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碳化钨悬浮堆焊的技术工艺

2019-03-16

硬质合金是由钨和碳组成的化合物,硬度高,摩氏硬度为8.5-9,熔化温度达到2870°C;和低电阻的碳化钨,常作为刀具材料,高硬度和高耐磨的设备部件,以及用于高硬度装甲制造。此外,碳化钨是解决耐磨行业局部严重磨损的有效材料。例如,一个铲头或刮板装载机抓斗,在工作时,需要经常搬运物品或摩擦,或者是一个铲头,如果全部用碳化钨制造,成本太高,而且没有必要,在实践中只需要增加耐磨性强度就可以解决局部磨损的问题。

1、传统堆焊工艺

焊接具有恢复焊接件尺寸和表面强化的两种功能。堆焊方法是由火焰、电弧、等离子弧等热源覆盖堆焊材料。堆焊层通过自重在工件表面沉积,耐磨、耐腐蚀、耐热。

目前,在堆焊过程中,首先用碳化钨等辅助材料制备碳化钨堆焊材料,主要由碳化钨堆焊电极和碳化钨堆焊丝组成。其中,有2种类型的碳化钨堆焊电极的制备方法:一种是普通低碳钢丝的使用为核心材料,和过渡通过涂层中添加碳化钨颗粒;另一种是把碳化钨颗粒填充到低碳钢或钢、低碳钢带涂层或钢管外涂层钢电极式。

对于上述含碳化钨的堆焊材料进行堆焊的方法有手工电弧堆焊、氧-乙炔堆焊和钨极氩弧堆焊3种。由于堆焊材料中碳化钨颗粒是事先加入堆焊材料中,而不是在堆焊过程中重新形成的,所以堆焊方法的不同,导致对碳化钨颗粒本身的如烧损和脱碳的影响不同,因此耐磨性也会有不同的表现。

对于手工电弧堆焊方法来说,一般堆焊工艺参数与正常手工电弧焊接一样,比如,直径4.0mm的焊条,堆焊电流一般为170A左右。由于电弧温度达到4000℃以上,对碳化钨颗粒本身有一定的烧损作用,小的颗粒由于比表面积较大,很多被烧损,然后再重新形成碳化钨晶粒和其他组织。大的颗粒烧损相对较轻,但表面会出现一定程度的脱碳层,导致耐磨性能下降。因此一般不建议使用此方法堆焊碳化钨。但是由于使用和操作方便,目前仍有一部分场合在使用此方法。

对于氧-乙炔堆焊方法来说,由于火焰可分为中性焰、碳化焰和氧化焰3种,为了避免碳化钨颗粒的烧损和脱碳,尽量用最高温度为2700-3500℃的碳化焰,碳化焰能提高堆焊层中的含碳量,但由于其最热火焰的温度也相对较低,而影响堆焊效率。

钨极氩弧焊的温度高达4000℃以上,在堆焊时控制焊丝的热输入很重要,一般是用电弧把母材加热到镜面状态,然后稍微加热焊丝,立即将焊丝端部送入电弧区。关键是尽量避免电弧对焊丝的过渡熔化和烧损。

目前市场上有很多种碳化钨焊条或焊丝,结合上述堆焊方法使用时,由于碳化钨焊条或焊丝的熔敷的机理问题,堆焊后的效果并不理想,因此希望有一种工艺能使得碳化钨颗粒不烧损并附着在堆焊层中。但是由于碳化钨的比重大鱼普通钢水的比重,在堆焊过程中碳化钨颗粒会沉入焊接熔池底部,形成碳化钨和堆焊材分层,无法使得碳化钨颗粒悬浮在堆焊层中,也就无法形成有效的耐磨堆焊层。

2、悬浮堆焊工艺设计原理

1.将钢制工件装夹在安装平台上,并且需要堆焊的部分表面朝天,装夹完成后对钢制工件进行预热。

2.调整碳化钨供给管的下管段与铅垂面的夹角为30°-45°,并且碳化钨供给管的碳化钨供给管口距离钢制工件需要堆焊的部位表面20-35mm。

3.调整焊接装置的水冷焊枪位于钢制工件的堆焊区域的上方以及堆焊去域的前后向的一侧;焊丝由送丝机送入水冷焊枪中,使用前启动焊枪的冷却水循环装置。

4.向水冷焊枪的下端两侧的抗磁偏吹装置的第一螺旋线图和第二螺旋线圈通过交流电流。

5.在控制箱的控制下,送丝机输送焊丝至水冷焊枪下发的焊接处;焊接大电流依次通过水冷焊枪的枪柄、焊丝以及引弧板,在引弧板上起弧。

起弧后碳化钨供给管的下管段随着水冷焊枪行进至钢制工件的堆焊区域上方,焊丝在钢制工件的堆焊区域的相应部位熔化并使得该相应部位形成熔池,控制碳化钨供料装置的碳化钨供给调速电机,使得碳化钨颗粒从碳化钨供料装置的碳化钨供给管的管口落入熔池中,在第一螺旋线圈和第二螺旋线圈的磁力搅拌作用下,熔池中的钢水搅动,使得熔池中的碳化钨颗粒在水中翻滚,到钢水凝固时,碳化钨颗粒以悬浮的形态固结在原熔池中。

水冷焊枪在自前向后行走的同时还在摆动控制器的控制下左右摆动,从而焊枪从前向后运动完毕后,在钢制工件的堆焊区域的前后向的摆动区域内堆焊了一层包裹碳化钨颗粒的堆焊层。

当需要增加堆焊层厚度时,重复上述步骤。

3 悬浮堆焊工艺优点

(1)碳化钨悬浮堆焊方法不需要预先将碳化钨颗粒与辅材制成碳化钨焊条或焊丝后再堆焊,而是直接将碳化钨颗粒堆焊在工件需要增加耐磨性的部位上,并且碳化钨颗粒在堆焊过程中没有沉淀在堆焊层底部,而是从上至下均匀分散在堆焊层中,即悬浮在堆焊层中,冷却后堆焊部位的耐磨效果较强。

(2)碳化钨悬浮堆焊方法根据实际使用需要,可以多层堆焊形成高寿命抗磨层,也可以基于成本考虑适当降低耐磨厚度。

(3)由于碳化钨颗粒以独立形式存在,该方法只需要提供能力将不含碳化钨的相应的焊丝熔化,焊丝熔化形成熔池后,再投放碳化钨颗粒进入熔池,整个堆焊过程对碳化钨颗粒没有烧损影响。

(4)碳化钨悬浮堆焊装置的碳化钨供料装置的电机的转速可调,因此可以实现碳化钨颗粒送料量的控制。

(5)碳化钨悬浮装置优选在水冷焊枪的下端外周没有抗磁偏吹装置,该装置能够保证实现稳定连续的焊接电弧,同时在堆焊过程中给熔池钢水一点的磁力搅拌,进一步使得碳化钨颗粒分布均匀。

4 结论

通过悬浮堆焊工艺,不仅可以让碳化钨均匀的分布在堆焊耐磨层中,也解决了传统碳化钨堆焊过程中对碳化钨的烧损,有效的提高了碳化钨的利用率和堆焊耐磨层的耐磨性能。