堆焊技术发展及应用综述

黄智泉，贺定勇，刘仁培，龚建勋，赵军军

1. 郑州机械研究所有限公司，河南 郑州 450001

2. 北京工业大学 材料与制造学部，北京 100124

3. 南京航空航天大学 材料科学与技术学院，江苏 南京 211106

4. 湘潭大学 机械工程学院，湖南 湘潭 411105

5. 浙江巴顿焊接技术研究院，浙江 杭州 310022

0 前言

堆焊作为制造和再制造的重要技术手段，被广泛应用于矿山、冶金、建筑、工程机械、车辆、石油化工、航空航天等领域装备零件的制造或修复，通过再制造、高质量翻新、延寿等技术手段，大幅削减制造新件带来的资源能源消耗和碳排放。近十年，堆焊作为制造和再制造技术的重要支撑，迎来了前所未有的发展机遇，仅在“堆焊”“修复”“再制造”相关领域就制定了40 余项标准。增材制造作为一种近净成形制造工艺，是堆焊技术的数字化表现形式，是实现工业4.0 时代智能制造的关键技术[1]。国内众多单位经过多年的研究和工程实践，形成了一系列先进的堆焊材料和智能化装备技术。随着焊接装备在数字化、自动化方面能力的提升，堆焊技术不断进步并快速发展。

1 电弧堆焊制造和再制造的发展及应用

在材料研究方面，耐磨堆焊材料是电弧堆焊制造及再制造应用最为广泛的材料，其中高铬和高硼铁基耐磨合金是目前市场应用最多的抗磨粒磨损堆焊材料。有关高铬合金理论研究和工程应用较为成熟，为进一步降低堆焊材料成本和提高性能，近十年来，针对高硼铁基耐磨堆焊材料所取得的原创成果居世界领先水平。高硼铁基耐磨堆焊材料以药芯焊丝为主。目前国内研究较多的高硼铁基合金系列有：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%，堆焊层的绝大部分硼原子以硼化物析出。耐磨硬质相为M2B、M23（C，B）6、M7（C，B）3，其中，M代表Fe、Cr、Mo、Mn、V 等金属元素。M3（C，B）也属于耐磨相，但其以共晶化合物的形式析出而明显损害合金韧性。根据需要，B 主要以硼铁或B4C 的形式添加。国内研究显示，Cr可提高M2B相的显微硬度及断裂韧性，改善高硼铁基合金的耐磨性[6]，提高耐腐蚀性。Mo 可细化高硼合金晶粒[7]，并可析出Mo2FeB2相，从而改善耐磨性。Nb、Ti 以析出MC 型碳化物的方式减少堆焊熔体中的碳含量，减少甚至抑制M3（C，B）共晶相的析出。高硼合金属于偏脆的一种耐磨合金，硼化物生长的方向性较强，国内研究了Y、Ce 等稀土元素变质处理来改善耐磨相形态，以提高合金韧性，并取得了较好效果[8]。

在设备研究方面，为了提高堆焊效率，国内外在多丝堆焊系统、多机头堆焊系统方面进行了开发。多丝堆焊技术采用多根焊丝并行排列，多个电弧联合燃烧，可以获得较宽的焊道，目前已有单电源三丝、双丝三电弧、双丝+冷丝埋弧等多种系统。双丝三电弧系统设备外观如图1所示。多机头堆焊系统通常采用单丝、多机头（条件允许，至少4 个机头）同时施焊，各机头轴向移动应单独控制，并在堆焊作业时做到同步、稳定、可靠，多机头堆焊系统如图2所示。与堆焊过程密切相关的打磨及清理自动化设备同样发展迅速，碳弧气刨连续送碳棒结构、等离子气刨和自动打磨系统等相继开发并投入工程应用。

图1 双丝三电弧系统设备Fig.1 Double wires and three arcs system

图2 多机头堆焊系统Fig.2 Multi-head surfacing system

在耐磨堆焊方面，为了提高硬质相占比和表面耐磨性，逐渐发展了碳化物颗粒给料器、合金粉末和合金粉芯熔覆技术。其中碳化物颗粒给料器将颗粒对准电弧熔池的尾部，这一过程需要进行微调流程操作试验；合金粉末及粉芯电弧熔覆技术分别以粉末、粉芯丝材为熔覆材料，近十年得到了快速发展和研究。G. N. Sokolov[9]等研究了GMAW 工艺下引入具有超分散TiN 颗粒的粉芯丝材，堆焊金属中形成TiCN 纳米粒子簇，可提高熔敷金属在500 ℃时的耐磨性能。

在电弧堆焊制造及修复再制造工程应用上，建材行业粉磨系统设备和矿山机械行业破碎关键大型设备，如辊压机、立磨、高压辊磨机等耐磨件堆焊修复再制造近年来已快速发展了在线、离线的自动化修复再制造技术。堆焊技术主要在形状规则的大型零部件上的应用技术成熟且自动化程度高，如中部槽等规则性槽体链道焊接已成规模，但针对刮板输送机机头、机尾、过渡槽等不规格槽体焊接仍需人工调整[10]。

冶金行业相关设备如轧辊等在长期应力下磨损、剥落的堆焊再制造仍是研究热点，通过增加堆焊材料合金元素、控制相占比等方法能够提高堆焊层质量[11]，以防止在不匹配的堆焊条件下再制造支承辊堆焊层的服役早期开裂[12]。电力行业辅机设备耐磨件如因腐蚀和磨损失效的火电中速磨辊、水电站水轮机叶片、风机叶片等，可通过堆焊技术进行表面预保护和修复再制造。相关应用研究表明，采用金属陶瓷相堆焊耐磨层的磨煤机磨碗衬板及辊套的检修时间间隔可延长1.5～2.0 倍[13-14]。堆焊技术近年来逐渐应用于掘进设备的再制造。掘进设备盾构机、TBM等易磨损件（如密封跑道、主轴承大齿圈、刀具刀盘等）在运转过程中出现损伤后，可通过堆焊进行修复[15]。密封跑道和大齿圈分别如图3、图4所示。

图3 盾构机密封跑道[15]Fig.3 Wear of seal runway of shield machine[15]

图4 盾构机主轴承大齿圈[15]Fig.4 Main bearing big tooth ring with collapse tooth of shield machine[15]

2 等离子堆焊制造和再制造的发展及应用

等离子弧堆焊工艺是现代工业生产中唯一能适应各种高合金钢以及高性能材料（如CoCrW 等）堆焊要求的电弧堆焊方法。等离子弧堆焊具有熔深浅而宽的特点，因此，相比电弧堆焊可以制备出较薄的堆焊层。

Kartsev[16]等通过大量研究得到了表征各因素对堆焊层沉积过程贡献的一阶多项式回归方程，为后期等离子弧堆焊的研究和发展提供了理论计算依据。在堆焊制造方面，等离子弧堆焊可实现镍基材料、钴基材料等多种材料在工件表面形成高性能的预保护层。郝建军[17]等人采用等离子弧堆焊技术在旋耕刀钢基材上成功制备了金属陶瓷复合层（见图5），耐磨性相较碳化钨堆焊刀提高约20%。

图5 等离子堆焊制备旋耕刀[17]Fig.5 Rotary blade with plasma surfacing layer[17]

在修复再制造方面，近年来轨道交通、矿山机械设备在服役中产生的损伤类缺陷修复再制造逐渐成为发展趋势。航空发动机叶片堆焊如图6 所示，研究表明，对于航空发动机叶尖磨损和叶片表面裂纹，相较于钨极氩弧堆焊，等离子弧堆焊过程更加稳定，与控制系统相结合可减少堆焊后叶形的加工流程[18]。

3 激光堆焊制造和再制造的发展及应用

激光熔覆具有传统堆焊技术无法比拟的优点，其利用高能量密度激光束快速加热熔化熔覆材料（粉末、丝、带、箔等），在基材表面形成熔池，冷却凝固后在基材表面形成冶金结合层。近十年，国内开展了许多有关激光修复技术方面的应用基础研究和工程应用。图7为激光熔覆堆焊后的蒸汽发电机叶片，其使用寿命提高了3 倍[19]。核电金属密封型核阀也可通过激光熔覆制备出满足核阀技术要求、测试要求及验收标准的堆焊层[20]。董世运[21]等针对发动机灰铸铁缸盖“鼻裂”问题，研究了激光熔覆技术仿形再制造缸盖的工艺方法，最终实现了质量优异的缸盖激光熔覆再制造，如图8 所示。2017 年后，（超）高速激光熔覆技术得到了长足发展，加之激光熔覆设备成本的降低，激光熔覆技术在煤矿机械、冶金设备等领域得到了工程化应用，成为替代电镀铬的一项优选技术。

图7 激光熔覆堆焊后的蒸汽发电机叶片[19]Fig.7 Blade of steam generator after laser overlay[19]

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

4 增材制造和再制造的发展及应用

增材制造作为一种近净成形制造工艺，是堆焊技术的数字化表现形式，是实现工业4.0 时代智能制造的关键技术。电弧堆焊系统在超大型工件增材制造方面得到了开发和应用。面对传统工艺制造水电转轮体过流面焊接时出现的工作量大、质量稳定性差、劳动强度高等问题，国内哈电、东电等多家单位开展了水轮机电弧堆焊增材路径、工艺及应用研究[22]。近两年，堆焊增材制造冲击式和轴流式水轮机真机转轮陆续研制成功，堆焊增材制造冲击式水轮机转轮如图9所示。

图9 冲击式水轮机转轮Fig.9 Impulse turbine

其典型应用还有模具堆焊（再）制造。模具电弧增材（再）制造技术将电弧增材制造与逆向重构相结合，主要包括：缺陷探测与清理技术；修复区快速测量与重构技术；分层切片、路径规划与姿态调整软件设计技术；微渣气体保护模具专用焊材研制技术；焊接工艺与成形控制技术等。重庆大学的周杰等[23-24]开发了多种过程规划算法以应对堆焊修复精度和成形质量问题，并以失效的热锻曲轴模具验证了整个工艺过程的稳定性，曲轴热锻模具修复如图10 所示。为了解决在各类复杂模具基体上进行增材再制造时的寿命、撞枪、未熔合、焊瘤、金属欠填充、成形精度和焊接缺陷控制难等问题，南京航空航天大学的刘仁培等[25-29]研制了基于分区策略的混合填充路径规划算法、焊枪姿态优化设计算法、曲面分层算法、模具气刨工艺规程与离线编程准则等专用于模具增材再制造的工艺、算法、材料、软件技术。如图11所示，采用研制的成套技术和集成的硬件装备应用于数十个厂家数百套模具的增材再制造。

图10 曲轴热锻模具修复Fig.10 Repair of crankshaft hot forging die

图11 增材再制造的各类模具Fig.11 Additive remanufacturing of various molds

5 结论及展望

我国正由制造大国向智造大国发展，堆焊技术作为制造和再制造技术的重要支撑，正面临前所未有的发展机遇。

（1）随着设备的大型化和技术成熟度的提高，堆焊制造和修复再制造的行业竞争激烈。目前多专业融合复合技术处于快速发展中，如复合材料开发、复合热源研究、粉末冶金-堆焊复合技术等。激光修复技术、增材制造修复技术会成为关键装备制造与再制造表面改性技术的强增长点。

（2）由于零部件的几何构型复杂化、材质复杂化、尺寸大型化或精细化，对热加工过程材料和工艺控制、堆焊技术研究和应用提出了更高的要求，需要从前期堆焊固态相变和焊接应力应变的模拟、执行过程堆焊数据库的建立和大型部件堆焊后的自动降低焊接残余应力及组织应力的手段和方法进行更深入的研究，为资源节约和高质量再制造提供技术支撑。实现堆焊修复成形控制系统的集成化，提高修复系统的智能化和柔性化程度，发展堆焊修复流程管理和过程监控平台。

（3）国内目前有些高端堆焊材料（尤其是Ni基、Co 基高温合金堆焊材料）和先进装备还存在“卡脖子”问题，如适用于“三深一极”（深空、深海、深地、极地）极端环境的材料体系，仍需不断强化适用于超高温、极寒、强腐蚀、强磨损等环境的材料性能。