CN113319466A - 一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法 - Google Patents
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Abstract
本发明公开了一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，方法的步骤中含有：利用不锈钢药芯焊丝在筒体基体的内壁上堆焊不锈钢堆焊层；利用镍基碳化钨焊丝在不锈钢堆焊层的内壁上堆焊碳化钨堆焊层；其中，所述镍基碳化钨焊丝填充率为65%，镍基碳化钨焊丝药芯组分及重量百分比为：78%‑85%的WC，1%‑10%的TiC，1%‑6%的硼砂，0‑5%的脱水钾长石，0‑5%的高碳铬铁，0‑5%的金属钼。它可满足大型薄壁筒体内壁耐磨性要求，且焊接飞溅小、焊缝成型美观，熔敷金属与筒体基体浸润性好，焊接后筒体收缩变形小，可满足工件正常生产尺寸要求。
Description
技术领域
本发明涉及一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法。
背景技术
目前，我国对重大装备制造业越发重视，尤其是攻关“卡脖子”问题的关键核心技术。随之带来的焊接性问题也更具挑战。例如：在高端钛白粉制备领域，氯化法制备钛白粉因具有“三废”少、大气污染少、产品质量高、易于工业化生产等优点，已成为国外发达国家生产钛白粉的主流制备方法，其生产装备核心技术一直被高度垄断，并对我国实行技术封锁。
该装备中输送高位料仓富钛料与焦炭混合物的筒体，在设备运转过程中，持续受到复杂冲击载荷、摩擦磨损作用。为了避免筒体因过度磨损而过早失效，导致生产能力下降甚至停工，及避免停机带来巨大经济损失，需在筒体内壁堆焊耐磨层。
重大装备大型薄壁筒体在服役过程中持续受到复杂冲击载荷、摩擦磨损作用，其内壁极易磨损破裂。针对直径尺寸较大、耐磨性要求高的工件，对其内壁堆焊修复时，存在焊接工艺不匹配，熔敷金属与筒体内壁无法冶金结合、堆焊层整块剥落，熔敷金属耐磨性不足，工件内径收缩严重等问题。因此，现有解决方案一般为更换新筒体，但同样面临价格昂贵、时间成本较高的问题；而且针对关键核心部件，面临“卡脖子”问题。
由于筒体的尺寸较大、筒壁较薄，因此，焊接材料的选择，焊接工艺方法的制定尤为重要。
问题一：焊接材料选择
碳化钨颗粒耐磨堆焊焊丝是堆焊层硬度较高，应用最广的一种常见耐磨材料。目前，市售国产碳化钨堆焊焊丝，单层堆焊层表面硬度无法达到58HRC(一般为40-55HRC)，而进口碳化钨堆焊焊丝价格昂贵，且供货周期较长。
问题二：焊接工艺制定
由于筒体的尺寸较大、筒壁较薄，筒体在自动焊接过程中，可能会产生焊接飞溅、焊道成型不好、堆焊层剥落等问题。
问题三：筒体尺寸变化
在连续自动焊过程中，由于焊接热输入大可能带来筒体收缩变形量大的问题。
发明内容
本发明所要解决的技术问题是克服现有技术的缺陷，提供一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，它可满足大型薄壁筒体内壁耐磨性要求，且焊接飞溅小、焊缝成型美观，熔敷金属与筒体基体浸润性好，焊接后筒体收缩变形小，可满足工件正常生产尺寸要求。
本发明解决上述技术问题采取的技术方案是：一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，方法的步骤中含有：
利用不锈钢药芯焊丝在筒体基体的内壁上堆焊不锈钢堆焊层；
利用镍基碳化钨焊丝在不锈钢堆焊层的内壁上堆焊碳化钨堆焊层；其中，
所述镍基碳化钨焊丝填充率为65％，镍基碳化钨焊丝药芯组分及重量百分比为：78％-85％的WC，1％-10％的TiC，1％-6％的硼砂，0-5％的脱水钾长石，0-5％的高碳铬铁，0-5％的金属钼。
进一步，所述不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分为：
所述不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分为：
C<0.12Wt％；Mn：0.5-1.0Wt％；Si：0.5-2.5Wt％；S<0.03Wt％；P<0.04Wt％；Cr：22.0-25.0Wt％；Ni：12.0-14.0Wt％；Mo<1.0Wt％；Cu<0.5Wt％，余量为Fe，总计100％。
进一步，堆焊过程中，筒体的外壁采用外支撑法兰作为外支撑和筒体的内壁采用内支撑夹具作为内支撑，并随着焊接进程不断变动内支撑夹具的位置，以降低筒体内壁收缩。
进一步，堆焊过程中，对筒体外壁进行喷水冷却，使焊接过程筒体温度控制在150℃以下。
进一步，堆焊不锈钢堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压23-26V，焊接电流190-220A，送丝速度5500-6200mm/min，焊接速度180-220mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。
进一步，堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压为16-22V，焊接电流为120-190A。
进一步，堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：送丝速度2600-3200mm/min，焊接速度100-140mm/min。
采用了上述技术方案后，本发明具有以下的有益效果：
1、本发明通过自制的镍基碳化钨焊丝，可以满足该大型薄壁筒体焊接对耐磨性和硬度(58HRC以上)要求；单层堆焊层厚度即可达到5mm以上，节省焊材使用量；根据实际焊接工况，可以灵活调整焊丝组分，焊材供货周期短。
2、本发明通过控制送丝速度和焊接速度，使焊接电流和焊接电压稳定输出，使焊丝熔滴为短路过渡形式，从而使焊接飞溅小，焊道成型均匀美观，避免了大熔滴过渡带来的飞溅大、焊缝成型不好问题，以及焊丝使用量增大带来的浪费及成本过高问题。
3、本发明在筒体基体(碳钢)上焊接一层不锈钢药芯焊丝，隔离镍基碳化钨焊丝熔敷金属中裂纹，避免裂纹向筒体基体延伸，造成焊丝与基体浸润性不好，焊道大块剥落的现象。
4、本发明通过外支撑法兰，对筒体外壁施加外力以防止焊接过程筒壁变形，通过内支撑夹具，对筒体内壁进行支撑以减少焊接过程筒径收缩，焊接过程筒体外壁进行喷水冷却，以降低焊接温度。
附图说明
图1为本发明的筒体内壁堆焊层金相图。
具体实施方式
本发明提供了一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，本领域技术人员可以借鉴本文内容，适当改进工艺参数实现。特别需要指出的是，所有类似的替换和改动对本领域技术人员来说是显而易见的，它们都属于本发明保护的范围。本发明的方法及应用已经通过较佳实施例进行了描述，相关人员明显能在不脱离本发明内容、精神和范围内对本文的方法和应用进行改动或适当变更与组合，来实现和应用本发明技术。
一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，方法的步骤中含有：
S01：利用不锈钢药芯焊丝在筒体基体的内壁上堆焊不锈钢堆焊层；其中，焊道冷却后将表面进行机械打磨、磨平处理，保留1mm不锈钢堆焊层；不锈钢药芯焊丝的焊丝直径为1.6mm；不锈钢堆焊层隔离镍基碳化钨焊丝熔敷金属中裂纹，避免裂纹向筒体基体延伸，造成焊丝与基体浸润性不好，焊道大块剥落的现象，如图1所示；
S02：利用镍基碳化钨焊丝在不锈钢堆焊层的内壁上堆焊碳化钨堆焊层；碳化钨堆焊层的硬度为55-65HRC，厚度为4-6mm；
其中，堆焊过程中，筒体的外壁采用2个外支撑法兰作为外支撑，防止焊接过程筒体变形；筒体的内壁采用2个内支撑夹具作为内支撑，并随着焊接进程不断变动内支撑夹具的位置，以降低筒体内壁收缩；对筒体外壁进行喷水冷却，使焊接过程筒体温度控制在150℃以下；
S03：筒体内壁焊接完成后，停止喷水冷却，去掉外支撑法兰；在空气中放置12h后，将内支撑夹具取出，完成筒体内壁堆焊。
所述镍基碳化钨焊丝填充率为65％，焊丝直径为1.6mm，镍基碳化钨焊丝药芯组分及重量百分比为：78％-85％的WC，1％-10％的TiC，1％-6％的硼砂，0-5％的脱水钾长石，0-5％的高碳铬铁，0-5％的金属钼。
添加1-6％的硼砂，可以减少焊缝金属黏度、增加高温流动性，保证焊接质量；添加0-5％的脱水钾长石可以使焊接电弧稳定；添加0-5％的高碳铬铁，可以缓解碳化钨在焊接过程中高温氧化分解造成“失碳”现象，添加0-5％的金属钼可以改善金属基体Ni对TiC的润湿性。
所述不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分为：
所述镍基碳化钨焊丝熔敷金属化学成分为：
进一步，堆焊不锈钢堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压23-26V，焊接电流190-220A，送丝速度5500-6200mm/min，焊接速度180-220mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。
进一步，堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压为16-22V，焊接电流为120-190A。通过控制电弧电压为16-22V，焊接电流为120-190A，一方面可以避免焊接参数过低造成焊缝成型差及与不锈钢堆焊层冶金结合不好问题；另一方面可以避免过高焊接参数下WC颗粒烧损严重造成堆焊层硬度下降，以及筒体内壁收缩严重等问题。
进一步，堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：送丝速度2600-3200mm/min，焊接速度100-140mm/min。通过控制送丝速度2600-3200mm/min，焊接速度100-140mm/min，可使焊接电流和焊接电压稳定输出，使焊丝熔滴为短路过渡形式，从而使焊接飞溅小，焊道成型均匀美观，避免了大熔滴过渡带来的飞溅大、焊缝成型不好问题。
为了使本发明的内容更容易被清楚地理解，下面根据具体实施例，对本发明作进一步详细的说明。
对比例一
在筒体基体上堆焊一层国产镍基碳化钨焊丝，焊接工艺参数为：电弧电压17.5V，焊接电流170A，送丝速度3050mm/min，焊接速度110mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
对比例二
在筒体基体上堆焊一层自制镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：85％，TiC：6％，硼砂：1％，高碳铬铁：6％，钼粉：2％。焊接工艺参数为：电弧电压16.5V，焊接电流150A，送丝速度2700mm/min，焊接速度135mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
对比例三
在筒体基体上焊接一层某不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层国产镍基碳化钨焊丝，焊接工艺参数为：电弧电压19V，焊接电流165A，送丝速度3000mm/min，焊接速度115mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
对比例四
在筒体基体上焊接一层某不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层国产镍基碳化钨焊丝，焊接工艺参数为：电弧电压16V，焊接电流130A，送丝速度2600mm/min，焊接速度100mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程不采取内外支撑和喷水冷却处理。
对比例五
在筒体基体上焊接一层某不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层自制镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：81％，TiC：4％，硼砂：3％，脱水钾长石：3％，高碳铬铁：6％，钼粉：3％。焊接工艺参数为：电弧电压18V，焊接电流160A，送丝速度2800mm/min，焊接速度120mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程不采取内外支撑和喷水冷却处理。
实施例一
在筒体基体上焊接一层不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：81％，TiC：4％，硼砂：3％，脱水钾长石：3％，高碳铬铁：6％，钼粉：3％。焊接工艺参数为：电弧电压18.5V，焊接电流160A，送丝速度2850mm/min，焊接速度120mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
实施例二
在筒体基体上焊接一层不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：75％，TiC：8％，硼砂：6％，脱水钾长石：7％，钼粉：4％。焊接工艺参数为：电弧电压19V，焊接电流175A，送丝速度3000mm/min，焊接速度110mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
实施例三
在筒体基体上焊接一层不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：81％，TiC：5％，硼砂：3％，脱水钾长石：4％，高碳铬铁：5％，钼粉：2％。焊接工艺参数为：电弧电压19V，焊接电流160A，送丝速度2600mm/min，焊接速度130mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
实施例四
在筒体基体上焊接一层不锈钢药芯焊丝，对焊道进行打磨，并保留1mm厚，然后堆焊一层镍基碳化钨焊丝，药芯的化学组成(重量百分比)为：WC：80％，TiC：1％，硼砂：8％，脱水钾长石：6％，高碳铬铁：2％，钼粉：3％。焊接工艺参数为：电弧电压18V，焊接电流160A，送丝速度2800mm/min，焊接速度120mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。焊接过程采取内外支撑，并进行喷水冷却处理，控制筒体温度在150℃以内。
筒体碳化钨堆焊层评价如下：
通过以上表中可知实施例一至实施例四所得的碳化钨堆焊层技术指标均能满足以下条件：碳化钨堆堆焊层表面硬度58HRC以上；堆焊层厚度5mm以上；堆焊层无明显剥落；筒壁收缩量小于等于5mm，符合设计要求。
以上所述的具体实施例，对本发明解决的技术问题、技术方案和有益效果进行了进一步详细说明，所应理解的是，以上所述仅为本发明的具体实施例而已，并不用于限制本发明，凡在本发明的精神和原则之内，所做的任何修改、等同替换、改进等，均应包含在本发明的保护范围之内。
Claims (7)
1.一种薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，方法的步骤中含有：
利用不锈钢药芯焊丝在筒体基体的内壁上堆焊不锈钢堆焊层；
利用镍基碳化钨焊丝在不锈钢堆焊层的内壁上堆焊碳化钨堆焊层；其中，
所述镍基碳化钨焊丝填充率为65％，镍基碳化钨焊丝药芯组分及重量百分比为：78％-85％的WC，1％-10％的TiC，1％-6％的硼砂，0-5％的脱水钾长石，0-5％的高碳铬铁，0-5％的金属钼。
2.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
所述不锈钢药芯焊丝熔敷金属化学成分为：
C<0.12Wt％；Mn：0.5-1.0Wt％；Si：0.5-2.5Wt％；S<0.03Wt％；P<0.04Wt％；Cr：22.0-25.0Wt％；Ni：12.0-14.0Wt％；Mo<1.0Wt％；Cu<0.5Wt％，余量为Fe，总计100％。
3.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
堆焊过程中，筒体的外壁采用外支撑法兰作为外支撑和筒体的内壁采用内支撑夹具作为内支撑，并随着焊接进程不断变动内支撑夹具的位置，以降低筒体内壁收缩。
4.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
堆焊过程中，对筒体外壁进行喷水冷却，使焊接过程筒体温度控制在150℃以下。
5.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
堆焊不锈钢堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压23-26V，焊接电流190-220A，送丝速度5500-6200mm/min，焊接速度180-220mm/min，焊接保护气体为85％Ar+15％CO2。
6.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：电弧电压为16-22V，焊接电流为120-190A。
7.根据权利要求1所述的薄壁筒体内壁堆焊焊接方法，其特征在于，
堆焊碳化钨堆焊层的焊接工艺参数为：送丝速度2600-3200mm/min，焊接速度100-140mm/min。
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