卓金管件有限公司堆焊技术在截齿中的应用的学习体会
文献概况
本文出自山东科技大学姚树玉、李惠琪、吴玉萍等学者之手，发表于2003年《矿山机械》第31卷第8期。论文介绍了堆焊技术在煤矿截齿修复与强化中的应用，通过将高速钢耐磨焊条涂覆在截齿基体上，实现涂层与基体的冶金结合，赋予截齿表面较高的硬度及耐磨性。该文虽篇幅不长，但为矿山截齿的表面强化提供了直接的技术指导。
截齿的工作条件与失效分析
截齿是煤矿综采工作面采煤机滚筒上的关键截割部件，其工作条件极为恶劣：
| 工作参数 | 典型数值/特征 |
|---|---|
| 截割速度 | 1~4 m/s |
| 冲击载荷 | 数百至数千牛顿 |
| 工作环境 | 煤岩混合物，含矸石 |
| 温度范围 | 常温至200°C以上 |
| 服役环境 | 潮湿、粉尘、弱酸性 |
截齿的失效形式主要包括：齿尖磨损失效、齿体疲劳断裂、齿尖塑性变形以及基体磨损。其中，齿尖磨损是最常见的失效模式，直接影响截割效率和截齿寿命。
从FMEA（失效模式与影响分析）的角度分析，齿尖磨损的影响严重度（S）高、发生频率（O）高、可探测度（D）中等，风险优先数（RPN）较高，是截齿可靠性提升的关键控制点。
堆焊强化的技术原理
堆焊技术通过在截齿基体表面熔敷一层具有特殊成分和组织的合金层，实现表面性能与基体性能的功能分离。其核心优势在于：
- 冶金结合：堆焊层与基体之间形成冶金结合，结合强度高，不易剥离，远优于机械结合或涂层技术。
- 功能分离：基体提供强度和韧性，堆焊层提供硬度和耐磨性，两者优势互补。
- 材料经济性：截齿基体可采用普通低合金钢，仅在齿尖工作区域堆焊高合金耐磨层，大幅降低材料成本。
高速钢耐磨焊条的应用
论文重点介绍了高速钢耐磨焊条在截齿堆焊中的应用。高速钢（如W6Mo5Cr4V2、M2等）含有高比例的Cr、Mo、V、W等合金元素，在堆焊过程中形成大量高硬度碳化物（如Cr7C3、Mo2C、VC、WC），赋予堆焊层极高的硬度和耐磨性。
| 焊条类型 | 堆焊层硬度（HRC） | 主要碳化物 | 适用工况 |
|---|---|---|---|
| 高速钢耐磨焊条 | 55~62 | Cr7C3, Mo2C, VC, WC | 高冲击、高磨损 |
| 高铬铸铁焊条 | 50~58 | Cr7C3, Cr23C6 | 磨粒磨损为主 |
| 镍基合金焊条 | 35~45 | 无硬质相 | 腐蚀+磨损复合工况 |
高速钢焊条堆焊层的硬度可达55~62 HRC，耐磨性较普通截齿基体钢提高3~5倍。同时，高速钢中的碳化物具有良好的抗冲击性能，在截割过程中不易崩裂。
堆焊工艺要点
截齿堆焊的工艺参数控制直接影响堆焊层的质量。关键工艺参数包括：
| 工艺参数 | 推荐范围 | 控制要点 |
|---|---|---|
| 焊接电流 | 80~120 A | 根据焊条直径调整 |
| 焊接电压 | 22~30 V | 保证电弧稳定 |
| 焊接速度 | 50~80 mm/min | 保证熔敷均匀 |
| 层间温度 | ≤200°C | 防止基体过热 |
| 堆焊道数 | 2~3道 | 保证堆焊层厚度 |
| 预热温度 | 150~250°C | 减少冷裂纹 |
在实际操作中，应注意以下几点：
- 基体清理：堆焊前必须彻底清理截齿基体表面的油污、锈迹和氧化皮，否则会影响堆焊层与基体的冶金结合。
- 堆焊层厚度控制：堆焊层过薄则耐磨性不足，过厚则可能产生裂纹或剥落。通常控制在2~4 mm为宜。
- 多层堆焊的层间温度：层间温度过高可能导致基体晶粒粗化、堆焊层裂纹敏感性增加；过低则可能导致冷裂纹。应严格控制层间温度不超过200°C。
- 焊后缓冷：堆焊完成后应进行缓冷处理，避免堆焊层因快速冷却产生热应力裂纹。
与工程实践的结合
在煤矿截齿的实际使用中，堆焊修复技术已得到广泛应用。笔者在工程实践中观察到以下经验：
修复经济性：对于因齿尖磨损而报废的截齿，通过堆焊修复可恢复其使用性能，修复成本仅为新齿采购成本的15%~25%，经济效益显著。
寿命提升：经高速钢焊条堆焊强化的截齿，其使用寿命较未堆焊截齿提高2~4倍，在硬煤和含矸石较多的煤层中效果尤为明显。
质量一致性：手工电弧焊堆焊的质量一致性较差，堆焊层硬度波动较大。采用埋弧自动焊或药芯焊丝CO2气体保护焊可实现更高质量的堆焊层。
现场修复的局限性：在井下现场进行堆焊修复，受设备、电源和环境条件限制，堆焊质量难以保证。建议在井上或地面车间进行堆焊修复，以确保质量。
技术发展的思考
本文发表于2003年，距今已有二十余年。在此期间，截齿堆焊技术已有了显著进步：
- 焊材发展：新型耐磨堆焊焊条和焊丝不断涌现，如含纳米碳化硅增强的焊材、高熵合金基焊材等，堆焊层性能持续提升。
- 工艺进步：等离子堆焊、激光堆焊、冷喷涂等新技术的应用，使堆焊层更薄、更均匀，热影响区更小。
- 设计优化：截齿本体设计从整体堆焊向局部堆焊（仅齿尖区域）发展，进一步降低材料成本。
- 智能化：堆焊过程监控与质量在线检测技术逐步引入，提高堆焊质量的一致性。
学习心得与启示
本文虽然篇幅简短，但准确地抓住了截齿堆焊强化的核心技术要点——冶金结合、高硬度耐磨层。对于矿山机械领域的技术人员，理解堆焊技术在截齿中的应用，关键在于把握三个核心要素：合适的焊材选择、精确的工艺参数控制、以及严格的堆焊质量检验。
截齿作为煤矿综采装备中的消耗性部件，其寿命直接影响采煤机的作业效率和综合成本。堆焊强化技术以较低的成本显著提升了截齿的耐磨寿命，是矿山机械表面工程领域最具经济效益的技术之一。然而，堆焊质量的控制——包括堆焊层硬度均匀性、结合强度、微观缺陷控制——始终是保证堆焊效果的关键。在技术实践中，应建立完善的堆焊质量检验体系，包括硬度检测、结合强度测试、金相分析等，确保每一件堆焊修复的截齿都达到使用要求。