CN111774757A

CN111774757A - 含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法

Info

Publication number: CN111774757A
Application number: CN202010535613.0A
Authority: CN
Inventors: 田春英; 王军; 吕达; 徐晨毅; 陈龙
Original assignee: Tianjin Sino German University of Applied Sciences
Current assignee: Tianjin Sino German University of Applied Sciences
Priority date: 2020-06-12
Filing date: 2020-06-12
Publication date: 2020-10-16

Abstract

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法；含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝包括药芯以及用于包裹所述的药芯的碳钢带；其中，所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁18‑22％；硼铁7‑9％；硅铁3‑5％，锰铁3‑5％，金属铝0.4‑0.6％，稀土元素2‑3％，镍包石墨3‑5％，余量为铁。采用该含有镍包石墨粉的药芯焊丝利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW堆焊方法制备的耐磨堆焊层具有自润滑功能。

Description

含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法

技术领域

本发明属于焊接材料领域，具体涉及一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法。

背景技术

摩擦磨损件相对运动所产生的摩擦热会使摩擦表面温度升高，采用液体润滑使摩擦零件的工作环境更加恶劣，而固体润滑因其在高温工作环境下良好的稳定性，近年来被广泛应用于耐磨领域。石墨固体润滑剂因具有优异的润滑性能而受到研究人员的关注。

采用表面技术将含有固体润滑材料的耐磨层制备在原始工件表面上，可实现在摩擦副之间形成低剪切强度的润滑膜，不仅能提高工作层的耐摩擦磨损性能，同时可以降低摩擦系数，进一步延长工件的使用寿命，大大节约原材料和生产时间。

堆焊是目前广泛采用制备耐磨层的表面技术，堆焊时如何将易烧损的石墨相过渡到堆焊层内部成为了此种固体润滑材料耐磨层制备的难点。为了保证堆焊的效率和质量，堆焊工艺要求堆焊实施过程中焊丝高熔敷率，母材低热输入，这与传统焊接方法的特点即如果焊丝高熔敷率那么母材就高热输入相矛盾。实现焊丝高熔敷率焊接电流就要增大，对石墨相及合金元素的烧损较严重，造成合金元素的浪费损耗也造成空气环境的污染，影响堆焊层的耐磨性能。

发明内容

本发明的目的在于提供一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝及其焊接方法。

本发明为实现上述目的，采用以下技术方案：

一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，包括药芯以及用于包裹所述的药芯的碳钢带；其中，所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁18-22％；硼铁7-9％；硅铁3-5％，锰铁3-5％，金属铝0.4-0.6％，稀土元素2-3％，镍包石墨3-5％，余量为铁。

所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁20％；硼铁8％；硅铁4％，锰铁4％，金属铝0.5％，稀土元素2.5％，镍包石墨4％，余量为铁。

所述的药芯粉体颗粒80目通过率为100％。

所述的药粉填充率为23-27％。

所述的耐磨焊丝的直径为1.6mm。

本申请还包括一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝的焊接方法，使用，其工艺参数为：焊接电压：22-26V；主电弧电流：120A；辅弧电流：120-240A；送丝速度：2.2-2.6m/min；焊接速度：3-4mm/s；钨极与工件距离：7-8mm；钨极与焊丝距离：2-3mm；保护气体流量：15L/min。由于该焊接***堆焊可实现焊丝高熔敷率、母材低热输入，堆焊层含有焊丝过渡的石墨固体润滑剂，摩擦系数随着磨损时间的延长而降低，其堆焊层具有自润滑功能。

本申请利用自行搭建的双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW焊接***，采用自行设计的含有镍包石墨粉的药芯焊丝制备自润滑Fe-Cr-B耐磨基体的堆焊层。

焊接时，焊丝端头与钨极之间形成点对点型辅助电弧，实现预热焊丝，通过调节辅助电弧的能量来调节焊丝熔敷率，使辅助电弧的热量集中作用在焊丝上，从而实现可以不通过增加主电弧能量而提高熔敷率，解耦主电弧能量和送丝速度的关系，打破了传统焊接方法的增加熔敷率就必须增加主电弧的能量的耦合关系。

焊接时，熔滴过渡形式采用无熔滴过渡，即焊丝直接***熔池，送丝速度与焊丝熔化保持动态平衡，焊丝在进入熔池前药芯完全被碳钢带包裹，没有暴露在电弧中，同时又没有使焊丝过热，可以在很大程度减少石墨相及合金的烧损，进一步降低母材的热输入。

焊丝的填充率为23-27％，填充率不能过高，否则碳钢带过薄，辅助电弧预热焊丝时容易破损，产生焊接飞溅，也使药粉暴露于电弧中容易烧损。另一方面，因为该焊接方法对药芯合金元素的有效保护，药芯不需要过高的填充率即满足堆焊层合金元素含量的要求。

所设计的药芯焊丝采用镍包石墨粉作为固体润滑剂，镍既能保护石墨的烧损从而提高石墨的过渡系数，又能改善石墨与金属基体的结合。

双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW焊接方法可实现母材低热输入、焊丝高熔敷率堆焊，从而实现母材的低稀释率，保证堆焊层的合金含量。堆焊层组织为典型的Fe-Cr-B系耐磨基体，为亚共晶组织，枝晶马氏体和共晶硼化物，焊缝硬度为57HRC以上。黑色镍包石墨相颗粒均匀分布在枝晶晶界处。

利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW堆焊技术采用含有镍包石墨粉的药芯焊丝制备Fe-Cr-B耐磨基体的堆焊层，耐磨堆焊层含有石墨固体润滑剂，耐磨堆焊层进行摩擦磨损实验时，随着磨损时间的延长，摩擦系数下降，表明含有石墨固体润滑剂的堆焊层磨损时具有自润滑功能。

与现有技术相比，本发明的有益效果是：

利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW焊接方法母材低热输入、焊丝高熔敷率特点，采用自行设计的含有镍包石墨粉的药芯焊丝进行堆焊，并采用无熔滴过渡形式时，药芯中的石墨及合金元素得到保护，有效地过渡到熔池焊缝中，堆焊层的耐磨性得到保障。电弧稳定，焊接飞溅小，焊接烟尘少。

采用自行设计的含有镍包石墨粉的药芯焊丝利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW堆焊方法制备的耐磨堆焊层具有自润滑功能。

附图说明：

图1为药芯焊丝横截面图；

图2为实施例和对比例焊缝宏观形貌图；

图3为实施例和对比例焊接原理示意图；

图4为实施例无熔滴过渡图；

图5为实施例和对比例堆焊层金相照片；

图6为焊缝中黑色颗粒相能谱分析图。

图7为实施例和对比例堆焊层摩擦系数与时间的关系曲线图

图8为实施例和对比例堆焊层磨损SEM形貌图。

具体实施方式

为了使本技术领域的技术人员更好地理解本发明的技术方案，下面结合最佳实施例对本发明作进一步的详细说明。

1.药芯焊丝制备：

药芯层粉体成分配比为：铬铁20％；硼铁8％；硅铁4％，锰铁4％，金属铝0.5％，稀土元素2.5％，镍包石墨4％，余量为铁。药芯粉体粒度80目通过率100％，外层钢带为碳钢带，药芯在碳钢带中的填充率约为25％，将外用钢带制成U形，向U形槽内加入药粉，U形槽合口后，进行连续拉拔减径，得到规格直径为1.6mm的药芯焊丝，药芯焊丝横截面如图1所示。

2.堆焊层的制备：

实施例:

利用自行搭建的双恒流源电弧热丝GTAW焊接***，在6mm厚Q235钢板上，采用自行设计含镍包石墨成分药芯耐磨焊丝进行堆焊。其工艺参数为：焊接电压：22-26V；主电弧电流：240A；辅弧电流：120A；送丝速度：2.4m/min；焊接速度：3.5mm/s_；钨极与工件距离：7-8mm；钨极与焊丝距离：2-3mm；保护气体流量：15L/min。

对比例:

利用传统的熔化极氩弧堆焊(GMAW)焊接***，在6mm厚Q235钢板上，采用自行设计含镍包石墨成分药芯耐磨焊丝进行堆焊。焊接电压：22-26V；电弧电流：240A；送丝速度：2.0m/min；焊接速度：3.5mm/s_；保护气体流量：15L/min。

3.实施例和对比例涉及一种利用双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW焊接含镍包石墨成分耐磨药芯焊丝的堆焊层宏观焊接接头、组织及自润滑性能对比分析。

实施例与对比例的结果及分析如下所示：

(1)焊接接头的横截面宏观分析

在总电流相同的情况下，焊接接头的宏观横截面如图1所示。两种焊接方法的稀释率有很大的不同，GTAW技术堆焊的稀释率极低，小于5％，而GMAW堆焊的稀释率较大，大约在25％。从焊缝横截面轮廓形状可以看出，GTAW技术获得的焊缝高，焊缝左右两侧面与母材基本垂直，而传统的GMAW堆焊的焊缝呈扁平状，即宽高比有很大不同。在堆焊实际生产应用时，GTAW技术堆焊的焊缝形状可以明显减少施焊层数，也可以避免堆焊金属反复熔化与凝固，影响材料的性能。

(2)焊接原理分析

双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW堆焊原理如图3(a)所示，焊接时，焊丝端头与钨极之间形成点对点型辅助电弧，通过解耦主电弧能量和送丝速度的关系，焊丝熔敷率可以很容易调节，而不需要考虑送入到工件表面的热输入，可以不通过增加主电弧能量而提高熔敷率，主弧电流120A，辅弧电流120A，送丝速度可达2.4m/min，可以实现稳定焊接。实验结果证明了采用无熔滴电弧热丝GTAW，可以有效地降低母材的热输入，同时增加焊丝的熔敷效率。这种解除了母材热输入与焊丝熔敷率耦合关系的热传输特性，深度契合堆焊工艺要求——低热输入、高熔敷率。传统GMAW焊接原理如图3(b)所示，堆焊时，电弧在焊丝与工件之间燃烧。如果增加焊丝熔敷率，必须增加送丝速度，从而增加焊接电流，试验电流采用240A，送丝速度只能达到2.0m/min。电流与熔敷率之间的耦合关系造成工件母材吸收更多的电弧热量，导致稀释率上升，这与堆焊时要求焊丝高熔敷率，工件母材低热输入的工艺要求相矛盾。

(3)焊丝受热分析

采用耦合电弧热丝GTAW方法，由于焊丝的送丝速度与主电弧电流不再是耦合关系，因此可以在一定的焊接电流下，根据需要增加送丝速度，从而可以使焊丝熔化由有熔滴状态调整至无熔滴状态，如图4所示为无熔滴过渡形式。无熔滴产生的情况下，辅助电弧作用于钨极尖端和一小段焊丝处，焊丝既可以得到充分的预热，又可以防止预热温度过高破坏焊丝成分。根据上述特点，将含有石墨成分的药芯焊丝用该技术进行堆焊，可使石墨尽可能在较低的温度下通过焊丝熔化进入熔池的过程中不被电弧的集中加热而烧损，使堆焊金属中自润滑功能石墨润滑剂得以存在。传统GMAW焊接中，由于熔滴的产生，电弧的一端会集中加热焊丝端部，如图3(b)所示。电弧高效加热使得焊丝端头熔滴处于过热状态，甚至处于汽化状态，因此在堆焊中对于合金元素的烧损会比较严重。

(4)堆焊层微观组织及成分分析

图5中(a)为无熔滴电弧热丝GTAW工艺焊接接头浸蚀后的金相照片，在后凝固的枝晶晶界处即共晶处分布许多黑色颗粒。对焊缝组织中较大的黑色颗粒进行成分分析，结果如图6所示。黑色颗粒状物质中碳的原子百分含量高达79.87％，因此可判断此黑色颗粒状物质为保留下来的石墨。图5中(b)为传统GMAW堆焊层浸蚀后的金相照片，图中可以看出，镍包石墨相烧损严重，残留量极少。

(5)堆焊层摩擦磨损性能：

双恒流源无熔滴电弧热丝GTAW焊和传统GMAW两种方法所获得的堆焊层进行了摩擦磨损对比实验，摩擦系数如图7所示。实验结果表明，采用无熔滴电弧热丝GTAW堆焊时，其堆焊试件的摩擦系数平均为0.65左右，如图7(a)所示，且随着磨损时间的延长，摩擦系数下降，说明采用该技术所获得的耐磨堆焊层的自润滑能力随着耐磨实验的进行开始显现出来。传统GMAW堆焊试验件的摩擦系数平均约为1.4，摩擦系数是GTAW堆焊的2倍，如图7(b)所示。

为进一步分析堆焊层摩擦磨损性能，在扫描电镜下对其摩擦磨损表面进行了观察，如图8所示。两种焊接方法堆焊层的干摩擦磨损试验后的磨损表面形貌明显不同。图8(a)磨损面相对较为细腻光滑，且磨痕较浅较细，磨痕纹路不清晰，有发黑的痕迹，说明磨损面基本形成了石墨润滑层。图8(b)磨损面相对较为粗糙，磨痕密集且明显，表面存在较多硬质点微凸物。所以，无熔滴电弧热丝GTAW焊堆焊层摩擦系数相对小很多，是摩擦磨损过程中形成石墨润滑层所致。

以上内容仅为本发明的较佳实施例，对于本领域的普通技术人员，依据本发明的思想，在具体实施方式及应用范围上均会有改变之处，本说明书内容不应理解为对本发明的限制。

Claims

1.一种含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，其特征在于，包括药芯以及用于包裹所述的药芯的碳钢带；其中，所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁18-22％；硼铁7-9％；硅铁3-5％，锰铁3-5％，金属铝0.4-0.6％，稀土元素2-3％，镍包石墨3-5％，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯按质量分数包含下述组分：铬铁20％；硼铁8％；硅铁4％，锰铁4％，金属铝0.5％，稀土元素2.5％，镍包石墨4％，余量为铁。

3.根据权利要求1所述的含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯的粉体颗粒80目通过率为100％。

4.根据权利要求1所述的含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的药芯填充率为23-27％。

5.根据权利要求1所述的含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝，其特征在于，所述的耐磨焊丝的直径为1.6mm。

6.一种权利要求1-5任一项所述的含镍包石墨成分自润滑耐磨药芯焊丝的焊接方法，其特征在于，使用无熔滴电弧热丝GTAW堆焊，其工艺参数为：焊接电压：22-26V；主电弧电流：120A；辅弧电流：120-240A；送丝速度：2.2-2.6m/min；焊接速度：3-4mm/s；钨极与工件距离：7-8mm；钨极与焊丝距离：2-3mm；保护气体流量：15L/min。