堆焊技術發展及應用綜述

黃智泉，賀定勇，劉仁培，龔建勛，趙軍軍

1. 鄭州機械研究所有限公司，河南 鄭州 450001

2. 北京工業大學 材料與制造學部，北京 100124

3. 南京航空航天大學 材料科學與技術學院，江蘇 南京 211106

4. 湘潭大學 機械工程學院，湖南 湘潭 411105

5. 浙江巴頓焊接技術研究院，浙江 杭州 310022

0 前言

堆焊作為制造和再制造的重要技術手段，被廣泛應用于礦山、冶金、建筑、工程機械、車輛、石油化工、航空航天等領域裝備零件的制造或修復，通過再制造、高質量翻新、延壽等技術手段，大幅削減制造新件帶來的資源能源消耗和碳排放。近十年，堆焊作為制造和再制造技術的重要支撐，迎來了前所未有的發展機遇，僅在“堆焊”“修復”“再制造”相關領域就制定了40 余項標準。增材制造作為一種近凈成形制造工藝，是堆焊技術的數字化表現形式，是實現工業4.0 時代智能制造的關鍵技術[1]。國內眾多單位經過多年的研究和工程實踐，形成了一系列先進的堆焊材料和智能化裝備技術。隨著焊接裝備在數字化、自動化方面能力的提升，堆焊技術不斷進步并快速發展。

1 電弧堆焊制造和再制造的發展及應用

在材料研究方面，耐磨堆焊材料是電弧堆焊制造及再制造應用最為廣泛的材料，其中高鉻和高硼鐵基耐磨合金是目前市場應用最多的抗磨粒磨損堆焊材料。有關高鉻合金理論研究和工程應用較為成熟，為進一步降低堆焊材料成本和提高性能，近十年來，針對高硼鐵基耐磨堆焊材料所取得的原創成果居世界領先水平。高硼鐵基耐磨堆焊材料以藥芯焊絲為主。目前國內研究較多的高硼鐵基合金系列有：Fe-Cr-B-C、Fe-Cr-B、Fe-Cr-Mo-B、Fe-Cr-B-Nb-C、Fe-Cr-B-Ti-C、Fe-Cr-B-Si-C等[2-5]。B在α-Fe和γ-Fe的溶解度低于0.02%，堆焊層的絕大部分硼原子以硼化物析出。耐磨硬質相為M2B、M23（C，B）6、M7（C，B）3，其中，M代表Fe、Cr、Mo、Mn、V 等金屬元素。M3（C，B）也屬于耐磨相，但其以共晶化合物的形式析出而明顯損害合金韌性。根據需要，B 主要以硼鐵或B4C 的形式添加。國內研究顯示，Cr可提高M2B相的顯微硬度及斷裂韌性，改善高硼鐵基合金的耐磨性[6]，提高耐腐蝕性。Mo 可細化高硼合金晶粒[7]，并可析出Mo2FeB2相，從而改善耐磨性。Nb、Ti 以析出MC 型碳化物的方式減少堆焊熔體中的碳含量，減少甚至抑制M3（C，B）共晶相的析出。高硼合金屬于偏脆的一種耐磨合金，硼化物生長的方向性較強，國內研究了Y、Ce 等稀土元素變質處理來改善耐磨相形態，以提高合金韌性，并取得了較好效果[8]。

在設備研究方面，為了提高堆焊效率，國內外在多絲堆焊系統、多機頭堆焊系統方面進行了開發。多絲堆焊技術采用多根焊絲并行排列，多個電弧聯合燃燒，可以獲得較寬的焊道，目前已有單電源三絲、雙絲三電弧、雙絲+冷絲埋弧等多種系統。雙絲三電弧系統設備外觀如圖1所示。多機頭堆焊系統通常采用單絲、多機頭（條件允許，至少4 個機頭）同時施焊，各機頭軸向移動應單獨控制，并在堆焊作業時做到同步、穩定、可靠，多機頭堆焊系統如圖2所示。與堆焊過程密切相關的打磨及清理自動化設備同樣發展迅速，碳弧氣刨連續送碳棒結構、等離子氣刨和自動打磨系統等相繼開發并投入工程應用。

圖1 雙絲三電弧系統設備Fig.1 Double wires and three arcs system

圖2 多機頭堆焊系統Fig.2 Multi-head surfacing system

在耐磨堆焊方面，為了提高硬質相占比和表面耐磨性，逐漸發展了碳化物顆粒給料器、合金粉末和合金粉芯熔覆技術。其中碳化物顆粒給料器將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；合金粉末及粉芯電弧熔覆技術分別以粉末、粉芯絲材為熔覆材料，近十年得到了快速發展和研究。G. N. Sokolov[9]等研究了GMAW 工藝下引入具有超分散TiN 顆粒的粉芯絲材，堆焊金屬中形成TiCN 納米粒子簇，可提高熔敷金屬在500 ℃時的耐磨性能。

在電弧堆焊制造及修復再制造工程應用上，建材行業粉磨系統設備和礦山機械行業破碎關鍵大型設備，如輥壓機、立磨、高壓輥磨機等耐磨件堆焊修復再制造近年來已快速發展了在線、離線的自動化修復再制造技術。堆焊技術主要在形狀規則的大型零部件上的應用技術成熟且自動化程度高，如中部槽等規則性槽體鏈道焊接已成規模，但針對刮板輸送機機頭、機尾、過渡槽等不規格槽體焊接仍需人工調整[10]。

冶金行業相關設備如軋輥等在長期應力下磨損、剝落的堆焊再制造仍是研究熱點，通過增加堆焊材料合金元素、控制相占比等方法能夠提高堆焊層質量[11]，以防止在不匹配的堆焊條件下再制造支承輥堆焊層的服役早期開裂[12]。電力行業輔機設備耐磨件如因腐蝕和磨損失效的火電中速磨輥、水電站水輪機葉片、風機葉片等，可通過堆焊技術進行表面預保護和修復再制造。相關應用研究表明，采用金屬陶瓷相堆焊耐磨層的磨煤機磨碗襯板及輥套的檢修時間間隔可延長1.5～2.0 倍[13-14]。堆焊技術近年來逐漸應用于掘進設備的再制造。掘進設備盾構機、TBM等易磨損件（如密封跑道、主軸承大齒圈、刀具刀盤等）在運轉過程中出現損傷后，可通過堆焊進行修復[15]。密封跑道和大齒圈分別如圖3、圖4所示。

圖3 盾構機密封跑道[15]Fig.3 Wear of seal runway of shield machine[15]

圖4 盾構機主軸承大齒圈[15]Fig.4 Main bearing big tooth ring with collapse tooth of shield machine[15]

2 等離子堆焊制造和再制造的發展及應用

等離子弧堆焊工藝是現代工業生產中唯一能適應各種高合金鋼以及高性能材料（如CoCrW 等）堆焊要求的電弧堆焊方法。等離子弧堆焊具有熔深淺而寬的特點，因此，相比電弧堆焊可以制備出較薄的堆焊層。

Kartsev[16]等通過大量研究得到了表征各因素對堆焊層沉積過程貢獻的一階多項式回歸方程，為后期等離子弧堆焊的研究和發展提供了理論計算依據。在堆焊制造方面，等離子弧堆焊可實現鎳基材料、鈷基材料等多種材料在工件表面形成高性能的預保護層。郝建軍[17]等人采用等離子弧堆焊技術在旋耕刀鋼基材上成功制備了金屬陶瓷復合層（見圖5），耐磨性相較碳化鎢堆焊刀提高約20%。

圖5 等離子堆焊制備旋耕刀[17]Fig.5 Rotary blade with plasma surfacing layer[17]

在修復再制造方面，近年來軌道交通、礦山機械設備在服役中產生的損傷類缺陷修復再制造逐漸成為發展趨勢。航空發動機葉片堆焊如圖6 所示，研究表明，對于航空發動機葉尖磨損和葉片表面裂紋，相較于鎢極氬弧堆焊，等離子弧堆焊過程更加穩定，與控制系統相結合可減少堆焊后葉形的加工流程[18]。

3 激光堆焊制造和再制造的發展及應用

激光熔覆具有傳統堆焊技術無法比擬的優點，其利用高能量密度激光束快速加熱熔化熔覆材料（粉末、絲、帶、箔等），在基材表面形成熔池，冷卻凝固后在基材表面形成冶金結合層。近十年，國內開展了許多有關激光修復技術方面的應用基礎研究和工程應用。圖7為激光熔覆堆焊后的蒸汽發電機葉片，其使用壽命提高了3 倍[19]。核電金屬密封型核閥也可通過激光熔覆制備出滿足核閥技術要求、測試要求及驗收標準的堆焊層[20]。董世運[21]等針對發動機灰鑄鐵缸蓋“鼻裂”問題，研究了激光熔覆技術仿形再制造缸蓋的工藝方法，最終實現了質量優異的缸蓋激光熔覆再制造，如圖8 所示。2017 年后，（超）高速激光熔覆技術得到了長足發展，加之激光熔覆設備成本的降低，激光熔覆技術在煤礦機械、冶金設備等領域得到了工程化應用，成為替代電鍍鉻的一項優選技術。

圖7 激光熔覆堆焊后的蒸汽發電機葉片[19]Fig.7 Blade of steam generator after laser overlay[19]

圖8 激光再制造缸蓋[21]Fig.8 Remanufactured cylinder head by laser cladding[21]

4 增材制造和再制造的發展及應用

增材制造作為一種近凈成形制造工藝，是堆焊技術的數字化表現形式，是實現工業4.0 時代智能制造的關鍵技術。電弧堆焊系統在超大型工件增材制造方面得到了開發和應用。面對傳統工藝制造水電轉輪體過流面焊接時出現的工作量大、質量穩定性差、勞動強度高等問題，國內哈電、東電等多家單位開展了水輪機電弧堆焊增材路徑、工藝及應用研究[22]。近兩年，堆焊增材制造沖擊式和軸流式水輪機真機轉輪陸續研制成功，堆焊增材制造沖擊式水輪機轉輪如圖9所示。

圖9 沖擊式水輪機轉輪Fig.9 Impulse turbine

其典型應用還有模具堆焊（再）制造。模具電弧增材（再）制造技術將電弧增材制造與逆向重構相結合，主要包括：缺陷探測與清理技術；修復區快速測量與重構技術；分層切片、路徑規劃與姿態調整軟件設計技術；微渣氣體保護模具專用焊材研制技術；焊接工藝與成形控制技術等。重慶大學的周杰等[23-24]開發了多種過程規劃算法以應對堆焊修復精度和成形質量問題，并以失效的熱鍛曲軸模具驗證了整個工藝過程的穩定性，曲軸熱鍛模具修復如圖10 所示。為了解決在各類復雜模具基體上進行增材再制造時的壽命、撞槍、未熔合、焊瘤、金屬欠填充、成形精度和焊接缺陷控制難等問題，南京航空航天大學的劉仁培等[25-29]研制了基于分區策略的混合填充路徑規劃算法、焊槍姿態優化設計算法、曲面分層算法、模具氣刨工藝規程與離線編程準則等專用于模具增材再制造的工藝、算法、材料、軟件技術。如圖11所示，采用研制的成套技術和集成的硬件裝備應用于數十個廠家數百套模具的增材再制造。

圖10 曲軸熱鍛模具修復Fig.10 Repair of crankshaft hot forging die

圖11 增材再制造的各類模具Fig.11 Additive remanufacturing of various molds

5 結論及展望

我國正由制造大國向智造大國發展，堆焊技術作為制造和再制造技術的重要支撐，正面臨前所未有的發展機遇。

（1）隨著設備的大型化和技術成熟度的提高，堆焊制造和修復再制造的行業競爭激烈。目前多專業融合復合技術處于快速發展中，如復合材料開發、復合熱源研究、粉末冶金-堆焊復合技術等。激光修復技術、增材制造修復技術會成為關鍵裝備制造與再制造表面改性技術的強增長點。

（2）由于零部件的幾何構型復雜化、材質復雜化、尺寸大型化或精細化，對熱加工過程材料和工藝控制、堆焊技術研究和應用提出了更高的要求，需要從前期堆焊固態相變和焊接應力應變的模擬、執行過程堆焊數據庫的建立和大型部件堆焊后的自動降低焊接殘余應力及組織應力的手段和方法進行更深入的研究，為資源節約和高質量再制造提供技術支撐。實現堆焊修復成形控制系統的集成化，提高修復系統的智能化和柔性化程度，發展堆焊修復流程管理和過程監控平臺。

（3）國內目前有些高端堆焊材料（尤其是Ni基、Co 基高溫合金堆焊材料）和先進裝備還存在“卡脖子”問題，如適用于“三深一極”（深空、深海、深地、極地）極端環境的材料體系，仍需不斷強化適用于超高溫、極寒、強腐蝕、強磨損等環境的材料性能。