CN106944768B - 一种适用于等离子-电弧堆焊的药芯焊丝 - Google Patents
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Abstract
一种适用于等离子‑电弧堆焊的药芯焊丝,由钢带和药芯组成,其特征在于药芯化学成分及质量百分含量为:稳弧剂10~12%;造渣剂15~21%;锰铁0.3~1.5%;硅铁0.1~0.6%;钛铁0.1~0.3%;铝镁粉0.2~0.5%;碳化铬铁6~12%;其余为铁粉,药芯填充率为22~32%。本发明提供一种针对等离子‑电弧复合堆焊用药芯焊丝,其堆焊过程稳定,焊丝熔化速度快、无飞溅、堆焊层金属组织气孔少、晶粒小,冲击韧性高。本发明解决了等离子‑电弧的匹配问题,适合对热输入敏感工件的高质量堆焊修复。
Description
技术领域
本发明涉及一种等离子-电弧堆焊使用的药芯焊丝,特别涉及一种适用于易变形工件的高质量堆焊的药芯焊丝。
背景技术
与堆焊技术的国际发展前沿相比较,我国在堆焊基础理论方面(如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等)与工业发达国家差距不大,但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距,我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”,而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”,因此,无论是堆焊材料的品种和质量,还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高,其中国内堆焊药芯焊丝制备的堆焊修复层在硬度、耐磨性、抗腐蚀性、脱渣性等方面都存在不足,堆焊层的使用寿命相对国外产品较低。而国外堆焊药芯焊丝产品虽然性能优良,但价格较高,造成企业维护成本过高。因此,亟待发展具有高技术含量的堆焊药芯焊丝开发技术,提升我国堆焊修复技术。
等离子-电弧是一种复合热源焊接工艺,是将等离子电弧焊和熔化极惰性气体保护焊(MIG)相结合的方法。焊接过程中,在等离子弧和MIG电弧的作用下,焊丝加热并熔化,形成金属熔滴,进入熔池。等离子弧为负极,MIG电弧为正极,电流通过两个电极产生电磁力,电磁力牵引着等离子弧向焊接熔池前方移动,且等离子弧在高速焊接过程中可保持在焊枪轴线。通常情况下,等离子-MIG焊接过程中轴向送进的焊丝和MIG电弧都被等离子气包围。由于复合焊枪结构的独特性,干伸长大,而且压缩后的等离子弧中心温度很高加热,因此焊丝熔化速度快。等离子弧不仅起到加热焊丝的作用,等离子-MIG焊接中熔化极的焊丝底端、熔滴与MIG电弧也都包围在炽热的等离子弧内部,熔滴过渡受力、熔化极电流走向等都受等离子弧影响发生了很大变化。等离子弧焊接的稳定性、热量和温度都高于一般电弧,因此具有较大的熔透力、较快的焊接速度、较窄的热影响区域和较小的工件变形。熔化极氩弧焊的电弧是明弧,焊接过程参数稳定,易于检测和控制。两者的结合需要通过药芯焊丝成分的合理设计,保证在等离子-MIG复合堆焊条件下焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定,气孔少、晶粒小等。
综合来看,目前现有技术均未有提及适合于等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝。研究开发适合等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝,需减少等离子较强熔透力对堆焊工件母材的不利影响,且如何保持电弧在干伸长过大及快速焊接过程中的稳定性的问题。若能将两者匹配结合,基于等离子-电弧复合堆焊优质高效的优点,必将推动其在关键零部件修复领域的大规模应用。
发明内容
本发明的目的是提供一种焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定,气孔少、晶粒小的针对等离子-电弧堆焊用的药芯焊丝。本发明的药芯焊丝能解决等离子-电弧的匹配问题,适合对热输入敏感工件的高质量堆焊修复。
本发明的等离子-电弧堆焊药芯焊丝由钢带和药芯组成,其特征在于药芯化学成分及质量百分含量为:稳弧剂10~12%;造渣剂15~21%;锰铁0.3~1.5%;硅铁0.1~0.6%;钛铁0.1~0.3%;铝镁粉0.2~0.5%;碳化铬铁6~12%;其余为铁粉,药芯填充率为22~32%。
其中所述的稳弧剂为钾长石与氧化铷的混合物,质量比为1:1,与普通堆焊药芯焊丝相比,等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝干伸长要长,且在等离子弧的作用下焊丝的熔化速度进一步加快,这就需要更容易电离的氧化铷作为稳弧添加剂,与传统的钾长石共同作用稳定等离子-电弧的复合熔池。
所述的造渣剂为二氧化锗与二氧化钛的混合物,质量比为2:1,与普通药芯焊丝中使用的金红石型造渣剂不同,基于等离子-电弧复合熔滴的复杂表面张力,在本发明中加入具有表面活化作用的二氧化锗,能显著降低熔滴表面张力系数,促进熔滴以稳定形态过渡至焊缝,进一步稳定等离子-电弧复合堆焊过程。在二氧化锗与二氧化钛联合作用下,能在等离子-电弧堆焊过程中形成表面均匀覆盖的锗钛酸盐熔渣。此外,二氧化锗在电弧高温作用下还能与焊缝金属中的氢反应,有效降低焊缝金属中氢含量,提高堆焊层冲击韧性。
其中锰铁、硅铁、钛铁为联合脱氧剂,能最大程度保护焊缝金属,减少其含氧量,三者联合作用还能生成TiO2-MnO2-SiO2脱氧产物,浮出熔池表面,提高熔渣脱渣性。此外,钛铁、铝镁粉还能在等离子-电弧作用下形成稳定的TiN、AlN,减少产生气孔的产生。碳化铬铁能在堆焊层中引入C和Cr,用于提高堆焊层硬度和耐磨性。
本发明提供的药芯焊丝具有以下有益效果:1)通过添加氧化铷和钾长石为稳弧剂,确保在等离子-电弧作用下能迅速电离,稳定熔池;2)二氧化锗造渣剂的添加,能显著降低熔滴表面张力系数,促进熔滴以稳定形态过渡至焊缝,进一步稳定等离子-电弧堆焊过程;3)通过添加联合脱氧剂、脱氮及二氧化锗高温下的除氢作用,能减少熔池中氮、氧、氢含量,保证焊缝金属组织气孔少、晶粒小,冲击韧性高。本发明的药芯焊丝能解决等离子-电弧的匹配问题,适合对热输入敏感工件的高质量堆焊修复。
具体实施方式
根据具体堆焊母材的不同,分别按照表1中成分将氧化铷、钾长石球磨混合30min后制成稳弧剂,将二氧化锗和二氧化钛球磨混合30min后制成造渣剂,各组分粒度范围控制在150~200目,按照表1其他组分制备药芯粉末,表2为药芯粉末的牌号。经120℃烘干处理后,混合均匀并按照22~32%的填充率加至以冷轧钢带为外皮的焊丝中,经过焊丝成型机封口成型为直径5.0mm的粗丝,再经过粗拉及精拉机的多道拉拔工序后,制备得到直径为1.6m的成品焊丝。
表1 药芯焊丝组分及质量百分含量(%)
表2 药芯粉末的牌号
本实验采用GCr5钢板作为堆焊母材,试板尺寸为150×200×25mm。堆焊材料选用直径Φ1.6mm药芯焊丝。保护气体选用100%Ar,气流量控制在16L/min。堆焊过程中,等离子电流为130~150A,弧焊电流为225~260A,焊接电压为20~30V,焊接速度为22m/min,干伸长20mm,堆焊层厚度约15mm。堆焊前需要对焊接试板进行打磨处理,除去表面的油污及铁锈,焊前不进行预热处理,焊后缓慢空冷为焊态试样,不经焊后热处理进行性能检测。焊后试板利用铣床表面铣出一个平面,加工量为3mm左右。沿焊接方向,在距起弧位置约20mm处开始取样,依次截取冲击试样、弯曲试样、耐磨试样。低温冲击试样尺寸为10×10×55mm,V型缺口,弯曲试样尺寸为5×5×35mm,磨损试样尺寸为20×20×10mm,要求无夹渣、气孔等缺陷。堆焊层的性能测试结果如表3所示,药芯焊丝工艺性能及堆焊层晶粒尺寸结果如表4所示。
表3 力学性能及耐磨性测试结果
表4 药芯焊丝工艺性能及晶粒尺寸结果
Claims (1)
1.一种适用于等离子-电弧堆焊的药芯焊丝,由钢带和药芯组成,其特征在于药芯化学成分及质量百分含量为:稳弧剂10~12%;造渣剂15~21%;锰铁0.3~1.5%;硅铁0.1~0.6%;钛铁0.1~0.3%;铝镁粉0.2~0.5%;碳化铬铁6~12%;其余为铁粉,药芯填充率为22~32%;所述稳弧剂为钾长石与氧化铷的混合物,质量比为1:1;所述造渣剂为二氧化锗与二氧化钛的混合物,质量比为2:1。
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