CN113210817B - 一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法 - Google Patents

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Abstract

本发明公开了一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，包括1)粘结相的选择、2)硬质相的选择、3)焊接前的准备、4)编辑焊接程序、5)设置焊接参数与6)焊接过程执行。本发明能够有效的解决在800℃现有技术的易造成硬质合金块脱落的问题，通过双路送粉、电弧混粉的方式，在钻头钻齿表面堆焊增加“钴基高温合金+碳化钨WC”组合的耐磨层，提高钻头的耐磨性和使用效率。

Description

一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法
技术领域
本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法。
背景技术
目前钢厂高温炉壁出铁水会用到开炉钻头，开炉钻头分为球头镶圆齿及十字形镶齿钻头，在市场上十字型约占95％，球齿型占5％，都是以镶齿YG8为主，YG8的主要成分为92％的WC和8％的钴。现有技术的开炉钻头使用时主要有以下问题：
1、YG8硬质合金制造时失效，十字型、球齿钻头与YGB的连接方式分两种：
一种是用506焊条、CO2气体保护焊，把YG8合金焊接在钻头上，具有以下缺点：因焊接温度过高，合金已脱碳氧化，形成了毛细裂纹，导致合金在使用过程中裂片、碎片而失效。另一种是用黄铜焊膏，高频或中频加热，把YG8合金焊接在钻头上，具有以下缺点：因高中频加热时间短，加热不均匀，外圈温度已达到焊料熔点，而内圈温度还没达到，这样产生虚焊或夹碴，焊接不牢，容易脱片掉片，同时，在加热过程中，没有任何气体保护，导致合金脱碳氧化产生细裂纹，在使用中导致合金过早失效。
2、YG8硬质合金在钢厂使用时失效，镶嵌式连接方法利用球齿合金与孔的过盈配合，把合金压入孔里，钢厂在使用时有缺点。如果该产品在常温或低温工矿下使用，合金没有受到损坏，但用于高炉开口，一旦到达800℃左右的高温，钻头上的孔受热涨开，导致合金脱落而失效。钢厂高炉的壁厚一般有2m-2.8m，温度可达1200℃。镶尺硬质合金钻头只能打到800℃处，原因是高温使得黄铜钎焊料的熔点只有800℃左右，当钻头打至这个温度时铜钎料融化使得YG8脱落。
综上所述，目前针对高温炉壁基本都是使用硬质合金齿，使用机械或钎焊的方式连接两者不同的材料，存在硬度、耐磨性不佳的问题。
发明内容
发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，能够有效的解决在800℃现有技术的易造成硬质合金块脱落的问题，通过双路送粉、电弧混粉的方式，在钻头钻齿表面堆焊增加“钴基高温合金+碳化钨WC”组合的耐磨层，提高钻头的耐磨性和使用效率。
技术方案：本发明的一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，包括下述步骤：
1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C(2.6-3.0)，Cr(30-33)，Si(1.0-2)，W(14-17)，Fe(＜3)， Mo(3-5)，Ni(3.5-4.0)，Mn(0.7-1.2)，Co(余量)，合金硬度大于55HRC，在 800摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用；
2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W(95-96)，LC(3.8-4.1)；硬质相与粘结相的质量比为1:1；
3)焊接前的准备：将钻头安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的不同的送粉桶中，并通过不同的防静电送粉管道将粘结相、硬质相输送至焊枪的等离子喷嘴；
安装等离子喷嘴与钨针，等离子喷嘴采用2.5mm中心气孔径，等离子喷嘴一侧设有3个下粉管用于粘结相的喷出，3个下粉管与水平面夹角角度为45°；等离子喷嘴另一侧设有2个下粉管用于硬质相的喷出，2个下粉管与水平面夹角角度为66°；
4)编辑焊接程序：将焊枪的等离子喷嘴调试至钻头的钻齿的顶部待焊位置表面15mm-19mm处设置起弧及收弧点，起弧点位于钻头的中心，收弧点位于钻头的外圆，由内向外依次进行堆焊焊接；钻头分4个钻齿分段进行堆焊，每个钻齿在其金属基台的顶部依次堆焊第一焊道、第二焊道与第三焊道；
5)设置焊接参数：设置送粉参数、焊接电流及时间参数、行走参数、送气参数；送粉参数中粘结相的送粉量5g/min、气流量2.5L/min，硬质相的送粉量5g/min、气流量3.5L/min；焊接电流参数中起弧等离子电流50A、起弧电流30A、起弧等离子电流维持时间0.01s、起弧电流维持时间1.5s、起弧电流至焊接电流时间2s、焊接电流80A、焊接电流至收弧电流的时间5s、收弧电流5A、收弧电流维持时间1s，等离子收弧电流 10A、等离子收弧电流的维持时间1s；送气参数中起弧等离子气2L/min、维持等离子气 1L/min、焊接等离子气0.7L/min、收弧等离子气0.3L/min、起弧保护气的提前送气时间5s、收弧保护气的滞后送气时间5s；行走参数中焊接速度90mm/min、摆动宽度0.3mm、摆动频率0.5hz；
6)焊接过程执行：调整保护气流量为10L/min，调整等离子气为3bar，送粉气为3bar，使用机器人示教器进行堆焊焊接，等离子喷嘴的3个粘结相下粉管将粘结相粉末送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，等离子喷嘴的2 个硬质相下粉管将硬质相粉末送至液态金属表面，在撒至焊缝液态熔池表面后0.3s凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C (3.2-3.6)，Cr(25-28)，Si(0.8-1.8)，W(14-17)，Fe(6-7)，Mo(3-5)， Ni(3.5-4.0)，Mn(≤0.8)，WC(49-51％)，Co(余量)；其合金硬度大于55HRC，在1000摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用；
每个钻齿在其金属基台的顶部依次堆焊第一焊道、第二焊道与第三焊道组成耐磨层；第一焊道与第二焊道左右并排设置并覆盖金属基台顶部；第一焊道与第二焊道上方设置第三焊道，第三焊道覆盖第一焊道与第二焊道的顶部中心位置；第一焊道、第二焊道与第三焊道呈阶梯状弧形结构设置，第一焊道、第二焊道与第三焊道分别由若干个焊接熔池鳞片依次叠加组成；
在机器人走完焊接程序后自动停止焊接并执行焊接控制***的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。
其中，所述的钻头为中空结构，钻头顶部设有4个钻齿，钻头顶部开设有顶部通孔；4个所述钻齿呈十字形设置，钻齿之间设有凹形结构的排渣口，钻齿包括金属基台并在金属基台顶部设有耐磨层；所述排渣口开设或者不开设侧部通孔；所述侧部通孔与顶部通孔连通。
其中，所述的钻头的金属基台为梯形结构，采用机加工制成，金属基台的顶部宽度为2mm-3mm，金属基台的斜面与底面之间的夹角角度为50°-70°。
其中，所述的第一焊道与第二焊道覆盖金属基台顶部的1/3-1/2区域，第一焊道与第二焊道的厚度为1.4mm-1.6mm；所述第三焊道的厚度为1.4mm-1.6mm。
其中，所述的步骤3)中双轴协同变位机采用500KG外部双轴变位机；所述步骤6)中机器人采用FanucM10ID焊接机器人，焊接电源采用TT5000电源，额定电流为500A，额定电压为0-35V；等离子电源采用TT2200电源，额定电流为200A，额定电源为0-35V。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明能够有效的解决在800℃现有技术的易造成硬质合金块脱落的问题，提供一种全新的思路和材料的可替代性，即一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法。通过本发明的方法可直接过渡耐高温为 1000℃的材料，且连接方式由钎焊和机械咬合替换为熔焊，即2种材料熔化连接使得结合强度增加，在高温时不会因为熔点的问题造成脱落，也不会由于热膨胀的不同造成脱落。通过本发明的双路送粉、电弧混粉的方法，在制造开炉钻头时成本更低，效率更高。通过本发明方法制造的钻头，钻齿的金属基台顶部堆焊设有耐磨层，提高了钻齿的耐磨性和硬度；耐磨层包括耐磨材料制成的第一焊道、第二焊道与第三焊道，三个焊道呈阶梯状弧形结构设置，在钻齿表面堆焊增加“钴基高温合金+碳化钨WC”组合的耐磨层，提高钻头的耐磨性和使用效率。
附图说明
图1为本发明的钻头的结构示意图；
图2为本发明的钻头的截面结构示意图；
图3为本发明的耐磨层的结构示意图；
图4为本发明的焊道的结构示意图；
图中1为钻头、2为钻齿、3为金属基台、4为耐磨层、5为排渣口、6为侧部通孔、 7为顶部通孔、8为第一焊道、9为第二焊道、10为第三焊道。
具体实施方式
下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。
本发明的一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，包括下述步骤：
1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C(2.6-3.0)，Cr(30-33)，Si(1.0-2)，W(14-17)，Fe(＜3)， Mo(3-5)，Ni(3.5-4.0)，Mn(0.7-1.2)，Co(余量)，合金硬度大于55HRC，在 800摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用。
2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W(95-96)，LC(3.8-4.1)；硬质相与粘结相的质量比为1:1。
3)焊接前的准备：将钻头1安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的不同的送粉桶中，并通过不同的防静电送粉管道将粘结相、硬质相输送至焊枪的等离子喷嘴；双轴协同变位机采用500KG外部双轴变位机。
安装等离子喷嘴与钨针，等离子喷嘴采用2.5mm中心气孔径，等离子喷嘴一侧设有3个下粉管用于粘结相的喷出，3个下粉管与水平面夹角角度为45°；等离子喷嘴另一侧设有2个下粉管用于硬质相的喷出，2个下粉管与水平面夹角角度为66°。
4)编辑焊接程序：将焊枪的等离子喷嘴调试至钻头1的钻齿2的顶部待焊位置表面15mm-19mm处设置起弧及收弧点，起弧点位于钻头1的中心，收弧点位于钻头1的外圆，由内向外依次进行堆焊焊接；钻头1分4个钻齿2分段进行堆焊，每个钻齿2在其金属基台3的顶部依次堆焊第一焊道8、第二焊道9与第三焊道10。
钻头1为中空结构，钻头1顶部设有4个钻齿2，钻头1顶部开设有顶部通孔7；4 个钻齿2呈十字形设置，钻齿2之间设有凹形结构的排渣口5，钻齿2包括金属基台3 并在金属基台3顶部设有耐磨层4；排渣口5开设或者不开设侧部通孔6；侧部通孔6 与顶部通孔7连通。
钻头1的金属基台3为梯形结构，采用机加工制成，金属基台3的顶部宽度为 2mm-3mm，金属基台3的斜面与底面之间的夹角角度为50°-70°。
金属基台3加工截面为梯形，梯形的上端在焊接时应加工成平状，宽度2mm-3mm；梯形的两个斜边呈等腰120°状以保证多道堆焊时，堆焊出的耐磨层4呈弧形，且有足够的耐磨层4来接触工件进行钻采冲击。此外为满足自动化重复精准度的焊接，十字分布的四个待焊面与本钻头1本体的相对位置尺寸误差应小于0.5mm，待焊面的具体尺寸的精度应满足±0.2mm的要求；打磨钻头，使用不锈钢钢丝刷配比电动角磨机打磨去除钻头1待焊面球头部分的氧化物，使其表面光洁无氧化物及刀纹。清洗钻头，使用酒精或丙酮擦洗钻头1待焊面4个球头部分，去除表面机加工时的切屑液及水等污垢。安装钻头，将钻头1的本体部分安装至外部双轴变位机的上端的夹具上，并将其夹紧，选择一个位置作为基准面，以保证后续安装位置的统一。
5)设置焊接参数：设置送粉参数、焊接电流及时间参数、行走参数、送气参数；送粉参数中粘结相的送粉量5g/min、气流量2.5L/min，硬质相的送粉量5g/min、气流量3.5L/min；焊接电流参数中起弧等离子电流50A、起弧电流30A、起弧等离子电流维持时间0.01s、起弧电流维持时间1.5s、起弧电流至焊接电流时间2s、焊接电流80A、焊接电流至收弧电流的时间5s、收弧电流5A、收弧电流维持时间1s，等离子收弧电流 10A、等离子收弧电流的维持时间1s；送气参数中起弧等离子气2L/min、维持等离子气 1L/min、焊接等离子气0.7L/min、收弧等离子气0.3L/min、起弧保护气的提前送气时间5s、收弧保护气的滞后送气时间5s；行走参数中焊接速度90mm/min、摆动宽度0.3mm、摆动频率0.5hz；根据上述参数对应起弧参数及收弧参数；为防止起弧焊塌起弧的规范较小，为防止收弧焊缝高度不足，收弧时粘结相和硬质相的滞后送粉时间为2s。
6)焊接过程执行：调整保护气流量为10L/min，调整等离子气为3bar，送粉气为3bar，使用机器人示教器进行堆焊焊接，等离子喷嘴的3个粘接相下粉管将粘结相粉末送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，等离子喷嘴的2 个硬质相下粉管将硬质相粉末送至液态金属表面，在撒至焊缝液态熔池表面后0.3s凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C (3.2-3.6)，Cr(25-28)，Si(0.8-1.8)，W(14-17)，Fe(6-7)，Mo(3-5)， Ni(3.5-4.0)，Mn(≤0.8)，WC(49-51％)，Co(余量)；其合金硬度大于55HRC，在1000摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用；机器人采用FanucM10ID焊接机器人，焊接电源采用TT5000电源，额定电流为500A，额定电压为0-35V；等离子电源采用TT2200 电源，额定电流为200A，额定电源为0-35V。
每个钻齿2在其金属基台3的顶部依次堆焊第一焊道8、第二焊道9与第三焊道10组成耐磨层4；第一焊道8与第二焊道9左右并排设置并覆盖金属基台3顶部；第一焊道8与第二焊道9上方设置第三焊道10，第三焊道10覆盖第一焊道8与第二焊道9的顶部中心位置；第一焊道8、第二焊道9与第三焊道10呈阶梯状弧形结构设置，第一焊道8、第二焊道9与第三焊道10分别由若干个焊接熔池鳞片依次叠加组成。
第一焊道8与第二焊道9覆盖金属基台3顶部的1/3-1/2区域，第一焊道8与第二焊道9的厚度为1.4mm-1.6mm；第三焊道10的厚度为1.4mm-1.6mm。
在机器人走完焊接程序后自动停止焊接并执行焊接控制***的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。
使用本发明一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，焊后，经过切样检查，WC内部分布均匀无偏析。经过客户在炼钢厂测试，钻孔效率提升1.5倍且可连续打3-4炉钢水，打3-4炉钢水后还可继续使用。通过本发明方法对开炉钻头进行堆焊增材，全面提高了生产质量，增加了产品使用寿命。且自动化程度高，和手工火焰钎焊相比，机器人的形式效率提高100％以上，且质量稳定高。
本发明的钻头1设有4个十字形排列设置的钻齿2，钻齿2的金属基台3顶部堆焊设有耐磨层4，提高了钻齿2的耐磨性和硬度，进而提高了钻头1的耐磨性和使用效率。同时，耐磨层4包括耐磨材料制成的第一焊道8、第二焊道9与第三焊道10，三个焊道呈阶梯状弧形结构设置，在钻齿2表面堆焊增加“钴基高温合金+碳化钨WC”组合的耐磨层，提高钻头1的耐磨性和使用效率。
本发明能够有效的解决在800℃现有技术的易造成硬质合金块脱落的问题，提供一种全新的思路和材料的可替代性，即一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法。通过本发明的方法可直接过渡耐高温为1000℃的材料，且连接方式由钎焊和机械咬合替换为熔焊，即2种材料熔化连接使得结合强度增加，在高温时不会因为熔点的问题造成脱落，也不会由于热膨胀的不同造成脱落。通过本发明的双路送粉、电弧混粉的方法，在制造开炉钻头时成本更低，效率更高。

Claims (5)

1.一种开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，其特征在于：包括下述步骤：
1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C 2.6-3.0，Cr 30-33，Si 1.0-2，W 14-17，Fe＜3，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn 0.7-1.2，Co余量，合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用；
2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W 95-96，LC 3.8-4.1；硬质相与粘结相的质量比为1:1；
3)焊接前的准备：将钻头(1)安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的不同的送粉桶中，并通过不同的防静电送粉管道将粘结相、硬质相输送至焊枪的等离子喷嘴；
安装等离子喷嘴与钨针，等离子喷嘴采用2.5mm中心气孔径，等离子喷嘴一侧设有3个下粉管用于粘结相的喷出，3个下粉管与水平面夹角角度为45°；等离子喷嘴另一侧设有2个下粉管用于硬质相的喷出，2个下粉管与水平面夹角角度为66°；
4)编辑焊接程序：将焊枪的等离子喷嘴调试至钻头(1)的钻齿(2)的顶部待焊位置表面15mm-19mm处设置起弧及收弧点，起弧点位于钻头(1)的中心，收弧点位于钻头(1)的外圆，由内向外依次进行堆焊焊接；钻头(1)分4个钻齿(2)分段进行堆焊，每个钻齿(2)在其金属基台(3)的顶部依次堆焊第一焊道(8)、第二焊道(9)与第三焊道(10)；
5)设置焊接参数：设置送粉参数、焊接电流及时间参数、行走参数、送气参数；送粉参数中粘结相的送粉量5g/min、气流量2.5L/min，硬质相的送粉量5g/min、气流量3.5L/min；焊接电流参数中起弧等离子电流50A、起弧电流30A、起弧等离子电流维持时间0.01s、起弧电流维持时间1.5s、起弧电流至焊接电流时间2s、焊接电流80A、焊接电流至收弧电流的时间5s、收弧电流5A、收弧电流维持时间1s，等离子收弧电流10A、等离子收弧电流的维持时间1s；送气参数中起弧等离子气2L/min、维弧等离子气1L/min、焊接等离子气0.7L/min、收弧等离子气0.3L/min、起弧保护气的提前送气时间5s、收弧保护气的滞后送气时间5s；行走参数中焊接速度90mm/min、摆动宽度0.3mm、摆动频率0.5hz；
6)焊接过程执行：调整保护气流量为10L/min，调整等离子气为3bar，送粉气为3bar，使用机器人示教器进行堆焊焊接，等离子喷嘴的3个粘结相下粉管将粘结相粉末送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，等离子喷嘴的2个硬质相下粉管将硬质相粉末送至液态金属表面，在撒至焊缝液态熔池表面后0.3s凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C 3.2-3.6，Cr 25-28，Si 0.8-1.8，W 14-17，Fe 6-7，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn≤0.8，WC 49-51％，Co余量；其合金硬度大于55HRC，在1000摄氏度的高温环境下还具有耐磨作用；
每个钻齿(2)在其金属基台(3)的顶部依次堆焊第一焊道(8)、第二焊道(9)与第三焊道(10)组成耐磨层(4)；第一焊道(8)与第二焊道(9)左右并排设置并覆盖金属基台(3)顶部；第一焊道(8)与第二焊道(9)上方设置第三焊道(10)，第三焊道(10)覆盖第一焊道(8)与第二焊道(9)的顶部中心位置；第一焊道(8)、第二焊道(9)与第三焊道(10)呈阶梯状弧形结构设置，第一焊道(8)、第二焊道(9)与第三焊道(10)分别由若干个焊接熔池鳞片依次叠加组成；
在机器人走完焊接程序后自动停止焊接并执行焊接控制***的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。
2.根据权利要求1所述的开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，其特征在于：所述的钻头(1)为中空结构，钻头(1)顶部设有4个钻齿(2)，钻头(1)顶部开设有顶部通孔(7)；4个所述钻齿(2)呈十字形设置，钻齿(2)之间设有凹形结构的排渣口(5)，钻齿(2)包括金属基台(3)并在金属基台(3)顶部设有耐磨层(4)；所述排渣口(5)开设或者不开设侧部通孔(6)；所述侧部通孔(6)与顶部通孔(7)连通。
3.根据权利要求1所述的开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，其特征在于：所述的钻头(1)的金属基台(3)为梯形结构，采用机加工制成，金属基台(3)的顶部宽度为2mm-3mm，金属基台(3)的斜面与底面之间的夹角角度为50°-70°。
4.根据权利要求1所述的开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，其特征在于：所述的第一焊道(8)与第二焊道(9)覆盖金属基台(3)顶部的1/3-1/2区域，第一焊道(8)与第二焊道(9)的厚度为1.4mm-1.6mm；所述第三焊道(10)的厚度为1.4mm-1.6mm。
5.根据权利要求1所述的开炉钻头堆焊高硬度耐磨层的方法，其特征在于：所述的步骤3)中双轴协同变位机采用500KG外部双轴变位机；所述步骤6)中机器人采用FanucM10ID焊接机器人，焊接电源采用TT5000电源，额定电流为500A，额定电压为0-35V；等离子电源采用TT2200电源，额定电流为200A，额定电源为0-35V。
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