CN103612027B - 药芯焊丝及其制备方法和应用 - Google Patents

Abstract

本发明涉及一种用于修复、制作弯曲辊的药芯焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料领域。本发明提供的药芯焊丝，利用本发明药芯焊丝堆焊弯曲辊后在使用过程中辊面不粘钢且寿命长。本发明提供药芯焊丝包括外皮和药芯，其特征在于：所述外皮为纯镍带，所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝13.4～44.5%、金属铬：12.6～42.2%、萤石：5～13.3%、金属镍粉：0～69%；所述药芯焊丝使用后的熔敷化学成分重量百分比为：Cr：6～8%、Al：6～8%、Ni：80～86%，余量为铁和不可避免的杂质。本发明的药芯焊丝制备方法简单，使用时焊材耗量少、能耗低、环境污染小，性价比高。

Description

药芯焊丝及其制备方法和应用

技术领域

本发明涉及一种用于修复、制作弯曲辊的药芯焊丝及其制备方法和应用，属于焊接材料领域。

背景技术

在热轧带钢生产中，一般采用热卷箱技术来减少轧线长度、降低功率能耗和生产成本。热卷箱安装于粗轧末机架和精轧飞剪之间，它可以把末道次抛钢后的中间坯高速无芯卷取成一个钢卷，然后再反向开卷，把中间坯送至精轧机组进行轧制。在生产过程中，为了加快生产节奏，热卷箱一般采用双站工作方式，即当精轧首机架咬钢后，把卷取站的钢卷移送到开卷站继续开卷，让卷取站为卷取下一中间坯作准备。热卷箱的主要作用是将在轧制过程中的中间坯进行卷取成卷，之后再开卷，然后进入下一工序的轧制。而热卷箱弯曲辊是卷取热钢卷的关键部件，其主要作用是将轧制的中间坯进行辅助成卷。弯曲辊在开始卷取工作和开卷结束之间，一直承受着1200～1300℃的高温，并承受着热轧中间坯的摩擦，工作条件极为恶劣。由于上述工作条件的特殊性，弯曲辊的使用寿命短，在攀钢通常不足3个月，而且在使用过程中辊面还粘钢，这直接影响轧机的作业效率、钢材的质量、维修费用等，最终影响热轧带钢的成本。对于下机后的弯曲辊主要采用埋弧堆焊技术进行修复，但修复后的弯曲辊也存在辊面粘钢和使用寿命短的问题。

药芯焊丝也称为管状焊丝，它由外皮金属和里面的药粉构成。外皮成分一般为钢带或钢管，而外皮金属不一定选择与焊缝金属成分相当的材料，因为合金元素可以通过药粉加入。通过调整药芯成分的种类和比例，可以方便设计不同用途的焊丝。这正是药芯焊丝优于实心焊丝之处，尤其是对于生产高合金成分的焊丝。药芯焊丝与实芯焊丝和焊带相比具有如下优点：1、对于各种钢材的焊接，适应能力强；调整药芯的种类和比例极为方便，以满足不同焊缝化学成分需求。2、焊接工艺性能好。3、熔敷速度快，生产效率高。4、焊缝形状好、外观平坦、熔深大等。因此药芯焊丝被称为具有发展前途的新型焊接材料。

目前修复和制作弯曲辊用焊丝的堆焊金属类型主要为：马氏体型堆焊金属，由于这种堆焊金属具有空淬特性，堆焊后金相组织为马氏体加碳化物结构，工作层硬度可达45～55HRC。为满足修复工作硬度、金属组织稳定、消除焊接应力等要求，焊后还需进行焊后热处理，具体地使碳化物在堆焊工作层金属的基体组织上弥散析出，而这样会形成二次硬化。同时由于这类合金成分的裂纹敏感性高，需要焊前预热，其中温度一般为200～400℃，且在焊接过程中需要保温，同时焊后需要缓冷措施；此外为了改善熔合区性能，需堆焊过渡层，之后再堆焊工作层。利用这种焊丝修复的弯曲辊，表面硬度高于45HRC，但在使用中仍然存在辊面粘钢和使用寿命短的问题。

由于上述修复弯曲辊的药芯焊丝，其中焊丝金属一般为低合金钢、中合金钢，而这种金属没有很好的高温强度、高温硬度且持久性差、稳定性差等以致于不能满足弯曲辊堆焊工作的要求。所以，现在急切需要研究设计一种焊接材料，以解决弯曲辊在使用过程中表面粘钢和使用寿命短的问题。

发明内容

本发明目的在于提供一种采用埋弧堆焊修复、制作弯曲辊的药芯焊丝，采用本发明的药芯焊丝堆焊修复、制作的弯曲辊在使用过程中辊面不粘钢且使用寿命长。

为达上述目的，本发明是通过下述技术方案加以实现。

本发明药芯焊丝，包括外皮和药芯，其特征在于：

所述外皮为纯镍带；

所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝13.4～44.5%、金属铬：12.6～42.2%、萤石：5～13.3%、金属镍粉：0～69%；

所述药芯焊丝使用后的熔敷化学成分重量百分比为：Cr：6～8%，Al：6～8%，Ni：80～86%，余量为Fe和不可避免的杂质。

其中，上述药芯可以由下述重量百分比的组分组成：金属铝22.2～36%、金属铬：21～33%、萤石：5.8～10%、金属镍粉：21～61%。

优选的，上述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝26.8～31.4%、金属铬：24.6～28.8%、萤石：7.6～8.8%、金属镍粉：31～41%。

其中，药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：40～60目、金属铬：70～90目、萤石：50～70目、金属镍粉：100～140目。

优选的，药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：50目、金属铬：80目、萤石：60目、金属镍粉：120目。

其中，药芯的重量占药芯焊丝总重量的比例为20～50%。

其中，上述焊丝中外皮、药芯中金属铝、金属铬和金属镍都为高温合金元素，而且堆焊后工作层金属的金相组织为奥氏体。由于奥氏体金相组织具有冷作硬化性能，焊后对工作层硬化处理，可以提高母材的硬度。本发明的焊丝堆焊后弯曲辊辊表面的洛氏硬度大于32HRC，经冷作硬化后其硬度大于54HRC，故本发明的药芯焊丝完全达到修复、制作弯曲辊堆焊工作要求，同时使堆焊后的弯曲辊不粘钢且用寿命长。

进一步地，上述外皮采用工业用的金属镍带，上述药芯中金属铬、金属铝、萤石和金属镍粉为工业用金属铬、金属铝、萤石和金属镍粉。

其中，工业用金属镍、金属铝、金属铬和金属镍粉中都含有少量Fe元素。

进一步地，外皮中Ni元素、金属镍粉中Ni元素、药芯中Al元素和Cr元素在焊接过程中成为主要熔敷化学成分。

进一步地，上述药芯焊丝焊接后，融敷化学成分中含有不可避免的杂质，如Fe、Mn、Si、S、P等。

同时，本发明还提供了药芯焊丝的制备方法，其具体由以步骤法制得：以纯镍带作为外皮原料，以金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉作为药芯组分，经过镍带裁剪、镍带去油干燥、药芯配料干燥，镍带轧制、药芯装入外皮中，拉拔成药芯焊丝。

其中，镍带的厚度为0.3～0.8mm、宽度为8.0～16.0mm。

其中，上述药芯焊丝直径为2.0～4.0mm，如2.5、3.2或4.0mm。

本发明的有益效果是：

A、本发明药芯焊丝的制备方法简单，焊丝堆焊后，弯曲辊表面的堆焊金属性能优良，具有很好的高温强度、高温硬度且持久性能好、稳定性高，完全达到堆焊修复、制作弯曲辊的技术要求。

B、本发明的药芯焊丝在修复、制作弯曲辊过程中，省去焊前预热、堆焊过渡层、层间保温、焊后热处理等步骤，节省费用并减少环境污染。

C、本发明的药芯焊丝，在堆焊修复、制作弯曲辊过程中，只需保证堆焊后辊面半径方向有效使用厚度不小于3.0mm，堆焊后弯曲辊使用寿命增长且辊面不粘钢。同时，与以前焊接材料堆焊弯曲辊相比，堆焊工作量少，修复时间短且节省焊材。

具体实施方式

以下通过具体实施方式对本发明作进一步描述，但不应理解为是本发明的限定。本领域普通技术人员根据上述方案，还可以做出各种形式的修改、替换、变更。凡是基于上述技术思想所作的修改、替换和变更都属于本发明的范围。

本发明的镍铬铝型镍基合金型药芯焊丝包括外皮和药芯，其特征在于：

所述外皮为纯镍带；

所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝13.4～44.5%、金属铬：12.6～42.2%、萤石：5～13.3%、金属镍粉：0～69%；

所述药芯焊丝堆焊后的熔敷化学成分重量百分比为：Cr：6～8%，Al：6～8%，Ni：80～86%，余量为Fe和不可避免的杂质。

进一步地，上述药芯焊丝的药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝22.2～36%、金属铬：21～33%、萤石：5.8～10%、金属镍粉：21～61%。

优选的，上述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝26.8～31.4%、金属铬：24.6～28.8%、萤石：7.6～8.8%、金属镍粉：31～41%。

其中，药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：40～60目、金属铬：70～90目、萤石：50～70目、金属镍粉：100～140目。

优选的，上述药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：50目、金属铬：80目、萤石：60目、金属镍粉：120目。

其中，药芯的重量占药芯焊丝总重量的比例为20～50%。

进一步地，药芯中的金属镍粉和外皮的镍带的化学成分相似。在实际制作焊丝过程中，由于镍带有不同厚度和宽度，同时药芯焊丝包粉量（药粉重量占焊丝总重量的比）有变化。在满足不同包粉量和熔敷化学成分比例要求前提下，可以将金属镍粉作为镍元素加入药芯中。

其中，镍带、金属铝、金属铬和金属镍粉主要作为熔敷金属成分；加入萤石的目的主要有两个：一是作为稀释剂，使焊缝中的气体易于逸出，二是脱硫，硫与氢结合挥发，减少白点倾向，同时萤石也不能加太多，因为氟属于高电离元素，会影响电弧稳定。

进一步地，上述外皮采用工业用的金属镍带，上述药芯中金属铝、金属铬、萤石和电解金属镍粉为工业用金属铝、金属铬、萤石和电解金属镍粉。

其中，本发明纯镍带采用以下牌号的工业用金属镍，其主要成分如下：

表1工业用纯镍带中主要成分

优选的，外皮的镍带金属的镍含量不低于99.0%。

其中，药芯中金属铝采用的工业用金属铝主要有四种型号，分别为FLG1、FLG2、FLG3或FLG4。不同型号的金属铝中组分重量百分比组成为：不小于98%的Al、0.5%左右的Fe、0.5%左右的Si和其他杂质。

其中，药芯中金属铬采用以下牌号的金属铬，如JCr99-A、JCr99-B、JCr98.5-A、JCr98.5-B和JCr9。不同牌号的金属铬中含有纯度不低于98.5%的铬和微量的Fe、Si、Al、Cu、C、S或P等杂质。

其中，金属镍粉采用不同牌号的工业用金属镍粉，其主要成分如下：

表2工业用金属镍粉的主要成分

进一步地，上述药芯中金属镍粉中镍元素含量不低于99.5%。

其中，镍带中Ni元素、药芯中Al元素、Cr元素、Ni元素在堆焊过程后成为主要熔敷化学成分。其中，工业用金属镍、金属铝、金属铬和镍带中含有一定量的Fe、Si、Mn等元素，其中Si、Mn元素在焊接时可成焊渣如MnS、FeS而排除；但其中部分Fe元素会成为部分熔敷化学成分。

进一步地，上述熔敷化学成分中不可避免的杂质为C、Mn、Si、S、P等。

本发明的药芯焊丝按照下述步骤制备：以纯镍带为外皮原料，以金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉作为药芯成分，经过镍带裁剪、镍带去油干燥、药芯配料干燥，轧制、药芯填入外皮中，拉丝成不同直径规格的药芯焊丝。

进一步地，以纯镍带为焊丝的外皮，将镍带清洗干净，使表面无油、无水、无锈，并干燥以备用。

进一步地，将金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉分别干燥，均匀混合后，得焊丝药芯。

进一步地，本发明焊丝采用钢带法生产，将裁剪后的镍带轧制成U型，之后将干燥后的药芯填充在U型槽内，再将U型外皮轧制成O型，然后拉丝成不同直径规格的药芯焊丝。

其中，纯镍带的厚度为0.3～0.8mm、宽度为8.0～16.0mm。

由于本发明的药芯焊丝为埋弧堆焊用的药芯焊丝，一般采用大直径的药芯焊丝，直径为通常为2.0～4.0mm，如2.5、3.2或4.0mm。

实施例

下面通过具体实施例，进一步说明本发明药芯焊丝的制备和使用。

1、本发明药芯焊丝的组成和制备

以厚度为0.3～0.8mm、宽度为8.0～16.0mm的镍带为药芯焊丝的外皮原料，以金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉作为药芯，经过镍带裁带、镍带去油烘干、药芯配料干燥，镍带轧制成U型并向其中装填药芯，再轧制成O型，然后拉拔成直径为2.0～4.0mm的药芯焊丝。通过调整外皮和药芯各组成比例以制成表3中所示的焊丝成分构成的药芯焊丝。

表3不同成分配比的药芯焊丝

表3中，包粉量是指药芯重量占焊丝总重量的比例，表中药芯各组分为重量百分比，表中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径单位为目，表中熔敷化学成分中其他具体为Fe、C、Mn、Si、S、P等。

2、本发明药芯焊丝的使用

为了体现本发明药芯焊丝性能和使用效果，发明人做了几组对比试验，分别为实施例1～3和对比例1、2。其中实施例1～3为本发明的药芯焊丝修复弯曲辊的实验组，对比例1和2为目前使用的焊材进行修复弯曲辊的实验组。最终修复后的弯曲辊成品直径为Ф420mm，辊面长度1250mm。

实施例1以直径规格为Ф2.5mm的药芯焊丝修复弯曲辊

焊接材料：采用以表3中例2制得的焊丝，配用焊剂为HJ107，进行堆焊修复。

工艺流程：辊心制备→探伤检验→堆焊工作层→机加工→成品检验；其中机加工包括：车削和硬化处理。

堆焊修复具体操作：焊前将辊面车削至直径为Ф414mm；采用埋弧堆焊工作层使辊面直径为Ф422～425mm。

堆焊具体工艺参数：

焊丝直径：Ф2.5mm；

电源极性：直流反接；

焊接电流：220～260A；

焊接电压：28～32V；

焊接速度：200～250mm/min；

焊丝干伸长：25～28mm；

焊丝后置量：25～30mm；

搭接量：相邻焊道搭接50～60%。

焊丝用量：82kg；焊剂用量：99kg；修复时间：85h；有效使用厚度（半径方向）：3.0mm。

堆焊修复后弯曲辊辊的使用寿命：368天；辊面：不粘钢。

实施例2以规格为Ф3.2mm的药芯焊丝修复弯曲辊

焊接材料：采用以表3中例4制得的焊丝，配用焊剂为HJ107，进行堆焊修复。

工艺流程：辊心制备→探伤检验→堆焊工作层→机加工→成品检验；其中机加工包括：车削和硬化处理。

堆焊修复具体操作：焊前将辊面车削至直径为Ф414mm；采用埋弧堆焊工作层使辊面直径为Ф422～425mm。

堆焊具体工艺参数：

焊丝直径：Ф3.2m；

电源极性：直流反接；

焊接电流：260～320A；

焊接电压：29～33V；

焊接速度：300～350mm/min；

焊丝干伸长：28～30mm；

焊丝后置量：28～30mm；

搭接量：相邻焊道搭接50～60%。

焊丝用量：82kg；焊剂用量：99kg；修复时间：77h；有效使用厚度（半径方向）：3.1mm。

堆焊修复后弯曲辊的使用寿命：377天；辊面：不粘钢。

实施例3以规格为Ф4.0mm的药芯焊丝修复弯曲辊

焊接材料：采用以表3中例6制得的焊丝配HJ107焊剂进行堆焊修复。

工艺流程：辊心制备→探伤检验→堆焊工作层→机加工→成品检验；其中机加工包括：车削和硬化处理。

堆焊修复具体过程：焊前将辊面车削至直径为Ф414mm；采用埋弧堆焊工作层使辊面直径为Ф422～425mm。

堆焊具体工艺参数：

焊丝直径：Ф4.0mm；

电源极性：直流反接；

焊接电流：350～420A；

焊接电压：29～33V；

焊接速度：350～450mm/min；

焊丝干伸长：30～35mm；

焊丝后置量：30～35mm；

搭接量：相邻焊道搭接50～60%。

焊丝用量：82kg；焊剂用量：99kg；修复时间：70h；有效使用厚度（半径方向）：3.15mm。

堆焊修复后弯曲的使用寿命：394天；辊面：不粘钢。

对比例1以前焊材修复弯曲辊

焊接材料：以Multipass104(Ф4.0mm)为焊丝、配用焊剂为HJ431，进行过渡层堆焊；以Delstain423(Ф4.0mm)为焊丝，HJ107为配用焊剂进行工作层堆焊。

工艺流程：辊心制备→探伤检验→焊前预热→保温堆焊过渡层→保温堆焊工作层→焊后热处理→车削→成品检验。

堆焊修复具体操作：焊前将辊面车削至直径为Ф400～402mm；过渡一层过渡层，使辊面直径堆至Ф406mm；再堆焊工作层使辊面直径为Ф422～425mm，其中堆焊方法为埋弧堆焊。

堆焊具体工艺参数：

电源极性：直流反接；

焊接电流：350～20A；

焊接电压：29～33V；

焊接速度：350～450mm/min；

焊丝干伸长：30～35mm；

焊丝后置量：30～35mm；

搭接量：相邻焊道搭接50～60%；

层间间温度：300～350℃。

焊丝用量：180kg；焊剂用量：220kg；修复时间：160h；有效使用厚度（半径方向）：7.4mm。

堆焊修复后弯曲辊辊的使用寿命：76天；辊面：粘钢。

对比例2以前焊材修复弯曲辊

焊接材料：以Multipass104(Ф4.0mm)为焊丝，配用焊剂为HJ431，进行过渡层堆焊，以Multipass224(Ф4.0mm)为焊丝，配用焊剂为HJ107进行工作层堆焊。

工艺流程：辊心制备→探伤检验→焊前预热→保温堆焊过渡层→保温堆焊工作层→焊后热处理→车削→成品检验。

堆焊修复具体操作：焊前将辊面车削至直径为Ф400～Ф402；过渡一层过渡层，堆至直径为Ф406mm；再堆焊工作层使辊面直径为Ф422～Ф425mm，其中堆焊方法为埋弧堆焊。

堆焊具体工艺参数：

电源极性：直流反接；

焊接电流：350～420A；

焊接电压：29～33V；

焊接速度：350～450mm/min；

焊丝干伸长：30～35mm；

焊丝后置量：30～35mm；

搭接量：相邻焊道搭接50～60%；

层间间温度：300～350℃。

焊丝用量：180kg；焊剂用量：220kg；修复时间：160h；有效使用厚度（半径方向）：7.7mm。

堆焊修复后弯曲辊的使用寿命：87天；辊面：粘钢。

其中上述实施例1～3中的堆焊量是由辊心直径为Ф414mm堆焊至Ф422～425mm，而对比例1和2中堆焊量是从旧辊直径为Ф400mm堆焊至Ф422～425mm。

本发明的药芯焊丝制作新弯曲辊：

首先选用一种强韧性的低碳、中碳合金锻钢，按相关标准检查确认无缺陷后，按弯曲辊的形状制作辊芯基体，采用本发明药芯焊丝堆焊使辊面直径为(D－6)mm，其中D为弯曲辊成品的直径，其它部位按弯曲辊的设计图纸加工并预留6mm的加工余量，之后选定本发明的焊丝进行堆焊、热处理，然后冷却以加工制成成品。利用本发明的药芯焊丝制作的弯曲辊，辊表面不粘钢，同时制作后的弯曲辊使用寿命增长。

从上述实施例和对比例中描述和实验数据可以看出：本发明的药芯焊丝性能优良，基本符合堆焊修复、制作弯曲辊的要求，同时堆焊后的辊面不粘钢且使用寿命明显增长。利用本发明焊丝在焊接作业环境、堆焊量、使用效果等均显示出良好结果。由于在堆焊修复过程中省去焊前预热、堆焊过渡层、层间保温、焊后热处理等工序，故焊材使用量减少、修复时间缩短，也达到环保、能耗低的效果。

Claims (8)

1.药芯焊丝，包括外皮和药芯，所述外皮为纯镍带；其特征在于：

所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝13.4～44.5％、金属铬：12.6～42.2％、萤石：5～13.3％、金属镍粉：0～69％；

所述药芯焊丝使用后的熔敷化学成分重量百分比为：Cr：6～8％，Al：6～8％，Ni：80～86％，余量为Fe和不可避免的杂质。

2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝22.2～36％、金属铬：21～33％、萤石：5.8～10％、金属镍粉：21～61％。

3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯由下述重量百分比的组分组成：金属铝26.8～31.4％、金属铬：24.6～28.8％、萤石：7.6～8.8％、金属镍粉：31～41％。

4.根据权利要求1～3任一项所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：40～60目、金属铬：70～90目、萤石：50～70目、金属镍粉：100～140目。

5.根据权利要求1～3任一项所述的药芯焊丝，其特征在于：所述药芯中金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉的粒径分别为：金属铝：50目、金属铬：80目、萤石：60目、金属镍粉：120目。

6.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于：药芯的重量占药芯焊丝总重量的比例为20～50％。

7.权利要求1所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：由以下步骤制得，以纯镍带作为外皮原料，以金属铝、金属铬、萤石和金属镍粉为药芯组分，经过镍带裁剪、镍带去油干燥、药芯配料干燥混匀、镍带轧制、药芯装入外皮中，拉拔成药芯焊丝。

8.根据权利要求7所述的药芯焊丝的制备方法，其特征在于：所述镍带的厚度为0.3～0.8mm、宽度为8.0～16.0mm。