1.2　焊接修复的应用现状及前景

1.2.1　焊接修复的应用现状

我国由于机械设备零部件的损坏和失效，每年造成的巨大损失难以计数。仅以磨损和腐蚀为例，每年损失达数百亿元。因此，对重大工程装备和机械零部件的焊接修复具有重要意义，已经引起世界各国的普遍关注。焊接修复操作工艺简便易行，适用范围广泛，在修复损坏的机械设备零部件和工程结构件方面发挥了越来越大的作用，取得了显著的经济效益。

（1）焊接修复技术的应用领域

焊接修复和堆焊技术作为焊接技术领域中的一个分支，就其应用范围而言，它广泛应用于汽车、拖拉机、冶金机械、矿山、煤矿机械、动力机械、石油、化工设备，建筑、运输设备、工程机械以及工具模具及金属结构件的制造与维修中。焊接修复技术的应用领域见表1-2。

在冶金机械的焊接修复和堆焊中，轧辊修复和堆焊占有很大比重，几乎所有的大、中型钢厂都有轧辊修复和堆焊能力。一些研究院（所）一直在致力于研究与生产有关的轧辊修复和堆焊的材料、设备和工艺。现有的用于轧辊堆焊的材料有几十种，例如，30CrMnSi、40CrMn等低合金钢，由于合金含量低，具有良好的塑性、韧性和抗裂性，在恢复轧辊尺寸和打底层方面具有重要的作用。3Cr2W8、3Cr5Mn2MoSi等热作模具钢，具有良好的耐磨性和抗热疲劳性能，已广泛应用于轧机、板带及各种类型轧机的开坯轧辊的堆焊；Cr18Ni8Mn6、Cr16Ni8Mn6、Cr20Ni10Mn6等奥氏体加工硬化不锈钢，由于加工硬化效果显著，在使用过程中硬度明显增加，加之它的热稳定性和抗氧化性较高，在深孔轧辊的孔型堆焊中取得很好的效果。

模具、锻模等作为机械制造业的重要工艺装备，采用堆焊技术进行模具修复具有显著的经济效益，在国内外备受关注。模具钢具有较高的碳和合金元素含量，堆焊修复时需要先堆焊过渡层。对使用温度高、堆焊修复难度大的模具钢，常采用镍基过渡合金。国内在堆焊修复5CrMnMo、5CrNiMo、3Cr2W8的锻模时，常采用10Mn2和08Mn2Si等材料作为过渡层。

随着焊接修复和堆焊技术的进步和焊接材料的开发，采用马氏体钢堆焊丝材——CrNiWMoNb堆焊合金作为表面工作层，修复的压铸模可以大大提高其耐热疲劳性，使用寿命延长5～10倍；断裂模具修复后，可保证具有足够的力学性能；在塑料成型模具上进行堆焊，可以获得良好耐蚀、耐磨和优异的镜面加工性能。

焊接修复和堆焊技术不仅可以修复已经损坏或旧的机械零部件，还可在工件表面形成复合层，使其具有特殊的性能，达到降低成本和延长工件使用奉命的效果。据统计，目前用于修复旧零部件的堆焊合金量约占堆焊合金总量的70％。例如堆焊修复旧轧辊的费用仅是制造新轧辊的30％左右，而使用寿命却比新轧辊成倍提高。因此，广泛采用堆焊技术修复旧零部件，对降低成本、节省材料、缩短制造周期具有重要的意义。

采用焊接或堆焊技术修复机械零部件，不仅可以发挥零部件的综合技术性能和金属材料的潜力，还能节约大量贵重金属。例如，一般热锻模采用5CrMnMo或5CrNiMo等合金钢整体制造，而我国有的单位已成功地应用45Mn2铸钢作为热锻模基体、表面工作层堆焊耐磨合金材料，从而节约了大量贵重的Ni、Mo等合金元素。我国还成功地将高频堆焊应用于农机犁铧，使农机具的制造技术向前迈进了一大步。

振动电弧堆焊是采用细焊丝并使其连续振动的焊接方法，能在小电流下保证堆焊过程的稳定性，使零部件受热较少，热影响区小，可获得薄而平整、硬度较高的堆焊合金层，在机械零部件修复中得到了广泛应用。特别是在汽车、拖拉机零部件修复中应用比较广泛。但由于生产率低、修复零件的抗疲劳性能不高，因此振动电弧堆焊对于重要机械零部件的修复应用受到一定的限制。

（2）焊接修复时焊接工艺的选择

采用焊接或堆焊技术修复损坏的零部件是工程中普遍采用的方法，形成了独特的技术特点。焊接修复工艺要根据被修复件的材质、破损部位和使用性能要求来选择，应考虑采用的焊接方法、坡口形式、相应的焊接材料、焊接顺序、工艺参数、焊前预热和焊后热处理等一系列措施。要想达到焊接修复的质量要求，上述选择是十分重要的。

焊接修复是一项较复杂的工作，它受诸多因素的影响。首先要确定焊接方法和焊接材料，选用合适的坡口形式，根据损坏零部件的几何形状，制定坡口的加工方法，以保证缺陷全部被清除。其次在选择坡口形式时，应以损坏零部件易于焊透、不出现裂纹，且尽量少消耗焊材为目的，有时还要考虑焊接修复后的加工性和工件的变形。

焊接修复工艺参数的选择要点包括以下几点。

①根据被修复零部件母材的要求，选用相匹配的焊接材料，同时还要根据现场的焊接设备情况，选用酸性或碱性焊条（或焊剂），以及适当的焊丝或保护气体。

②在焊接修复工作量不大时，尽量采用较小直径焊条或焊丝进行焊接修复。

③在保证焊接修复时能够焊透、熔合良好、不出现裂纹和夹渣的情况下，尽量选用焊接电流的下限，以防止因温度过高造成工件变形、飞溅过大、咬边、气孔等缺陷；为了防止产生缺陷，焊接时电弧不要拉起过长或把电弧压的太低，应根据具体情况，以电弧正常稳定燃烧为准。

④根据焊接修复时坡口的形式和焊后加工的要求，在保证熔合良好的情况下，焊接速度可根据被修复零部件的形状灵活控制；焊接修复时一般采用多层多道焊，因为多层多道焊能起到特殊的预热和缓冷的作用，有利于提高焊缝金属的塑性和韧性。

1.2.2　焊接修复的应用前景

现代装备制造业的一个显著特点是朝着自动化和高速化方向发展，对于焊接自动化的要求涉及许多领域，采用自动化焊接技术修复或再制造机械零部件的应用领域也越来越广泛。采用焊接或堆焊技术修复零部件，比整体更换设备零部件要经济得多（特别是对于大型零部件），在许多场合，还能提高零部件使用性能，成为一项具有重大经济效益的实用性技术。

十几年来，一些先进和特殊的焊接工艺方法得到迅速发展。例如激光表面熔敷、电子束堆焊等技术，这些工艺方法的能源利用率很高，可达30％以上。基体加热不受金属蒸气的影响，熔敷金属冷却速度快，熔敷层的耐磨性大大提高。但激光设备、电子束堆焊设备的一次性投资昂贵，运行费用高。

随着计算机技术的发展，为了提高及稳定焊接修复或堆焊质量，国内外已建立焊接修复和堆焊的计算机专家系统，如德国建立的堆焊专家系统，可根据零部件磨损程度和磨损形式及母材成分确定该零部件是否适宜焊接修复和堆焊、是否需要过渡层，并能够选择焊接材料和确定焊接修复或堆焊工艺及参数。这有利于指导操作人员制定较好的焊接修复或堆焊工艺，促进焊接修复技术的发展和堆焊质量的提高，扩大焊接修复和堆焊的应用范围。

随着科技的发展及精密产品的需求，等离子弧等高能密度热源的粉末堆焊技术得到迅速发展。等离子弧堆焊是利用等离子弧高温加热的一种熔化堆焊方法，与一般电弧不同之处在于，它是一种经过压缩而成的等离子弧。等离子弧堆焊具有热量集中、堆焊层性能好、堆焊层稀释率低、表面成形美观等一系列优点，易于实现机械化和自动化，是一种很有发展前途的堆焊工艺。

总体来说，焊接修复和堆焊技术的应用主要表现在以下几个方面。

（1）修复磨损件

机械零部件的表面磨损是众多厂矿企业经常遇到的问题，用焊接或堆焊方法修复已磨损的零件是一种常用的工艺方法，修复后的零部件不仅能正常使用，很多情况下还能超过原零部件的使用寿命，因为将新工艺、新材料用于焊接修复，可以大幅度提高原有零部件的性能。

焊接修复及堆焊技术在耐磨损、耐腐蚀零部件上的主要应用包括以下几个方面。

①各种轧辊及立柱的焊接及堆焊修复，如冷轧辊、热轧辊及异型轧辊的表面堆焊修复，水压机立柱及工作缸塞柱、轧钢设备中行星轧机的支撑辊和初轧机轧辊等的修复。

②各种轴类、模具等的焊接及堆焊修复，如汽车和拖拉机曲轴、车轴、柴油机缸套、机床主袖、机床导轨、热锻模、锻铁镦、各类模具等的修复。

③各种阀门密封面的堆焊或等离子弧喷涂，如用于化肥厂的耐腐蚀不锈钢阀门，用于炼油厂和电站的耐高温高压阀门、耐磨损阀门，用于军工部门的特殊阀门等的喷涂。

④工程机械（挖掘机、推土机、装载机等）和农用机械（拖拉机、农用车、插秧机、收割机等）磨损件的焊接及堆焊修复等。

⑤汽轮机叶轮叶片、船用螺旋桨叶片磨损部位的焊接及堆焊修复等。

（2）裂纹的焊接修复

焊接结构或机械设备零部件运行中出现的裂纹不仅影响正常的生产运行，甚至可能造成灾难性的事故。据统计，焊接结构出现的各种事故中，除少数是由于设计不当、选材不合理和运行操作上的原因外，大多数是由裂纹引起的破坏。焊接结构或机械零部件中的裂纹问题危害很大，对生产运行中产生裂纹的焊接结构或机械零部件进行焊接修复，已经引起许多焊接工作者的关注，并积累了宝贵的经验。

焊接生产中如何避免产生裂纹以及一旦出现裂纹如何进行焊接修复，是工程中十分重要的问题。要做到“预防为主”，就必须善于控制各种影响裂纹产生的因素，在一定的生产工艺条件下，必须进行焊接性分析，必要时应进行抗裂性试验，以制定出最佳的焊接工艺。

各种零部件上裂纹的焊接修复主要应用在如下几个方面。

①各种轴类零件中裂纹的焊接修复，如柴油机曲轴裂纹的焊接修复、磨煤机变速箱高速轴断裂后的修复、空心轴裂纹的焊接修复、轧制机齿轮轴和齿轮的焊接修复等。

②电站锅炉蒸汽管道、管座裂纹的焊接修复，热锻模底座裂纹的焊接修复等。

③水轮机和汽轮机叶轮、叶片损坏件（包括裂纹）的焊接修复，如水泵壳体裂纹的焊接修复、汽轮机主汽门裂纹的焊接修复等。

④各种机械加工设备床身、机床底座裂纹的焊接修复，如大型卷板机机座和刀刃板裂纹的焊接修复、立式车床主刀杆断裂的焊接修复、大型球磨机裂纹的焊接修复等。

⑤各种车辆和运载工具主轴、框架和车体裂纹的焊接修复，如机车、载重汽车、吊装车、轻型车、挖掘机、推土机、装载机、舰船等的焊接修复。

⑥柴油机气缸、电动机底座、水泵外壳等裂纹的焊接修复等。

（3）特殊结构的焊接或喷涂修复

由于电力、石油化工、航空航天、核工业等技术的发展，对材料的特殊性能（如耐高温、隔热、导电绝缘、防辐射等）提出较高的要求。在工作条件极其苛刻的场合下运行的设备零部件易受到损坏，整体制作这些相关的零部件成本极高，采用焊接修复却可以缩短维修周期、保证生产运行并能满足使用要求。特殊结构零部件的焊接或喷涂修复的应用举例如下。

①热电偶丝的焊接修复，环形线锯的焊接修复等。

②高炉热风支管等离子弧喷涂镍包铝粉，可延长使用寿命1～3倍。

③高炉风口套火焰或等离子弧喷涂碳化钨耐热合金，提高使用寿命1倍以上。

④钛合金表面等离子弧喷涂制造生物相容性良好的人造骨及关节。

⑤在特殊工件上喷铝、喷铜制作电磁屏蔽涂层。

（4）其他应用

近年来，焊接修复、堆焊及喷焊喷涂技术的应用已经扩展到很多技术领域。在生物工程、模具制造、喷射成形等方面也开始应用。从热喷涂技术的应用角度看，在过去主要用于装饰性涂层、喷锌和喷铝为主的防腐蚀涂层或者修复一些常用的钢制机械零部件。现在热喷涂技术修复的零件已经有了新的意义，即由于涂层材料优异的性能（例如喷涂陶瓷、金属间化合物等），使所修复的旧零件使用寿命在许多情况下超过了更换新件。这就促使热喷涂技术直接在新产品上的应用，从发展观点看，热喷涂技术将会改变许多新产品的结构和设计。

随着焊接技术的不断发展，焊接修复技术的应用领域将日益广泛。焊接修复、堆焊及喷涂技术在包括各个尖端技术部门在内的许多制造业领域中应用的深度和广度还会继续扩大。因此培养高水平的操作者，推广焊接修复和堆焊技术具有重大的社会经济意义。