CN106001994B - 一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝及其制备方法，以低碳钢带为外皮，药芯包含如下组分：70～85wt％的高碳铬铁，1～3.5wt％的硼铁，8.5～18.5wt％的脱氧剂，1～5wt％的稳弧剂，余量为铁粉，其中，所述脱氧剂包括相当于药芯总重的3～6wt％的230目硅锰合金、3～6wt％的50目石墨、2～4.5wt％的50目铝粉和0.5～2wt％的50目镁粉，所述稳弧剂为硅酸钾钠和纯碱所组成的机械混合物，所述药芯占焊丝质量的54～59wt％。本发明提供的焊丝，能够有效增强焊丝各分区(熔化、熔滴过渡及熔池阶段)的自保护效果，电弧稳定，工艺性好，堆焊层成形美观、硬度高、耐磨性好。

Description

一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝及其制备方法
技术领域
本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝及其制备方法。
背景技术
自保护药芯焊丝以其操作简便，无需外加保护气体，熔敷效率高的优势，在耐磨堆焊领域获得广泛应用。根据焊接冶金理论，整个焊接过程是“分区连续”进行的，反应不止熔池一处，且反应具有阶段性特征。对于传统焊条一般可分为药皮反应区，熔滴反应区及熔池反应区等三个区域。以此类比，可认为对于焊丝的焊接冶金过程一般亦可分为焊丝反应区，熔滴反应区及熔池反应区等三个区域。其中，尤以熔滴反应区温度区间为较高，而其他两区反应区温度区间则相对较低。在实际焊接过程中，既有温度极高的熔滴反应区，又有温度稍低的焊丝反应区及熔池反应区，无论何区都需避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属。而诸多的脱氧剂，往往在某一个高温时间段内更易发生脱氧反应，迅速被大量消耗，从而无法保证在整个焊接温度变化区间范围均有发生脱氧反应，特别是在焊接后期熔池阶段的脱氧效果。这就导致当前自保护堆焊药芯焊丝容易出现气孔、飞溅大、焊缝成形差等难题，工艺性能尚存进一步提升的空间。现有技术通常是在药芯中添加脱氧剂实现脱氧的效果，且所有脱氧剂多选用一种粒度。根据脱氧剂与氧反应的难易程度，通过尝试选择添加多元粒度药芯组分可以有效增强焊接各分区段的自保护效果，明显增强电弧稳定性和焊接工艺性能。目前，尚未见通过控制成分粒度以增强焊接分区连续自保护效果的技术报道。
发明内容
发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，本发明的另一目的是提供该药芯焊丝的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于低碳钢带中，药芯包含如下质量百分数的组分：70～85wt％的高碳铬铁，1～3.5wt％的硼铁，8.5～18.5wt％的脱氧剂，1～5wt％的稳弧剂，余量为铁粉，其中，所述脱氧剂包括相当于药芯总重的3～6wt％的230目硅锰合金、3～6wt％的50目石墨、2～4.5wt％的50目铝粉和0.5～2wt％的50目镁粉，所述稳弧剂为硅酸钾钠和纯碱所组成的机械混合物，所述药芯占焊丝质量的54～59wt％。
进一步地，所述药芯中的高碳铬铁、硼铁、稳弧剂和铁粉的粒度均为100目。
进一步地，所述稳弧剂中的硅酸钾钠及纯碱的添加量分别为药芯总重的0.5～3.5wt％和0.5～1.5wt％。
进一步地，所述的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
进一步地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
进一步地，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。
本发明进一步提出上述增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢带轧成U形，然后通过送粉装置将所述药芯的粉末按照焊丝总重的54～59wt％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
高碳铬铁：形成Cr7C3，Cr23C6，Cr3C等铬的碳化物；并向基体组织中过渡C。
石墨：脱氧，造气(CO)，降低气孔敏感性；提供C元素。
硼铁：脱氧并改善熔池流动性。
铝粉：脱氧，固氮(从空气中侵入焊接金属中的N)，增强自保护效果。
镁粉：脱氧，增强自保护效果。
硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；过渡合金元素Mn及元素Si。
硅酸钾钠：增强导电性，柔化电弧，增强自保护效果。
纯碱：造气，并柔化电弧，增加电弧稳定性。
本发明添加高碳铬铁，为耐磨合金组织中富铬碳化物提供来源，添加稳弧剂，起到柔化电弧增加电弧稳定性的作用，特别需要指出的是，本发明还同时添加不同粒度的脱氧剂，具体为50目的石墨、铝粉和镁粉，以及230目的硅锰合金，这是参考吉布斯自由能曲线进行的科学选择。石墨在熔滴反应区的最高温阶段将氧化加剧，因此添加50目粗颗粒度的石墨粉，使之在短时间内无以耗尽，起到一定的钝化效果，以保留至熔池阶段发挥重要作用；铝粉及镁粉与氧结合的能力很强，在较低温度状态下，即前期焊丝反应区升温过程就开始被氧化，因此同样添加50目粗颗粒度的铝粉及镁粉，增强其在后续两区的脱氧参与度，而硅锰合金一般情况下“沉淀脱氧”能力较强，换言之，其在熔池反应区的脱氧效果较为明显，因此特别选择230目较细颗粒度的硅锰合金粉末，使之得以适度“活化”，有利于它们也能够有效参与前面两区的脱氧反应。以上技术措施，可以有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，因此该焊丝具有良好的焊接工艺性能、堆焊层表面成形及耐磨性。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明结合合金元素吉布斯自由能曲线及焊接冶金过程分区连续进行的特性，在药芯中合理添加不同目数的石墨、铝粉、镁粉及硅锰合金，有效保证在整个焊接冶金过程中的焊丝反应区、熔滴反应区及熔池反应区均具备良好的脱氧自保护能力，并辅以适量稳弧剂，最终获得良好的焊接工艺性能，使得堆焊层成形美观。
(2)本发明的药芯焊丝无气孔、飞溅小、电弧稳定、焊道成形美观，堆焊层表面硬度均匀，不同焊丝平均硬度在61～65HRC范围，耐磨性为Q235的30倍左右。
(3)本发明提供的制备方法简单可重复。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步解释说明。因理解的是，下述实施例是为了更好的解释本发明，而不构成对本发明保护范围的限定。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
实施例1
一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：85g的100目高碳铬铁，1g的100目硼铁，8.5g的脱氧剂，1g的稳弧剂，4.5g的100目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的硅锰合金、石墨、铝粉及镁粉所组成的机械混合物，具体为：3g的230目硅锰合金，3g的50目石墨、2g的50目铝粉，0.5g的50目镁粉，稳弧剂为硅酸钾钠及纯碱所组成的机械混合物，具体为：0.5g的100目硅酸钾钠，0.5g的100目纯碱。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为59％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：80g的100目高碳铬铁，2g的100目硼铁，13g的脱氧剂，3g的稳弧剂，2g的100目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的硅锰合金、石墨、铝粉及镁粉所组成的机械混合物，具体为：4g的230目硅锰合金，4g的50目石墨、4g的50目铝粉，1g的50目镁粉，稳弧剂为硅酸钾钠及纯碱所组成的机械混合物，具体为：2g的100目硅酸钾钠，1g的100目纯碱。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为57％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：75g的100目高碳铬铁，3g的100目硼铁，14.5g的脱氧剂，4g的稳弧剂，3.5g的100目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的硅锰合金、石墨、铝粉及镁粉所组成的机械混合物，具体为：5g的230目硅锰合金，5g的50目石墨、3g的50目铝粉，1.5g的50目镁粉，稳弧剂为硅酸钾钠及纯碱所组成的机械混合物，具体为：3g的100目硅酸钾钠，1g的100目纯碱。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为55％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例4
一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：70g的100目高碳铬铁，3.5g的100目硼铁，18.5g的脱氧剂，5g的稳弧剂，3g的100目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的硅锰合金、石墨、铝粉及镁粉所组成的机械混合物，具体为：6g的230目硅锰合金，6g的50目石墨、4.5g的50目铝粉，2g的50目镁粉，稳弧剂为硅酸钾钠及纯碱所组成的机械混合物，具体为：3.5g的100目硅酸钾钠，1.5g的100目纯碱。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为54％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
表1所列硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3～5分钟，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。
表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。

Claims (7)

1.一种增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，所述药芯填充于低碳钢带中，其特征在于：所述药芯包含如下质量百分数的组分：70～85wt％的高碳铬铁，1～3.5wt％的硼铁，8.5～18.5wt％的脱氧剂，1～5wt％的稳弧剂，余量为铁粉，其中，所述脱氧剂包括相当于药芯总重的3～6wt％的230目硅锰合金、3～6wt％的50目石墨、2～4.5wt％的50目铝粉和0.5～2wt％的50目镁粉，所述稳弧剂为硅酸钾钠和纯碱所组成的机械混合物，所述药芯占焊丝质量的54～59wt％。
2.根据权利要求1所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中的高碳铬铁、硼铁、稳弧剂和铁粉的粒度均为100目。
3.根据权利要求1所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，其特征在于：所述稳弧剂中的硅酸钾钠及纯碱的添加量分别为药芯总重的0.5～3.5wt％和0.5～1.5wt％。
4.根据权利要求1所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，其特征在于：所述的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，其余为铁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
5.根据权利要求1所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，其特征在于：所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
6.根据权利要求1所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝，其特征在于：所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。
7.如权利要求1-6任一项所述的增强焊接分区连续自保护效果的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯的粉末按照焊丝总重的54～59wt％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。
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TiC对高铬堆焊合金层显微组织及耐磨性的影响;路德斌;《中国优秀硕士学位论文全文数据库工程科技I辑》;20140415(第4期);第35-37页 *

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