有关硬面耐磨堆焊裂纹之成因与避免方式
2022-02-28
硬面堆焊过程中，裂纹的产生往往造成返工、客户退件等困扰。硬面堆焊有别于一般结构焊接，对于裂纹的判定与关注方向也大不相同，本文特针对硬面耐磨堆焊过程中常见的裂纹外观状况进行分析与讨论。
一、关于裂纹的判定
目前国内，甚至国际上，对于硬面耐磨产生的裂纹并没有一套通用的标准，主要的原因在于硬面耐磨产品应用的工况种类太多，很难用同样的标准去界定各种条件下适用的裂纹判定标准。然而，根据硬面耐磨焊材在各领域应用的经验，大致可以整理出几种裂纹程度，以及在各行业中的接受标准：
1、裂纹方向平行焊道（纵向裂纹）、连续横向裂纹、裂纹延伸达母材、剥落
上述的裂纹程度，只要符合其一都会使堆焊层存在整片脱落的风险，基本上不论产品应用为何，都是无法接受的，只能返工重焊。
2、仅存在横向裂纹且不连续
针对与矿石、砂石、煤矿等固体物质接触部位的工件，要求硬度较高（HRC 60以上），一般多选用高铬焊材堆焊，焊道当中形成的碳化铬结晶会因应力释放而产生裂纹，在裂纹方向仅为垂直焊道（横向）且不连续的情况下，这样的裂纹是可被接受的。然而，裂纹数量仍会作为比较焊材或堆焊工艺的优劣参考。
复合式堆焊耐磨板表面常见横向裂纹
以半自动焊堆焊之磨石轮弧面同样具有横向裂纹
3、无裂纹焊道
对于法兰、阀门、管道等工件，主要接触物质为气体及液体，则对焊道裂纹的要求较为谨慎，一般要求焊道外观不能有裂纹。
法兰、阀门等工件表面稍有裂纹即需修补或返工
使用京雷GFH-D507Mo阀门专用焊材堆焊，表面无裂纹
二、 硬面耐磨堆焊裂纹的主要成因
产生裂纹的因素很多，对于硬面耐磨堆焊而言，主要可以分为首道或第二道焊后即可发现的热裂纹，及第二道以后，甚至全部焊完才出现的冷裂纹。
热裂纹：
焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近高温区产生的裂纹。
冷裂纹：
固相线以下温度所产生的裂纹（大约在刚的马氏体转变温度），主要产生在中碳钢和高强度的低合金钢、中合金钢中。
资料来源：百度知乎
硬面产品顾名思义是以很高的表面硬度见长，然而在力学上追求硬度的同时也造成了可塑性的降低，也就是脆性增加了。一般而言，HRC60以上的堆焊施作，对于焊接过程产生的热裂纹并不太在意，然而介于硬度要求HRC40-60之间的硬面堆焊，如果又对裂纹有要求的情况下，焊接过程中的晶间裂纹或上层焊道对底层焊道热影响区造成的液化及多边裂纹就非常棘手。
就算控制好了热裂纹的问题，堆焊完后还要面对冷裂纹的威胁，尤其是硬面焊道这种高脆性的材质，对冷裂纹更为敏感，硬面堆焊中各种较为严重的开裂情况多数都是冷裂纹造成。
三、影响硬面耐磨裂纹的重要因素与避免裂纹发生的策略
对于硬面耐磨过程产生问题裂纹时可以探究的重要因素整理如下，并针对每一个因素提出相应的策略以降低裂纹产生风险：
1、母材
母材对硬面耐磨堆焊的影响至关重要，尤其是针对堆焊层数少于2层的工件，母材的成分直接影响到焊道的性质，适度的针对母材调整焊材的选料，是开工前就需关注的细节。比如用铸铁母材堆焊目标硬度HRC30左右的阀门工件，就建议选用硬度稍低的焊材，或加入一层不锈钢中间层，以免母材中的含碳量增加焊道裂纹风险。
在母材上增加中间层以减少开裂风险
2、焊材
对于要求不能有裂纹的工艺，高碳、高铬的焊材就不适用，建议使用马氏体系统的焊材，如京雷GFH-58。能在硬度高达HRC58~60的情况下，焊出无裂纹的焊道表面，特别适用于受土石磨耗程度较高的非平面工件表面。
3、热输入量
现场施工因讲求效率会倾向使用较高的电流、电压，但适度的调小电流、电压也能有效减少热裂纹的产生。
4、温度控制
多层多道的硬面堆焊可视为对于每一道焊道不断进行加热、冷却、再加热的过程，所以温度控制至关重要，从焊前的预热，到堆焊过程中的道温控制，乃至于焊接后的冷却过程，都需十分重视。
堆焊的预热及道温，与底材的碳含量息息相关，这里的底材就同时包含了母材或中间层，及硬面的底道，一般而言，由于硬面熔敷金属普遍碳含量较高，都会建议将道温维持在200度以上。然而在实际施作时，由于焊道长度较长，往往一道焊道到尾的时候，焊道前段已经冷却了，这时再焊第二道就会很容易产生底材热影响区裂纹。所以在没有适当设备维持道温或焊前预热的前提下，建议以分多段、短焊道、同段连续堆焊的方式操作，以维持道温。
碳含量与预热温度关系
堆焊后的缓冷也是十分关键却往往被忽略的步骤，尤其是针对大型工件，有时候不容易有适当的设备提供缓冷的条件，如果这样的情况实在没有办法解决，只能再次建议采用分段作业的方式，或者避免在气温低的时候进行堆焊，以减少冷裂纹产生的风险。
四、结语
硬面堆焊对于裂纹的要求在实际应用中仍有许多个别厂家的差异性，本文仅就有限的经验范围进行粗略的讨论。京雷焊材硬面耐磨系列针对各种硬度及应用皆有相应的产品供客户选用，欢迎与各区业务咨询。
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