮溶液清洗试样表面油污。将试样基体与电火花堆焊机的地线紧固连接，在试样表面堆焊，堆焊厚度为1mm。

3000），可知：′电火花堆焊后，用线切割方法获得堆焊层截面，并制备金相试样。图5是堆焊层截面金相照片（

（1）堆焊层无气孔、氧化物夹渣、裂纹等焊接缺陷。

（2）堆焊层、母材过渡层的晶粒细小，无长大倾向。

（3）堆焊层组织为极细小柱状晶结构，证明该堆焊层具有良好的耐腐蚀、耐磨损性能。

︳堆焊层︱︱基体︱

基体的显微硬度测定，可知堆焊层、热影响区的平均硬度为HV220，这与基体硬度极其接近。T热影响区Tm。这不仅证明电火花堆焊可得到与母材良好冶金结合的堆焊层，还显示堆焊热影响区极窄，焊接残余应力可忽略不计。图6是堆焊层m图5是堆焊层Ni、Cr元素的能谱分析，经测量，电火花堆焊的热影响区厚度仅为10

3.3 结果

m），堆焊层硬度与基体硬度相符。上述分析结果符合电站方面对电机转子轴径修复的要求。图7、8是修复后的发电机转子轴径。m试验证明，采用电火花堆焊工艺堆焊因康镍合金，堆焊层与母材冶金结合，无焊接缺陷。焊后热影响区极窄（当堆焊层达到1mm时，热影响区仅为0.01

4. 电厂其他部件应用

近两年，采用电火花沉积堆焊工艺成功解决电厂关键部件的修复及表面强化问题，如汽轮机汽缸密封面冲蚀修复，热网循环泵主轴磨损面修复等。图9、10分别是采用电火花堆焊工艺修复的工作照片。

5. 结论

1. 电火花堆焊层与母材冶金结合，堆焊热影响区极窄，残余应力可忽略不计。

2. 采用电火花堆焊工艺对电厂关键部件损坏进行修复，可在线操作，工艺简单。补焊后加工量小，减少停机时间。

3. 电火花堆焊工艺在电厂具有广泛的应用前景，蕴藏着巨大经济效益和社会效益。

参考文献

[1] 电力可靠性管理中心，全国大机组手册[M]，1998，4

[2] 电站焊接技术展望[C]，中国电机工程学会建会六十周年学术报告论文专集

[3] Williams A,D.,Humphries J.L.第十五届国际热喷涂大会（ITSC’98）论文精选

挤压辊堆焊方法

迁安协兴水泥厂采用手工电弧焊，堆焊双辊破碎机辊面，取得了使用寿命达10个月,破碎熟料15万吨的效果。堆焊要点如下：

（1）焊条的选用：要选用D－65、D－667和506焊条，堆焊前，按焊条使用说明，将焊条烘干，放在保温箱中备用。（使用506级别的焊接材料会造成严重的剥落。选用堆焊打底的材料应选用100S-G以上级别的焊接材料）

（2）辊面处理：辊面修复可分为局部直接补焊和整体清除后整体补焊两种方法，也可以说是两个过程。沿辊宽方向的不均匀磨损和花纹、硬质点的不均匀磨损以及辊面的整体磨损，可采取局部修复方法直接补焊；在经过5-6次直接补焊以后，由于母体反复承受高挤压应力作用，焊接微裂纹不断扩展，磨辊表面会产生一定厚度的疲劳层，此时若再用耐磨修复焊条直接补焊，易产生层间脱落，故需对磨辊表面疲劳层彻底清理后再进行耐磨层堆焊。协兴水泥厂对辊面的修复为整体清除后补焊。无论是直接补焊还是整体清除后补焊，磨辊的圆度误差和两辊直径误差都不能过大，否则会引起辊压机水平振动和两磨辊不均匀载荷加大。清理辊面疲劳层，可用碳弧气刨进行清理，要将辊面的疲劳层刨净，使辊子露出母材层。堆焊前，要按焊条使用说明，对焊条进行烘干，对焊件预热，焊后缓冷。

（3）要选用功率为10千伏安以上的直流或20千伏安以上的交流电焊机。使用直流焊机要反接（焊条接正极）。堆焊时，用交流焊机要求空载电压≥70V，电流应掌握在200A左右。如空载电压低于70V时，要加大电流，以焊条和母材充分溶合为准。焊道宽度和高度的比例以3:1为宜。这样才真正和母材熔结牢固，形成所需的耐磨组织。

（4）堆焊次序及厚度：辊面预热后，要先用506焊条堆焊1－3层，将辊找圆。然后均匀地堆焊数层D－667，达到应有厚度。D－667焊层堆焊完后，再堆焊一层D－65，堆焊厚度为3－5mm；D－65焊层堆焊后，再用D－65堆焊一层凌形花纹。(辊面磨损的产生，须同时具备粉碎物料所需的压力和相对滑动两个因素。压力由物料性质所决定，通常难以改变。而通过辊面花纹形式来减少物在挤压过程中与辊面的相对滑动，较容易些。国内早期使用的人字形花纹虽然能阻止物料的圆周滑动，但并未制约对物料在挤压过程中的轴向滑动，尤其在挤压颗粒较小的物料时，磨损更为严重。与此相比，采用凌形花纹且中间加硬质点的辊面，耐磨性为最好。)凌形花纹的边长为4－5cm，焊道宽度为1cm左右，高度为4mm左右。各耐磨层的厚度要力求均匀一致，以使挤压辊在使用过程中永远保持圆形。

（5）堆焊时，要三班倒，歇人不歇马，使焊件长时间地保持较高的温度。

等离子弧堆焊

原理

耐磨材料等离子弧堆焊技术是采用等离子弧堆焊方法，利用等离子弧的高温，电流密度大的特点。将高硬度质颗粒均匀地钎镶于堆焊层金属中,而硬质颗粒不产生熔化或很少产生熔化.形成复合堆焊层.这种复合堆焊层是由两种以上在宏观上具有不同性质的异种材料组成.一种是在堆焊层中起主要耐磨作用的碳化物硬质颗粒,一般为铸造碳化钨,碳化铬,碳化硼,烧结碳化钨等.从原则上讲各种碳化物,硼化物甚至硬度更高的金刚石都可以作为复合堆焊层的组成物.目前国内外工业上复合材料等离子弧堆焊应用焊接较多的硬质颗粒是铸造碳化钨,它是由共晶组成,硬度为250～300.堆焊层的另一种组成金属是起"牯结"作用的基材金属,也称之为胎体金属,它是堆焊层中的基体.一般认为,硬质颗粒与胎体金属的结合是钎焊结合,堆焊层与母材的结合为冶金结合.

特点

采用等离子弧堆焊技术获得的复合堆焊层质量稳定可靠.复合材料等离子弧堆焊技术的最新进展可使堆焊层达到无气孔,裂纹及碳化物烧损,熔解等缺陷.碳化物颗粒在堆焊层中分布均匀.

耐磨材料堆焊层耐磨性高,在磨损严重的工况条件下,复合堆焊层的耐磨性表现尤为突出,可较通常的铁,钴,镍基舍金表面保护层提高耐磨使用寿命几倍甚至十几倍.

具有较高的结合强度.由于堆焊层与被保护工件表面是冶金结合,因此可以满足很高的强度要求.同热喷涂获得的复合耐磨保护层比较,堆焊层结合强度是热喷涂层结合强度的3—8倍.

复合堆焊层能满足一定的抗冲击要求.例如,水泥生产设备的石灰石破碎机锤头,由于在磨损过程中所受的冲击力较大,一般采用高锰钢材料,使用寿命较低,在表面堆焊高碳高铬合金后,易造成堆焊层破碎剥离,若采用复合耐磨堆焊层可避免这种情况发生,并且耐磨性明显提高.

可实现高教自动化生产,降低工人劳动强度,改善作业条件.提高劳动生产率.