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""
"
第四篇
堆焊新工艺、新技术
第一章概论
第一节堆焊概念
堆焊是焊接领域中的一个分支，是一种熔焊工艺。但堆焊的目的并不是为了连接机
件，而是借用焊接的手段对金属材料表面进行厚膜改质，即在零件上堆敷一层或几层具
有希望性能的材料。这些材料可以是合金，也可以是金属陶瓷，它们可以具有原机件不
具有的性能，例如高的抗磨性，良好的耐蚀性或其它性能。这样一来，对于本来是用一般
材料制成的零件，如普通碳钢零件，通过堆焊一层高合金，可使其性能得到明显的改善或
提高。
堆焊也是用于修复的重要方法之一，许多表面缺陷都可以通过堆焊进行消除。
堆焊就其物理本质和冶金过程而言，具有焊接的一般规律，原则上所有的熔焊方法
都可以用于堆焊。但是由于其作用同一般起连结作用的焊接完全不同，因此，它还具有
自身的特性，例如：
!"堆焊的目的是用于表面改质，因此，堆焊材料与基体往往差别很大，因而具有异种
金属焊接的特点。
#"与整个机件相比，堆焊层仍是很薄的一层，因此，其本身对整体强度的贡献，不像
通常焊缝那样严格，只要能承受表面耐磨等要求即可。堆焊层与基体的结合力，也无很
高要求，一般冶金结合即可满足，但是必须保证工艺过程中对基体的强度不损害，或者损
害可控制在允许限度之内。
·$%&·
第一章概论
!"要保证堆焊层自身的高性能，要求尽可能低的稀释率。
#"堆焊用于强化某些表面，因而希望焊层尽可能平整而均匀。这要求堆焊材料与基
体应有尽可能好的润湿性和尽可能好的流平性。
异种金属的堆焊，一般来说比同种金属的堆焊要困难一些，这是因为堆焊层材料和
基体材料的性能差异会严重影响其焊接性。
结晶化学的差异是影响堆焊的重要因素，这主要指焊层与基体材料的晶格类型、
点阵常数、原子半径及电子结构等差异，也就是冶金学上的“不相容”性。如果两种金
属不相容，则不可能直接用于堆焊，例如：铅与铜、铁与镁、铁与铅就是如此。经过研
究，以下金属相容性都是比较好的，如：$%&’(，$%&)（高于+!#,），$%&-.（高于
/+0,），$%（
!
）&-1（
"
），’(&2，’(&34（
!
），’(&-5，’(&-1，-.&6(（
"
）（高于
!70,），-.&31，-.&)，-.&2，34（
!
）&-5，34（
!
）&-1（
"
），6(&8.，6(（
"
）&2，
6(（
"
）&)，6(（
"
）&69，6(（
"
）&31，6(（
"
）&’:，’:&31，’:&69，’:&2，31&69，
31&2，2&69等。
对于那些只能有限互溶而易形成金属间化合物的焊材，用于一般焊接会降低接头性
能，但是大多可用于堆焊。不过必须采取适当的工艺防止堆焊层开裂。
堆焊技术的进步，一是体现在工艺方法上，例如由最初的手工电弧堆焊、氧乙炔堆焊
发展为埋弧堆焊、振动堆焊、气体保护堆焊和等离子堆焊等；另一方面是体现在堆焊材料
上，从成分上由原来的碳钢、低合金钢发展为多种性能的高合金钢（如高速钢、高铬合金
铸铁）、镍基合金，钴基合金、铜基合金以及超硬的碳化钨金属陶瓷。
第二节熔焊金属组织的一般规律
堆焊是属于熔焊的范畴，因此要了解堆焊层的特性，必须了解一般的焊缝的特点，其
中包括焊池的形成、焊缝的结晶、焊缝的合金化等因素。
一、焊池的形成
金属的熔焊是将基体材料部分熔化，同时加入熔化的焊条（或粉末），形成焊池。被
熔化的材料呈液滴状进入熔池时，将发生各种反应，其中主要有：
（一）产生大量气体
固态金属中的碳，对原金属中的氧化物进行还原，放出大量的-;（<=
!
的液态金属
·0>!·
第四篇堆焊新工艺、新技术
可放出!"#$
%
的气体）。在气体形成的瞬间，压力很高，呈爆发式放出，会对熔池的金属
有搅拌作用。
（二）引起熔池成分改变
熔化的金属基体与焊材，在高温、高压气体介质的作用下，会发生强烈的化学作用，
使化学成分变化。成分的变化与焊材组织、药皮成分、焊接规范等有关。由于这种改变，
使焊缝中的金属成分分布非常不均匀，上部接近焊材成分，下部接近于金属基体成分，中
间是混合成分。显然堆焊时，希望上部更大的部位能保持焊材成分。图&’!’!是用低
碳钢焊硅钢板时，焊缝中硅成分的变化。
图&’!’!用低碳钢焊条焊硅钢板时，焊缝硅成分沿厚度分布工艺规范
!
—!()；
"
—!))；
#
—!!"
二、焊缝的结晶
焊缝的结晶完全遵循一般的结晶规律，即先形成晶核，然后沿冷却方向成长。熔池
中液体有下列特点：
$
液体受到火焰或电弧的加热，又受到固体金属基体的冷却；
%
熔池
周围的固体温度是不均匀的，两侧温度较高，底部温度较低；
&
焊缝中液体的结晶速度决
定于焊接的前进速度。
结晶核心先在熔池的底和侧壁上形成，然后沿与壁面垂直的方向成长，得到一薄层
的结晶以后，由于结晶潜热的放出，使冷却缓慢，结晶过程会暂时停止，然后又再次形核，
成长出第二层结晶层，这样结晶会一层一层地完成，得到如图&’!’+所示的多层结晶
焊缝组织。
·!(%·
第一章概论
图!"#"$焊缝结晶示意图
（%）纵截面；（&）平面；（’）横截面
三、焊缝的结晶组织
焊缝的一次结晶组织近似于铸锭的结晶组织。由于熔池体积很小，冷却迅速，主要
是柱状晶组织，等轴晶组织较少。如果基体是钢，在界面附近由于过热会引起基体金属
晶粒的长大。基体金属或焊层金属在冷却过程中有相变发生，会发生二次结晶。二次结
晶所得组织符合一般的固体相变结晶规律。
·$()·
第四篇堆焊新工艺、新技术
第二章异种金属熔焊
第一节熔合区的形成与结构
由于焊层金属和基体金属的化学成分和晶格类型都有差别，不可避免会在分界面的
过渡层中引起晶格畸变，从而造成晶格的各种缺陷。由于靠近熔合区各段上焊缝的结晶
特点不同，可能由于成分的变化而形成性能不良的过渡层，从而使焊接质量恶化。
一、熔合区
所谓熔合区一般包括熔合线和具有结晶层与扩散层的过渡区段，在这个过渡区段内
成分是不固定的。焊层与基体金属之间的界线称为熔合线。
实践证明，在熔焊条件下，熔池的结晶中心是未被熔化的基体金属的晶粒，结晶新相
的原子就附着在结晶中心的上面。焊缝完全冷却以后，熔合区主要由基体金属和焊缝金
属相互熔合的合金组成。
二、熔合区的结构特点
分析焊缝的微观组织可以发现，两种金属尽管合金化特性彼此差别很大，但只要它
们的晶格相同，基体金属与焊缝金属的熔合区就有相容性。而且只要熔合区内没有组织
的畸变，金相组织类型相同的异种钢焊接接头、晶界的吻合也是很清晰的。
对于组织类型不同的钢，熔合区的形成过程就比较复杂。根椐结晶方向和尺寸相适
·!"!·
第二章异种金属熔焊
应的规律，被焊金属晶格的周期彼此相差不超过!"才会产生共同的结晶。这时在熔合
区内就出现从一种晶格过渡到另一种晶格的单原子层，显然此过渡层总是受到一定的应
力。
在珠光体钢上堆焊奥氏体钢时，在熔合区仍保留有与
!
和
"
铁的结晶晶格方向相适
应的结晶条件，即有共同的结晶方向。但是金相分析时，在界面上只能见到从奥氏体焊
缝向珠光体钢的明显过渡，而不是结晶方向一致的共同晶粒。只有采用一定的处理措
施，例如用真空高温金相显示法，可以把熔合区内的晶粒显示出来，在熔合区上可以观察
到和基体以及奥氏体完全一致的晶界。
三、熔合区中的结晶过渡层
由于是异材焊接，在熔合区的焊缝边界上，就不可避免地会产生化学成分介于基体
金属和焊缝之间的过渡层。过渡层的厚度随焊接电流的增大而减小。一般说来，用手工
电弧焊时，过渡层的平均厚度约为#$%&#$’((，而用埋弧焊时，约为#$)&#$((。
在珠光体钢基体上堆焊奥氏体钢时，产生的过渡层往往是硬度很高的脆性马氏体。
在焊接或焊后的使用过程中，就容易在此区内形成裂纹。
脆性的马氏体区的厚度主要取决于一定焊接条件下焊缝金属的成分。图%+)+,
是示意图。由图可见，当过渡区尺寸一定时，其中脆性层的厚度取决于化学成分。对于
三种焊缝成分由于-.的变动不大，因此脆性结晶层的厚度与焊缝中的含镍量成反比。
当含/0量为)"时，脆性区!
1
变得很窄。如果改用镍基合金为焊材，脆性区完全观察
不到，仅有一条由珠光体向奥氏体焊缝过渡的清晰的边界。
图%+)+,焊缝金属成分对马氏体脆性区的影响
,—基体金属（低碳钢）；)—奥氏体焊缝；
1—结晶过渡区；!—脆性区
·%21·
第四篇堆焊新工艺、新技术
第二节扩散过渡层的产生
焊接异种金属时，在熔合区中会产生过渡层。前所述及的在结晶过程中形成的过渡
层，称为结晶过渡层。因合金元素扩散所形成的过渡层称为扩散过渡层。
一、固相与液相的相互作用
在堆焊过程中，固态基体金属和液态金属互相作用必定会引起熔合区内某种程度的
异扩散。异扩散速度的大小取决于温度、接触时间、浓度梯度和原子的迁移率。异扩散
形成的扩散过渡层往往会损害焊层的性能。
在实际堆焊过程中，液相和固相的接触时间!一般都远远超过异扩散过程所需的延
迟时间!，因此，接触区内某些合金元素的扩散是不可避免的。
焊接时，在基体金属!焊接熔池之间的边界上产生扩散的可能性取决于元素在液态
金属和固态金属中的不同的溶解度。焊缝中某种元素的分布特征，也就是它在固!液边
界上的溶解度取决于分布系数
!
，
!
表示元素在固相和液相中不同溶解度之比，即：
!
"
"
固
"
液
式中，"
固
、"
液
分别表示在结晶温度下，元素在固态和液态金属中的溶解度。
!
与元素的
偏析能力成反比。
对于
"
铁溶液的结晶条件，
!碳
"#$%&，
!硫
"#$#’，
!磷
"#$#’。
!
还取决于扩散系
数#
固
和#
液
、扩散过程的延续时间!以及熔合线上的浓度梯度。而扩散系数#
固
与温
度、浓度、组织结构、合金元素、受力状态有关，可在很宽的范围内变化（%#
!%%
(%#
!)#
)
+
,），而#
液
一般在%#
!-
(%#
!%#
)
+,之间。
为了正确估计焊缝的工作性能，往往需要了解某些合金元素在焊缝截面上的分布特
征。实践证明，当基体金属与堆焊金属的成分相差很大时，在焊缝金属熔合线附近，会形
成一个成分变化不定的区域，即扩散过渡层。
二、碳的扩散
在分析熔合区内形成扩散过渡层的特点时，首先应当了解其中扩散能力最大的元素
的迁移条件。在钢中这种扩散运动能力最强的是碳。不论在
#
固溶体中，还是在
$
固溶
体中，碳的扩散运动都比其它合金元素的大%#
.
(%#
/
倍。同时，无论在什么温度下，碳在
#
相中的扩散能力都明显高于在
$
相中的扩散。例如，在0%#1，碳在
#
铁中的扩散是
$
·’2&·
第二章异种金属熔焊
铁中的!"倍，在#$$%是&’(倍，在$))%是$$倍。
在珠光体钢上堆焊奥氏体不锈钢，就会出现明显的扩散过渡层组织，在靠近碳钢的
一侧出现了粗大柱状铁素体晶粒的贫碳层，而靠近奥氏体焊缝一侧，出现了一条不易被
试剂腐蚀的高硬度的黑带。用示踪原子法和光谱分析法可以发现，这一黑带是由于较多
的碳扩散的结果。这种扩散过渡层在碳钢与不同合金化焊缝的接触处都可能出现。
三、多组元体系的扩散
元素在熔合区中的扩散，不像元素在理想溶液中扩散那样，从高浓度向低浓度平稳
变化，而往往是跳跃式由小浓度向大浓度过渡。例如碳钢堆焊时，增碳层中的含碳量会
大大地超过基体金属和焊缝中的平均含碳量。根据扩散理论，这种扩散过程是属于“多
组元体系的扩散”。这种扩散的规律是很复杂的，目前还没有公认的一般规律。不过，用
物理化学的观点来说，扩散的结果必定要趋向于自由能（或自由焓）最低的状态。在多元
体系中，像在实际的溶液中一样，扩散过程的驱动力已经不是浓度梯度，而是由扩散体系
中的化学势梯度所决定。
图+,’,’在&)号低碳钢上多层堆焊-.’’/0&$的放射同位素-
&+
示踪照片
（1）焊后状态；（2）(+)%回火+3
·(#!·
第四篇堆焊新工艺、新技术
因此，不仅在异种钢焊接接头的熔合区内可以见到由于碳的扩散重新分布而形成的
过渡层，就是在合金化不同的钢相互接触的情况下，也能发现扩散层。如复合钢板的基
层与覆层的界面上，碳钢与镀铬层的界面上都会出现这种过渡层。
图!"#"#是在$%号碳钢上堆焊&’##()$时，用放射性同位素&
$!
得到的示踪照
片，焊后有一条细的碳的扩散层，经回火后，此扩散层明显加宽。
第三节碳化物形成元素对扩散层的影响
利用放射性同位素示踪法试验所得的数据证实，钢基体中的碳化物形成元素可以降
低扩散过程的速率和提高扩散温度。例如在钢中加入#+#,的&’，可把碳钢熔合区脱
碳层的厚度由+-..减少到%+/#..以下。图!"#"0是基体铬含量对熔合区脱碳层
厚度的影响。显然只要基体金属加入含有,以上的&’，实际上能完全抑制熔合区中的
扩散过程。
图!"#"0基体钢含&’量对熔合区脱碳层厚度的影响
（熔缝含$!,&’，加热-01，保温$%2）
图!"#"!表示出以奥氏体钢为焊层时它所含碳化物形成元素对碳钢基体熔合区
中脱碳层厚度的影响。由图!"#"!可见，增加焊层中任何碳化物形成元素的含量，都
会导致碳钢中脱碳层厚度的增加。
·--0·
第二章异种金属熔焊
图!"#"!焊缝奥氏体钢中碳化物形成元素对
碳钢熔合区中脱碳层厚度的影响
不过，当含量超过某一数值后，这种增加速率会减慢。
第四节非碳化物形成元素对扩散层的影响
图!"#"$奥氏体焊缝中含镍量对%&钢熔合区中扩散层厚度的影响
（’）脱碳层；（(）增碳层
)—&&+，)&&,；#—-&&+，)&&,
图!"#"$是根据金相图给出的在钢基体上堆焊))./)0.12和&./-&.34的
·0-%·
第四篇堆焊新工艺、新技术
熔合区扩散层与!"含量的关系。显然若用#$%左右的!"材（例&’(#)!"#$）堆焊，脱碳
层厚度最大；但若用+%的!"材（例&’(#+!"+,-.）堆焊，扩散层厚度会明显下降；而
采用镍基合金堆焊时，厚度则下降为最小值。相比之下，增碳层的厚度下降不及脱碳层
明显。
关于奥氏体熔敷金属中的含镍量增高会对熔合区质量产生有益影响的机理，目前还
没完全弄清楚。其中有人认为镍可以降碳化物的化学稳定性，从而增加奥氏体钢固溶体
中碳的浓度。
第五节液相合金元素向固相中的扩散
在焊接过程的某一瞬间，必定会在液态金属与固态基体金属之间产生不平衡。这种
不平衡就会导致液相中某些合金元素向固相的扩散运动，即渗入。
扩散物质渗入厚度与扩散时间成抛物线规律
!/"#
固
!
$
式中，!为扩散物质渗入厚度；"对于一定材料和条件下是一个常数；#
固
为溶质元素在
固体中的的扩散系数；$为扩散过程进行的时间。
由于堆焊过程中，堆焊温度是不断变化的，对于每一个温度下的扩散系数和扩散时
间设为#
"
和$
"
，而温度对"的影响不大，因此上式可写成
%/
"
&
’/#
（"#
"
$
!"
）
为了计算液态金属向固态金属扩散的厚度，就必须知道液相与固相的接触时间。此外，
在液态金属元素向固态金属扩散的同时，还会产生固态基体金属向液态熔敷金属溶解的
过程，如果以
%
0
表示溶解掉的厚度，则：
%
0
/
!
$
式中，
!
为基体的线溶解速率。
扩散元素实际的渗入厚度
%
1
应为：
%
1
/%2%
0
/
"
&
’/#
（"#
固"
$
!"
2
!"
$
"
）
·345·
第二章异种金属熔焊
第三章手工电弧堆焊技术
第一节手工电弧堆焊工艺
手工电弧方法同一般的手工电弧焊相同，设备简单，使用方便，成本低，如果使用方
法得当，操作水平高，堆焊焊条选用合适，一般可得到满意的合金焊敷层。因此，目前仍
是一种应用最广的堆焊方法。其缺点是：生产效率低、稀释率高、均匀性差、劳动条件差。
与通常的手工电焊相比，堆焊希望尽可能小的熔焊区（但必须保证基体表面熔化，否
则得不到冶金结合），为此一般多采用小电流、低电压、慢速焊，尽可能使稀释率与合金元
素的烧损率降到最小限度。
手工堆焊采用一般的手工电焊机即可。如果堆焊一般结构钢工件，对堆焊层性能要
求不高，且采用酸性堆焊焊条时，应选用弧焊变压器，诸如!"#$%%&等；当堆焊零件要求
比较高，又要求采用碱性低氢型焊条时，必须选用弧焊整流器或直流弧焊发电机，诸如
’"(#$%&&，)"#$&&等。
第二节堆焊材料
以下介绍目前比较通用的堆焊材料。应指出的是这些材料不仅可用于手工焊条，还
·&+%·
第四篇堆焊新工艺、新技术
可用于后面介绍的其它堆焊工艺材料。
一、低碳低合金钢堆焊合金
此合金含!小于"#$%，合金元素总量小于&%。一般冷速下，堆焊金属以索氏体或
托氏体为主，硬度约为’""($&")。合金含量较多或冷速较高时，将出现马氏体，硬度
提高。这类合金大多是焊态使用，也可以进行淬火、回火，以提高性能。这类堆焊合金冲
击韧性好，有一定耐磨性，易于进行机加工，抗裂性也好，且价格便宜。焊前一般可不预
热。堆焊碳当量较高或刚性较大的零件时，可进行’&"+的预热。可用于堆焊承受冲击
载荷和金属间摩擦磨损的零件，如车轮轮缘、齿轮、轴类等。
二、中碳低合金钢堆焊合金
此合金含!量约为"#$%("#,%，合金元素总量在&%左右。堆焊金属组织主要是
马氏体或残余奥氏体，有时也会有些珠光体。硬度约为$&"(&&")。一般要求预热’&"
($&"+。有良好的抗压强度，适宜于堆焊受中等冲击的磨损零件，如齿轮、轴类、冷冲模
等。
三、高碳低合金钢堆焊合金
此合金含!量为"#-%(.#"%，合金元素总量&%。堆焊金属组织为马氏体及残余
奥氏体，有时在柱状晶边界析出有莱氏体共晶网。硬度达,")/!左右，冲击韧性差。焊
接时易产生热裂纹或冷裂纹，要求焊前预热到$&"(0&"+。大多在焊态使用。若焊后需
进行切削加工时，可先行退火，使硬度降至’"(’&)/!，加工后再淬火以获得&"(
,")/!的硬度。用于堆焊不受冲击或受弱冲击的低应力磨料磨损零件，如推土机铲刃、
混凝土搅拌机叶片、螺旋推料机刃口、挖泥机斗齿等。
四、铬钨、铬钼热稳定钢堆焊合金
此合金在高温时有较高的硬度和耐磨性，抗热疲劳性能也较好，有较高的冲击韧性，
主要用于堆焊热加工用的工、模具。较易产生裂纹，堆焊时应预热0""+左右、焊后缓冷。
五、高铬钢堆焊合金
此合金含!量约"#.%(’%，含!1.$%左右。堆焊金属组织主要为马氏体，有碳化
物析出，硬度约&")/!左右，脆性较高。堆焊时需预热$""(0""!，以防止裂纹的产生。
·.2$·
第三章手工电弧堆焊技术
主要用于耐磨零件和耐磨蚀零件的堆焊，如阀座、水轮机叶片耐气蚀层等。!"#$含碳量
%#&，堆焊金属组织为莱氏体和残余奥氏体。耐磨性更高，但脆性也更大。要求预热
’(()(+，焊后缓冷。主要用于堆焊冷冲模等。
六、奥氏体高锰钢和奥氏体铬锰堆焊合金
奥氏体高锰钢含,-#.&左右，含!(/0&)#/$&。堆焊金属为奥氏体，硬度$((12
左右；经受强烈冲击后，即变成马氏体而使表层硬化，硬度提高至’()((12，硬化层以
下仍为奥氏体，有良好的抗冲击磨损性能。用于堆焊受强烈冲击的凿削式磨料磨损的零
件，如挖掘机斗齿、破碎机颚板、铁路道岔等。但对冲击作用很小的低应力磨料磨损的耐
磨性不高，也不适用于高温。耐低温性能很好，3’+下也不会脆化。低碳铬锰钢堆焊
合金，含!"#$&)#&，系奥氏体3铁素体双相组织，如$,-#$!"#.,4，抗裂性能好，有
抗强冲击、抗腐蚀、耐高温的特点，可用于堆焊气蚀磨损零件（如水轮机叶片），也可用于
堆焊铁路道岔、挖掘机斗齿等。
七、奥氏体铬镍钢堆焊合金
此合金系在#535型铬镍钢基础上，加入,4，6，78，,-，9等元素。它的突出特点
是耐蚀性强、抗氧化性好和热强性好，但耐磨料磨损能力不高。主要用于耐腐蚀、耐热零
件表面堆焊。加入,-后，显著提高了冷作硬化效果，可用在工作时有冲击作用能产生
冷作效果的表面上，如水轮机叶片抗气蚀层、开坯轧辊等。加入78，9，,4，6等可提高高
温强度，在高中压阀门密封面堆焊上应用很广。
八、高速钢堆焊合金
堆焊金属组织类似铸造高速钢，由网状莱氏体和奥氏体转变产物组成；容易产生裂
纹，要求预热((+左右；有很高的红硬性和耐磨性；主要用于堆焊切削工具、剪刀等。
九、马氏体合金铸铁堆焊合金
此合金含!量一般为$&)’&，合金元素总量#&)$(&以下。主要由马氏体:
残余奥氏体的树枝状组织和合金碳化物基体组成。平均硬度高达();;1
抗压强度。有一定的耐蚀、耐热和抗氧化性能。较脆，抗冲击性能差。堆焊时裂纹倾向
较严重，需预热.(()’((+。常用于混凝土搅拌机、高速混砂机、犁铧、螺旋送料机等零
件的堆焊。
·$5.·
第四篇堆焊新工艺、新技术
十、高铬合金铸铁堆焊合金
此合金含!"#$%&’%，含!())%&)%。常见的组织为残余奥氏体和共晶碳化物
基体上散布有大量柱状!(
+
!(
，后者硬度高达"+,,-.左右。有很高的抗低应力磨料磨
损及耐热、耐蚀性能，但裂纹倾向大。常用于铲斗齿、泵套、高炉料钟、高温工作锅炉等设
备密封面的堆焊。
十一、碳化钨堆焊合金
此合金含/
!
’$%，!"#$&)%。它有很高的硬度和熔点。实际上，它是由大量碳化
钨颗粒镶嵌在基体上组成。基体可为铸钢、碳钢、低合金钢、镍基合金、钴基合金等。含!
#0%的碳化钨硬度高达)$,,-.，熔点)1,,2左右。堆焊应尽量避免碳化钨颗粒熔化；
因此，采用高频加热和气焊比较有利。这类合金抗磨料磨损性能很高，并有一定耐热性。
适宜于在带有轻度和中等冲击的强烈磨料磨损条件下工作的零件的堆焊，如石油钻井钻
头、推土机刀刃、切蔗刀刃口、犁铧等，但合金脆性大，易裂，堆焊时应进行预热。
十二、钴基堆焊合金
此合金又称司太立合金，一般成分为!,#+%&#,%，!3,%&+,%，!()$%&
%，/%&)$%。堆焊金属的显微组织，取决于!量及合金成分。亚共晶类的，由呈
树枝状结晶的!34!(4/合金固溶体（奥氏体）和固溶体与!(4/复合碳化物共晶的基
体组成。过共晶类，由粗大的一次!(4/复合碳化物和固溶体与碳化物的共晶组成。
这类合金的综合性能最好，有很高的红硬性（$,,&+,,2温度下，能保持$,&$,,-.的
硬度），抗磨料磨损、抗腐蚀、抗冲击、抗热疲劳、抗氧化性（可在",,,2温度下工作）和抗
金属4金属间磨损等性能良好。合金硬度很高，可达",,,&"+,,-.。含!，/较低的钴
基合金，主要用于受冲击、高温、腐蚀、磨料磨损条件作用的零件的堆焊，如高温阀门、热
剪切刀刃、热锻模、热轧孔型等。含!，/较高的钴基合金，用于受冲击较小，但受强烈磨
料磨损、受热、受腐蚀等零件的堆焊。这类合金堆焊时易产生冷裂纹或结晶裂纹，用电弧
焊及气焊堆焊时，要求预热),,&$,,2。含碳量高时，要求更高的预热温度。等离子堆
焊时，一般可以不预热。
十三、镍基堆焊合金
此合金在各类堆焊合金中，镍基合金的抗金属4金属间摩擦磨损的性能最好，而且
·0·
第三章手工电弧堆焊技术
具有很高的耐热性、抗氧化性、耐腐蚀性等。镍基合金易熔化，工艺性能较好，常应用于
高温高压蒸气阀门、化工设备阀门、炉子元件、泵的柱塞等零件的堆焊。有!"#$%#&#
’"（科尔蒙合金），!"#$%#&#()#（哈氏合金），!"#$+（蒙乃尔合金）及!"#$%（涅克
洛姆合金）等类型。科尔蒙合金硬而脆，不易拔制焊丝，一般制成铸造焊丝、管状焊丝或
药芯焊丝，用气焊、电弧焊、等离子焊等进行堆焊，并要求预热及缓冷。哈氏及蒙乃尔合
金分别对氢氟酸、盐酸、硫酸和,-.沸腾/
’
0
1
、沸腾!/
1
$2溶液有很高的耐腐蚀性。前
者主要用于耐强腐蚀、耐高温的金属#金属间摩擦磨损零件的堆焊，后者则主要是耐腐
蚀零件的堆焊。涅克洛姆合金，堆焊金属组织为奥氏体，硬度低，韧性好，能受冲击载荷，
具有优良的高温抗氧化性能，多用于堆焊炉子元件。
十四、铜基堆焊合金
铜基堆焊合金有良好的耐蚀性和低摩擦系数，适用于堆焊轴承等金属#金属间摩擦
磨损零件和耐腐蚀零件。常在钢或铸铁上堆焊制成双金属零件或修复磨耗及缺损零件。
铜基合金不宜在磨料磨损及温度超过3--4的条件下工作。常用的堆焊合金有铝青铜、
锡青铜、硅青铜，也有用黄铜、白铜、紫铜进行堆焊的。一般都是拔制成焊丝进行气焊、电
弧焊、等离子弧焊等堆焊。铝青铜强度高，耐腐蚀，金属#金属间摩擦磨损性能好，常用
于堆焊轴承、齿轮、涡轮以及耐海水、弱酸、弱碱腐蚀的水泵、阀门、船舶螺旋桨等。铝铁
青铜（如含52167.，891.）可用于堆焊冲压软钢和不锈钢的冲模和冲头，也可用于海水
中工作的零件、水轮机转子、耐气蚀零件等。硅青铜力学性能较好，冲击韧性较高，耐腐
蚀性很高，但减摩性不好，适用于化工机械、管道等内衬的堆焊。黄铜抗腐蚀性差，冲击
性能低，但价格便宜，常用于堆焊低压阀门等零件。白铜（$+#!"合金，!"量一般为7.
:;-.；$+<-.，!";-.合金不但强度高，且不产生应力腐蚀）有良好的耐蚀性、耐热性，
在海水、苛性钠、有机酸中很稳定，适用于堆焊海水管道、冷凝器、热交换器等零件。
第三节堆焊材料的选择
堆焊合金可按以下六种情况进行选择。
一、常温下金属与金属间摩擦磨损零件的堆焊
这类零件，如滑动轴承、轴类、火车车轮等，材质一般为中碳钢或中碳合金钢（如17，
·1=;·
第四篇堆焊新工艺、新技术
!"，#"$%钢等）。堆焊的目的是恢复尺寸，并要求硬度与相配合材料的硬度接近。硬度过
高时，反而会使相配合的零件加速磨损。一般选用低碳或中碳低合金材料。
二、常温磨料磨损零件堆焊
各种堆焊材料抗磨料磨损的耐磨性有很大差别，起决定作用的是堆焊金属组织中的
耐磨相（主要是碳化物相）和基体相的成分、它们的相对数量与分布情况。
（一）受轻度和中等冲击磨料磨损零件的堆焊
推土机铲刃、犁铧、钻探机钻头、球磨机衬板等零件都是在低应力或高应力磨料磨损
条件下土作的。岩石、砂土中主要成分石英的硬度高达&"""’&("")，所以，堆焊金属
中必须均匀分布有大量高硬度的碳化物，才能最有效地抵抗这类磨料磨损。碳化物虽然
很脆，但由于所受冲击不大，还是适用的。
其中，合金铸铁型堆焊金属抗裂性差，一般应预热#""’!""+。碳化钨堆焊材料的
耐磨性最高。,-"-为)"./焊芯，药皮过渡碳化钨。,-&-为碳化钨管状焊丝。铸造碳
化钨合金粉末，可供气焊、电弧焊高频加热等堆焊使用。碳化钨堆焊材料堆焊石油钻头、
掘进机滚刀、磨煤机击锤等承受强烈磨损的零件，可大大提高零件的使用寿命。
（二）受气相和液相磨料磨损零件的堆焊
烧结厂抽风机叶轮、粉尘泵阀、挖泥船零件、泥浆泵叶轮、选矿厂螺旋推进器等零件
都属于此类。
（三）受严重冲击磨料磨损零件的堆焊
诸如挖掘机斗齿、碎矿机颚板、铁路道岔、拖拉机履带板等。这类零件多采用01&2
型高锰钢制造，堆焊时选用,(!3，,(33等焊条。高锰钢堆焊金属过热时，晶粒长大，塑性
下降。因此，高锰钢堆焊时，不但不能预热，而且要采取小电流、短道焊、断续焊、分散焊，
焊后立即浇水冷却或在流动冷水中施焊等措施。焊后还应进行锤击。在磨损表面上（修
复）堆焊时，应先将已产生加工硬化的部分磨去，或进行水韧处理（&"""+水淬），或用$%
401奥氏体钢条（,(--）、$%456奥氏体焊条（/&"-，/("-）打底，这些都有助于防止裂
纹的产生。必要时，焊接接头焊后可进行水韧处理，以提高其塑性和韧性。
三、受气蚀磨损零件的堆焊
水轮机转轮叶片、导水叶片、座环、水泵、船舶螺旋桨等零件运行时，气蚀（或称空蚀）
是主要的破坏形式。这类零件要求材料同时具有强烈抗冲击磨损和抗腐蚀能力。选用
介稳定奥氏体不锈钢堆焊焊条，如,(-3，,(--，是最适宜的。它们的堆焊金属是介稳定
·!.2·
第三章手工电弧堆焊技术
的高锰奥氏体，受到强烈的冲击后，将变为马氏体。同时，较高的含铬量，也使堆焊金属
颇耐磨蚀，具有高的抗气蚀能力。这类焊条抗裂性能较好，可采用冷焊或低温预热焊。
四、冷加工工具堆焊
（一）切削刀具堆焊
可选用!"#$等高速钢型堆焊焊条。堆焊金属组织为网状莱氏体%奥氏体转变产
物。网状莱氏体使堆焊金属层脆性很高，导致焊接时易开裂，使用中易崩刃，因而必须合
理选择焊接规范。若堆焊层冷速很慢（预热温度较高或采用连续短道多层焊），网状碳化
物多而粗大。冷却较快（预热温度较低或间隙施焊），则网状碳化物数量减少且呈断续
状，组织比较均匀。因此，为避免裂纹而进行预热，不宜温度过高，以"&#’(##)左右为
宜，小零件可焊后空冷，大零件则应在石棉灰或炉中缓冷。
（二）冷变形模具钢的堆焊
切边模、冷冲模、拉伸模等冷变形模具，工作时承受很大的压力、冲击力和金属间磨
擦磨损。要求堆焊金属硬度高、耐磨性好并有足够的强度和韧性。!"$$（属高碳高铬莱
氏体钢）宜于堆焊重负荷、强烈磨损的冷变形模具（如拉伸模），但抗裂性差，要求预热温
度不低于&##)，焊后#’+,-.。对一些受冲击较大的模具，如切边模、风动凿子等，
应采用含碳低、韧性较好的堆焊材料，如!"++，!"+$等。
五、热加工工具堆焊
热冲模、热轧辊、热剪刀刃、热挤压工模具等，在反复受热和冷却、高温磨损、高温冲
击等条件下工作，要求堆焊金属具有足够的红硬性、高温耐磨性、耐热疲劳等性能。锤锻
模承受很大冲击载荷，常采用!"/$（&.01213）。它的堆焊金属中含.量较高，淬硬性也
高，易产生马氏体而导致裂纹，要求焊前预热(##’(&#)，堆焊过程中模体温度不低于
"##)，焊后保温缓冷。先行退火，加工后再淬硬，一般为4##’4&#)油淬至5&#’+##)
后，立即放入炉中&+#’&&#)回火，回火组织为索氏体6托氏体，硬度"4’(5,-.。双
金属堆焊锻模寿命与整体合金工具钢锻模相近，而成本较低，能节约大量合金工具钢。
热轧辊、热剪刀刃、热顶锻模等，工作时与炽热金属接触时间比锤锻模长，受热更严重，要
求堆焊层有更高的回火稳定性和耐磨性，可选用!""$。!""$焊条及".0+74焊丝配合
,8+#或焊剂5&#，常用于热变形模具及热轧辊的修复或制造。!4#+，!45+，,555，
,55+，9+#5为钴基合金堆焊材料，有优越的红硬度、高温耐磨性和抗疲劳性能，可用于热
锻模、热剪刀刃、热轧辊孔型等热加工工具的堆焊。
·4"·
第四篇堆焊新工艺、新技术
六、高温耐磨、耐腐蚀零件的堆焊
阀门密封面、高炉料钟及料斗等零件，长时间处于高温磨料磨损、金属间粘着磨损、
高温氧化、介质的腐蚀、热冲击等条件下工作，要求堆焊金属有足够的热硬性、抗擦伤、耐
腐蚀、抗热冲击等性能。根据零件工作温度、压力、介质不同，选用不同的堆焊合金和堆
焊材料。工作温度低于!""#$""%的中温中压密封面，可以碳素铸钢为基体，采用
&$"’，&$"(，&$)’，&$)(等焊条进行堆焊。堆焊层组织为马氏体或马氏体铁素体，有
空淬性，硬度在!"#!$+,-以上，耐磨性较好，但耐蚀性不太高，可在水蒸气、石油、稀硝
酸、有机酸等弱腐蚀介质中工作。它的抗擦伤性能较差，因此使用寿命不太长。&$"(抗
裂性较好，焊前可不预热。也可用+)-.)/，+’-.)/配合+0’1"进行埋弧焊和+)-.)/进
行-2
’
气体保护焊堆焊阀门。工作温度3$("#1""%、工作压力
!
)!4)5$678的中温和
高温阀门密封面，可选用&$$(及&$!(焊条进行手工电弧堆焊。&$$(焊条的堆焊层硬
度为!"+,-以上，有较好的耐磨性，可用于!""#1""%下工作的高温高压阀门堆焊。但
焊层性质脆，有时会呈块状剥落，抗裂性也较差，需预热/""#!$"%。&$!(焊条堆焊层
脆性较小，可以不预热，然而硬度只有’("#/’"+9，耐磨性比&$$(低，可用在$!"#
$("%以下工作的高温高压阀门堆焊。&$1(及&$((焊条属-.:6;奥氏体钢，有强烈
的加工硬化效应，抗擦伤及抗冲击性能较高。&$((用于工作温度低于$)"%的中温高压
阀门的堆焊。&$1(用于中温（/$"%）中压和低温低压球墨铸铁阀门的堆焊。&11(，
&1!’，&1!1，+)")，+)"/，
且在$""%以下都能保持较高的硬度，耐蚀、抗氧化性能也好。堆焊时，焊缝极易产生裂
纹，要求$""%以上的高温预热。堆焊金属加工较困难。主要用于高炉料钟、料斗、柴油
机气门、排气机叶片等零部件的堆焊。钴基合金综合性能特别优异，适宜于堆焊高温耐
磨、耐蚀零件。&5"’，+)))等堆焊金属硬度较高（!"#!(+,-以上），韧性也较高。
&5)’，+))’，+))!硬度更高，达!!#$"+,-以上，有更高的耐磨性，但韧性降低。这类
堆焊合金主要用于1""#1$"%左右工作的高温高压阀门和其它零件的堆焊，使用寿命很
长。堆焊时要求进行/""#1$"%的高温预热，以避免裂纹的产生。焊后也应保温、缓冷。
<)")，<)"’等堆焊层有很高的耐磨、耐蚀性能，高于1""#1$"%时，红硬性不如钴基合
金；$""#1""%以下时，则优于钴基合金。这类合金粉末熔点低、流动性好，堆焊时易稀
释，获得成形美观、很薄的焊层，常用于堆焊高温高压阀门等。镍基合金堆焊层抗裂性
差，要求焊前高温预热，焊后缓冷。
·(5/·
第三章手工电弧堆焊技术
第四节手工堆焊的几个要点
一、防止堆焊层的开裂
由于堆焊层与基材金属成分相差较大，线膨胀系数也相差较大，从而引起较大的内
应力，使得堆焊层在冷却过程中产生开裂。防止开裂的方法是减小堆焊时的热应力：
!
对工件进行焊前预热和焊后缓冷。这是防止开裂的主要措施，预热温度随基体含碳量的
增高而提高。对于中碳钢!"#$左右即可，对于%&钢要’##$以上。
"
采用堆焊底层
法，即先用塑性好、强度不高的普通焊条进行打底，然后再堆焊高硬度的堆焊层。
二、防止堆焊层硬度偏低
在正确选定堆焊材料的条件下，要防止过分稀释和合金元素的烧损。为此尽量采用
小电流、短弧焊。
三、防止基体件变形
对细长轴及大直径小壁厚的零件，为防止焊后变形一般可采用夹具或焊上临时支撑
铁，以增大刚度，也可采用预先反变形法、对称焊法或跳焊法。
·&&’·
第四篇堆焊新工艺、新技术
第四章埋弧自动堆焊工艺
第一节埋弧自动堆焊原理
埋弧自动堆焊又称焊剂层下自动堆焊，是埋弧自动焊的一种。其焊剂对电弧空间有
可靠的保护作用，可以减少空气对焊层的不良影响。熔渣的保温作用使熔池内的冶金作
用比较完全，因而焊层的化学成分和性能比较均匀，焊层表面也光洁平直，焊层与基体金
属结合强度高，能根据需要选用不同焊丝和焊剂以获得希望的堆焊层。与手工堆焊相
比，埋弧自动堆焊劳动条件好，生产率高!"倍左右，适于堆焊修补面较大、形状不复杂的
工件。
图#$#$!是埋弧自动堆焊原理图，电弧在焊剂下形成。
图#$#$!埋弧自动堆焊原理图
!—焊丝；%—焊剂；&—基体；#—熔化金属；’—凝固焊层金属；(—熔渣；)—渣壳
·+&·
第四章埋弧自动堆焊工艺
由于电弧的高温放热，熔化的金属与焊剂蒸发形成金属蒸气与焊剂蒸气，在焊剂层
下造成一密闭的空腔，电弧就在此空腔内燃烧。空腔的上面覆盖着熔化的焊剂层，隔绝
了大气对焊缝的影响。由于气体的热膨胀作用，空腔内的蒸气压略大于大气压力。此压
力与电弧的吹力共同把熔化金属挤向后方，加大了基体金属的熔深。与金属一同挤向熔
池较冷部分的熔渣比重较轻，在流动过程中渐渐与金属分离而上浮，最后浮于金属熔池
的上部。因其熔点较低，凝固较晚，故减慢了焊缝金属的冷却速度，使液态时间延长，有
利于熔渣、金属及气体之间的反应，可更好地清除熔池中的非金属质点、熔渣和气体，可
得到化学成分相近的金属焊层。
第二节埋弧自动堆焊设备
埋弧自动堆焊设备包括：堆焊电源、送丝机构、堆焊机床和电感器。堆焊电源是直流
的，具有平硬或缓降外特性，能提供电压!"#$%、电流!"&#!’。送丝机构应能实现无级
调节，速度一般在("&))+,之间。堆焊机床可根据欲修工件的要求设计，一般要求其
主轴转速能在!-&"(!.)+,范围内作无级调节，堆焊螺距在#-&"$)).内调节。图/
0/0#是埋弧自动堆焊设备工作示意图。
图/0/0#埋弧自动堆焊设备工作示意图
(—送丝盘；#—送丝轮；&—焊剂软管；/—工件；1—除渣刀；$—渣壳筛；
2—焊剂箱；3—焊剂挡板；4—焊丝导管；(!—焊剂；((—堆焊电源；(#—电感器
·!4&·
第四篇堆焊新工艺、新技术
第三节埋弧自动堆焊用材
几种常用的埋弧自动堆焊焊丝见表!"!"#。常用的焊剂见表!"!"$。近几年还
生产了一些性能更好的焊丝。
表!"!"#几种常用埋弧焊丝成分
成分%&
钢号
’()’+,-(.
/01
!
020#
!
0230020340255
!
02#5
!
0230
!
020!
!
020!
/06)
!
02#0
!
023002104#2#0
!
02#5
!
0230
!
020!
!
0203
/#5)02##402#1
!
023002104#2#0
!
02$0
!
0230
!
020!020!
/$’+#302#6402$!—023040260#$4#!
!
0260
!
0203
!
0203
/3’+#302$54023!—
!
0260#$4#!
!
0260
!
0203
!
02035
/30’+)(-702$540235—02104#2#002104#2#0
!
0230
!
020$5
!
0203
表!"!"$几种常用焊剂
成分%&
牌号
)8
$
(-8
$
’9.
$’98):8
7;
$
8
$.<8(=
焊剂!30314!>314!554?
!
6—
!
5
!
#21
!
02#0
!
02#0
焊剂!3#3!25436!04!!34625
!
52554>25
!
!
!
#21
!
02#0
!
02#0
焊剂!3$364!#3>4!$#254!
!
5
!
$?4#$
!
#21
!
02#0
!
0201
焊剂!33!!4!>!$4!5$4!
!
!—
!
3
!
#21
!
02#5
!
02#0
第四节埋弧自动堆焊工艺规范
埋弧堆焊的工艺规范可根据工件直径从表!"!"3中选取。
·#?3·
第四章埋弧自动堆焊工艺
表!"!"#埋弧自动堆焊参考规范
工件直径
$%%
焊丝直径
$%%
堆焊规范
电流$&电压$’堆焊速度
$（%%·(
")
）
+),-))+.)#+-/.-0#./
1+),)/+.)0+-.-1!,!./,/
)-+-,+)2+.-++-.-1/,/.,
)+-,+-++.-!+-2.#+,.2,2
-++-,+--+.-+-2.#+2,2.0,0
·-1#·
第四篇堆焊新工艺、新技术
第五章振动电弧堆焊工艺
第一节振动电弧堆焊基本原理
振动电弧堆焊是工件修复中较广泛应用的一种堆焊方法。其特点是：熔深小，堆焊
层薄而均匀，耐磨性较好，工件受热少、变形小，生产率高，成本低等。
振动电弧堆焊的基本工作原理是，焊丝以一定频率和振幅振动而产生电脉冲的自动
堆焊。图!"#"$是其示意图。图中焊嘴%受交流电磁铁$$和调节弹簧$%的作用，产
生频率为$&&’(的振动。为了防止焊丝和焊嘴熔化粘结或在焊嘴上结渣，需向焊嘴供给
少量冷却液。焊丝可以在较低的电压下（$%)%%），以较小的熔滴稳定、均匀地沉积到工
件表面，得到良好的焊层。
图!"#"$振动电弧堆焊示意图
$—电源；%—焊嘴；+—焊丝；!—工件；#—电感器；,—焊丝盘；
-—送丝压紧滚轮；.—送丝滚轮；/—减速器；$&—送丝电动机；$$—交流电磁铁；
$%—调节弹簧；$+—冷却液供给开关；$!—冷却液沉淀箱；$#—水泵；$,—水箱
·+/+·
第五章振动电弧堆焊工艺
第二节振动电弧堆焊主要设备
堆焊设备主要包括堆焊机床、堆焊机头、电源或电气控制柜、冷却液供给装置及蒸气
发生器等附属设备。堆焊机床用以夹持工件，有!"#$%&&型和’($%&&$)型两种，
也可以自制。堆焊机头用来使焊丝以一定频率和振幅振动，并以一定的速度送入堆焊
区。按产生振动的方式，分为电磁式和机械式两类。堆焊电源一般采用直流电源，必须
有平硬的外特性。
第三节振动电弧堆焊工艺规范
振动电弧堆焊规范的选择见表$+$)。
表$+$)振动电弧堆焊规范参数选择表
参数名称选择依据选取值
电源种类和极性
具有平硬外特性的直流电源，反极性施焊以保证基体
金属与焊丝熔合良好
（即工件接负极，焊丝接正极）
电感
堆焊电路中电感控制电弧放电时间长短、短路电流的
增长速度和最大值。电感对电压、电流的自动调节不
利，会使电源动特性变坏。
选择原则：能消除空程期又不破坏自调作用。电感小
时，电弧较短，弧光较弱，金属飞溅严重；电感太大时电
弧加长，弧光较强，工作电压、电流值波动较大
一般选择电感&,-./左右，
电源为直流发电机时因其绕组
已有足够电感可以不再另加
工作电压
电压低于)0电弧不稳，高于%&0时则失去脉冲放
电特点。高碳钢焊丝熔点低，工作电压可偏低；低碳钢
焊丝工作电压可偏高
高碳钢焊丝选)1)20
中碳钢焊丝选)213&0
工作电流
它取决于电源外特性、工作电压、送丝速度、焊丝直径
与成分、电路中电阻值等。在平硬外特性电源及等速度
送丝情况下电流大小可自动调节。通过电流表的摆动
可判断堆焊过程的稳定性
要求电流表摆动不超过
4)&!
·5%·
第四篇堆焊新工艺、新技术
参数名称选择依据选取值
振动频率与振幅
频率低于!"#$时则飞溅大、放电次数少、焊接质量
差。频率过高则机构磨损严重
振幅一般为焊丝直径的%&’倍
一般常用频率为(")%""#$，
常用振幅%&!)’&!
送丝速度
送丝速度太低则堆焊过程不稳定、焊波不连续，速度
过高则起焊困难、飞溅大、熔化不良。一般按经验公式
选择
!
丝
+
"
工作
%"
（"&’)"&,）
!
丝
为送丝速度（-./）；"
工作
为工作电压（0）（经验
证明取!
丝
为定值，调节工件转速效果较好）
当"
工作
为%10时的!
丝
值
焊丝直径-!
丝
-·./
2%
!
%&,%&!)’
!
%&3%&,)%&(
!
%&1%&’)%&!
!
’&"%&")%&’
堆焊速度
太高则基体金属熔化不良、结合强度下降、气孔多；太
低则工作热影响区大，变形大
选择堆焊速度应同时考虑送丝速度、焊丝直径和堆焊
螺距等，并反复实践以确定最佳值
一般选"&4)"&3-./
为提高振动电弧堆焊的质量，应采用各种保护介质，如采用56
’
气体保护，所得堆焊
层抗裂性能好，硬度均匀，焊接应力和变形小，成本低，生产效率高。
·!74·
第五章振动电弧堆焊工艺
第六章等离子喷焊与氧乙炔粉末喷焊
第一节等离子喷焊
等离子喷焊和等离子喷涂一样都是以等离子弧为热源，但前者用的是转移和非转移
联合型弧。转移弧用于加热工件使其表面形成熔池，同时，将喷焊粉末材料送入等离子
弧中，粉末在弧柱中得到预热，呈熔化或半熔化状态被焰流喷射至工件熔池里，充分熔化
并排出气体、浮出熔渣。随着喷焊枪和工件的相对移动，合金熔池逐渐凝固，形成合金熔
焊层。
一、等离子喷焊特点
等离子喷焊的特点是：
!
喷焊层成形平整、光滑，尺寸可得到较精确的控制。一次喷焊可控制宽度!"
#$%%，厚度$&’(")%%，这是其它堆焊法难以实现的。
"
喷焊层稀释率低，可控制在(以下。
#
焊层成分和组织均匀。
$
等离子弧温度高，可进行各种材料的喷焊，尤其适用于难熔材料的喷焊。
%
工艺稳定性好，易于实现喷焊过程的自动化。
&
成本较高。
根据以上特点，目前等离子喷焊主要用于修补那些对焊层质量要求较高的工件，诸
·+,!·
第四篇堆焊新工艺、新技术
如高温耐磨件、强腐蚀介质耐磨件及承受强负荷冲击、冲刷的工件。
二、等离子喷焊设备
由于等离子喷焊对工艺程序和规范的控制要求较严格，因此要求有良好的设备。等
离子粉末喷焊设备由焊接电源、电气控制系统、喷焊枪、供粉系统、气路系统、水冷系统和
机械装置等部分组成。其中大部分与等离子喷涂设备相类似，只是多了一个摆动机构，
且主电路、喷焊枪等离子喷涂有一些差别。图!"#"$（%）是该设备示意图，图!"#"$
（&）表示不同类型等离子弧的喷嘴结构。
图!"#"$等离子喷焊系统示意图
（%）大电流等离子弧焊接系统示意图
$—焊接电源；’一高频振荡器；(—离子气；!—冷却水；)—保护气；#一保护气罩；
—钨极；+—等离子弧；,—工件；$-—喷嘴./
$
、./
’
—接触器触头
（&）不同类型等离子弧的喷嘴
（0）非转移型；（1）转移型；（2）联合型；
$—钨极；’—喷嘴；(—转移弧；!—非转移弧；)—工件；
#—冷却水；—弧焰；+—离子气
三、等离子喷焊工艺
喷焊工艺主要包括以下参数：
（一）非转移弧和转移弧的电流
非转移弧对喷焊过程的稳定性和熔敷率都有较大影响，为提高合金粉末在弧柱中的
预加热效果，减少传给工件的热量，以降低熔深，喷焊中保留非转移弧是有益的。但其电
流大小要适当。电流过大，会造成喷嘴冷却强度不够，不利于对电弧的压缩。转移弧是
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第六章等离子喷焊与氧乙炔粉末喷焊
喷焊的主要热源，电压和电流的规范是决定喷焊层质量的主要参数。要得到较大的熔敷
率和较小的冲淡率，则需根据工件大小、焊层厚度和宽度来适当选择转移弧电流值。
（二）喷焊速度与送粉量
提高喷焊速度，焊层变薄，熔深减小，稀释率降低。若过快，会出现未焊透、气孔等质
量缺陷。增加送粉量，焊层变厚，熔深减小，焊层稀释率降低。送粉量过大还会造成熔化
不好，严重飞散，成形恶化。
（三）喷焊枪的摆动频率和摆幅
摆动频率要保证电弧对喷焊面均匀加热，避免焊道出现锯齿状。摆幅按一次焊道宽
度要求确定。
（四）工作气体
工作气体包括离子气、送粉气和保护气。离子气是等离子弧的介质，其流量大小对
电弧的稳定性和压缩效果有很大影响。流量过小，对电弧压缩不好，造成电弧不稳定；流
量过大，则电弧呈刚性，使基体熔深增大、稀释率增大。一般采用柔性弧，流量选取!"
#$%&’(为宜。送粉气过小，会发生堵塞；过大则会干扰电弧。一般使送粉量控制在)"
+,%&’(为宜。保护气流量一般选离子气流量的+")倍。
（五）电极内缩量和喷距
电极内缩量一般为喷嘴孔道长度再加)-.&&。喷距一般按焊层厚薄和弧电流大小
在!"+/&&之间调整。
等离子喷焊系统示意于图01!1+。
第二节氧1乙炔火焰金属粉末喷焊
一、火焰喷焊原理
氧1乙炔焰粉末喷焊是以氧1乙炔焰为热源，把自熔性合金粉末加热到熔化或半熔
化状态后，喷洒到工件表面上，再以重熔处理，使之形成一层具有特殊性能、致密结合牢
固的焊层。喷焊层与基体之间结合主要是扩散型冶金结合，结合强度是一般喷涂结合强
度的+倍左右。
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第四篇堆焊新工艺、新技术
二、火焰喷焊的特点
氧!乙炔焰金属粉末喷焊的特点是：
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基体不熔化，焊层不被稀释，可保持喷焊合金的原有性能。
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可根据工件的要求选用各种性能粉末，如果选择得当，可得到理想的强化表面。
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喷焊层与基体结合牢固。
$
喷焊层表面光洁，厚度可控制在"#$%&&。
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设备简单，施工方便，适于各种钢、铸铁及铜合金工件的表面强化。
三、火焰喷焊设备
氧!乙炔焰金属粉末喷焊使用的设备主要有：金属粉末喷炬、氧气瓶、乙炔发生器或
乙炔瓶等。金属粉末喷炬，按送粉量和火焰强度的大小，分为大、中、小三个型号。
四、火焰喷焊工艺
氧!乙炔火焰金属粉末喷焊的工艺流程是：表面预加工
!
预热和预保护
!
喷粉和重
熔
!
喷熔后处理。
（一）表面预加工
除去待修表面的疲劳层、电镀层、氮化层、污染层等，预加工粗糙度可适当高些。
（二）预热和预保护
为了活化喷焊表面、去除水气、改善喷焊层与基体的结合，喷前应预热。预热温度碳
钢为%’#(，淬火倾向大的钢材为)##(左右。为了防止待喷部位的氧化，可以先喷
#$&&厚的粉末作保护层，因为合金中的+，,-元素有保护作用。
（三）喷粉与重熔
有一步法和二步法。一步法即边喷边熔化法；二步法将喷粉和熔化分两步进行：一
步法适于对小面积或大厚度修补面的喷焊，二步法适于回转件和大面积喷焊。
（四）喷熔后处理
一般工件喷熔后，可放入石棉灰中缓冷，要求高的可放入.’#/0##(的炉中随炉冷
却。
常用喷焊粉末分镍基、钴基和铁基。
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第六章等离子喷焊与氧乙炔粉末喷焊
第七章其他堆焊工艺
第一节气体保护堆焊工艺
气体保护堆焊法是用某种保护性气体在焊接的熔池周围造成一个厚的气体层，以屏
蔽大气主要是氧气对熔化金属的浸蚀。气体保护焊属于明弧焊，可以用手工、自动或半
自动焊来完成。根据所使用的电极，分为熔化极气体保护堆焊和非熔化极气体保护堆焊
两种：前者是以焊丝为电极；后者是电极电弧熔化
!
基体和外加的焊丝以形成熔池。
作为保护气体通常多采用!"
#
或氩气，但也可采用水蒸气或混合气体。
气体保护堆焊的特点是：焊层氧化轻，质量高，效率高，热影响区较小，明弧便于施工
观察。
一、!"
#
气体保护堆焊
!"
#
气体保护焊是以廉价的!"
#
气体为保护介质。焊层抗锈、抗裂能力强，可抑制
氢的有害作用。焊机一般采用平硬的外特性电源，能使电弧自动调节，有足够的灵敏度。
熔滴短路过渡时，确保电弧电压变动小，以保持堆焊过程的稳定。此外电源还必须有良
好的动特性，即短路电流的增长速度要合适，要有足够的短路峰值电流和足够的空载电
压恢复速度。焊枪是专用的，通过该枪把电流和保护气送到焊丝端部并引导焊丝送向熔
池。送丝机构把焊丝迅速地送入焊枪。焊丝也是专用的，要求有足够的脱氧能力，并能
提供合金元素，以弥补飞溅烧损对合金元素的损失。目前主要用于堆焊低碳钢和低合金
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第四篇堆焊新工艺、新技术
高强度钢。
堆焊工艺主要包括堆焊电流、焊接速度和焊接回路电感等项。焊接电流一般按焊丝
直径大小选择，当
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!"#$%%时，为&’($’’)。焊接速度不宜超过’%+,，一般为$’(
’%+,。极性一般选用直流反接，即基体接负极，焊丝接正极。回路电感值是影响焊接过
程稳定性及焊缝熔深的主要因素。当焊丝直径为’#-("#$%%时，回路电感值取’#’.(
’#/’0较合适。电感值过大，熔滴短路后电流不能及时增强，成形不好；过小，短路电流
增强过快，造成细颗粒飞溅。
二、氩气保护堆焊
利用氩气为保护气体的堆焊称氩气保护堆焊，显然氩气的保护性能大大优于12
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气，但成本高，且引弧比较困难，目前主要用于堆焊易氧化的稀有金属、高合金钢及特殊
用钢和有色金属。
氩气保护堆焊分熔化极和钨极两种。按操作方式有手工、半自动和自动三种。
堆焊设备较为复杂，一般由电源、供气系统、控制箱、焊枪、送丝机构和行走机构等组
成。钨极氩弧焊机的直流电源应有高频发生器，用以引弧；交流钨极焊机应有消除直流
分量的装置，并有高压脉冲发生器来引弧和稳弧。
第二节电渣堆焊
这是利用特殊电渣的电阻热熔化堆焊材料及基体金属形成熔池的一种堆焊方法。
电渣堆焊的最大特点是一次可以堆焊很大的厚度，熔敷率高，可以采用实心焊丝、管
状焊丝、板极或带板进行堆焊，适用于堆焊厚度较大，表面形状简单的大、中型零件；但由
于过热严重，焊后必须进行热处理。
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第七章其他堆焊工艺
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