摘要：文中针对煤炭、水泥等高磨损行业中的设备耐磨保护问题，综述利用埋弧堆焊技术增强设备耐磨性的优点和目前常用的两种埋弧堆焊方法，以及埋弧堆焊工艺参数的确定。从显微组织、硬度和耐磨性、裂纹敏感性方面介绍埋弧堆焊技术的研究方向和应用现状，最后指出埋弧堆焊技术的发展前景广阔。
Abstract: In this paper the advantages of using submerged arc welding technology to enhance the equipments wear resistance in the high wear industries such as coal, cement has been reviewed. And the two common submerged arc welding methods and process parameters of them were explained too. The research and application of the submerged arc welding technology has been illustrated from the microstructure, hardness, wear resistance and crack sensitivity. Finally the submerged arc welding technology has broad development prospects.
关键词：埋弧堆焊；显微组织；硬度；耐磨性；裂纹敏感性
Key words: submerged arc welding；microstructure；hardness；wear resistance；crack sensitivity
中图分类号：TG4文献标识码：A文章编号：1006-4311（2011）28-0035-02
0 引言
煤炭、水泥等行业设备工作环境十分恶劣，每年零部件由于磨损、断裂，表面裂纹，腐蚀等失效而造成的浪费居于各行业前列，其中磨损占到一半以上。水泥行业及煤炭工业等领域大型设备的重要零部件承受的主要是磨粒磨损。
堆焊是指利用焊接方法在金属材料或零件表面堆敷一层具有特定性能材料的工艺过程，已由简单的修复技术发展为新品制造、旧品改造的重要工艺[1]。埋弧堆焊具有生产率高、劳动条件好、堆焊金属成分稳定等优点，在大、中型零部件的修复和耐磨衬里的制备过程中得到广泛应用[2]。皖北煤电集团公司[3]利用埋弧堆焊技术对由于锈蚀磨损的煤矿用千斤顶活柱进行修复，达到了节约成本、提高经济效益的目的。
1 埋弧堆焊工艺参数
埋弧堆焊工艺参数主要包括焊接电流、电压、堆焊速度、焊丝的干伸长等，合适的工艺参数是获得高质量堆焊层的必要条件，对堆焊层的良好成形和性能稳定具有重要的意义。周志军等[4]采用逼近法优化了堆焊电流、电压、堆焊速度等工艺参数，指出合理选择堆焊工艺参数的原则和方法，对实际生产起到理论指导作用。
2 埋弧堆焊层制备方法
目前埋弧堆焊技术常用药芯焊丝和直接添加合金粉末的方法制备堆焊层。
2.1 药芯焊丝埋弧堆焊法 耐磨堆焊药芯焊丝具有以下优点：既具有药皮焊条的配方可调性，又具有实芯焊丝连续焊接的特点，可以大幅度地提高堆焊修复或堆焊复合制造的效率，节省时间，进而创造更多的经济利益。目前我国药芯焊丝产品品种主要有钛型气保护、碱性气保护和耐磨堆焊三大系列，应用领域已从造船—海洋结构行业逐步扩大到建筑—桥梁、重型机械、锅炉压力容器、输送管道、钢结构等多个行业[5]。使用耐磨堆焊药芯焊丝对设备进行预保护堆焊、再生性修复堆焊有以下好处：通过调整药芯添加物的种类和比例，可以很容易地改变堆焊层性能，作为一种连续填充的材料，使堆焊生产率大大提高。大连交通大学[6]选用YJ101N-S和YJ102-S两种焊材在42CrMo钢连铸辊基体上进行药芯焊丝埋弧堆焊试验，得到的堆焊层硬度分布较均匀，耐磨性好。目前通过自制耐磨药芯焊丝进行堆焊的研究也屡见报道。如杨威等[7]使用自制埋弧堆焊药芯焊丝，在Q235钢板上进行埋弧堆焊，为抵抗低应力磨粒磨损的设备延长使用寿命提供理论依据。湘潭大学[8]通过研究合金元素对埋弧堆焊层组织及性能的影响，制备成分配比合理的耐磨药芯焊丝，以获具有良好耐磨性的堆焊层。
2.2 粉末埋弧堆焊法 目前市场对耐磨药芯焊丝的要求量越来越大，但耐磨药芯焊丝制造过程复杂，目前国内品种较少、较单一；焊接时送丝较实心焊丝困难；表面容易锈蚀，粉剂易吸潮，对保存管理的要求严格。因此通过直接添加合金粉末的方式，利用粉末埋弧堆焊工艺制备耐磨层，将耐磨合金粉末按一定重量比送入焊接熔池中，在不增加电弧能量的情况下可以大大地提高焊缝金属的熔敷率，是一种节能的耐磨层制备方法。
该工艺技术最初是由美国Tapco公司提出的，称之为Bulk welding[9]，国内则称之为加粉堆焊（或粉末堆焊）。其装置如图1所示。1995年，中国农业机械化科学研究院自主建厂开始利用粉末堆焊技术进行复合钢板的批量生产，并在国内钢铁、煤炭、化工、水泥、发电、码头装卸行业大规模推广应用，成效显著[10]。
3 埋弧堆焊层的研究
3.1 显微组织 堆焊合金的耐磨性主要与其显微组织中的硬质相相关，而韧性则取决于基体组织数量及其分布。具有理想耐磨性能的组织条件是：良好的塑性基体和弥散分布的高硬度耐磨质点的良好配合[11]。影响堆焊层组织形态的因素主要有合金成分配比及冷却速度。另外堆焊合金中初生碳化物的生长方向垂直于堆焊层表面生长，有利于耐磨性的提高。
3.2 硬度和耐磨性 目前衡量或评价堆焊层的耐磨性好坏，往往采用硬度为判据。但是，近几年的研究表明，堆焊金属的耐磨料磨损性能虽然与硬度有关，但耐磨性与硬度没有简单的对应关系。高硬度的堆焊层还受显微组织的影响，主要表现在硬质相的形态、分布、数量、基体的性质、基体与硬质相的匹配等。单纯追求堆焊金属的高硬度是不利的，有时也是不必要的，应力求改善组织状态达到硬度与韧性的恰当配合来提高材料的耐磨性。
通过优化合金组分，调整硬质相的生成和基体组织的强韧性，可达到提高表面耐磨性的目的，此外焊后热处理工艺对堆焊层的组织和耐磨性也会产生影响。
3.3 裂纹敏感性 影响堆焊合金层耐磨性的一个重要因素是合金层的裂纹敏感性。堆焊过程中形成的裂纹大体分为两种，一种是堆焊层与母材基体界面处由于存在界面缺陷而产生的裂纹；一种是大面积堆焊耐磨层时产生于表层的均匀细密应力释放裂纹。
当界面出现比较集中的氧化物夹杂、孔洞以及疏松等缺陷时，即使堆焊工艺与后序热处理工艺出现较小的应力，裂纹也容易产生与扩展。因此必须从堆焊及热处理工艺两个方面入手，尽可能减少堆焊层与基体界面处的缺陷，降低堆焊与热处理工艺带来的应力，减小裂纹产生与扩展的几率。另外添加合金元素也可以防止裂纹的产生。
4 小结
利用埋弧堆焊技术对煤炭、水泥等高磨损设备进行耐磨保护，具有生产率高、劳动条件好、效果明显等优点。合理选择堆焊工艺参数，得到塑性基体和高硬度耐磨质点良好配合的堆焊耐磨层是堆焊技术发展的重要方向，随着国内药芯焊丝和堆焊技术的不断发展，将使埋弧堆焊技术在节能、节材、保护环境方面展示巨大的优异性，具有广阔的应用前景。
参考文献：
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