工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法.pdf

一种工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，包括如下步骤：1)加工堆焊工件钢基层；2)过渡层堆焊；3)消应力热处理；4)待焊表面的清理和检查；5)施焊工艺圈；6)包覆加热器：采用履带加热器将工件整体包覆；7)预热和保温：将工件加热到300℃±20℃范围，然后保温30-40min后进行堆焊；8)堆焊硬质合金层；9)焊后热处理。本发明可有效控制了焊接冷裂纹的产生，彻底解决了焊接过程中的冷裂纹问题，为防止焊接冷裂纹的产生提供了有利条件，为保证硬质合金面层的质量提供了有效保证，使硬质合金的表面缺陷维修难的问题得到彻底解决。采用本发明的堆焊层具有较好的表面红硬度、耐蚀性和耐热性。

1、  一种工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于包括如下步骤：
1)加工堆焊工件钢基层：堆焊工件钢基层采用两瓣拼焊，每瓣采用压制成型；
2)过渡层堆焊：过渡层采用含钼的奥氏不锈钢过渡焊条进行堆焊；
3)消应力热处理：对堆焊工件钢基层和过渡层进行消除应力处理，消除钢基层成型、焊接和过渡层焊接应力；
4)待焊表面的清理和检查：打磨清理待堆焊过渡层表面的氧化皮、表面杂物及污物；
5)施焊工艺圈：采用与待堆焊工件基层钢具有可焊性的材料，按工件大小端的规格分别制作宽度与工作大小端尺寸相适应的工装圈，并将工装圈采用断焊分别焊到待堆焊工件基层钢两端；
6)包覆加热器：采用履带加热器将工件整体包覆；
7)预热和保温：将工件加热到300℃±20℃范围，然后保温30-40min后进行堆焊；
8)堆焊硬质合金层；
9)焊后热处理：硬质合金层堆焊结束后，将堆焊工件加热进行焊后消应力热处理。

2、  如权利要求1所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤9)后还包括步骤10)表面检查：采用着色法对硬质合金表面层进行着色检查，无裂纹为合格。

3、  如权利要求2所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤10)后还包括步骤11)硬质合金表面裂纹返修：当硬质合金层表面出现裂纹时，采用如下处理方式：将有裂纹处局部预热至120℃，然后打磨去除裂纹，再进行钨极氩弧焊焊接，焊接电流：110-130A，焊接电压：12-15V，焊接材料为直径Φ2.5mm的钴基合金焊丝，然后切断履带加热器的电源，自然冷却至室温。

4、  如权利要求3所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤11)后还包括步骤12)压力试验：按设备设计要求对硬质合金层与设备一起进行压力试验。

5、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤1)中，工件大口小口椭圆度应控制在2mm以内。

6、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于上述步骤2)中，堆焊前焊条应严格烘干，堆焊层不得有气孔、夹渣和收弧裂纹等缺陷；堆焊表面凹凸度不得大于1mm，堆焊层至少两层，每层厚度大约为1.5-2.5mm之间。

7、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤3)中，消除应力处理的热处理温度和保温时间为620±10℃/1.5h，加热和冷却速度150℃/h。

8、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤6)中，采用履带加热器将工件整体包覆后，可在工件两边对称方向均匀布置几组热电偶进行测温，保持工件加热的均匀性；同时，用保温棉将履带包覆以减少加热过程中的热量损失。

9、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤8)中，堆焊前应对焊条进行烘干，焊接电流130-150A，电压：21-28V；多层多道焊技术，层和道之间的起弧点与起弧点，起弧点与收弧点、收弧点与收弧点之间应错开100mm，收弧点应填满或引出焊件，或焊接间断后再次起弧应在收弧点前10mm处再次起弧，并保证将原收弧点熔化。采用直焊道，焊接摆动幅度不超过焊条的2倍直径。

10、  如权利要求1至4任意一项所述工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法，其特征在于步骤9)中，堆焊结束后，将工件按80℃/h的速度，立即加热到600℃进行2h焊后热处理，然后按80℃/h降温到200℃后关断电源，随炉冷却。

工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法
技术领域
本发明涉及一种堆焊工艺，具体是一种工件大面积耐磨层—大面积钴基硬质合金堆焊方法。
背景技术
硬质合金堆焊广泛应用于高温高压阀门密封面，高压泵的轴套筒和内套筒内表面以及化纤设备的斩刀刃口等部位的堆焊。这些堆焊工件规整，堆焊面尺寸小，一般采用在热处理炉中整体加热到预定温度200-500℃后，取出进行保温堆焊，当温度稍有下降，继续将工件放入热处理炉，加热到预定温度取出后重新堆焊，这样来回反复直至完成堆焊作业，最后进行炉中整体消应力热处理600-700℃。
钴基硬质合金(Stillite6，ECoCr-A)以钴(Co)为基本成分，加入铬(Cr)、钨(W)、碳(碳)等元素形成合金。这类合金具有堆焊金属中最好的综合性能：很高的红硬性、抗磨料磨损、抗腐蚀、抗冲击、抗热疲劳、抗氧化、抗金属-金属间磨损等优良性能，因而在受冲击、高温、腐蚀、磨料磨损的工件上得到了较为广泛的应用。但是，这类合金由于含有较高的合金和碳化物形成元素，合金组织为硬脆相，塑性差(延伸率小于5％)，具有极强的冷脆性和热裂倾向，堆焊过程中极容易出现焊接冷裂纹、热裂纹和表面龟裂现象。所以表面钴基硬质合金层的堆焊焊接需要考虑防止产生冷裂纹、热裂纹、气孔和焊渣等等工艺缺陷，同时保证堆焊面层的Co、Cr、W、C等主要合金元素的含量，保证堆焊层性能等问题，特别是要解决好如下问题：(1)预热和保温；(2)焊接过程焊件温度梯度控制；(3)加热和焊接过程的加热和焊接不连续问题；(4)过渡层和面层的焊接质量控制；(5)焊后热处理控制；(6)硬质合金堆焊面层缺陷的返修等。而现有堆焊工艺方法无法很好的解决上述问题，尤其是要在工件尺寸大，工件形体不规则的工件表面进行大面积多层钴基硬质合金层的堆焊时更难以很好的解决上述问题。
发明内容
本发明的目的是克服上述现有技术的缺陷，提供一种工件耐磨层大面积硬质合金堆焊方法。
本发明包括如下步骤：
1)加工堆焊工件钢基层：堆焊工件基层采用两瓣拼焊，每瓣采用压制成型；
2)过渡层堆焊：过渡层采用含钼的奥氏不锈钢过渡焊条进行堆焊；
3)消应力热处理：对堆焊工件钢基层和过渡层进行消除应力处理，消除钢基层成型、焊接和过渡层焊接应力；
4)待焊表面的清理和检查：打磨清理待堆焊过渡层表面的氧化皮、表面杂物及污物；
5)施焊工艺圈：采用与待堆焊工件基层钢具有可焊性的材料，按工件大小端的规格分别制作宽度与工作大小端尺寸相适应的工装圈，并将工装圈采用断焊分别焊到待堆焊工件基层钢两端，即工件大口基层和小口法兰；
6)包覆加热器：采用履带加热器将工件(包括工件边缘和法兰边缘)整体包覆；
7)预热和保温：将工件加热到300℃±20℃范围，然后保温30-40min后进行堆焊；
8)堆焊硬质合金层；
9)焊后热处理：硬质合金层堆焊结束后，将堆焊工件加热进行焊后消应力热处理。
上述步骤1)中，工件大口小口椭圆度应控制在2mm以内。
上述步骤2)中，堆焊前焊条应严格烘干，堆焊层不得有气孔、夹渣和收弧裂纹等缺陷；堆焊表面凹凸度不得大于1mm，堆焊层至少两层，每层厚度大约为1.5-2.5mm之间
上述步骤3)中，消除应力处理的热处理温度/保温时间为620±10℃/1.5h，加热和冷却速度150℃/h。
上述步骤6)中，采用履带加热器将工件整体包覆后，可在工件两边对称方向均匀布置几组热电偶进行测温，保持工件加热的均匀性；同时，用保温棉将履带包覆以减少加热过程中的热量损失。
上述步骤8)中，采用手工焊条电弧焊进行堆焊，堆焊前应对焊条进行烘干，焊接电流130-150A，电压：21-28V；采用多层多道焊技术，层和道之间的起弧点与起弧点，起弧点与收弧点、收弧点与收弧点之间应错开100mm，收弧点应填满或引出焊件，或焊接间断后再次起弧应在收弧点前10mm处再次起弧，并保证将原收弧点熔化。采用直焊道，焊接摆动幅度不超过焊条的2倍直径。
上述步骤9)中，堆焊结束后，将工件按80℃/h的速度，立即加热到600℃进行2h焊后热处理，然后按80℃/h降温到200℃后关断电源，随炉冷却。
步骤9)后，为进一步保护堆焊质量，还可以增加如下步骤：
10)表面检查：采用着色法对硬质合金表面层进行着色检查，无裂纹为合格；
11)硬质合金表面裂纹返修：当硬质合金层表面出现裂纹时，采用如下处理方式：将有裂纹局部预热至120℃，然后打磨去除裂纹，再进行钨极氩弧焊焊接，焊接电流：110-130A，焊接电压：12-15V，焊接材料为直径Φ2.5mm的钴基合金焊丝，然后切断履带加热器的电源，不拆加热保温装置自然冷却至室温。
12)压力试验：按设备设计要求对硬质合金层与设备一起进行压力试验；
本发明工艺的实际应用效果：
采用以上工艺对下段工件的硬质合金层进行堆焊，焊接后对堆焊层进行外观检查、着色检查、压力试验后表面均无裂纹或有少量裂纹经过返修后合格，表面硬度检查表面硬度值达到HRC≥40，堆焊层化学成分中Co、W、C和Cr的含量均在标准范围内符合耐蚀、耐热性能要求。
除具有较好的表面红硬度、耐蚀性和耐热性要求之外，本发明还具有以下优点：
1)通过对本发明的参数(预热温度、温度梯度、焊接规范、后热参数和热处理参数)控制，可有效控制了焊接冷裂纹的产生，彻底解决了焊接过程中的冷裂纹问题。
2)采用履带保温棉的包覆电加热方法，有效解决焊接过程预热温度和焊接的不连续，减小了焊接应力的作用，为防止焊接冷裂纹的产生提供了有利条件。
3)通过焊接操作技术的控制，大大减少了焊接操作缺陷如气孔、夹渣和未熔合缺陷的产生，为保证硬质合金面层的质量提供了有效保证。
4)采用钨极氩弧焊方法进行硬质合金面层缺陷的维修，充分利用了氩弧焊的独特特点，使硬质合金的表面缺陷维修难的问题得到彻底解决。
附图说明
图1是采用本发明进行堆焊的工件示意图。
图1中，1-大口工装圈、2-保温棉，3-履带加热器、4-硬质合金面层、5-过渡层、6-基层钢件、7-小口工装圈、8-0度方位热电偶、0-90度方位热电偶、10-180度方位热电偶、11-270度方位热电偶。
具体实施方式
参见图1，某设备的下段工件(Φ1300/Φ219×1000mm)需要堆焊5mm厚的耐磨、耐蚀、耐热和耐氧化的钴基硬质合金层4(Stillite6，ECoCr-A)。
硬质合金堆焊采用手工焊条电弧焊(SMAW)焊接方法，基层钢件6的材料为16MnR，过渡层堆焊材料是规格为Φ4.0的E309Mo(A312)，硬质合金面层堆焊材料Stillite6(EcoCr-A)，规格为Φ4.0，过渡层5堆焊两层，面层4堆焊两层，具体实施措施如下：
1)堆焊工件钢基层的加工：堆焊工件基层采用两瓣拼焊，每瓣采用压制形成。工件大口小口椭圆度应控制在2mm以内；
2)过渡层堆焊：过渡层采用A312焊条堆焊，堆焊焊条应严格烘干(300℃/1.5h)，堆焊应严格按工艺要求和堆焊基本技术要求进行，堆焊两层4mm，堆焊层不得有气孔、夹渣和收弧裂纹等缺陷，堆焊表面凹凸度不得大于1mm；
3)消应力热处理：按热处理工艺要求对工件进行消除应力处理620±10℃/1.5h，加热和冷却速度150℃/h，消除基层和过渡层焊接应力对硬质合金层堆焊的影响；
4)待焊表面的清理和检查：打磨清理待堆焊表面的氧化皮，和表面杂物及污物，保持待堆焊表面清洁平整。
5)施焊工艺圈：采用与待堆焊工件基层钢具有可焊性的材料按工件大小端的规格分别制备大口工装圈1和小口工装圈7，并将工装圈采用断焊分别焊到待工件两端(工件大口基层和小口法兰)；
6)包覆加热器：采用履带加热器3将工件(包括工件边缘和法兰边缘)整体包覆，在工件两边对称方向分别布置4个热电偶(分别是0度方位热电偶8、90度方位热电偶9、80度方位热电偶10、270度方位热电偶11)。进行测温，以保持工件加热的均匀性；并用保温棉2将履带包覆减少热量损失。
7)预热和保温：将工件加热到300℃±20℃范围，然后保温30min，保证工件有足够的预热温度和待堆焊工件表面各部位有较小的温度梯度。测温采用外面加热内表面测温，各部位的温度差值不得大于60℃，保持工件温度不低于220℃。焊接过程中应每隔1小时，测定一次焊接工件内表面温度，应分别在0°、90°、180°、270°四个方位线上各测定大口6mm、中部、尺寸变化区和距小口6mm处进行测定，并做好记录；
8)堆焊前应严格对焊条按350℃/2h进行烘干，采用Φ4.0焊条及多层多道焊技术，层和道之间的起弧点与起弧点，起弧点与收弧点、收弧点与收弧点之间应错开100mm，收弧点应填满或引出焊件，或焊接间断后再次起弧应在收弧点前10处再次起弧，并保证将原收弧点熔化。采用直焊道，焊接摆动幅度不超过焊条的2倍直径。
试件1：焊接电流I＝140A，电压：21-24V；
试件2：焊接电流I＝145A，电压：22-26V；
试件3：焊接电流I＝150A，电压：23-28V；
9)堆焊两层结束后，将工件按80℃/h的速度，立即加热到600℃进行2h焊后热处理，然后按80℃/h降温到200℃后关断电源炉冷；
10)表面检查：采用着色检查对硬质合金表面层进行着色检查，无裂纹为合格；
11)硬质合金表面裂纹返修：当硬质合金层表面出现裂纹时，采用如下工艺进行返修：局部预热(120℃)--打磨去除裂纹缺陷—钨极氩弧焊焊接—关断电源缓冷至室温。
12)压力试验：按设备设计要求对硬质合金层与设备一起进行压力试验；
对硬质合金堆焊表面层进行化学成分分析和硬度检测，其结果见表1：

按GB/T4334.5规定进行腐蚀试验试验结果合格。