CN109693026A - 一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法 - Google Patents
一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法 Download PDFInfo
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Abstract
本发明涉及焊接技术领域，由于目前缺少能够在进行大面积等离子堆焊过程中不产生裂纹同时能够保证堆焊后的堆焊层硬度能够满足标准ROC‑MR的要求的堆焊方法，本发明提供了一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法：对工件待堆焊面进行清理，再将待堆焊面划分为若干块连续焊面，每两块相邻的堆焊层之间留有空隙；将先将工件整体加热，保持温度，使用焊粉对连续焊面逐个进行采用等离子弧连续堆焊，然后将工件进行第一次热处理，处理后将工件冷却至室温；再将工件加热至600℃以上，保持温度，使用焊丝对空隙进行补焊，形成补焊层，对补焊层进行第二次热处理，随后将工件冷却至室温。本发明具有无裂纹，同时兼具有良好的硬度和耐磨性的优势。
Description
技术领域
本发明涉及焊接技术领域，具体而言涉及一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法。
背景技术
堆焊是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方法。其具有经济快速的优势，目前常用的堆焊方法有等离子堆焊，氩弧焊，氧乙炔焊等方式，其中等离子堆焊是以等离子弧作为热源，应用等离子弧产生的高温将合金粉末与基体表面迅速加热并一起熔化、混合、扩散、凝固，等离子束离开后自激冷却，形成一层高性能的合金层，从而实现零件表面的强化与硬化的堆焊工艺，等离子具有结合强度高，稀释率低，堆焊层组织致密，堆焊效率高的优势，因此具有较为广泛的应用。
申请号CN201210447249.8的专利公开了一种燃气轮机燃烧室司太立合金堆焊方法，一、对工件焊接区域进行清理；二、采用炉窑设备对工件加热；三、使用直流氩弧焊机对工件焊接司太立合金；四、工件无裂纹焊接缺陷后，对其进行热处理，即完成了燃气轮机燃烧室司太立合金的堆焊，但是在进行大面积司太立合金外圆等离子堆焊时，如果工件尺寸较大，此时需要连续堆焊的面积也会较大，此时如果对堆焊层的厚度要求较大时，焊接过程中累加的残余应力较大，在堆焊层很容易产生裂纹，而且由于一些特定的部件对于堆焊层硬度和耐磨性具有较高的要求，如快堆泵轴承等部件，针对这些部件的堆焊过程不能通过降低堆焊层硬度来减少裂纹产生。目前国内没有公开一种能够在进行大面积等离子堆焊过程中有效控制裂纹产生同时能够保证堆焊后的堆焊层硬度能够满足标准RCC-MR的要求的堆焊方法。
因此目前需要一种堆焊层无裂纹产生同时堆焊层兼具有良好的硬度和耐磨性的用于外圆大面积堆焊的组合堆焊方法。
发明内容
为了解决上述问题，提供一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，本发明采用以下技术方案：
一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，包括以下步骤：
对工件待堆焊面进行清理；
将所述的工件待堆焊面划分为若干块连续焊面，所述的每两块相邻的堆焊层之间留有空隙；
将所述的先将工件整体加热至500-550℃，保持温度，使用焊粉对所述的连续焊面逐个采用等离子弧进行连续堆焊，在所述的焊面上堆焊出堆焊层；
将经过步骤（3）处理的工件进行第一次热处理，然后冷却至室温；
将经过步骤（4）处理的工件加热至600℃-650℃，保持温度，使用焊丝对所述的空隙进行补焊，形成补焊层，对所述的补焊层进行第二次热处理，将工件冷却至室温。
首先本发明为了解决由于堆焊的面积较大，造成的焊接过程中累加的残余应力较大，在堆焊层很容易产生裂纹的问题，将工件待堆焊面划分为若干块连续焊面，此时采用等离子弧连续堆焊的方法在工件外圆上进行连续堆焊，这样每一块堆焊层的面积均可以控制在较小的范围内，从而可以降低堆焊层内部的应力，从而保证堆焊层上不产生裂纹。其次本发明的堆焊层部分的堆焊采用等离子弧焊，机械化程度高，工作效率高，后期补焊采用手工氩弧焊，电弧能量密度更低，焊道两侧温度场更加平缓，焊接应力更小，开裂风险更小。
作为优选，所述的每块堆焊层的面积小于等于1平方米，所述的空隙的宽度为10-20cm。
当连续堆焊的面积小于1m2时，堆焊层具有较大的抗裂纹能力，而采用10-20cm的空隙宽度将相邻的堆焊层分开，有助于减少各堆焊层之间的温度差对堆焊层结构的影响，由于堆焊先后有时间差距，因此后进行的堆焊的堆焊层温度高，先进行的堆焊的堆焊层逐渐冷却温度低，此时如果空隙较小则后进行的堆焊的堆焊层由于热传递作用使得先进行的堆焊的堆焊层靠近后进行的堆焊的堆焊层的部分温度上升。造成同一堆焊层内产生温度差，从而加强堆焊层内的内应力，因此本发明采用了10-20cm的空隙将相邻的堆焊层分开，避免了上述情况的发生。
作为优选，在步骤（3）所述的等离子弧连续堆焊过程中，堆焊电流为180-210A，堆焊速度为100-130mm/min，所述的堆焊层中的单层厚度为3-3.5mm。
作为优选，在步骤（3）过程中，所述的等离子弧连续堆焊的堆焊层数为2层。
本发明采用了堆焊层中的单层厚度为3-3.5mm，堆焊层数为2层的方案，由于对于一些部件的堆焊层厚度要求≥6mm，因此等离子堆焊需要堆焊2层或者3层，若采用3层的堆焊工艺，导致工期延长，提高成本，而且由于堆焊层之间的内应力作用，开裂风险也大很多，因此本发明采用了2层的堆焊方案。
作为优选，所述的焊粉采用Co112F焊粉，所述的Co112F焊粉中各组分按重量百分比构成计：C：1.2-1.7%，Cr：28-32%，W：8.0-9.5%，Mn：≤0.5%，Ni：≤3.0%，Mo：≤1.0%，Fe：≤3.0%，Si:≤2.0%，S:≤0.01% ，P:≤0.01%，Co为余量。
本发明采用了以上成分的焊粉，有助于提高本发明硬度，且有助于保持本发明硬度在47-53HRC之间，从而保证本发明堆焊层具有；良好的耐磨性。
作为优选，所述的补焊时所用的焊丝采用Co112焊丝，所述的Co112焊丝中各组分按重量百分比构成计：C：1.2-1.7%，Cr:28-32%，W:8.0-9.5%，Mn:≤0.5%，Ni≤3.0%，Mo:≤1.0%，Fe:≤3.0%，Si:≤2.0%，S:≤0.01% ，P:≤0.01%，Co为余量。
本发明采用了该组分的焊丝可以在较低的温度下完成补焊，有助于减少裂纹产生的可能性，同时保持本发明整体上具有良好的硬度和耐磨性。
本发明在等离子连续堆焊时采用的预热温度是500-550℃，是因为等离子连续堆焊的时间很长，约为48h以上，奥氏体不锈钢若在高温区间保持很长时间，表面会发生氧化，产生氧化渣，容易造成焊缝根部出现夹渣、未熔合等缺陷。另一方面，外圆堆焊的钴基司太立合金硬度高，约为47-53HRC，实际在51HRC左右，该钴基司太立合金与奥氏体不锈钢的线膨胀系数相差较大，焊接过程中会产生较大的残余应力，再加上该合金延伸率很低，室温时延伸率低于1%，因此焊接过程中具有很大的开裂倾向，必须预热到较高的温度，来减少残余应力，降低开裂倾向。工件预热在500-550℃范围内，既保证其连续堆焊区域不产裂纹，又不造成之后需要堆焊的区域奥氏体不锈钢母材发生氧化。
而且在手工氩弧焊最后补焊时，因为补焊的面积较小，在高温段需要保持的时间短，并且钴基合金在高温环境具有抗氧化能力，因此可以在这段区域将预热温度提高到600-650℃，这样能够更好的减少残余应力，方便将工件表面的堆焊层连接为一个整体，又能避免工件表面发生氧化，影响焊接质量。
作为优选，所述的第一次热处理采用以下步骤：将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至850-900℃，保温2.5-4h，在所述的第一次热处理过程中的升温速率小于等于60℃/h；在所述的步骤（4）的冷却过程中降温速率小于等于30℃/h。
此时本发明采用2层的堆焊工艺，虽然厚度达到了要求但是堆焊层的硬度较难满足47-53HRC的要求，因此本发明通过将工件加热，一方面可以消除内应力的影响，另一方面可以将堆焊层的硬度提高约2HRC，将本发明堆焊层的硬度控制在47-53HRC范围内，堆焊层硬度最大差≤4HRC。
作为优选，在步骤所述（5）的所述的补焊采用手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，补焊过程中的焊接电流为150-180A，焊接电压为14-16V，焊接速度为80-130mm/min。
首先本发明采用了手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，这是由于等离子弧焊的温度较高，能量密度也很高，如果直接采用该种方式进行补焊极有可能会造成焊堆层温度差过大应力过于集中而产生裂纹。
作为优选，所述的手工氩弧焊补焊的层数为4层。
作为优选，所述的第二次热处理采用以下步骤：将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至600-700℃，保温2.5-3.5h，在所述的第二次热处理过程中的升温速率小于等于60℃/h；在所述的步骤（5）的冷却过程中降温速率小于等于30℃/h。
本发明在补焊的过程中由于补焊的焊接的层数更多，因此在同一堆焊层厚度位置的稀释率会更低，因此对补焊层采用另一种制度进行热处理，本发明采用了600-700℃的温度进行热处理，这是因为当热处理温度过高时补焊层的硬度会增加，容易超出47-53HRC的范围，而采用600-700℃的温度可以使得补焊层具有合理的硬度，以满足等离子2层堆焊区域和手工氩弧焊4层补焊区域硬度均符合47-53HRC，且所有堆焊层区域的硬度最大差≤4HRC。
本发明具有无裂纹，同时兼具有良好的硬度均匀性和指定硬度范围，有助于减少成本的优势。
具体实施方式
下面结合具体实施案例对本发明作进一步限定：
实施例1
一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，需堆焊的工件为直径φ650mm，长度900mm的圆筒，材料为F316奥氏体不锈钢锻件，在外圆进行堆焊，包括以下步骤：
对工件待堆焊面进行清理；
将工件沿着轴向将待堆焊面划分为三个连续焊面，三个连续焊面的宽度分别为240mm，400mm，240mm，每两块相邻的堆焊层之间留有10mm的空隙；
将先将工件整体加热至550℃，保持温度，使用焊粉对连续焊面逐个进行采用等离子弧连续堆焊，堆焊电流为180A，堆焊速度为100mm/min，堆焊层中的单层厚度为3mm，堆焊层数为2层，在焊面上堆焊出堆焊层；
将堆焊后的工件冷却至120℃，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至870℃，保温3h，升温速率为60℃/h，然后将工件取出后冷却至室温，在冷却过程中降温速率为30℃/h;
将经过步骤（4）处理的工件加热至600℃，保持温度，使用焊丝对空隙进行补焊，补焊采用手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，补焊过程中的焊接电流为150A，焊接电压为14V，手工氩弧焊补焊的层数为4层，焊接速度为80mm/min，形成补焊层，将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，加热至650℃，保温2.5h，升温速率为60℃/h；再将工件冷却至室温，冷却过程中降温速率为30℃/h。
其中，焊粉采用Co112F焊粉，Co112F焊粉中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr：28%，W：8.0%，Mn：0.5%，Ni：3.0%，Mo：1.0%，Fe：3.0%，Si：2.0%，S：0.01% ，P：0.01%，Co为余量。
其中补焊时所用的焊丝采用Co112焊丝，Co112焊丝中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr:28%，W:8.0%，Mn:0.5%，Ni3.0%，Mo:1.0%，Fe:3.0%，Si:2.0%，S:0.01% ，P:0.01%，Co为余量。
对该工件进行检测，肉眼观察该工件表面堆焊层无裂纹，然后对堆焊层进行PT检测和UT检测，均无缺陷显示，硬度为51.3RH，可见该实施例产品具有无裂纹且兼具良好硬度和耐磨性的优势。
实施例2
一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，需堆焊的工件为直径φ500mm，长度1200mm的圆筒，材料为F316奥氏体不锈钢锻件，在外圆进行堆焊，包括以下步骤：
对工件待堆焊面进行清理；
将工件沿着轴向将待堆焊面划分为三个连续焊面，三个连续焊面的宽度分别为280mm，600mm，280mm，每两块相邻的堆焊层之间留有20mm的空隙；
将先将工件整体加热至550℃，保持温度，使用焊粉对连续焊面逐个进行采用等离子弧连续堆焊，堆焊电流为210A，堆焊速度为130mm/min，堆焊层中的单层厚度为3.5mm，堆焊层数为2层，在焊面上堆焊出堆焊层；
将堆焊后的工件冷却至120℃，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至870℃，保温3h，升温速率为60℃/h，然后将工件取出后冷却至室温，在冷却过程中降温速率为30℃/h；
将经过步骤（4）处理的工件加热至650℃，保持温度，使用焊丝对空隙进行补焊，补焊采用手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，补焊过程中的焊接电流为180A，焊接电压为16V，手工氩弧焊补焊的层数为4层，焊接速度为130mm/min，形成补焊层，将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，加热至650℃，保温2.5h，升温速率为60℃/h；再将工件冷却至室温，冷却过程中降温速率为30℃/h。
其中，焊粉采用Co112F焊粉，Co112F焊粉中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr：28%，W：8.0%，Mn：0.5%，Ni：3.0%，Mo：1.0%，Fe：3.0%，Si：2.0%，S：0.01% ，P：0.01%，Co为余量。
其中补焊时所用的焊丝采用Co112焊丝，Co112焊丝中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr:28%，W:8.0%，Mn:0.5%，Ni3.0%，Mo:1.0%，Fe:3.0%，Si:2.0%，S:0.01% ，P:0.01%，Co为余量。
对该工件进行检测，肉眼观察该工件表面堆焊层无裂纹，然后对堆焊层进行PT检测和UT检测，均无缺陷显示，硬度为51.5RH，可见该实施例产品具有无裂纹且兼具良好硬度和耐磨性的优势。
实施例3
一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，需堆焊的工件为直径φ600mm，长度1000mm的圆筒，材料为F316奥氏体不锈钢锻件，在外圆进行堆焊，包括以下步骤：
对工件待堆焊面进行清理；
将工件沿着轴向将待堆焊面划分为三个连续焊面，三个连续焊面的宽度分别为235mm，500mm，235mm，每两块相邻的堆焊层之间留有15mm的空隙；
将先将工件整体加热至550℃，保持温度，使用焊粉对连续焊面逐个进行采用等离子弧连续堆焊，堆焊电流为200A，堆焊速度为120mm/min，堆焊层中的单层厚度为3mm，堆焊层数为2层，在焊面上堆焊出堆焊层；
将堆焊后的工件冷却至120℃，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至870℃，保温3h，升温速率为60℃/h，然后将工件取出后冷却至室温，在冷却过程中降温速率为30℃/h；
将经过步骤（4）处理的工件加热至620℃，保持温度，使用焊丝对空隙进行补焊，补焊采用手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，补焊过程中的焊接电流为160A，焊接电压为15V，手工氩弧焊补焊的层数为4层，焊接速度为100mm/min，形成补焊层，将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，加热至650℃，保温2.5h，升温速率为60℃/h；再将工件冷却至室温，冷却过程中降温速率为30℃/h。
其中，焊粉采用Co112F焊粉，Co112F焊粉中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr：28%，W：8.0%，Mn：0.5%，Ni：3.0%，Mo：1.0%，Fe：3.0%，Si：2.0%，S：0.01% ，P：0.01%，Co为余量。
其中补焊时所用的焊丝采用Co112焊丝，Co112焊丝中各组分按重量百分比构成计：C：1.2%，Cr:28%，W:8.0%，Mn:0.5%，Ni3.0%，Mo:1.0%，Fe:3.0%，Si:2.0%，S:0.01% ，P:0.01%，Co为余量。
对该工件进行检测，肉眼观察该工件表面堆焊层无裂纹，然后对堆焊层进行PT检测和UT检测，均无缺陷显示，硬度为51.0RH，可见该实施例产品具有无裂纹且兼具良好硬度和耐磨性的优势。
对该工件进行检测，肉眼观察该工件表面堆焊层无裂纹，然后对堆焊层进行PT检测和UT检测，均无缺陷显示，硬度为51.0HRC，硬度最大差为2.4HRC，可见该实施例产品具有无裂纹且兼具良好硬度和均匀性的优势。
Claims (10)
1.一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于，包括以下步骤：
对工件待堆焊面进行清理；
将所述的工件待堆焊面划分为若干块连续焊面，所述的每两块相邻的堆焊层之间留有空隙；
将所述的先将工件整体加热至500-550℃，保持温度，使用焊粉对所述的连续焊面逐个采用等离子弧进行连续堆焊，在所述的焊面上堆焊出堆焊层；
将经过步骤（3）处理的工件进行第一次热处理，然后冷却至室温；
将经过步骤（4）处理的工件加热至600℃-650℃，保持温度，使用焊丝对所述的空隙进行补焊，形成补焊层，对所述的补焊层进行第二次热处理，将工件冷却至室温。
2.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：所述的每块堆焊层的面积小于等于1平方米，所述的空隙的宽度为10mm左右。
3.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：在步骤（3）所述的等离子弧连续堆焊过程中，堆焊电流为180-210A，堆焊速度为100-130mm/min，所述的堆焊层中的单层厚度为3-3.5mm。
4.根据权利要求3所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：在步骤（3）过程中，所述的等离子弧连续堆焊的堆焊层数为2层。
5.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于所述的焊粉采用Co112F焊粉，所述的Co112F焊粉中各组分按重量百分比构成计：C:1.2-1.7%，Cr:28-32%，W:8.0-9.5%，Mn≤0.5%，Ni≤3.0%，Mo≤1.0%，Fe≤3.0%，Si≤2.0%，S≤0.01% ，P≤0.01%，Co为余量。
6.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于所述的补焊时所用的焊丝采用Co112焊丝，所述的Co112焊丝中各组分按重量百分比构成计：C：1.2-1.7%，Cr:28-32%，W:8.0-9.5%，Mn:≤0.5%，Ni≤3.0%，Mo:≤1.0%，Fe:≤3.0%，Si:≤2.0%，S:≤0.01% ，P:≤0.01%，Co为余量。
7.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：所述的第一次热处理采用以下步骤：将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至850-900℃，保温2.5-4h，在所述的第一次热处理过程中的升温速率小于等于60℃/h；在所述的步骤（4）的冷却过程中降温速率小于等于30℃/h。
8.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：在步骤所述（5）的所述的补焊采用手工氩弧焊的方式逐层进行补焊，补焊过程中的焊接电流为150-180A，焊接电压为14-16V，焊接速度为80-130mm/min。
9.根据权利要求8所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：所述的手工氩弧焊补焊的层数为4层。
10.根据权利要求1所述的一种用于外圆大面积司太立合金耐磨堆焊的组合堆焊方法，其特征在于：所述的第二次热处理采用以下步骤：将堆焊后的工件冷却至120℃以下，然后将工件放入加热炉中，然后将工件加热至600-700℃，保温2.5-3.5h，在所述的第二次热处理过程中的升温速率小于等于60℃/h；在所述的步骤（5）的冷却过程中降温速率小于等于30℃/h。
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