堆焊制造與再制造技術發(fā)展綜述

黃智泉

鄭州機械研究所有限公司 河南鄭州 450001

1 序言

現(xiàn)代工業(yè)發(fā)展過程中，大型機械裝備常因磨損、腐蝕或磨蝕而失效報廢，造成巨大的浪費。因此，為提高大型裝備的服役周期，促進循環(huán)經(jīng)濟發(fā)展，對已失效的機械裝備進行殘余壽命評估，對其易耗部件進行修復迫在眉睫。隨著科學技術的不斷進步，堆焊制造與再制造技術逐步成為一種快速便捷的工藝修復途徑。

堆焊（Surfacing）是為增加或恢復焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進行的焊接。在AWS中單為增加或恢復尺寸的堆焊稱為Buildup，為滿足耐熱、耐蝕的堆焊稱為Cladding，為滿足耐磨要求的堆焊稱為Hardfacing，為調整表面成分起隔離作用的稱為Buttering。

堆焊作為制造與再制造的重要分支，借助熱源手段將具有一定性能的合金材料熔覆于母材表面，使母材具有特殊性能或恢復原有的尺寸。堆焊層與母材能夠實現(xiàn)冶金結合，使得堆焊層在應用中使用壽命長，不易剝落。堆焊制造與再制造技術工藝過程兼具減材（去除有缺陷或失效部分）和增材（恢復尺寸或賦予特殊性能要求）過程，可以根據(jù)部件對耐磨、耐蝕、耐高溫等性能的不同要求，選擇合適的堆焊合金，在工藝上具有非常大的靈活性。堆焊制造與再制造技術的研究與發(fā)展，對推動工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展至關重要。

近年來，隨著科學技術的飛速發(fā)展，以及國家綠色制造和先進制造戰(zhàn)略的不斷強化，堆焊制造與再制造技術變得日趨重要，在相關行業(yè)中的應用正發(fā)揮著越來越大的作用，堆焊處理或修復后的部件的使用效果得到了許多行業(yè)肯定。隨著研究的不斷深入，結合不同堆焊技術所具有的特點（見表1），堆焊制造與再制造向著高效、快速、自動化的方向不斷發(fā)展，熔敷金屬向著更加可靠、耐用的標準不斷進步。目前包括電弧堆焊、合金粉電弧熔敷堆焊、電渣堆焊、等離子堆焊、真空電子束堆焊、激光熔覆堆焊及復合技術融合堆焊等在內的各種堆焊制造與再制造技術都得到了長足發(fā)展。

表1 各種焊接熱源主要特征

2 電弧堆焊制造與再制造技術

電弧堆焊是發(fā)展最早、應用最為廣泛的堆焊技術，包括焊條電弧焊、氣體保護自動堆焊和半自動堆焊、埋弧焊、自保護堆焊等。電弧堆焊技術在易磨損部件制造與再制造行業(yè)中得到了廣泛的應用，其中，鄭州機械研究所有限公司[1-4]經(jīng)過多年的研究，在電弧堆焊領域取得了豐碩成果，形成系列堆焊焊接材料，匹配適宜的焊接工藝，成功應用于諸多領域，得到了行業(yè)的充分肯定。近年來，針對不同合金系列模擬其在不同工況下的磨粒磨損行為，揭示其磨損機理[5-9]，為電弧堆焊制造與再制造技術發(fā)展提供理論支撐。

隨著焊接裝備在數(shù)字化、自動化方面的能力提升，推動電弧堆焊制造與再制造技術的不斷進步。

2.1 金屬電弧復合增材制造技術

利用常規(guī)焊接電源作為熱源，使用實芯或藥芯焊絲，采用焊接機器人實現(xiàn)模具再生性修復（見圖1）、新模具的制作、大型鑄件的焊補及大型部件缺陷的修復。

圖1 金屬電弧復合增材制造裝備及修復的模具

開發(fā)的直角焊接機器人操作與機器手臂相同，先進行離線編程后，實際操作定位起止位置，載入編好的程序直接啟動，機器手臂的軌跡精度保證在0.5~0.3mm，重復定位精度高。而直角焊接機器人不但重復定位精度高，同時軌跡精度能保持在0.02mm，對有精度要求的工件進行堆焊或加工時更有優(yōu)勢。

材料可采用實芯或藥芯焊絲，通過掃描確認缺陷尺寸，編制修復工藝方案，編輯輸入程序。在堆焊過程中，采用微鑄鍛的工藝對焊道進行焊后處理，在焊后立刻使用搭載在機器人上的另一錘擊接頭對焊縫進行加工，除去氧化皮，整形焊道，并且對堆焊金屬組織性能進行有益改變。

2.2 電弧3D打印&逆向工程

逆向工程（Revese Engineering，簡稱RE）是通過形狀反求、工藝反求和材料反求等諸多方法，得到反求對象的CAD模型，進而達到了從反求對象到數(shù)字化的轉變，實現(xiàn)了實物到數(shù)字模型的過程。逆向工程的主要目的是再生產(chǎn)設計或修復產(chǎn)品，通過將產(chǎn)品實物模型數(shù)字化，再進行模型還原，明確形狀特征、功能特性、技術規(guī)格及工藝流程等技術特點，從而進行創(chuàng)新或修補，實現(xiàn)產(chǎn)品的功能、外觀等設計要素的重新設計，如圖2所示。

圖2 逆向工程產(chǎn)品技術路線

大型構件和模具由于日常損耗，往往存在局部缺損現(xiàn)象，重新設計制造成本昂貴，周期較長，利用逆向工程和3D打印技術（見圖3、圖4），可以對構件進行局部修補（見圖5），以降低再制造的成本。

圖3 電弧3D打印系統(tǒng)外形結構

圖4 電弧3D打印系統(tǒng)工藝流程

圖5 煤機鏈輪修復案例

2.3 碳化鎢給料器復合技術

設計一種給料器，能夠將碳化鎢顆粒準確地輸送到MIG/GMAW焊接系統(tǒng)產(chǎn)生的熔池中，如圖6所示。

圖6 給料器外觀結構

采用單層焊接，將碳化鎢顆粒對準電弧熔池的尾部，這一過程需要進行微調流程操作試驗，這種工藝同樣適用于其他特殊性能要求的碳化物顆粒（如TiC、NbC、VC等），在使用碳化物顆粒前需要考慮產(chǎn)品和應用差異，如圖7所示。

圖7 碳化鎢給料器復合技術制備的產(chǎn)品形貌

2.4 合金粉末電弧熔覆技術

隨著電弧堆焊技術研究的不斷延伸，合金粉末電弧熔覆作為電弧堆焊制造與再制造技術的一部分，得到了長足的發(fā)展。任振安[10]等通過在純鈦基體上預敷硅粉，然后進行電弧熔覆的表面處理技術，制備了Ti-Si金屬間化合物表面層，使基體獲得表面冶金強化，耐磨性比純鈦基體有明顯提高。從東鋒[11]等利用改進的電弧噴涂技術和氬弧重熔工藝在45鋼基體上制備WC-鋼基復合熔覆層，并探討了其磨損機理。結果表明，電弧噴涂層由堆積的變形粒子組成，與基體為機械結合，涂層具有層狀疊加組織結構，其中孔隙較多。重熔后所得熔覆層中彌散分布著強化相粒子，與基體為冶金結合，組織致密，缺陷少；熔覆層磨損機制主要為微切削和輕微剝落。張昕[12]等通過在Ni-Cr-B-WC合金粉末中添加一定量的稀土元素Re，避免了在使用寬帶電弧熔覆技術修復零部件時不可避免會產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，且加入稀土元素后，熔覆層晶粒細化，柱狀晶的產(chǎn)生范圍減小，硬度增大，強韌性提高，耐磨性提高近1倍。AN[13]等以鎳基合金、Al2O3和Al-TiO2-B2O3為原料，采用活性氬弧熔覆技術，以含鋁粉煤灰、鈦、SiO2、B2O3和La2O3為助熔劑，制備了Al2O3-TiB2增強鎳基復合涂層，經(jīng)制備的復合涂層中普通熔覆層和活性熔覆層的表面硬度分別比基體提高了4.11倍和4.37倍，耐磨性分別是基體的6.96倍和7.72倍。

3 等離子堆焊制造與再制造技術

等離子堆焊是利用焊槍的鎢極作為電流的負極和基體作為電流的正極之間產(chǎn)生的等離子體作為熱源，并將熱量轉移至工件表面，并向該熱能區(qū)域送入焊接粉末，使其熔化后沉積在工件表面，從而實現(xiàn)零件表面的強化和硬化的堆焊工藝。等離子堆焊工藝是現(xiàn)代工業(yè)生產(chǎn)中唯一能適應各種高合金、高性能材料（如CoCrW等）堆焊要求的電弧堆焊方法[14]， 具有生產(chǎn)率高，成形美觀以及堆焊過程已于實現(xiàn)機械化及自動化等優(yōu)點，符合綠色制造的發(fā)展趨勢，在制造業(yè)中的應用日益廣泛。由于等離子堆焊的特點和特性，其已廣泛應用于礦山機械、工程機械、石油化工裝備等行業(yè)。

圖8 等離子堆焊工作

等離子堆焊作為一種高效的焊接方式，其研究主要集中于堆焊機理、堆焊設備、堆焊材料與堆焊工藝等方面。KARTSEV等[15]通過大量研究得到了表征各因素對耐磨等離子堆焊層沉積過程貢獻的一階多項式回歸方程，這為后期等離子堆焊的研究和發(fā)展提供了理論計算依據(jù)。王紅英等[16]通過研究提出了在相同熱輸入情況下，采用小壓縮孔噴嘴結構并適當提高粉末會交點距試件的距離可以同時實現(xiàn)高熔敷速度、低稀釋率的堆焊效果，并據(jù)此提出了新型焊槍結構的設計原則。

鄧德偉等[17-19]利用等離子堆焊技術在304L不銹鋼表面堆焊Fe90自熔性合金粉末，研究發(fā)現(xiàn)堆焊層組織由馬氏體、(Cr，F(xiàn)e)7C3、CrFeB、CrB與Fe3Si組成，硬度是基材的3.5~5.2倍，磨損量下降80%~85%；堆焊電流為130A時，堆焊層的硬度最高，耐磨性最佳。通過等離子堆焊技術在304L鋼板表面制備了添加Nb粉的Ni40合金堆焊層，研究發(fā)現(xiàn)，堆焊層組織主要由γ-Ni樹枝晶、間枝晶的共晶組織、彌散分布的NbC顆粒、硼化物和碳化物等相組成；顯微硬度提高約40%，耐磨性也提高約37.5%；同時，通過研究焊接電流對堆焊層組織和性能的影響發(fā)現(xiàn)，在焊接電流為140A時，堆焊層中可以較好地析出NbC顆粒，堆焊層具有良好的耐磨性。

KRAVCHENKO等[20]通過在硬質合金粉末的成分中添加不同含量的鋁粉，研究發(fā)現(xiàn)鋁粉的使用減少了合金元素的損失，使熔敷層的硬度提高了3~5НRС，該工藝減少了氬的消耗，顯著降低了等離子堆焊的成本。王俊杰等[21]以Ni35復合WC粉末為原料，采用等離子堆焊工藝在Q235A低碳鋼表面制備了鎳基復合碳化鎢涂層，發(fā)現(xiàn)降低堆焊電流，減少熱量輸入，可以有效防止WC沉積。在焊接電流一定時，隨著W C含量增加，堆焊涂層硬度增大；涂層中WC含量相同時，隨著堆焊電流降低，涂層硬度上升。

4 真空電子束堆焊制造與再制造技術

真空電子束堆焊是利用高能電子束作為熱源，對材料表面進行輻照，使得基體微熔、熔覆層熔化，經(jīng)分子間的擴散和化學結合，從而得到冶金結合的合金層。真空電子束焊接作為一種高能焊接方法，具有綠色高純、深寬比大、焊接速度快，熱影響區(qū)小和變形小等諸多優(yōu)點[22]。真空電子束焊接作為焊接熱輸入低且精確可控和高效性的焊接工藝，一直是科研人員研究的重點。

劉成財?shù)萚23]采用電子束填絲堆焊方式在304不銹鋼基體表面堆焊低碳鋼焊絲，獲得了表面及內部無缺陷焊縫，焊接熱輸入與送絲速度匹配是影響焊縫成形最主要工藝參數(shù)，且隨束流和填絲角度的增大熔寬增加。趙健[24]研究了絲束位向關系對電子束填絲堆焊焊縫成形的影響，絲束空間位向關系影響著焊接過程的穩(wěn)定性及焊縫表面成形，且自熔焊、絲束分離與絲束部分相交條件下的焊接過程最為穩(wěn)定，焊縫表面成形質量良好。

Радченк等[25]研究了利用電子束堆焊法強化鋁硅合金活塞表面，獲得了高度均勻的樹枝狀結晶的彌散組織，隨著堆焊金屬中鎳鉻合金含量的提高，堆焊金屬的硬度將按線性規(guī)律提高，超過活塞基體金屬的硬度0.7～1.7倍。隨著溫度的升高，硬度的差別不僅可保持，而且還可增大。經(jīng)過處理的活塞使用壽命可提高1.5倍。

5 激光熔覆堆焊制造與再制造技術

激光熔覆堆焊技術是一種新的表面堆焊技術，是指在金屬表面利用激光作為熱源熔化專用覆層材料，利用堆焊原理熔覆一定厚度具有特殊性能材料的工藝過程（見圖9）。激光熔覆堆焊技術具有傳統(tǒng)堆焊技術無法比擬的優(yōu)點：可準確控制熱輸入量，激光掃描速度快，工件加熱速度、冷卻速度快，熱畸變小，厚度、成分和稀釋率可控性好，可獲得組織致密、性能優(yōu)越的堆焊層；節(jié)省貴重金屬材料，可實現(xiàn)在普通材料上覆蓋高性能（耐磨、耐高溫、耐蝕等）的堆焊層；激光加工為無接觸加工，無加工慣性；堆焊工藝一經(jīng)確定，堆焊質量易于保證，堆焊可靠性高，故易于實現(xiàn)自動化；在覆層質量上優(yōu)于傳統(tǒng)的堆焊和熱噴涂工藝。由于激光熔覆堆焊可以獲得高性能（耐磨、耐腐蝕、抗氧化、熱脹、抗氣蝕和沖蝕磨損等）的合金堆焊層，所以在工業(yè)應用中展現(xiàn)了廣闊的應用前景，激光堆焊修復方法在軸類等部件的修復中發(fā)揮著日漸突出的作用[26，27]。

圖9 激光熔覆堆焊工作原理

激光熔覆堆焊的研究現(xiàn)階段主要集中于理論及小型化試驗研究方面。周衛(wèi)家[26]對比了氬弧堆焊和激光堆焊的區(qū)別，相比于氬弧焊，激光堆焊除了恢復軸件尺寸之外，還有強化的作用，通過選用合適的合金粉和激光堆焊工藝，在損壞軸件表面能夠得到具有良好的冶金結合、良好的表面形狀、耐磨、耐腐蝕的表面修復層。MAJUMDAR等[28]研究了利用激光熔覆堆焊制備硬質硼化物原位分散復合層的工藝，通過與AISI 304不銹鋼基體對比，表面的顯微硬度提高了250~350VHN，耐磨性顯著提高。李云峰等[29]為提高大型主動輪齒圈齒面的耐磨與耐沖擊性能，以齒圈所用ZG42CrMoA材料為研究對象，采用5.0kWCO2激光器、四軸聯(lián)動數(shù)控機床及載氣式同軸送粉系統(tǒng)等設備在其表面激光熔覆制備夾層式勻質復合涂層。夾層式勻質復合涂層磨損率較基材與高頻淬火試樣分別降低64.71%和56.84%，夾層能顯著緩解復合涂層的應力集中，能有效提高復合涂層的耐沖擊性能。

6 堆焊制造與再制造技術發(fā)展展望

堆焊制造與再制造技術在工業(yè)領域的應用具有無可替代的地位，一直是科研人員研究的重點。堆焊制造與再制造已經(jīng)在工業(yè)中得到了廣泛的應用，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟效益。隨著對堆焊材料、堆焊工藝、堆焊設備等研究不斷深入，不斷拓寬應用領域，為整個裝備制造業(yè)的品質提升打下堅實基礎。等離子堆焊、真空電子束堆焊、激光熔覆堆焊等新興堆焊制造與再制造技術的發(fā)展對完善、拓展堆焊技術具有積極作用。堆焊制造與再制造技術的研究和發(fā)展對推動國家綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進行具有重大意義。

未來，堆焊制造與再制造技術將會與鑄造、粉末冶金、金屬陶瓷等技術高度融合，在耐磨、耐蝕、耐高溫等領域的應用將不斷加大，更加高效、智能、專業(yè)的堆焊技術一定是未來發(fā)展的趨勢。