CN106001976A - 一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条及其制备方法 - Google Patents

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Abstract

本发明涉及一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条及其制备方法，由金属管和位于金属管内的焊芯构成；所述的焊芯由颗粒度均为‑200目的Co、Ni、碳化钨(WC)和面心立方TiB粉末混合制成，其成分配比按重量百分比计为：Co2～10，Ni2～10，WC0.5～30和面心立方TiB10～95；所述的金属管由铁基、铜基、钛基或铝基金属材料制成。用于激光熔覆和气焊的管式焊条制备方法，包括焊芯混合料制备，焊条制备及烘培。本发明所制焊条不仅适用于激光熔覆，也适用于气焊，用该焊条获得的熔覆层或堆焊层，强度高，硬度高，耐腐蚀性和耐磨性好，有广泛的应用前景。

Description

一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条及其制备方法
技术领域
本发明属于金属材料表面加工技术领域，具体涉及一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条及其制备方法。
背景技术
激光熔覆是一种材料表面改性方法，其是利用高能激光束同时加热熔覆材料和金属，使熔覆材料和金属表面熔化，与此同时熔覆材料进入熔体，在金属表面形成含有熔覆材料的熔覆层。熔覆层的组织很细、化学元素含量高，不同于基体金属，且其熔覆层硬度高，耐磨性和耐腐蚀性能好。常见的激光熔覆材料为各种金属粉末材料，如硅铁、锰铁、钒铁、钴元素、铬元素和硅元素等，也有高硬度化合物粉末材料，如碳化钨等。激光熔覆时，由送粉器把金属粉末送入被激光熔化的熔体。传统型将粉末送入金属熔池的方法有二种，一种是采用送粉器送粉，另一种是手工把粉末预涂在金属表面。前者的缺点是粉末损失严重，污染环境，粉末容易氧化，降低熔覆层强度。后者的缺点是工作效率低，粉末容易在熔覆前与金属表面分离。综上所述，如何改变熔覆材料在金属表面熔覆的方式，从而获取性能优良的熔覆层，使充分熔覆是目前亟待解决的问题。
面心立方TiB是一种由Ti元素和B元素组成，具有面心立方结构的超硬化合物，其硬度高且具有金属般的导电性。但是，TiB化合物粉末很难单独使用，需要与其它金属粉末配合才能发挥其作用。如果将面立方TiB应用于激光熔覆技术中，研制出一种新型熔覆材料及金属表面熔覆的方式，这是一种新的尝试。
发明内容
本发明的目的就在于针对上述现有技术的不足，提供一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条及其制备方法。
本发明的目的是通过以下技术方案实现：
一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，由金属管和位于金属管内的焊芯构成；所述的焊芯由颗粒度均为-200目的Co、Ni、碳化钨(WC)和面心立方TiB粉末混合制成，其成分配比按重量百分比计为：Co2～35，Ni2～35，WC0.5～30和面心立方TiB10～95；所述的金属管由铁基、铜基、钛基或铝基金属材料制成。
进一步地，所述的金属管由含碳量为0.10wt％～0.40wt％的碳钢、不锈钢或钛合金制成。
进一步地，所述的焊芯成分配比按重量百分比计为：Co 2.5～8.5，Ni 2.5～9，WC 0.8～28和面心立方TiB 12～92.5。
进一步地，所述的焊芯成分配比按重量百分比计为：Co 6，Ni 8，WC 1和面心立方TiB 85。
所述的金属管为圆柱形或矩形管。
一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，具体包括以下步骤：
A、焊芯混合料制备
按权利要求1所述的焊芯材料设定构成比例在球磨机中与乙醇按重量比为1：1的比例混合均匀作为焊芯料备用；
B、焊条制备
将步骤A中所得的备用焊芯料与石蜡按体积比为1：1的比例混合移入注射机料斗中，加热后将其充填进钢管，并将充填好的钢管放在液压油缸中压实粉末，制得焊条；
C、烘焙
将步骤B所制焊条放入电炉中进行低温烘焙，温度为100～300℃；烘培时间为12～48小时。
所述的步骤A中，混料机为球磨机，其转速为200～400rpm，球磨时间为80～150小时，磨球材料为不锈钢，其直径为50mm。
所述的步骤B中，备用焊芯料与石蜡按体积比为1：1的比例在混料机中混合后移入注射机料斗加热至240℃，再于70～300MPa压力下将混合粉末注入到钢管内，将注射充填好的钢管在液压油缸中加压压实，切去不含粉末的两端，制得焊条，混料机转速为30～80rpm，混合时间为16～50小时，压实压力为800MPa，压实密度为4～9.5g/cm3。
所述的步骤B中，钢管外径为3～5mm，内径为2～4mm。
所述的步骤B中，焊条长度为150～400mm。
所述的步骤C中，电炉为真空炉，其真空度高于5Pa。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明所制焊条由于焊芯配方独特，含有面心立方TiB，其不仅硬度高，而且还具有良好的电子导电性，耐腐蚀性能也非常好，使含有面心立方TiB的熔覆层，兼具上述优势，显示出优良的综合性能。
2、本发明焊条进行激光熔覆，比现有手工涂粉方法熔覆的速度提高了3-6倍，比送粉器送粉激光熔覆节省了10wt％-20wt％的熔覆材料。且焊条不仅能用于激光熔覆，还可以通过气焊方式用本焊条制备涂层。
3、与通过送粉器把粉末送入熔覆层的激光熔覆方法相比，使用焊条的激光熔覆方法可以减少粉末材料的损失，免去气体保护，减少熔覆层缺陷，使焊缝结构组织致密。
4、本发明所制焊条是用激光和气焊来熔化，其温度可以控制在3000℃以下，从而能使添加在焊条中的碳化钨和TiB得到保留，在熔覆层中发挥强化作用。另外，WC的比重明显高于TiB，在熔覆层中碳化钨多分布在底部，而TiB多分布在顶部，这两种化合物的配合使熔覆层具有均匀的性能。
5、在冶金学方面，粉末中的Co和Ni包覆在WC和TiB化合物周围，形成粘结相。Co和Ni不仅和这两种化合物有良好的相容性，而且和基体材料也有良好的润湿性，形成冶金结合状态。WC中的W和TiB中的B可以和Co形成多元WCoB强化相。
6、在焊芯化学成分方面，与现有堆焊焊条相比，免去了SiO2、MgO、CaO、CaF2和大理石粉等具有造渣功能的添加剂，从而能减小环境污染，和提高熔覆层质量。
7、本发明焊条进行激光熔覆时，激光束同时照射焊条和金属，使焊条内部的粉末进入熔体，获得熔覆层，可以节省粉末材料，并可以避免大量气体进入熔池，形成气孔缺陷。
附图说明
图1为本发明不锈钢激光熔覆组织的扫描电镜图，显示在激光熔覆层的面心立方结构TiB(六边形相)和熔化组织。
图2为本发明不锈钢激光熔覆组织的X-射线图，显示在激光熔覆层内存在面心立方结构TiB。
图3a为本发明激光熔敷层的形貌图。
图3b为本发明Fe元素成分图。
图3c为本发明Ti元素成分图。
图3d为本发明Cu元素成分图。
图3e为本发明C元素成分图。
具体实施方式
下面结合附图描述本发明的实施例，但本发明并不局限于此：
实施例1
一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，由金属管和位于金属管内的焊芯构成；所述的焊芯由60g Co、80g Ni、10g WC和850g面心立方TiB粉末混合制成，其颗粒度均为-200目；所述的金属管为A3低碳钢。
所述的金属管为圆柱形或矩形管。
一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，包括以下具体步骤：
A、焊芯混合料制备
准确称量60g Co粉末、80g Ni粉末、10g WC粉末和850g面心立方TiB粉末，在球磨机中将其与乙醇按重量比为1：1的比例混合均匀作为焊芯料备用；球磨机转速为300rpm，球磨时间为100小时，磨球材料为不锈钢，其直径为50mm；
B、焊条制备
待乙醇挥发后，将步骤A中所得的备用焊芯料与石蜡按体积比为1：1的比例在冶金混料机中混合后移入注射机料斗加热至240℃，保温1小时以后，再于250MPa压力下将混合粉末注入到外径为5mm，内径3mm，长度为300mm的A3低碳钢钢管内，将注射充填好的钢管在液压油缸中加压压实0.5小时，切去不含粉末的两端，制得长度为250mm的焊条，混料机转速为60rpm，混合时间为24小时，压实压力为800MPa，压实密度为4～9.5g/cm3；
C、烘焙
将步骤B所制焊条放入真空度为5Pa的真空炉中低温烘焙，温度为300℃；烘培时间为24小时。
实施例2
利用实施例1制得的焊条在Mn13钢板上激光熔覆
CO2激光设备，输出功率5kW，光斑直径5mm，激光模式为低阶模，基体材料是轧制的Mn13钢板，钢板1800mm长，360mm宽，12mm厚。在钢板上每隔150mm开出一个通长的槽，槽的宽度和深度分别为5.5mm和5mm。把焊条植入槽内，焊条管的材料是08-Z钢。把Mn13钢板放在工作台上，工作台可以相对激光束进行运动，用激光束对准镶嵌在槽内的焊条，使工作台以10mm/s的速度相对激光束进行运动。该熔覆层完成后，移动钢板使激光对准另外一条焊条。重复以上过程便在钢板上获得了多道激光熔覆层，也可以把每道熔覆层的距离拉近，使它们相互搭接，获得连续、大面积熔覆层。激光熔覆层组织由熔化的枝晶组织和TiB化合物组成，硬度为HRC60。
实施例3
利用实施例1制得的焊条在铁基粉末冶金材料上激光熔覆
CO2激光设备的输出功率5为kW，光斑直径5mm，激光模式为低阶模，基体材料是铁基粉末冶金材料，成分为Fe-2Cu-0.7C(wt％)，经1200℃烧结2小时制成，密度为7.0g/cm3，试样尺寸为10×10×65mm，扫描速度为10mm/s。获得的熔覆层的性能为：深度1mm，显微硬度HV700，熔覆层的化学成分如图3所示。在熔覆层存在的Ti元素说明激光熔覆层含有面心立方TiB相。
实施例4
采用氧乙炔气焊设备将利用实施例1制得的焊条在Mn13钢板上堆焊
用氧乙炔气焊设备，采用中性焰，右焊法或左焊法均可以。手执焊条或机械夹持均可以，焊条随火焰移动，使焊条和基体金属同时熔化获得熔覆层。基体材料选用的是铸造Mn13钢板，钢板1800mm长，360mm宽，12mm厚，施焊时使每道熔覆层左右搭接，形成连续、大面积熔覆层，也可以使熔覆层上下搭接，形成大厚度熔覆层。本实施例中，所获得的熔覆层是均匀连续的，总厚度是4mm，但焊波不齐，不平度较大，可以看到少量裂纹。
如图1-图2所示，在熔化的基体组织中分布着大量面心立方TiB化合物，其仍然保持它们原来的面心立方晶体结构，从而能充分发挥它原有的优良性能。在实际应用中，经常使用电焊机用电焊条在金属表面进行堆焊，获得堆焊层，其堆焊焊条中常常含有高硬度化合物碳化钨，其熔点大约2600℃，而电弧的温度是在3000℃以上，在这样高的温度下，原来加入的碳化钨会发生熔化，显著减弱对堆焊层的强化效果。
本发明采用焊条替代送粉或预涂粉方式，所有的熔覆材料包含在焊条内，焊条熔化熔覆在金属材料表面，获得熔覆层。用高能激光束，或气焊焊枪的高温火焰可以把焊条充分熔化，达到熔覆效果，本发明所述的焊条不同于实施金属焊接的焊条。

Claims (10)

1.一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，其特征在于：由金属管和位于金属管内的焊芯构成；所述的焊芯由颗粒度均为-200目的Co、Ni、WC和面心立方TiB粉末混合制成，其成分配比按重量百分比计为：Co2～10，Ni2～10，WC0.5～30和面心立方TiB10～95；所述的金属管由铁基、铜基、钛基或铝基金属材料制成。
2.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，其特征在于：所述的金属管由含碳量为0.10wt％～0.40wt％的碳钢、不锈钢或钛合金制成。
3.根据权利要求1所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，其特征在于：所述的焊芯成分配比按重量百分比计为：Co 2.5～8.5，Ni 2.5～9，WC 0.8～28和面心立方TiB 12～92.5。
4.根据权利要求3所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条，其特征在于：所述的焊芯成分配比按重量百分比计为：Co 6，Ni 8，WC 1和面心立方TiB 85。
5.如权利要求1所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于，具体包括以下步骤：
A、焊芯混合料制备
按权利要求1所述的焊芯材料设定构成比例在球磨机中与乙醇按重量比为1：1的比例混合均匀作为焊芯料备用；
B、焊条制备
将步骤A中所得的备用焊芯料与石蜡按体积比为1：1的比例混合移入注射机料斗中，加热后将其充填进钢管，并将充填好的钢管放在液压油缸中压实粉末，制得焊条；
C、烘焙
将步骤B所制焊条放入电炉中进行低温烘焙，温度为100～300℃；烘培时间为12～48小时。
6.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于：所述的步骤A中，球磨机转速为200～400rpm，球磨时间为80～150小时。
7.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中，备用焊芯料与石蜡按体积比为1：1的比例在冶金混料机中混合后移入注射机料斗加热至240℃，再于70～300MPa压力下将混合粉末注入到钢管内，将注射充填好的钢管在液压油缸中加压压实，切去不含粉末的两端，制得焊条，混料机转速为30～80rpm，混合时间为16～50小时，压实压力为800MPa，压实密度为4～9.5g/cm3。
8.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中，钢管外径为3～5mm，内径为2～4mm。
9.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于：所述的步骤B中，焊条长度为150～400mm。
10.根据权利要求5所述的一种用于激光熔覆和气焊的管式焊条的制备方法，其特征在于：所述的步骤C中，电炉为真空炉，其真空度高于5Pa。
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