黃智泉

鄭州機(jī)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(jī)械裝備常因磨損、腐蝕或磨蝕而失效報(bào)廢，造成巨大的浪費(fèi)。因此，為提高大型裝備的服役周期，促進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展，對(duì)已失效的機(jī)械裝備進(jìn)行殘余壽命評(píng)估，對(duì)其易耗部件進(jìn)行修復(fù)迫在眉睫。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，堆焊制造與再制造技術(shù)逐步成為一種快速便捷的工藝修復(fù)途徑。

堆焊（Surfacing）是為增加或恢復(fù)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(jìn)行的焊接。在AWS中單為增加或恢復(fù)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(diào)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(fù)原有的尺寸。堆焊層與母材能夠?qū)崿F(xiàn)冶金結(jié)合，使得堆焊層在應(yīng)用中使用壽命長(zhǎng)，不易剝落。堆焊制造與再制造技術(shù)工藝過程兼具減材（去除有缺陷或失效部分）和增材（恢復(fù)尺寸或賦予特殊性能要求）過程，可以根據(jù)部件對(duì)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(shù)的研究與發(fā)展，對(duì)推動(dòng)工業(yè)可持續(xù)發(fā)展和綠色發(fā)展至關(guān)重要。

近年來，隨著科學(xué)技術(shù)的飛速發(fā)展，以及國家綠色制造和先進(jìn)制造戰(zhàn)略的不斷強(qiáng)化，堆焊制造與再制造技術(shù)變得日趨重要，在相關(guān)行業(yè)中的應(yīng)用正發(fā)揮著越來越大的作用，堆焊處理或修復(fù)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(jié)合不同堆焊技術(shù)所具有的特點(diǎn)（見表1），堆焊制造與再制造向著高效、快速、自動(dòng)化的方向不斷發(fā)展，熔敷金屬向著更加可靠、耐用的標(biāo)準(zhǔn)不斷進(jìn)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(fù)合技術(shù)融合堆焊等在內(nèi)的各種堆焊制造與再制造技術(shù)都得到了長(zhǎng)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(shù)

電弧堆焊是發(fā)展最早、應(yīng)用最為廣泛的堆焊技術(shù)，包括焊條電弧焊、氣體保護(hù)自動(dòng)堆焊和半自動(dòng)堆焊、埋弧焊、自保護(hù)堆焊等。電弧堆焊技術(shù)在易磨損部件制造與再制造行業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，其中，鄭州機(jī)械研究所有限公司[1-4]經(jīng)過多年的研究，在電弧堆焊領(lǐng)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(yīng)用于諸多領(lǐng)域，得到了行業(yè)的充分肯定。近年來，針對(duì)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(jī)理[5-9]，為電弧堆焊制造與再制造技術(shù)發(fā)展提供理論支撐。

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

2.1 金屬電弧復(fù)合增材制造技術(shù)

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

圖1 金屬電弧復(fù)合增材制造裝備及修復(fù)的模具

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

材料可采用實(shí)芯或藥芯焊絲，通過掃描確認(rèn)缺陷尺寸，編制修復(fù)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(duì)焊道進(jìn)行焊后處理，在焊后立刻使用搭載在機(jī)器人上的另一錘擊接頭對(duì)焊縫進(jìn)行加工，除去氧化皮，整形焊道，并且對(duì)堆焊金屬組織性能進(jìn)行有益改變。

2.2 電弧3D打印&逆向工程

逆向工程（Revese Engineering，簡(jiǎn)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(duì)象的CAD模型，進(jìn)而達(dá)到了從反求對(duì)象到數(shù)字化的轉(zhuǎn)變，實(shí)現(xiàn)了實(shí)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(shè)計(jì)或修復(fù)產(chǎn)品，通過將產(chǎn)品實(shí)物模型數(shù)字化，再進(jìn)行模型還原，明確形狀特征、功能特性、技術(shù)規(guī)格及工藝流程等技術(shù)特點(diǎn)，從而進(jìn)行創(chuàng)新或修補(bǔ)，實(shí)現(xiàn)產(chǎn)品的功能、外觀等設(shè)計(jì)要素的重新設(shè)計(jì)，如圖2所示。

圖2 逆向工程產(chǎn)品技術(shù)路線

大型構(gòu)件和模具由于日常損耗，往往存在局部缺損現(xiàn)象，重新設(shè)計(jì)制造成本昂貴，周期較長(zhǎng)，利用逆向工程和3D打印技術(shù)（見圖3、圖4），可以對(duì)構(gòu)件進(jìn)行局部修補(bǔ)（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(jié)構(gòu)

圖4 電弧3D打印系統(tǒng)工藝流程

圖5 煤機(jī)鏈輪修復(fù)案例

2.3 碳化鎢給料器復(fù)合技術(shù)

設(shè)計(jì)一種給料器，能夠?qū)⑻蓟u顆粒準(zhǔn)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(jié)構(gòu)

采用單層焊接，將碳化鎢顆粒對(duì)準(zhǔn)電弧熔池的尾部，這一過程需要進(jìn)行微調(diào)流程操作試驗(yàn)，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(yīng)用差異，如圖7所示。

圖7 碳化鎢給料器復(fù)合技術(shù)制備的產(chǎn)品形貌

2.4 合金粉末電弧熔覆技術(shù)

隨著電弧堆焊技術(shù)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(shù)的一部分，得到了長(zhǎng)足的發(fā)展。任振安[10]等通過在純鈦基體上預(yù)敷硅粉，然后進(jìn)行電弧熔覆的表面處理技術(shù)，制備了Ti-Si金屬間化合物表面層，使基體獲得表面冶金強(qiáng)化，耐磨性比純鈦基體有明顯提高。從東鋒[11]等利用改進(jìn)的電弧噴涂技術(shù)和氬弧重熔工藝在45鋼基體上制備WC-鋼基復(fù)合熔覆層，并探討了其磨損機(jī)理。結(jié)果表明，電弧噴涂層由堆積的變形粒子組成，與基體為機(jī)械結(jié)合，涂層具有層狀疊加組織結(jié)構(gòu)，其中孔隙較多。重熔后所得熔覆層中彌散分布著強(qiáng)化相粒子，與基體為冶金結(jié)合，組織致密，缺陷少；熔覆層磨損機(jī)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(shù)修復(fù)零部件時(shí)不可避免會(huì)產(chǎn)生裂紋的現(xiàn)象，且加入稀土元素后，熔覆層晶粒細(xì)化，柱狀晶的產(chǎn)生范圍減小，硬度增大，強(qiáng)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(shù)，以含鋁粉煤灰、鈦、SiO2、B2O3和La2O3為助熔劑，制備了Al2O3-TiB2增強(qiáng)鎳基復(fù)合涂層，經(jīng)制備的復(fù)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(shù)

等離子堆焊是利用焊槍的鎢極作為電流的負(fù)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(zhuǎn)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(shí)現(xiàn)零件表面的強(qiáng)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(yīng)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(shí)現(xiàn)機(jī)械化及自動(dòng)化等優(yōu)點(diǎn)，符合綠色制造的發(fā)展趨勢(shì)，在制造業(yè)中的應(yīng)用日益廣泛。由于等離子堆焊的特點(diǎn)和特性，其已廣泛應(yīng)用于礦山機(jī)械、工程機(jī)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(jī)理、堆焊設(shè)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(duì)耐磨等離子堆焊層沉積過程貢獻(xiàn)的一階多項(xiàng)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(jì)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(jié)構(gòu)并適當(dāng)提高粉末會(huì)交點(diǎn)距試件的距離可以同時(shí)實(shí)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(jié)構(gòu)的設(shè)計(jì)原則。

鄧德偉等[17-19]利用等離子堆焊技術(shù)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(shí)，堆焊層的硬度最高，耐磨性最佳。通過等離子堆焊技術(shù)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(shí)，通過研究焊接電流對(duì)堆焊層組織和性能的影響發(fā)現(xiàn)，在焊接電流為140A時(shí)，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(zhì)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(fù)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(fù)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(shí)，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(shí)，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(shù)

真空電子束堆焊是利用高能電子束作為熱源，對(duì)材料表面進(jìn)行輻照，使得基體微熔、熔覆層熔化，經(jīng)分子間的擴(kuò)散和化學(xué)結(jié)合，從而得到冶金結(jié)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(diǎn)[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(diǎn)。

劉成財(cái)?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(nèi)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(guān)系對(duì)電子束填絲堆焊焊縫成形的影響，絲束空間位向關(guān)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(zhì)量良好。

Радченк等[25]研究了利用電子束堆焊法強(qiáng)化鋁硅合金活塞表面，獲得了高度均勻的樹枝狀結(jié)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(shù)

激光熔覆堆焊技術(shù)是一種新的表面堆焊技術(shù)，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(shù)具有傳統(tǒng)堆焊技術(shù)無法比擬的優(yōu)點(diǎn)：可準(zhǔn)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(shí)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(zhì)量易于保證，堆焊可靠性高，故易于實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化；在覆層質(zhì)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(yīng)用中展現(xiàn)了廣闊的應(yīng)用前景，激光堆焊修復(fù)方法在軸類等部件的修復(fù)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(yàn)研究方面。周衛(wèi)家[26]對(duì)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(fù)軸件尺寸之外，還有強(qiáng)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(jié)合、良好的表面形狀、耐磨、耐腐蝕的表面修復(fù)層。MAJUMDAR等[28]研究了利用激光熔覆堆焊制備硬質(zhì)硼化物原位分散復(fù)合層的工藝，通過與AISI 304不銹鋼基體對(duì)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(dòng)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(duì)象，采用5.0kWCO2激光器、四軸聯(lián)動(dòng)數(shù)控機(jī)床及載氣式同軸送粉系統(tǒng)等設(shè)備在其表面激光熔覆制備夾層式勻質(zhì)復(fù)合涂層。夾層式勻質(zhì)復(fù)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(fù)合涂層的應(yīng)力集中，能有效提高復(fù)合涂層的耐沖擊性能。

6 堆焊制造與再制造技術(shù)發(fā)展展望

堆焊制造與再制造技術(shù)在工業(yè)領(lǐng)域的應(yīng)用具有無可替代的地位，一直是科研人員研究的重點(diǎn)。堆焊制造與再制造已經(jīng)在工業(yè)中得到了廣泛的應(yīng)用，為企業(yè)帶來顯著的經(jīng)濟(jì)效益。隨著對(duì)堆焊材料、堆焊工藝、堆焊設(shè)備等研究不斷深入，不斷拓寬應(yīng)用領(lǐng)域，為整個(gè)裝備制造業(yè)的品質(zhì)提升打下堅(jiān)實(shí)基礎(chǔ)。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(shù)的發(fā)展對(duì)完善、拓展堆焊技術(shù)具有積極作用。堆焊制造與再制造技術(shù)的研究和發(fā)展對(duì)推動(dòng)國家綠色可持續(xù)發(fā)展戰(zhàn)略的進(jìn)行具有重大意義。

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