CN107671450A - 抛丸机叶片堆焊材料及堆焊工艺 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种抛丸机叶片堆焊材料及堆焊工艺，抛丸机叶片的工作面采用堆焊工艺堆焊熔敷金属，焊条药芯中加入碳化钽，细化晶粒，使堆焊材料熔敷金属的焊态硬度高，且具有高强度、高硬度，同时具备一定的韧性的特点，明显改善叶片的耐磨性；同时，加入的稀土氧化物能够净化金属，细化堆焊金属中的夹杂物，改变夹杂物形貌，减少夹杂物数量，从而提高堆焊质量。当工作面磨损失效后，经简单粗车及清理及堆焊工艺后，便可继续使用，减少了浪费，降低了成本。

Description

抛丸机叶片堆焊材料及堆焊工艺

技术领域

本发明涉及一种抛丸机叶片的堆焊材料，本发明还涉及一种抛丸机叶片堆焊工艺。

背景技术

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。堆焊是在工件的表面或边缘进行熔敷一层耐磨、耐蚀、耐热等性能金属层的焊接工艺。堆焊对提高零件的使用寿命，合理使用材料，提高产品性能，降低成本有显著的经济效益。不同的工件和堆焊焊条要采用不同的堆焊工艺，才能获得满意的堆焊效果。

由于抛丸机叶片工作在一个承受持续弹丸的冲击力及磨损的工作环境中，因此叶片磨损失效是最常见的失效形式。叶片失效后就不得不重新更换新的叶片，造成了严重的浪费。

尽管堆焊在工业部门被广泛的应用，但能否用于抛丸机叶片的维修或者制作，还需要考虑抛丸机叶片所处的摩擦环境。抛丸的弹丸在叶片表面的速度可以达到60米/秒，并且弹丸并非理想的球型，尤其是为了节约成本，弹丸通常要回收利用，新的弹丸都要混入一定量的回收到的弹丸。被回收利用的弹丸因产生了机械撞击而使其圆度变得更差，并且很大比例的回收得到的弹丸本身会存在凹坑或者破损，这些弹丸会对叶片产生比较大的磨损。因此，用于叶片堆焊的材料相比于其他工业部门的应用，应具有更加良好的耐磨性。

中国专利文献CN102825554A公开了一种复合叶片，其直接在常规叶片基体上焊接一个钨钴类硬质合金层，可以延长叶片的使用寿命。但由于该类叶片成型工艺是将预先成型的两个片体直接焊接成型，焊缝往往在两个片体结合的边缘，焊接强度相对较低。并且从其发明构思上看，由于是预先成型件的再成型，基于该构思无法满足常规叶片的维修。

目前提高叶片使用寿命的方式主要是在常规叶片基体上焊接或者熔接具有耐磨性能比较好的材质层，其本质上都是增加叶片本体的使用寿命，而由于叶片失效存在不一致性，叶片表面各个部分受到的摩擦也不一致，造成叶片各个部分的磨损不一致，全部采用使用寿命比较长的材质制作叶片，整体成本偏高。

发明内容

本发明的目的在于通过堆焊直接对叶片需加强的部位进行加强的抛丸机叶片堆焊材料，本发明还适配一种抛丸机叶片的堆焊工艺。

依据本发明的实施例中，提供一种抛丸机叶片堆焊材料，该堆焊材料被制备为焊丝，其熔敷金属包括以下质量百分比的组分：

石墨 0.6~1.2%；

W 45~60%；

Mn 4~8%；

Co 5~10%；

TaC 0.5~2.0%；

Ti 0.5~4.0%；

稀土氧化物：0.05%~0.4%；

余量为铁及不可避免的杂质。

上述抛丸机叶片堆焊材料，可选地，所述稀土氧化物为Ce₂O₃。

可选地，W采用平均粒度为60纳米的钨粉。

可选地，TaC的平均粒度为50纳米。

依据本发明的实施例，还提供了一种叶片堆焊工艺，其中，堆焊材料成型为焊条，其特征在于，包括以下步骤：

1）提供叶片基体，该叶片基体的待焊表面留有加工余量；

2）在待焊表面进行堆焊；

3）打磨堆焊后的叶片。

上述叶片堆焊工艺，可选地，在堆焊前，需对焊条烘干，并对叶片基体进行预热。

可选地，对焊条烘干的方法是对焊条进行加热，加热的目标温度是350～400℃，对焊条加热到目标温度后，保温时间不少于90分钟；

对叶片预热的预热温度是350-450℃，预热时间不少于25分钟。

可选地，在进行步骤3）前需对步骤2）所获得焊件进行热处理，热处理温度为600~670℃，热处理时间在25~35分钟；

然后将热处理后的焊件缓慢冷却，冷却速度为5℃/min。

可选地，步骤2）中堆焊时，在给定的堆焊区域内，相邻焊道需重叠，重叠量为焊道宽度的1/3~1/2。

可选地，步骤2）中堆焊采用直线运条堆焊，焊深小于等于4mm时，采用表面堆焊；

焊深大于4mm时，堆焊层焊2～3层；

多层堆焊时相邻堆焊层的焊道方向交错。

与传统的叶片相比，依据本发明的堆焊叶片，工作面采用堆焊工艺堆焊熔敷金属，焊条药芯中加入碳化钽，细化晶粒，使堆焊材料熔敷金属的焊态硬度高，且具有高强度、高硬度，同时具备一定的韧性的特点，明显改善叶片的耐磨性；同时，加入的稀土氧化物能够净化金属，细化堆焊金属中的夹杂物，改变夹杂物形貌，减少夹杂物数量，从而提高堆焊质量。当工作面磨损失效后，经简单粗车及清理及堆焊工艺后，便可继续使用，减少了浪费，降低了成本。

附图说明

图1为一种直叶片结构示意图。

图2为一种前曲叶片结构示意图。

图中：1.叶片座，2.待堆焊面，3.叶片基体。

具体实施方式

图1和图2示出了两种比较常见的抛丸机叶片，其中，叶片座1用于叶片在叶轮上的装配，其不予弹丸直接接触，不会产生磨损的问题。叶片以叶片座1为基体，具有片状结构的部分为叶片本体。如图1中所示的直叶片，其工作面通常是图中所标识待堆焊面2所指示的部位，该部位通常与弹丸之间产生剧烈的摩擦，而易于磨损。图2中则是一种前曲叶片结构，属于逆时针曲面，其右侧面为工作面。

如背景技术部分所述，现在的焊接成型的叶片，首先支座叶片基体和耐磨部件，然后两者进行焊接。在图1和图2所示的结构中，叶片基体3相比于叶片目标厚度要薄很多，叶片的目标厚度减去叶片基体3的厚度即为加工余量。

需要说明的是，加工余量并非是堆焊厚度，堆焊所形成的结构并不平整，还需要进行后续加工，以使其平整，获得工作面，形成工作面后所形成的叶片的厚度才是最终的厚度，即目标厚度。

作为堆焊材料，需要将其制作成焊芯，随着技术的发展，目前带有药皮的焊芯逐渐的为芯丝取代，在本发明的实施例，主要将堆焊材料制作成焊丝，用于抛丸机叶片的连续堆焊。焊丝或者说芯丝作为堆焊的熔敷金属供源，其制备与常规的芯丝制备没有太多区别，各组分之间主要是物理反应而不是化学反应，因此，通常是将各组分装入混料机中，混合均匀，然后制丝，一般是将混合均匀的混合料在模腔中进行填充、轧制，将轧制的中间件进行拉拔，制成截面相对均匀的焊丝，例如直径为3mm的焊丝，然后成卷。

对于用于抛丸机叶片堆焊的材料，其各组分的可用范围按照质量百分比如下：

石墨 0.6~1.2%；

W 45~60%；

Mn 4~8%；

Co 5~10%；

TaC 0.5~2.0%；

Ti 0.5~4.0%；

稀土氧化物：0.05%~0.4%；

余量为铁及不可避免的杂质。

其中，稀土氧化物主要用来京华金属，细化堆焊金属中的夹杂物，改变夹杂物形貌，减少夹杂物数量，从而提高堆焊质量。在优选的实施例中，所述稀土氧化物为Ce₂O₃（氧化铈）。

上述各组分都采用粒度相对比较小的粉料，以利于获得较好的混合均匀度，如W（钨）采用平均粒度为60纳米的钨粉，TaC（碳化钽）的平均粒度为50纳米。

对抛丸机叶片进行堆焊工艺，包括如下步骤：

（1）焊前准备：叶片一般是铸造件，在进行堆焊前需要对叶片表面进行粗车加工，图1和图2显示出了叶片堆焊前的状态，待堆焊面2是堆焊的目标面，根据图纸要求在待堆焊面2预留加工余量，以保证堆焊层加工后有4mm以上的高度。

需要说明的是，待堆焊面2各处并不必然具有相同的加工余量，尤其是对于叶片而言，其各处受到的摩擦力并不必然相同，因此，在进行加工余量设计时，叶片的离心端的加工余量通常要大于叶片向心端的加工余量。

（2）焊条使用前必须烘干，以减少水汽所产生的焊接缺陷。焊条中的水汽有浅表水汽和深层水汽，尽可能的将焊条内的水汽释放干净。

水在标准条件下，其沸点是100℃，按照常规的理解，只要对焊条加热的温度高于100℃，就能够使水变成气态。实际上，不仅如此，即便是低于100℃，如果空气中水的饱和度不高，焊条中的水汽也会向空气扩散，只不过速度比较慢。

在本发明的实施例中，提供温度相对比较高的加热条件，加热温度350～400℃，远高于水的沸点，主要通过增加水在高温下的活性，对焊条中较深层次的水清除的相对干净。

即便是采用相对较高的温度，仍然需要有充分长的时间，以使水汽充分挥发出来，在前述的加热温度所确定的温度环境下（一般采用恒温烘箱）保温时间不少于90分钟。保温时间也不宜过长，否则会造成不必要的浪费，并且工时也会偏长，造成生产效率低下，一般优选120分钟。

同时，最好粗车加工后的工件（叶片）进行预热（在恒温烘箱内预热），预热的目的在于，由于堆焊时的温度非常高，会使叶片基体3的温度产生剧烈变化，叶片基体3各处热膨胀变形不一致，而产生比较强的焊接应力，易于产生裂纹。对叶片进行预热有利于减小焊接温阶，降低焊接应力和其他焊接缺陷。

叶片是金属件，自身热传导能力比较强，预热时间不少25分钟基本可以保证热透。叶片预热的预热温度为350-450℃。

（3）叶片的堆焊：采用前述的焊丝配以钨极氩弧焊焊接叶片，焊道一般为脊状结构，即其横截面形状与液体因表面张力所呈现的状态非常类似，如果焊道间存在距离，会存在焊沟，无法形成平整的叶片工作面，因此，再进行堆焊时焊道在其宽度方向上重叠1/2～1/3，使所形成堆焊面高差尽可能小，可以减小后续加工的去除量。

（4）焊后热处理：堆焊完成后，对堆焊工件和堆焊层进行焊后加热，该加热主要是回火，用于改善堆焊后工件的内部组织。

如前所述，焊接时会产生焊接应力，会使工件变脆，回火处理可以有效的消除焊接应力。

在优选的实施例中，对工件进行回火的温度为650℃，保温时间30分钟。

在对回火后的工件进行冷却时，最好有控制的进行冷却，避免温度急剧变化，造成工件表面各处或者表层与深层间温度变化不一致，产生内应力。在优选的实施例中，回火后的工件可以随炉冷却，逐渐降低例如回火炉中的温度，冷却速度优选为5℃/min。

（5）最后对工件进行表面打磨，在于如前所述，焊接质量再高，堆焊所形成的表面也会存在高差，通过打磨，消除高差，使最终叶片工作面的粗糙度达到图纸要求。

打磨一般采用精磨。

在一些应用中，可以采用人工使用手砂轮按图纸要求打磨堆焊的叶片。

此外，关于叶片基体3，其材料优选为高锰钢。高锰钢是指锰含量（质量百分比）大于等于10%以上的合金钢。相比于普通的叶片，其更适于堆焊。

进一步的，在本实施例中，上述步骤（3）中所述焊机采用直流弧焊发电机，焊接工艺参数为：采用钨极氩弧焊焊接时，焊接电流为260A～380A；电压为26V～30V；Ar气流量为9L/min～16L/min，此处的工作参数记为标准工作参数。

进一步的，上述步骤（3）中堆焊第一层时，为减少基体熔深，采用比标准工作参数中焊接电流小的小电流，并采用短弧堆焊；操作中应用直线运条堆焊，深度在4mm以内者可直接进行表面堆焊。

为保证堆焊层的性能，耐磨层的堆焊层焊2～3层以上。多层堆焊时相邻堆焊层的焊道方向最好交错成一定角度，有利于弥合焊道间的焊沟。外表层的焊道方向应尽量为顺流方向。堆焊面积大时，可采用分格堆焊，以减少焊接应力集中。最后堆焊层相较于叶片基体留1mm～2mm高度余量。

进一步的，在所述步骤(3)中，堆焊高度为6mm～10mm。

堆焊材料中加入一定量的钴，它可以将合金组成中其它金属碳化物晶粒结合在一起，使合金具更高的韧性，减少对冲击的敏感性能，并显著增加金属的流动性，增加堆焊熔敷金属的红硬性，提高抗氧化性能，显著地提高堆焊层耐磨性和切削性能。

堆焊材料中纳米碳化钽均布在堆焊层，可起到细化晶粒、增加堆焊材料韧性的作用，显著地提高堆焊层硬度和耐磨性。

进一步的，稀土氧化物为Ce₂O₃。它能够净化金属，改善堆焊熔敷金属夹杂物分布，细化堆焊金属中的夹杂物，改变夹杂物形貌，减少夹杂物数量，同时增加金属的流动性及抑制晶粒长大，提高堆焊材料的韧性及抗裂性能。

堆焊材料中加入碳化钽，明显增加形核数目，抑制晶体增长，从而增强堆焊层的硬度、耐磨性以及耐冲击性。

钨极氩弧焊堆焊可见度好，堆焊层形状容易控制，且电弧稳定、无飞溅、堆焊层质量优良，堆焊工件吸热少，变形小、质量高等优点，且可堆焊小的和形状复杂的工件。

与传统的叶片相比，本发明实施例所形成的堆焊叶片，以高锰钢为基体，工作面采用堆焊工艺堆焊熔敷金属，焊条原料中加入纳米碳化钽，细化晶粒，使堆焊材料熔敷金属的焊态硬度高，且具有高强度、高硬度，同时具备一定的韧性的特点，明显改善叶片的耐磨性；同时，加入的稀土氧化物为Ce₂O₃能够净化金属，细化堆焊金属中的夹杂物，改变夹杂物形貌，减少夹杂物数量，从而提高堆焊质量。当工作面磨损失效后，经简单粗车及清理及堆焊工艺后，便可继续使用，减少了浪费，降低了成本。

表1为抛丸机叶片堆焊材料的实施例1~实施例6。

表1

实施例1~实施例6所得叶片的力学性能如表2所示：

由上述力学性能可以看出，随着纳米碳化钽的加入，材料的强度、硬度、冲击韧性都得到了大幅度提升，当碳化钽的加入量为1.2g的时候，各项力学性能达到最佳；将上述纳米碳化钽换成普通碳化钽的时候，力学性能有明显下降，表明纳米级碳化钽比一般碳化钽具有更好的改善力学性能的作用；同时实施例5为不进行预热的案例，从实施例2与实施例5比较可以发现，预热可以明显改善材料的力学性能。

Claims (10)

1.一种抛丸机叶片堆焊材料，其特征在于，该堆焊材料被制备为焊丝，其熔敷金属包括以下质量百分比的组分：

石墨 0.6~1.2%；

W 45~60%；

Mn 4~8%；

Co 5~10%；

TaC 0.5~2.0%；

Ti 0.5~4.0%；

稀土氧化物：0.05%~0.4%；

余量为铁及不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的抛丸机叶片堆焊材料，其特征在于，所述稀土氧化物为Ce₂O₃。

3.根据权利要求1所述的抛丸机叶片堆焊材料，其特征在于，W采用平均粒度为60纳米的钨粉。

4.根据权利要求1所述的抛丸机叶片堆焊材料，其特征在于，TaC的平均粒度为50纳米。

5.一种使用如权利要求1~4任一所述的抛丸机叶片堆焊材料的叶片堆焊工艺，其中，堆焊材料成型为焊条，其特征在于，包括以下步骤：

1）提供叶片基体，该叶片基体的待焊表面留有加工余量；

2）在待焊表面进行堆焊；

3）打磨堆焊后的叶片。

6.根据权利要求5所述的叶片堆焊工艺，其特征在于，在堆焊前，需对焊条烘干，并对叶片基体进行预热。

7.根据权利要求6所述的叶片堆焊工艺，其特征在于，对焊条烘干的方法是对焊条进行加热，加热的目标温度是350～400℃，对焊条加热到目标温度后，保温时间不少于90分钟；

对叶片预热的预热温度是350-450℃，预热时间不少于25分钟。

8.根据权利要求5~7任一所述的叶片堆焊工艺，其特征在于，在进行步骤3）前需对步骤2）所获得焊件进行热处理，热处理温度为600~670℃，热处理时间在25~35分钟；

然后将热处理后的焊件缓慢冷却，冷却速度为5℃/min。

9.根据权利要求5~7任一所述的叶片堆焊工艺，其特征在于，步骤2）中堆焊时，在给定的堆焊区域内，相邻焊道需重叠，重叠量为焊道宽度的1/3~1/2。

10.根据权利要求9所述的叶片堆焊工艺，其特征在于，步骤2）中堆焊采用直线运条堆焊，焊深小于等于4mm时，采用表面堆焊；

焊深大于4mm时，堆焊层焊2～3层；

多层堆焊时相邻堆焊层的焊道方向交错。