埋弧自动焊高耐磨堆焊层用焊剂研制学习体会

文献概况与技术路线

张福成等人在《热加工工艺》1998年第27卷第5期发表的这篇论文，聚焦于埋弧自动焊（SAW）高耐磨堆焊层用非熔炼焊剂的研制。该研究由燕山大学材料工程学院、秦皇岛港务局和佳木斯大学联合完成，体现了产学研结合的典型模式。秦皇岛港务局的参与表明该研究具有明确的工程应用背景——港口机械的耐磨部件（如抓斗、料斗、溜槽等）长期承受严重磨料磨损，对堆焊材料的耐磨性要求极高。

技术路线上，该研究采用H08A焊丝配非熔炼焊剂进行埋弧堆焊，这一组合在埋弧堆焊领域具有特殊性。H08A是低碳焊丝，本身不具备耐磨性；高耐磨性完全依赖于焊剂中的合金元素过渡和焊接过程中的合金化反应。这种"低碳焊丝+富合金焊剂"的策略，是埋弧堆焊中实现高合金熔敷金属的常用方法。

非熔炼焊剂的设计原理

非熔炼焊剂（非熔炼焊剂，Unfused Flux）与熔炼焊剂（Fused Flux）相比，具有以下特点：

• 合金元素过渡系数更高，熔敷金属合金含量更可控；
• 可添加不易熔化的合金颗粒（如碳化物、金属粉末）；
• 可根据需要灵活调整配方；
• 但储存和运输要求更高，受潮敏感性较强。

在耐磨堆焊应用中，非熔炼焊剂的优势在于可以添加高硬度的碳化物颗粒（如WC、Cr3C2、TiC等），这些颗粒在焊接过程中不会完全熔化，而是以固态形式进入堆焊层，显著提高耐磨性。同时，焊剂中的合金元素（如Cr、Mo、V等）通过熔池反应过渡到熔敷金属中，形成合金碳化物。

堆焊层组织与耐磨机理

文献通过金相、TEM和X射线衍射（XRD）三种手段分析了堆焊层组织，结果表明组织为"大量细小的马氏体+残余奥氏体及碳化物"，硬度HRC58-63，耐磨性为45钢的8倍以上。

HRC58-63的硬度区间在耐磨堆焊材料中属于较高水平，其组织特征与硬度之间的关系可以这样理解：

• 细小马氏体：埋弧焊的熔池体积大、冷却速度相对较慢，但通过焊剂中合金元素的固溶强化和碳化物析出，仍可获得高硬度马氏体；
• 残余奥氏体：在合金元素（如Mn、Ni、Cr等）的作用下，部分奥氏体在冷却过程中未能完全转变为马氏体，以残余形式存在，对硬度的贡献有限但有利于韧性；
• 碳化物：来自焊剂中合金元素的碳化物（如Cr7C3、Mo2C、VC等）和可能添加的碳化物颗粒，是硬度的主要贡献者。

耐磨性为45钢的8倍以上这一数据，在磨料磨损试验中通常采用砂纸磨耗法或盘式磨损试验机测定。需要注意的是，实验室条件下的耐磨性数据不能直接等同于现场使用寿命，因为现场工况的磨料硬度、粒度、浓度、相对速度等参数与实验室条件存在显著差异。

埋弧堆焊的工艺优势与局限

埋弧自动焊在耐磨堆焊中具有独特的工艺优势：

1. 熔敷效率高：电流密度大、熔敷速度快，适合大面积堆焊；
2. 焊接质量稳定：自动化的工艺参数控制，减少人为因素影响；
3. 熔深大：适合多层堆焊，底层熔深大，与基体结合牢固；
4. 保护效果好：焊剂层提供冶金保护和气体保护，减少气孔和氧化。

但埋弧堆焊也有其局限性：

• 设备笨重，不适合小件或异形件堆焊；
• 焊剂消耗量大，成本相对较高；
• 多层堆焊时，后续层的熔敷金属可能被前一层稀释，合金含量降低；
• 焊剂受潮会导致气孔，对焊剂烘干管理要求高。

工程实践中的关键考量

在实际工程中应用此类焊剂时，我总结了以下几个关键要点：

第一，焊剂烘干管理至关重要。非熔炼焊剂通常含有较多的合金粉末和易吸潮组分，烘干温度一般控制在300-350°C，保温2-4小时。焊剂在使用前应检查其含水率，超过0.5%即应重新烘干。焊剂受潮会导致堆焊层产生气孔和冷裂纹。

第二，多层堆焊的稀释率控制。H08A焊丝配非熔炼焊剂时，第一层堆焊的稀释率可能高达60%-80%，导致熔敷金属合金含量严重不足。建议第一层采用高合金焊丝或增加焊剂中合金元素的含量，或者采用"过渡层+面层"的策略。

第三，堆焊层硬度的均匀性。文献提到"均匀堆焊层"，但实际生产中，由于焊丝送进速度、焊接速度、电流电压等参数的微小波动，堆焊层硬度可能存在不均匀性。建议在生产过程中加强硬度抽检，确保每道堆焊层的硬度在HRC58-63范围内。

学习心得与启示

这篇文献展示了埋弧堆焊在耐磨防护领域的独特价值。从工程实践角度看，埋弧堆焊特别适合大面积、厚层堆焊的工况，如港口机械的抓斗斗齿、料斗内壁、溜槽衬板等。该研究采用的"低碳焊丝+富合金焊剂"策略，为埋弧堆焊材料的设计提供了一个经典范式。在当今的耐磨堆焊技术中，埋弧堆焊仍然是大面积耐磨防护的首选工艺之一，其技术原理和设计思路依然具有指导意义。