鄭世達(dá)，Ryabtsev I.A，易江龍，Cherniak I.P，王昕昕，Korzhyk V.M.，王　凱

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院中國(guó)-烏克蘭巴頓焊接研究院廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510080；2.烏克蘭國(guó)家科學(xué)院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔）

應(yīng)用鉻錳奧氏體鋼藥芯焊絲ПП-AH202 修復(fù)碳鋼耐磨零件

鄭世達(dá)1，Ryabtsev I.A2，易江龍1，Cherniak I.P2，王昕昕1，Korzhyk V.M.2，王凱1

（1.廣東省工業(yè)技術(shù)研究院中國(guó)-烏克蘭巴頓焊接研究院廣東省現(xiàn)代焊接技術(shù)重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室，廣東廣州510080；2.烏克蘭國(guó)家科學(xué)院巴頓焊接研究所，烏克蘭基輔）

通過(guò)耐磨試驗(yàn)及耐磨層堆焊修復(fù)的工程實(shí)例，闡述在中高碳或低合金結(jié)構(gòu)難焊鋼上用鉻錳奧氏體鋼藥芯焊絲不預(yù)熱進(jìn)行耐磨層堆焊，并獲得滿意接頭的可行性，從而減輕施工難度并降低成本。

鉻錳藥芯焊絲；耐磨層；修復(fù)；堆焊

0　前言

大多數(shù)建筑、公路設(shè)備、鐵路、石油天然氣以及冶金設(shè)備的零部件，均在有磨料層或沒(méi)有磨料層的金屬-金屬間摩擦條件下運(yùn)行。有時(shí)磨損伴隨著沖擊力更會(huì)加大磨損過(guò)程。這些零部件通常由碳含量0.4％～0.8％的中高碳非合金或低合金結(jié)構(gòu)難焊鋼制造。而磨損是一個(gè)比較復(fù)雜的微觀破壞過(guò)程，是彼此間磨損材料以及工作環(huán)境綜合作用的結(jié)果，會(huì)導(dǎo)致表面破壞甚至零件破損，影響設(shè)備使用。因此這些零部件的制造和修復(fù)都需要耐磨層堆焊[1]。

這種鋼材的零件在堆焊時(shí)必須采取措施，預(yù)防在熱影響區(qū)和熔敷金屬內(nèi)部出現(xiàn)裂紋。防止裂紋形成最常用的方法是預(yù)熱、焊中加熱以及回火，這些措施可大大降低因馬氏體出現(xiàn)形成的殘余應(yīng)力。如果不能加熱，堆焊可使用奧氏體焊接材料，比如焊絲Св-08Х20Н10Г6，但不管從技術(shù)角度還是經(jīng)濟(jì)角度看，并非一直可行。熔敷金屬08Х20Н10Г6的硬度水平有可能達(dá)到HB 180～200，金屬與金屬摩擦?xí)r耐磨性能不滿足使用要求。

選用堆焊材料使焊縫獲得介穩(wěn)定奧氏體熔敷金屬為最佳方法。介穩(wěn)定奧氏體加工硬化后轉(zhuǎn)變?yōu)樽冃务R氏體（ε-馬氏體）。與碳鋼在高速冷卻時(shí)形成的馬氏體相比，變形馬氏體組織較為分散，有利于優(yōu)化熔敷金屬的力學(xué)性能[2-3]。因此，利用介穩(wěn)定奧氏體變成變形馬氏體可提高熔敷金屬硬度及耐磨性。

焊條電弧堆焊雖簡(jiǎn)單方便，但效率低，勞動(dòng)條件差，質(zhì)量不穩(wěn)定；埋弧堆焊生產(chǎn)效率高，勞動(dòng)條件好，且堆焊金屬成分穩(wěn)定[1]。因此，本研究采用自制堆焊藥芯焊絲ПП-АН202修復(fù)碳鋼耐磨零件，并對(duì)堆焊層進(jìn)行磨損測(cè)試，下面簡(jiǎn)要介紹堆焊藥芯焊絲在烏克蘭典型工程的應(yīng)用實(shí)例。

1　堆焊金屬耐磨試驗(yàn)

為避免在中高碳非合金或低合金鋼堆焊時(shí)對(duì)其進(jìn)行加熱或盡可能少加熱，研制無(wú)需預(yù)熱的堆焊藥芯焊絲ПП-АН202，它是低碳鉻錳鋼合金堆焊材料，可獲得介穩(wěn)定奧氏體結(jié)構(gòu)的Х12Г12Н2МФ類型熔敷金屬。

根據(jù)“軸-平面”方案進(jìn)行檢測(cè)試驗(yàn)，在摩擦區(qū)域不添加任何潤(rùn)滑油的情況下使用摩擦機(jī)器評(píng)估熔敷金屬Х12Г12Н2МФ的耐磨性能。在有熔敷金屬的試件上切割規(guī)格3 mm×20 mm×15 mm的檢驗(yàn)樣品進(jìn)行測(cè)試。環(huán)形上試樣直徑40mm，寬度12mm，采用硬度HВ180的M76鋼。磨損檢測(cè)過(guò)程中，用3mm×20mm樣品對(duì)環(huán)形上試樣施加30N壓力。每次測(cè)試均嚴(yán)格控制摩擦路徑為113 m。

測(cè)試時(shí)樣品的磨損量根據(jù)磨損體積確定，磨損體積通過(guò)在顯微鏡下觀察試樣尺寸變化計(jì)算而得。上試樣的磨損量為試驗(yàn)前后質(zhì)量差。根據(jù)摩擦路徑確定樣品及上試樣的磨損比。樣品1是在火車軌道上切割M76鋼制成的樣品，樣品2是ПП-АН202藥芯焊絲堆焊后的金屬切割而成，所用的工藝參數(shù)需能保證堆焊層質(zhì)量：電流400～450A，電壓24～26V，堆焊速度不小于30 m/h。樣品3是用鐵素體類型的ПП-АН203藥芯焊絲堆焊而成；上述所有試樣在試驗(yàn)過(guò)程中均未進(jìn)行加工硬化。

測(cè)試樣品的化學(xué)成分如表1所示。

表1　磨損測(cè)試樣品化學(xué)成分

耐磨性能研究結(jié)果如圖1和圖2所示。圖1為在試驗(yàn)過(guò)程中測(cè)試樣品減少的體積量，圖2為上試樣的磨損質(zhì)量。由結(jié)果可知，藥芯焊絲ПП-АН202堆焊的奧氏體類金屬耐磨性能指標(biāo)較高，上試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的磨損較小。分析可能是焊絲堆焊層經(jīng)加工硬化的結(jié)果，經(jīng)硬度測(cè)試可知使用該焊絲的金屬層硬度僅為HRC 20～30。經(jīng)加工硬化及形成變形馬氏體結(jié)構(gòu)后，熔敷金屬硬度升到HRC 40～55（硬度值與加工硬化程度有關(guān)），從而大大提高其耐磨性。

圖1　測(cè)試樣品磨損量

圖2　上述試樣磨損量

圖2中試樣1為M76鋼的上試樣與M76鋼試樣接觸后的磨損情況；試樣2為上試樣與ПП-АН202藥芯焊絲堆焊的金屬接觸后的磨損情況；試樣3為上試樣與ПП-АН203藥芯焊絲堆焊的金屬接觸后的磨損情況。從結(jié)果分析可知，藥芯焊絲ПП-АН202堆焊的奧氏體類金屬耐磨性能指標(biāo)較高，上試樣在試驗(yàn)過(guò)程中的磨損較小。分析可能是焊絲堆焊層經(jīng)加工硬化的結(jié)果，經(jīng)硬度測(cè)試可知使用該焊絲的金屬層硬度僅為HRC 20～30。經(jīng)加工硬化及形成變形馬氏體結(jié)構(gòu)后，熔敷金屬硬度升到HRC 40～55（硬度值與加工硬化程度有關(guān)），從而大大提高其耐磨性。

2　堆焊應(yīng)用

2.1用藥芯焊絲ПП-АН202修復(fù)電車磨損鐵軌的工藝[4]

鐵軌凹槽材料主要是w（C）=0.82％的M75鋼和M76鋼。對(duì)鐵軌側(cè)表面進(jìn)行熔化極電弧堆焊時(shí)，熔敷金屬第一層的w（C）=0.45％。為了在此含碳量情況下避免形成裂紋，用鐵素體系列藥芯焊絲堆焊時(shí)需預(yù)熱到350℃～400℃，并且緩慢冷卻。但要把電車軌道加熱到這種溫度操作起來(lái)非常耗能且很難完成。

藥芯焊絲ПП-АН202無(wú)需加熱應(yīng)用于電車軌道磨損件堆焊。采用分層分道堆焊，道間相互疊加一定寬度；根據(jù)磨損情況不同，層數(shù)量在5～15變化（見(jiàn)圖3a、圖3b）。堆焊采用熔化極直流埋弧焊劑AH-26П。為實(shí)現(xiàn)該工藝，設(shè)計(jì)并制造了堆焊設(shè)備УД-654（見(jiàn)圖3c）。設(shè)備以自動(dòng)行走焊車的形式沿著堆焊軌道爬行工作；焊車裝有機(jī)械執(zhí)行器、控制器、焊絲及焊劑儲(chǔ)備裝置；焊接電路電源是柴油發(fā)動(dòng)機(jī)。焊接時(shí)為減少熔深，保證稀釋率，采用下坡焊，焊絲前傾，增長(zhǎng)伸出長(zhǎng)度，減少焊道間距等措施[1]。軌道堆焊后經(jīng)過(guò)探傷檢查沒(méi)有發(fā)現(xiàn)裂紋，硬度檢查也滿足要求。

2.2藥芯焊絲ПП-АН202應(yīng)用在250t通用起重機(jī)的定位-轉(zhuǎn)彎工件的堆焊

該起重機(jī)定位-轉(zhuǎn)彎部位設(shè)計(jì)如圖4所示，磨損位置用粗黑色描出。

從外觀、著色和超聲波探傷看出齒輪表面和連接圈的缺陷有：車行走道路的機(jī)械磨損不均勻，行走時(shí)金屬間擠壓變形導(dǎo)致微裂紋以及金屬脫落地方的疲勞磨損不均勻，如圖5所示。

堆焊前將兩個(gè)環(huán)磨損表面放在鏜床進(jìn)行機(jī)械處理，直到去除所有缺陷。圈上除去的厚度層不超過(guò)5 mm。再次進(jìn)行著色和超聲波探傷，確認(rèn)經(jīng)過(guò)機(jī)械處理后沒(méi)有出現(xiàn)缺陷。

定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損圈堆焊使用φ2.0 mm自保護(hù)藥芯焊絲ПП-АН202。為了預(yù)防圈在堆焊時(shí)出現(xiàn)變形，要求2名堆焊工對(duì)稱施焊，如圖6所示。堆焊后將定位-轉(zhuǎn)彎工件堆焊圈進(jìn)行機(jī)械處理后，對(duì)堆焊層進(jìn)行超聲波和著色探傷檢測(cè)，沒(méi)有出現(xiàn)缺陷。

將修復(fù)后的零件放在250 t起重器使用，一切正常。使用藥芯焊絲ПП-АН202類似工藝可修復(fù)各類變形起重機(jī)的定位-轉(zhuǎn)彎工件。

圖3　ПП-АН202修復(fù)電車磨損鐵軌示意

2.3藥芯焊絲ПП-АН202應(yīng)用在升降機(jī)主軸和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的修復(fù)堆焊

圖7a為升降機(jī)主軸傳送位置的堆焊示意，此升降機(jī)位于深度35 m的地下機(jī)房[5]，主軸材料40XM鋼，采用直徑1.6mm的ПП-АН202藥芯焊絲加混合氣體φ（Ar）82％+φ（CO2）18％進(jìn)行修復(fù)堆焊，堆焊用工藝：電壓21～22V，電流230～250A，氣流量16L/min。用自動(dòng)送絲方式堆焊，堆焊后經(jīng)外觀、著色探傷沒(méi)有出現(xiàn)缺陷，再進(jìn)行如圖7b所示的機(jī)械處理后確認(rèn)沒(méi)有缺陷，表明此焊絲的堆焊效果較好。此焊絲還可用于材料為55鋼的引風(fēng)機(jī)葉輪轉(zhuǎn)軸的氣體保護(hù)堆焊修復(fù)。如圖7c所示，葉輪直徑4.5m，旋轉(zhuǎn)速度750r/min，在礫石焙燒線上運(yùn)行，經(jīng)修復(fù)后運(yùn)行效果良好。

圖4　起重機(jī)定位-轉(zhuǎn)彎剖面草圖

圖5　通用起重機(jī)的定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損外觀

圖6　定位-轉(zhuǎn)彎工件磨損圈現(xiàn)場(chǎng)堆焊示意

圖7　升降機(jī)主軸和引風(fēng)機(jī)轉(zhuǎn)軸的修復(fù)堆焊

3　結(jié)論

低碳鉻錳鋼合金堆焊藥芯焊絲ПП-АН202可用于高碳鋼零件的制造和修復(fù)過(guò)渡層、表面層堆焊，無(wú)需加熱或最小限度加熱，堆焊層未出現(xiàn)裂紋等缺陷，并能達(dá)到較高的耐磨要求，這將簡(jiǎn)化修復(fù)工序并大幅減少維修費(fèi)用。

[1]周振豐.金屬熔焊原理及工藝（下冊(cè)）[M].北京：機(jī)械工業(yè)出版社，1982.

[2]Черняк Я.П.，Васильев В.Г.，Соломийчук Т.Г.Влияние погоннойэнергиинаобразование отколовв 3ТВ высокоуглеродистой стали М76 при наплавкеаустенитными проволоками/Каленский В.К.[J].Автомат.сварка. 2001（11）：11-14.

[3]Черняк Я.П.,Бурский Г.В.,Каленский В.К.Некоторые особенности замедленного разрушения металла ЗТВ стали М76 после наплавки проволокой аустенитного класса[J].Автомат.сварка，2002（8）：50-52.

[4]Каленский В.К.，ЧернякЯ.П.，ПритулаС.И.Восстановительная наплавка изношенных трамвайных рельсов[J]. Сварщик，1999（2）：5.

[5]В.И.Дворецкий，Ю.В.Демченко，И.А.Рябцев и др. Технологический модуль УД-690 для восстановления посадочных мест главного вала эскалатора типа ЭТ в условиях машинного зала метрополитена[J].Сварщик，2006（6）：11-13.

Application of chrome-manganese austenitic steel flux cored wire ПП-АН202 for the repair of wear parts of carbon steel

ZHENG Shida1，Ryabtsev I.A2，YI Jianglong1，Cherniak I.P2，WANG Xinxin1，Korzhyk V.M.2，WANG Kai1，
（1.Guangdong Provincial Key Laboratory of Advanced-Welding Technology，E.O.Paton Chinese-Ukrainian Institute of Welding，Guangdong General Research Institute for Industrial Technology，Guangzhou 510080，China；2.The E.O. Paton Electric WeldingInstitute ofNational AcademyofSciences ofUkraine，Kiev，Ukraine）

Through some engineering examples of abrasion tests and resistant layer surfacing repair，the austenitic chromiummanganese steel flux cored wire used for the hardfacing of medium-high carbon or low-alloy structural steels without preheating are described in this paper.By using this wire can get satisfaction joints and reduce the cost and difficulty of welding.

chrome-manganese austenitic steel flux cored wire；wear resistant layer；repair；surfacing

TG421

A

1001-2303（2015）11-0001-05

10.7512/j.issn.1001-2303.2015.11.01

2014-03-12；

2015-08-08

國(guó)家國(guó)際科技合作項(xiàng)目（2011DFB50190）；廣東省重點(diǎn)實(shí)驗(yàn)室建設(shè)項(xiàng)目（2012A061400011）；廣東省引進(jìn)創(chuàng)新科研團(tuán)隊(duì)計(jì)劃資助（201101C0104901263）

鄭世達(dá)（1961—），男，廣東人，高級(jí)工程師，主要從事藥芯焊絲研制和焊接工藝研究工作。