40CrNiMo调质钢具有强度高、韧性和热稳定性好等优点,广泛用于制造汽轮机轴、大型齿轮和采煤机截齿等强度要求高、截面大的机械零部件。堆焊是对零部件进行表面修复及强化的常用方法。由于40CrNiMo调质钢的碳当量较高,若焊接工艺选用不当,会使焊接热影响区(HAZ)的性能严重恶化,达不到使用要求。因此,研究出合适的40CrNiMo调质钢堆焊工艺具有重要意义。本文采用冷金属过渡(CMT)技术对齿轮用40CrNiMo调质钢进行堆焊,首先借助体视显微镜(OSM),研究了送丝速度、焊接速度和摆宽对焊缝成形性的影响。然后利用正交试验,探索得到送丝速度、焊接速度和摆宽的较优配置,以使焊缝成形性良好。最后利用光学显微镜(OM)、扫描电子显微镜(SEM)、能谱仪(EDS)、显微硬度测试、冲击韧性测试和拉伸性能测试等手段,分别研究了焊前预热温度、焊后回火温度和堆焊层数对焊接热影响区组织和性能的影响。结果表明,送丝速度、焊接速度和摆宽均会对焊缝成形性产生显著影响,送丝速度、焊接速度和摆宽需要相互配合才能获得成形良好的焊缝。通过正交试验,得到焊缝成形良好的焊接工艺基本参数为:送丝速度4m/min,焊接速度3mm/s,摆宽12mm。采用不同的焊前预热温度进行堆焊,随着预热温度的升高,焊接热影响区完全淬火粗晶区的宽度及内部原奥氏体晶粒均逐渐增大;焊接热影响区的硬度逐渐下降;冲击韧性先升后降,并在预热温度为250℃时达到最大值;焊接热影响区的抗拉强度逐渐下降,延伸率逐渐提升。采用不同的回火温度进行焊后热处理,400℃和500℃回火时,析出的碳化物在马氏体的条界、束界和晶界上分布,恶化了冲击韧性;600℃回火时,碳化物聚集长大和球化,并愈发弥散分布,从而改善了冲击韧性,并满足了冲击韧性标准值41J的要求。随着回火温度的升高,焊接热影响区的硬度逐渐下降,抗拉强度逐渐下降,延伸率逐渐提高。采用不同的堆焊层数进行堆焊,随着堆焊层数的增加,首层焊道产生的焊接热影响区中的淬火马氏体逐渐减少,在三层多道堆焊时,焊接热影响区中淬火马氏体基本完全消除。随着堆焊层数的增加,焊接热影响区中显微硬度发生下降的微区逐渐增多;冲击韧性发生明显改善,堆焊两层和堆焊三层时冲击韧性均满足标准值41J的要求;抗拉强度逐渐下降,延伸率逐渐提高。