CN110666388B - 一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法 - Google Patents

一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法 Download PDF

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Abstract

本发明公开了一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，S1、材料准备：试验设备：氩弧焊机，采用烽火WSE‑350交直流脉冲氩弧焊机，最小焊接电流为10A，最大焊接电流为350A，脉冲电流、脉冲基值时间、气体滞后关断时间均采用无级调节；试验材料：焊条为2Cr13焊条和D502焊条；焊体：38 CrMoAl氮化钢；润滑条件：5W‑20#机油，本发明在采用2Cr13焊条进行堆焊时，在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使其耐磨性提高3.8倍以上,采用2Cr13焊条进行堆焊时，在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使耐磨性提高1.7倍以上，可通过设定氩气压力值和焊接电流值，增加耐磨性。

Description

一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法
技术领域
本发明涉及轧辊的堆焊工艺技术领域，具体为一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法。
背景技术
轧辊是轧钢辊道输送机运输部件，每次将钢板轧辊中上运送到，棍面的钢板质量影响钢板的表面质量，但棍面表面受到周期变化的钢板的摩擦力的作用。长期服役的滚面出现磨损、烧伤、擦伤和疲劳断裂，影响滚面的工作精度，因此影响钢板的表面质量。钢棍需求量大。因此，堆焊既可用于修复材料因服役而导致的失效部位，亦可用于强化材料或零件的表面，其目的都在于延长零件的使用寿命、节约贵重材料、降低制造成本。
氩弧焊，是使用氩气作为保护气体的一种焊接技术，在电弧焊的周围通上氩气保护气体，将空气隔离在焊区之外，防止焊区的氧化。氩弧焊焊机价格比较经济，移动方便，因此大型零部件表面修复应用较广。采用氩弧焊堆磙子修复焊补，但由于操作者不清楚在何种氩气压力何种焊接电流条件下的性能，因此只能随意摸索，使得耐磨性和表面硬度均不是较好的。
发明内容
本发明的目的在于提供一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，以解决上述背景技术中采用氩弧焊堆磙子修复焊补，但由于操作者不清楚在何种氩气压力何种焊接电流条件下的性能，因此只能随意摸索，使得耐磨性和表面硬度均不是较好的问题。
为实现上述目的，本发明提供如下技术方案：一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，包括如下步骤：
S1、材料准备：
（1）、试验设备：氩弧焊机，采用烽火WSE-350交直流脉冲氩弧焊机，最小焊接电流为10A，最大焊接电流为350A，脉冲电流、脉冲基值时间、气体滞后关断时间均采用无级调节；
（2）、试验材料：焊条为2Cr13焊条和D502焊条；焊体：38 CrMoAl氮化钢；
（3）、润滑条件：5W-20#机油；
S2、焊接准备：在堆焊前去除待焊工件表面的油、锈等污物，母材焊前进行预热；
S3、堆焊条件：采用氩弧焊方法；
（1）、2Cr13焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，最小焊接电流为110A，最大焊接电流为150A，在110A-150A范围内均匀选取5个电流值作为2Cr13焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流，其中氩气压强分别取5MPa和10MPa；
（2）、D502焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，最小焊接电流为80A，最大焊接电流为120A，在80A-120A范围内均匀选取5个电流值作为D502焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流，其中氩气压强分别取5MPa和10MPa；
S4、性能检测：包括硬度测试、磨损试验和扫描电镜组织分析。
优选的，在S4中，利用180目、240目、1500目和2000目砂纸对焊接的端面依次进行粗磨、精磨、抛光处理，然后使用硬度仪测量试件显微硬度HV；在高精仪器上进行分析试件的耐磨性能，并对每一个试件经电子显微镜分析与XRD与S-4800 SEM扫描电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数。
优选的，磨损时采用油润滑，使用无菌棉签把5W-20#机油机油均匀涂抹在喷涂层表面，每隔20min对试件称重一次；磨损后先用除油剂或者丙酮清除试件上残留的油污，之后用无水乙醇进行超声波振动清洗，清洗15-30min，用吹风机吹干，在FB-C精密天平上称重。
优选的，所述硬度仪采用手动砖塔显微硬度仪S-3700N。
优选的，在S3中，2Cr13和D502的焊接速度均为12cm/min。
优选的，在S3中，每试验组焊接3个试件。
本发明提供了一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，具备以下有益效果：
本发明在采用2Cr13焊条进行堆焊时，在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使其耐磨性提高3.8倍以上,采用D502焊条进行堆焊时，在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使耐磨性提高1.7倍以上，从而可知，2Cr13和D502焊条使用WSE-350氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊时，可通过设定氩气压力值和焊接电流值，可有助增加耐磨性。
附图说明
图1为本发明的氩气压强10MPa焊接电流150A下2Cr13堆焊在38CrMoAl堆焊层250倍图；
图2为本发明的氩气压强10MPa焊接电流150A下2Cr13堆焊在38CrMoAl堆焊层2000倍图；
图3为本发明的堆焊层线扫图；
图4为本发明的堆焊层线扫图；
图5为本发明的P=5MPa I=110A 2Cr13堆焊在38CrMoAl断层Cr元素能谱图；
图6为本发明的P=5MPa I=110A 2Cr13堆焊在38CrMoAl断层所有元素能谱图。
具体实施方式
下面将结合本发明实施例中的附图，对本发明实施例中的技术方案进行清楚、完整地描述。
如图1-6所示，本发明提供一种技术方案：一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，包括如下步骤：
S1、材料准备：
（1）、试验设备：氩弧焊机，本试验的氩弧焊选取上海长涛焊接设备有限公司的烽火WSE-350交直流脉冲氩弧焊机，该焊机最小焊接电流为10A，最大焊接电流为350A，稳弧性能较好,同时也可以焊接薄、中、厚多种材料，焊接电流的波形是迅速过零的方波，这样有利于焊接电流和电弧的稳定性；脉冲峰值电流和脉冲基值电流均为5A-350A，本焊机脉冲电流、脉冲基值时间、气体滞后关断时间均采用无级调节，从而满足较高的焊接工艺要求，而且该焊机具有交直流氩弧焊、交直流手工普通焊、交直流脉冲氩弧焊、交直流点焊的功能，它也具有焊接电流缓慢上升和衰减的功能，这样有利于收弧时填满弧坑，从而避免堆焊层产生裂纹；本焊机外形尺寸为840mm*460mm*810mm，重量174kg。
（2）、试验材料：
2Cr13焊条：属于马氏体不锈钢，具有磁性和高硬度；焊接时应预热，控制焊缝稀释率；2Cr13不锈钢在淬火条件下具有较高的硬度和良好的耐蚀性。在980~1050℃或980℃淬火的2Cr13不锈钢硬度低于油淬1050℃时的硬度。硬度为45~50 HRC，高于油淬1050℃后的硬度；而1050℃淬火后的显微组织却是粗大而脆的，因此，最好采用1000℃加热淬火，以获得更好的组织和更高的硬度。2Cr13焊条的化学成分如表1所示
表1 2Cr13焊条的化学成分
元素 C Si Mn Cr S P
含量 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 12.0—14.0 ≤0.03 ≤0.04
D502焊条，一种通用的表面堆焊电极，用于对工作温度低于450℃的碳钢或合金钢的轴和阀进行堆焊。可用于交直流焊接，焊接工艺良好，堆焊层具有气淬的特点，一般不经热处理，硬度均匀，也可在750~80℃软化时退火，加热至900~1000℃的空冷或油淬时，可再次硬化。D502焊条的化学成分如表2所示：
表2 D502焊条的化学成分
元素 C Si Mn Cr S P
含量 ≤1.0 ≤1.0 ≤1.0 12.0—14.0 ≤0.03 ≤0.04
38 CrMoAl氮化钢：是一种高耐磨性、高疲劳强度的先进氮化钢，38 CrMoAl复合材料化学成分中的Al元素可以在空气中与O元素氧化生成三氧化三铝，这是一种保护膜，具有一定的防腐和耐蚀作用；另一方面，38 CrMoAl结合钢的化学成分中含有Cr和Mo元素，海水中的离子会自动填补Cl离子点蚀在钢上形成的空隙，从而形成致密的保护膜，延长设备的使用寿命。38CrMoAl化学成分如表3所示：
表3 38CrMoAl化学成分
元素 C Cr Mo Al Mn
含量 0.35-0.42 1.35-1.65 0.15-0.25 0.70-1.10 0.30-0.60
（3）、润滑条件：5W-20#机油，磨损时采用油润滑，使用无菌棉签把5W-20#机油均匀涂抹在喷涂层表面，每隔20min对试件称重一次。磨损后先用除油剂或者丙酮清除试件上残留的油污，之后用无水乙醇进行超声波振动清洗，清洗15-30min，用吹风机吹干，在FB-C精密天平上称重；
S2、焊接准备：在堆焊前去除待焊工件表面的油、锈等污物，母材焊前进行预热；
S3、堆焊条件：采用氩弧焊方法；
1、2Cr13焊条38CrMoAl上堆焊的试验设计
2Cr13焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，可变的参数有焊接电流，氩气压强。焊接前要进行试焊，试焊过程中发现焊接电流低于110A时，焊条不能充分熔化；电流高于150A时，焊条过于熔化，覆盖试件两侧的熔渣过厚。所以本试验设计的最小焊接电流为110A，最大焊接电流为150A，在这范围内均匀选取5个电流值作为2Cr13焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流。氩气压强分别取5MPa和10MPa
2Cr13两组的焊接速度12cm/min；
2Cr13焊条堆焊在38CrMoAl的试验设计按焊接电流和氩气压强共分有10个试验组；
（1）
Figure 227795DEST_PATH_IMAGE002
110A，120A，130A，140A，150A；
电流的增加间隔为5-10A；
氩气压强选
Figure 676094DEST_PATH_IMAGE004
=5MPa；
（2）
Figure 986989DEST_PATH_IMAGE002
110A，120A，130A，140A，150A；
电流的增加间隔为5--10A；
氩气压强选
Figure DEST_PATH_IMAGE006
=10MPa；
注：每试验组要焊接3个试件。
堆焊结束后，利用180目、240目、1500目和2000目砂纸对焊接的端面依次进行粗磨、精磨、抛光处理，然后接着使用手动砖塔显微硬度仪S-3700N 测量试件显微硬度HV。并对每一个试件经金相显微镜与XRD与S-4800SEM扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，通过对堆焊层的硬度测试、磨损试验和扫描电镜组织分析得出堆焊层性能最佳时的焊接电流和氩气压强。
2Cr13焊条在38CrMoAl上堆焊，对堆焊层用MM-200磨损机油润滑磨损300min，对堆焊层进行磨损氩气压强为5MPa焊接电流的磨损量最小，为0.0156g，耐磨性较好；氩气压强为10MPa时，焊接电流时的磨损量最小，为0.0233g，耐磨性较好；当氩气压强为5MPa，堆焊焊接电流为某一值时，2Cr13焊条用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，堆焊层的显微硬度最低在3065HV，显微硬度值最大，为3745.4HV。
2、D502焊条38CrMoAl上堆焊的试验设计
D502焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，可变的参数有焊接电流，氩气压强。焊接前要进行试焊，试焊过程中发现焊接电流低于80A时，焊条不能充分熔化；电流高于120A时，焊条过于熔化，覆盖试件两侧的熔渣过厚。所以本试验设计的最小焊接电流为80A，最大焊接电流为120A，在这范围内均匀选取5个电流值作为D502焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流。氩气压强分别取5MPa和10MPa
试验设计为：
D502两组的焊接速度12cm/min；
D502焊条堆焊在38CrMoAl的试验设计按焊接电流和氩气压强共分有10个试验组；
（1）
Figure 913357DEST_PATH_IMAGE002
80A，90A，100A，110A，120A；
氩气压强选
Figure 258888DEST_PATH_IMAGE004
=5MPa；
电流的增加间隔为10A；
（2）
Figure 143667DEST_PATH_IMAGE002
80A，90A，100A，110A，120A；
氩气压强选
Figure 941859DEST_PATH_IMAGE006
=10MPa；
电流的增加间隔为10A；
注：每试验组要焊接3个试件。
堆焊结束后，利用180目、240目、1500目和2000目砂纸对焊接的端面依次进行粗磨、精磨、抛光处理，然后接着使用手动砖塔显微硬度仪S-3700N 测量试件显微硬度HV。并对每一个试件经金相显微镜与XRD与S-4800SEM扫描电镜SEM电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数，通过对堆焊层的硬度测试、磨损试验和扫描电镜组织分析得出堆焊层性能最佳时的焊接电流和氩气压强。
D502焊条在38CrMoAl上堆焊，对堆焊层用MM-200磨损机油润滑磨损300min，对堆焊层进行磨损试验得出氩气压强为5MPa时，焊接电流为磨损量最小为0.0511g，耐磨性较好；氩气压强为10MPa时，焊接电流为某一时的磨损量最小为0.0551g，耐磨性较好；D502焊条用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，当氩气压强为5MPa，焊接电流，堆焊层的HV值最大，为1461.2HV；
性能分析
电镜下对2Cr13堆焊在38CrMoAl的断层放大金相分析在38CrMoAl上堆焊2Cr13的结果如图1-6所示，可知当焊接电流为130A，氩气压强为5MPa时，从基体到堆焊层之间，Fe，Cr元素相互渗透的比较好，所以在这种情况下堆焊层硬度较大并且耐磨性较好。
结论：
在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使其耐磨性提高3.8倍以上,采用2Cr13焊条进行堆焊时，在一定氩气压力下优化焊接电流后的工艺参数，可使耐磨性提高1.7倍以上，从而可知，2Cr13和D502焊条使用WSE-350氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊时，可通过设定氩气压力值和焊接电流值，可有助增加耐磨性。
如果钢棍的使用量在辊道长80米到100米，每米3个辊，每个辊子工作时间约3-5天，每个滚子的修复费按100计算，每月至少需要辊道消耗150万人民币，如果提高辊子的耐磨性寿命1倍就是每月减少消耗75万，每年减少900万的滚子消耗，如果按优化后的工艺进行耐磨性提高3.8倍，每月只消耗39.5万，每年只消耗不到500万，如果按优化后的工艺进行耐磨性提高1.7倍，每月只消耗88万，每年只消耗不到900万，如果全国的钢厂的轧钢滚子修复都采用优化后的工艺节约钢材和消耗，节省换辊时间，产业和利润将是数亿元的。

Claims (6)

1.一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于，包括如下步骤：
S1、材料准备：
（1）、试验设备：氩弧焊机，采用烽火WSE-350交直流脉冲氩弧焊机，最小焊接电流为10A，最大焊接电流为350A，脉冲电流、脉冲基值时间、气体滞后关断时间均采用无级调节；
（2）、试验材料：焊条为2Cr13焊条和D502焊条；焊体：38 CrMoAl氮化钢；
（3）、润滑条件：5W-20#机油；
S2、焊接准备：在堆焊前去除待焊工件表面的油、锈，母材焊前进行预热；
S3、堆焊条件：采用氩弧焊方法；
（1）、2Cr13焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，最小焊接电流为110A，最大焊接电流为150A，在110A-150A范围内均匀选取5个电流值作为2Cr13焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流，其中氩气压强分别取5MPa和10MPa；
（2）、D502焊条使用氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊，最小焊接电流为80A，最大焊接电流为120A，在80A-120A范围内均匀选取5个电流值作为D502焊条在38CrMoAl上堆焊试验设计的5个电流，其中氩气压强分别取5MPa和10MPa；
S4、性能检测：包括硬度测试、磨损试验和扫描电镜组织分析；
2Cr13和D502焊条使用WSE-350氩弧焊机在38CrMoAl上堆焊时，通过设定氩气压力值和焊接电流值，有助增加其耐磨性。
2.根据权利要求1所述的一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于：在S4中，利用180目、240目、1500目和2000目砂纸对焊接的端面依次进行粗磨、精磨、抛光处理，然后使用硬度仪测量试件显微硬度HV；在高精仪器上进行分析试件的耐磨性能，并对每一个试件经电子显微镜分析与XRD与S-4800 SEM扫描电镜观察微观结构，分析涂层成分并记录相关参数。
3.根据权利要求1所述的一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于：磨损时采用油润滑，使用无菌棉签把5W-20#机油均匀涂抹在喷涂层表面，每隔20min对试件称重一次；磨损后先用除油剂或者丙酮清除试件上残留的油污，之后用无水乙醇进行超声波振动清洗，清洗15-30min，用吹风机吹干，在FB-C精密天平上称重。
4.根据权利要求2所述的一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于：所述硬度仪采用手动砖塔显微硬度仪S-3700N。
5.根据权利要求1所述的一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于：在S3中，2Cr13焊条和D502焊条的焊接速度均为12cm/min。
6.根据权利要求1所述的一种堆焊工艺性能参数影响因素的研究方法，其特征在于：在S3中，每试验组焊接3个试件。
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