CN106141503B - 立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝及其制备方法。该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，其中药粉占焊丝总重量的25.0％‑28.0％；以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁60.0％‑65.0％、碳化铬12.0％‑15.0％、石墨5.8％‑6.0％、金属锰粉1.0％‑2.0％、碳化硅粉4.0％‑4.5％、铝镁合金1.0％‑2.0％、锆英砂0.2％‑0.5％、冰晶石0.5％‑1.5％、氟化钠0.5％‑1.5％、碳酸锂0.5％‑1.5％，其余为铁粉。其制备方法为：将厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带制成U形，向U形槽内加入药粉，U形槽合口后，依次进行六道次连续拉拔减径，最后对焊丝表面进行机械清理，得到φ1.2mm的磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝。采用该焊丝可实现立磨磨辊的堆焊复合制造，焊丝的焊接工艺性能优良，焊接烟尘少，操作灵活，且堆焊层具有较高的耐磨性。

Description

立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝及其制备方法

技术领域

本发明涉及一种立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝及其制备方法，属于焊接材料及加工技术领域。

背景技术

立磨在水泥、电力等国家重点行业应用十分广泛。磨辊是立磨的核心磨损部件，其使用情况直接决定立磨的生产效率和产品质量。磨辊在工作过程中受到物料的反复切削，磨损形式为磨粒磨损，为提高磨辊的使用寿命，多采用整体耐磨合金铸造(如高铬铸铁)或堆焊方法复合制造磨辊。

整体铸造的磨辊成本较高，且辊身脆性大，易出现断裂或开裂现象，将影响设备的运行安全，尽管整体铸造的磨辊磨损后可进行堆焊修复，但由于辊身为高碳高合金材料，堆焊修复难度大、成本高。目前多数磨辊采用堆焊方法复合制造，辊身使用韧性好、可焊性好的低碳钢，表面堆焊高铬高合金的耐磨材料，此类磨辊不仅制造成本低，且可以多次堆焊，显著降低了磨机备件的成本。

国内外复合制造磨辊最常用的方法是使用规格为φ3.2mm的高铬高合金铸铁自保护药芯焊丝进行明弧堆焊。明弧堆焊过程焊接烟尘大，飞溅多，弧光辐射强，导致焊接工人劳动条件恶劣，严重危害工人的身心健康；同时明弧堆焊只适用于规则表面的自动堆焊，对于局部焊补的地方，则需更换手工电弧焊焊机进行焊条焊补，降低了操作灵活性。因此开发一种能降低焊接烟尘，减少弧光辐射、焊接飞溅，并提高操作灵活性的环境友好型焊接材料具有显著的经济效益和社会效益。

另外，磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝为高铬高合金铸铁体系(Cr25C5系)，其熔敷金属的合金元素含量高，且焊接过程合金元素烧损，因此需要在原材料中引入更多合金元素，以保证熔敷金属的化学成分。这必然引起焊丝的药粉填充系数过大，导致焊丝生产制造困难。

发明内容

本发明的目的在于提供一种立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝，该焊丝具有良好的焊接工艺性能，焊接烟尘和飞溅率较明弧自动堆焊有显著降低，适用于立磨磨辊堆焊修复和复合制造。

本发明的另一目的在于提供一种所述立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝的制备方法。

为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：

一种立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝，该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，其中药粉占焊丝总重量的25.0％-28.0％；以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁60.0％-65.0％、碳化铬12.0％-15.0％、石墨5.8％-6.0％、金属锰粉1.0％-2.0％、碳化硅粉4.0％-4.5％、铝镁合金1.0％-2.0％、锆英砂0.2％-0.5％、冰晶石0.5％-1.5％、氟化钠0.5％-1.5％、碳酸锂0.5％-1.5％，其余为铁粉。

本发明采用铁素体不锈钢带为外用钢带，代替传统低碳钢带。高碳高铬合金铸铁系的合金含量高，若以传统的低碳钢带为外用钢带，填充系数需要提高到50％以上，且同时增加外用钢带宽度，降低钢带厚度，这将导致焊丝轧制、拉拔减径工艺难度极大，不能实现φ1.2mm气保护药芯焊丝的生产。本发明采用较高铬的铁素体不锈钢带为焊丝外用钢带，通过钢带向堆焊层过渡铬元素，将显著降低焊丝药粉填充系数。在本发明的气保护药芯焊丝中，所述铁素体不锈钢带中的含铬量优选为16.0％-18.0％。

本发明还通过配方的调整大幅度提高药粉松装密度，降低填充系数。碳是所述焊丝熔敷金属中的重要元素。大量引入碳的方法是添加石墨，但石墨的松装密度低，碳过渡系数小，为保证熔敷金属的化学成分，药粉中需要添加大量石墨，致使药粉松装密度过低，难以填充到外用钢带中。为提高药粉的松装密度，本发明使用碳化物(碳化硅、碳化铬、高碳铬铁)部分代替石墨。尽管碳化物的碳含量低于石墨，但碳过渡系数高，在同样松装密度条件下，药粉体积更小，为焊丝的轧制拉拔提供基础。另外，碳化铬、高碳铬铁均可向熔敷金属引入碳、铬元素，但高碳铬铁中含游离态的碳，其松装密度、成本较碳化铬低，综合考虑焊丝制造难度和制造成本，本发明焊丝的药粉中高碳铬铁的含量为60.0％-65.0％，碳化铬的含量为12.0％-15.0％。

采取上述技术措施后，可将药粉填充系数控制在25.0％-28.0％范围内，显著降低了焊丝生产制造难度。

本发明通过配方的调整改善了磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝的焊接工艺性能，其焊接烟尘量较明弧自保护药芯焊丝有显著降低，同时采用复合加入氟化物的方式，在相同抗气孔能力的前提下，焊接飞溅比单独加入一种氟化物少，但氟化物的加入总量过多反而会增加焊接飞溅，本发明控制氟化物的总量不超过2.0％。即，在所述药粉中冰晶石和氟化钠的总量不超过2.0％。

一种所述立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝的制备方法，具体为：将厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带制成U形，向U形槽内加入药粉，U形槽合口后，依次进行六道次连续拉拔减径，最后对焊丝表面进行机械清理，得到φ1.2mm的磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝。

磨辊堆焊用气保护药芯焊丝的外用钢带是延展性低于低碳钢带的铁素体不锈钢带，且焊丝药粉填充系数高(25.0％-28.0％)，致使焊丝轧制拉拔难度极大。减径比是焊丝拉拔减径的核心参数，减径比过大，焊丝表面加工硬化严重，易导致拉拔断丝事故；而减径比过小，则需增加减径道次，造成增加生产设备、工艺复杂性，生产控制节点过多，可控性差，且严重降低焊丝生产效率。本发明合理优化了磨辊焊丝生产减径比，提出了六道次连续拉拔减径，其中，所述六道次连续拉拔减径依次为φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm。在保证焊丝产品质量的同时，极大的提高了生产效率。

其中，在拉拔减径过程中，每道次均采用卡式模、眼模组合的减径方式，即在每个减径道次先后用卡式模、眼模减径。卡式模轧制减径，降低焊丝加工硬化程度；眼模拉拔减径，提高焊丝圆度和合缝质量。本发明集成了卡式模和眼模减径的技术优势，得到了送丝优良的磨辊堆焊气保护药芯焊丝。

本发明的有益效果为：

本发明的气保护药芯焊丝适用于100％CO₂气体保护堆焊复合制造磨辊，其焊接工艺性能优良，焊缝成形好，飞溅小、烟尘少、堆焊层具有良好的耐磨性能，适用于立磨磨辊的堆焊修复和复合制造。

本发明的气保护药芯焊丝用于立磨磨辊堆焊复合制造，在焊接过程中，CO₂气体保护焊接熔池，飞溅率远低于明弧堆焊药芯焊丝，减少了焊后清理打磨工作，且堆焊层具有较高的耐磨性，显著提高了磨辊的使用寿命。

采用本发明的气保护药芯焊丝，气体保护焊接过程大幅度降低了焊接烟尘，特别是在线修复磨辊时，操作空间小，降低焊接烟尘更利于保护操作工人的身体健康。

本发明的气保护药芯焊丝可用于自动和半自动堆焊，不仅适用磨辊的大面积自动堆焊，还适用于局部的焊补和修复，即大面积修复时，可将气保护焊枪固定在行走小车上，实现自动堆焊；局部修补时，可直接取下焊枪进行手工操作，方便灵活。

具体实施方式

在本发明的气保护药芯焊丝中，药粉中各组成成分的功能如下：

高碳铬铁：高碳铬铁的含碳量为10％，含铬量为60％，在堆焊过程中向堆焊熔敷金属中过渡铬、碳元素，其在药粉中的含量为60.0％-65.0％。

碳化铬：向堆焊熔敷金属中过渡铬、碳元素，松装密度大于高碳铬铁，适量用碳化铬代替高碳铬铁，可在不显著增加焊丝原材料成本的前提下，提高药粉填充系数，降低焊丝拉拔难度，其含量为12.0％-15.0％。

石墨：向焊丝熔敷金属中过渡碳元素，可提高焊丝熔敷金属的耐磨性，但其松装密度过低，加入量不能过高，其含量为5.8％-6.0％。

电解金属锰：向焊丝熔敷金属中过渡锰元素，并起脱氧、脱硫作用，其含量为1.0％-2.0％。

碳化硅粉：向焊丝熔敷金属中过渡碳、硅元素，其含量为4.0％-4.5％。

铝镁合金：铝镁合金中的铝、镁含量均为50±2％，在堆焊中起脱氧作用，提高合金元素过渡系数，其在药粉中的含量为1.0％-2.0％。

锆英砂：调整熔渣的粘度、熔点等物化性能，并具有稳弧的作用，其含量为0.2％-0.5％。

冰晶石：去氢，降低焊缝金属气孔倾向，其含量为0.5％-1.5％。

氟化钠：与冰晶石联合去氢，降低焊缝金属的气孔倾向，其含量为0.5％-1.5％。

碳酸锂：提高熔敷金属的抗气孔能力，其含量为0.5％-1.5％。

其余为铁粉。

上述药粉的粒度均控制在80～200目(即75～180μm)之间。

以下通过具体实施例对本发明做进一步说明。

实施例1

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将610g高碳铬铁粉、130g碳化铬粉、58g石墨、12g电解金属锰、40g碳化硅粉、12g铝镁合金、3g锆英砂、5g冰晶石、5g氟化钠、5g碳酸锂、120g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为25％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

实施例2

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将640g高碳铬铁粉、150g碳化铬粉、60g石墨、18g电解金属锰、45g碳化硅粉、18g铝镁合金、5g锆英砂、8g冰晶石、9g氟化钠、12g碳酸锂、35g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为28％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

实施例3

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将620g高碳铬铁粉、135g碳化铬粉、59g石墨、15g电解金属锰、43g碳化硅粉、15g铝镁合金、4g锆英砂、7g冰晶石、8g氟化钠、8g碳酸锂、86g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为27％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

实施例4

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将635g高碳铬铁粉、130g碳化铬粉、60g石墨、18g电解金属锰、44g碳化硅粉、17g铝镁合金、5g锆英砂、9g冰晶石、10g氟化钠、10g碳酸锂、62g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为26％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

实施例5

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将645g高碳铬铁粉、145g碳化铬粉、60g石墨、20g电解金属锰、45g碳化硅粉、19g铝镁合金、5g锆英砂、10g冰晶石、10g氟化钠、13g碳酸锂、28g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为28％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对比例1

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将635g高碳铬铁粉、130g碳化铬粉、60g石墨、18g电解金属锰、44g碳化硅粉、17g铝镁合金、5g锆英砂、20g冰晶石、20g氟化钠、10g碳酸锂、41g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为26％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对比例2

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将705g高碳铬铁粉、100g碳化铬粉、60g石墨、20g电解金属锰、45g碳化硅粉、19g铝镁合金、5g锆英砂、10g冰晶石、10g氟化钠、13g碳酸锂、13g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为26％；由于药粉松装密度过小，导致焊丝不能合口。

对比例3

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将610g高碳铬铁粉、130g碳化铬粉、58g石墨、12g电解金属锰、40g碳化硅粉、12g铝镁合金、3g锆英砂、5g冰晶石、5g氟化钠、5g碳酸锂、120g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为25％；合口后经过φ2.50mm、φ1.75mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm五道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对比例4

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将640g高碳铬铁粉、150g碳化铬粉、60g石墨、18g电解金属锰、45g碳化硅粉、18g铝镁合金、5g锆英砂、8g冰晶石、9g氟化钠、12g碳酸锂、35g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为28％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次眼模减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对比例5

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将520g高碳铬铁粉、215g碳化铬粉、64g石墨、15g电解金属锰、43g碳化硅粉、15g铝镁合金、4g锆英砂、7g冰晶石、8g氟化钠、8g碳酸锂、101g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为27％；由于药粉松装密度过小，导致焊丝不能合口。

对比例6

选用厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带，将其轧成U型；将620g高碳铬铁粉、135g碳化铬粉、50g石墨、15g电解金属锰、43g碳化硅粉、15g铝镁合金、4g锆英砂、7g冰晶石、8g氟化钠、8g碳酸锂、95g铁粉，共1000g药粉，混和均匀后加入U型槽中，填充率为27％；合口后依次经过φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm六道次卡式模组合眼模拉拔减径，最终成品焊丝直径为1.2mm。

对实施例和对比例焊丝的制造工艺、焊接工艺和使用性能进行评价，具体如下：

1、焊丝制造工艺：即焊丝生产的难易程度，分为A、B、C三个等级。焊丝生产过程稳定顺畅，可规模化批量生产的为A级；焊丝生产连续性差，断丝频繁、生产效率低、无法规模化生产的为B级；药粉松装密度过小，钢带填充药粉后无法合缝，导致焊丝不能生产的为C级。

2、焊丝送丝质量：即焊接过程中焊丝送进的稳定性，其评价方法为将焊枪手把线缠绕在直径φ400mm的圆筒上，人为增加送丝阻力，用焊接电流的波动幅度评价焊丝送进的稳定性。若焊接电流的波动范围在±15％以内，则焊丝送丝稳定性好，用E表示；若焊接电流波动超过±15％，则认为送丝稳定性较差，用P表示。

3、焊接飞溅率和焊缝成形质量：由于药芯焊丝焊接工艺性能评价尚无统一标准，故借用JB/T8423《电焊条焊接工艺性能评定方法》对该焊丝的焊接飞溅率、焊缝成形质量进行评价。

4、熔敷金属的相对耐磨性：在橡胶轮磨粒磨损试验机上耐磨性试验，用相对耐磨性定量评价熔敷金属的耐磨性能。

效果对比见表1。

表1 各实施例及对比例的焊丝评价

如表1所示，对于氟化钠和冰晶石含量均超过1.5％的对比例1，其焊接飞溅率显著高于实施例焊丝，导致焊缝成形质量差，耐磨性低。对于高碳铬铁含量超过65.0％、碳化铬含量低于12.0％的对比例2和石墨含量超过6.0％的对比例5，药粉的松装密度过低，钢带轧成U形后不能填充足够的药粉，导致焊丝不能生产。对于采用五道次卡式模组合眼模拉拔减径的对比例3和采用六道次眼模减径的对比例4，拉拔过程中断丝频繁，焊丝加工硬化程度大，导致焊接过程中焊丝扭动频繁，电弧不稳，不能得到成形质量好，耐磨性高焊缝。对于石墨含量低于5.8％的对比例6，其碳含量较低，耐磨性明显低于实施例。

Claims (5)

1.一种立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝，其特征在于，该焊丝由铁素体不锈钢带和其包裹的药粉组成，其中药粉占焊丝总重量的25.0％-28.0％；以重量百分比计，该药粉由以下成分组成：高碳铬铁60.0％-65.0％、碳化铬12.0％-15.0％、石墨5.8％-6.0％、金属锰粉1.0％-2.0％、碳化硅粉4.0％-4.5％、铝镁合金1.0％-2.0％、锆英砂0.2％-0.5％、冰晶石0.5％-1.5％、氟化钠0.5％-1.5％、碳酸锂0.5％-1.5％，其余为铁粉。

2.根据权利要求1所述的立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述铁素体不锈钢带中的含铬量为16.0％-18.0％。

3.根据权利要求1或2所述的立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝，其特征在于，所述药粉中冰晶石和氟化钠的总量不超过2.0％。

4.一种权利要求1-3中任一项所述立磨磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于，将厚度0.4mm、宽度10mm的铁素体不锈钢带制成U形，向U形槽内加入药粉，U形槽合口后，依次进行六道次连续拉拔减径，在拉拔减径过程中，每道次均采用卡式模、眼模组合减径；最后对焊丝表面进行机械清理，得到φ1.2mm的磨辊堆焊复合制造用气保护药芯焊丝。

5.根据权利要求4所述的制备方法，其特征在于，所述六道次连续拉拔减径依次为φ2.50mm、φ1.90mm、φ1.67mm、φ1.45mm、φ1.23mm、φ1.15mm。