CN106001976B - 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:Co 6,Ni 8,WC 1和面心立方TiB 85;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
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,WC0.8~28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
按上述焊芯材料的重量百分比,将其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,其真空度等于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3a-图3e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 (6)
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:Co 6,Ni 8,WC 1和面心立方TiB 85;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.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所述的焊芯材料的重量百分比,将其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,制得长度为150~400mm的焊条;
C、烘焙
将步骤B所制焊条放入真空度为5Pa的真空炉中进行低温烘焙,温度为100~300℃;烘焙 时间为12~48小时。
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。
5.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。
6.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。
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