CN112775520B - 一种异步送丝实现梯度堆焊的方法 - Google Patents

一种异步送丝实现梯度堆焊的方法 Download PDF

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Abstract

本发明提供了一种异步送丝实现梯度堆焊的方法,属于焊接领域。本发明利用独立调控功能焊丝送丝机和过渡焊丝送丝机的送丝速度,实现功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝,调配出过渡层堆焊所需的多种合金浓度,改变基板到工作层之间的过渡层的合金过渡梯度,从而摆脱了堆焊层合金浓度对焊丝种类的依赖;同时利用异步送丝,不需要更换焊丝,可实现合金浓度灵活调配,可节约焊丝更换时间,从而能够高效实现梯度堆焊的目的。

Description

一种异步送丝实现梯度堆焊的方法
技术领域
本发明涉及焊接技术领域,尤其涉及一种异步送丝实现梯度堆焊的方法。
背景技术
进入21世纪,保护地球环境、构建循环经济、保持可持续发展已成为世界各国共同关心的话题。失效是机械零部件淘汰的主要原因之一,而磨损是材料失效的主要形式之一。作为再制造最为常用的一种技术,堆焊将焊接零部件的连接技术应用到零部件的表面,将材料熔敷到基体表面,实现恢复器件尺寸或提高使用性能的目的。
根据堆焊层和母材组织性能差异,堆焊可分为同质材料堆焊和异质材料堆焊,前者以恢复零部件尺寸为目的,堆焊层材质和组织性能与母材相近,后者以改进零部件表面性质(耐磨、耐蚀、耐辐射等)为目的,堆焊层材质和组织性能与母材存在差异,由于异种材料的线膨胀系数不同,加热和冷却过程中堆焊层会产生很大的热应力,当热应力超过堆焊层结合强度,堆焊层产生裂纹,甚至导致堆焊层与基板剥离。已有研究证明在基板表面预先堆焊一层过渡层,在过渡层之上堆焊工作层,可有效分散热应力,提高堆焊层稳定性,并且增加堆焊过渡层层数不仅使堆焊层溶质元素梯度过渡更加平缓,还能有效抑制母材成分的稀释率,避免堆焊合金层因成分稀释而形成共晶或者网状碳化物等脆性组织带。尽管目前研究结果能够实现梯度堆焊,但堆焊过程中仍然存在一定问题:
首先,过渡层层间化学成分梯度依赖于堆焊过程中使用的焊丝种类。梯度堆焊过程中,每一层过渡层使用不同成分的焊丝,层间化学成分梯度依赖于焊丝成分差异。焊丝成分差异减小意味着焊丝种类增加,因此采用更换焊丝的方法,无限降低堆焊层层间化学成分制备过渡梯度不可行。
其次,频繁更换焊丝导致生产效率降低。若堆焊层数增加,利用频繁更换焊丝提高堆焊过渡层数,要耗费大量换丝时间,导致生产效率下降。
发明内容
有鉴于此,本发明的目的在于提供一种异步送丝实现梯度堆焊的方法。本发明提供的方法能够减小梯度堆焊对焊丝种类的依赖,同时能够高效实现堆焊层低合金过渡梯度。
为了实现上述发明目的,本发明提供以下技术方案:
本发明提供了一种异步送丝实现梯度堆焊的方法,包括以下步骤:
提供功能焊丝和过渡焊丝;
根据总堆焊层厚度、工作层厚度和过渡层数,利用式I计算单道次堆焊厚度,
h=(Hs-Hw)/N 式I,
其中,h为单道次堆焊厚度,Hs为总堆焊层厚度,Hw为工作层厚度,N为过渡层数;
根据功能焊丝直径和过渡焊丝直径,利用式II计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,
rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw] 式II,
其中,rn为功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,Vwn为功能焊丝送丝速度,Vtn为过渡焊丝送丝速度,Φw为功能焊丝直径,Φt为过渡焊丝直径;
根据堆焊层宽度、堆焊速度、单道次堆焊厚度和功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,利用式III和式IV分别计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度,
Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)] 式III;
Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)] 式IV,
式III和式IV中w为堆焊层宽度,v为堆焊速度;
根据过渡层堆焊的预设定焊接电流,在待堆焊基板表面进行功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝堆焊,所述异步送丝时,所述功能焊丝送丝速度根据式III得到,所述过渡焊丝送丝速度根据式IV得到;
根据工作层堆焊的预设定焊接电流,在所述过渡层堆焊表面进行工作层堆焊,完成梯度堆焊,所述工作层堆焊的功能焊丝送丝速度由式V计算得到,
V’wn=4whv/πΦw 2 式V,
其中,V’wn为工作层堆焊的功能焊丝送丝速度。
优选地,所述功能焊丝为SKD11焊丝或KB-999WC药芯焊丝。
优选地,所述过渡焊丝为THQ-50C焊丝。
优选地,所述过渡层数为3~5。
优选地,所述过渡层堆焊的预设定焊接电流为170A。
优选地,所述工作层堆焊的预设定焊接电流为150~165A。
优选地,所述异步送丝利用双送丝管实现,所述双送丝管安装在焊接热源的端部。
优选地,所述焊接热源的能量调节和送丝速度调节相互独立。
优选地,所述双送丝管分别与功能焊丝送丝机和过渡焊丝送丝机连接。
优选地,所述待堆焊基板为Q235。
本发明提供了一种异步送丝实现梯度堆焊的方法,包括以下步骤:提供功能焊丝和过渡焊丝;根据总堆焊层厚度、工作层厚度和过渡层数,计算单道次堆焊厚度;根据功能焊丝直径和过渡焊丝直径,计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比;根据堆焊层宽度、堆焊速度、单道次堆焊厚度和功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,分别计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度;根据过渡层堆焊的预设定焊接电流,在待堆焊基板表面进行功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝堆焊;根据工作层堆焊的预设定焊接电流,在所述过渡层堆焊表面进行工作层堆焊,完成异步送丝梯度堆焊。
本发明的有益效果:
(1)减小堆焊梯度对焊丝种类的依赖;
在待堆焊基板表面利用功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝,能够调配出堆焊所需的多种合金浓度,从而摆脱了堆焊层合金浓度对焊丝种类的依赖。
(2)高效实现堆焊层低合金过渡梯度;
利用异步送丝,不需要更换焊丝,实现合金浓度灵活调配,可节约焊丝更换时间,从而能够高效实现堆焊层低合金过渡梯度的目的。
具体实施方式
本发明提供了一种异步送丝实现梯度堆焊的方法,包括以下步骤:
提供功能焊丝和过渡焊丝;
根据总堆焊层厚度、工作层厚度和过渡层数,利用式I计算单道次堆焊厚度,
h=(Hs-Hw)/N 式I,
其中,h为单道次堆焊厚度,Hs为总堆焊层厚度,Hw为工作层厚度,N为过渡层数;
根据功能焊丝直径和过渡焊丝直径,利用式II计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,
rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw] 式II,
其中,rn为功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,Vwn为功能焊丝送丝速度,Vtn为过渡焊丝送丝速度,Φw为功能焊丝直径,Φt为过渡焊丝直径;
根据堆焊层宽度、堆焊速度、单道次堆焊厚度和功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,利用式III和式IV分别计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度,
Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)] 式III;
Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)] 式IV,
式III和式IV中w为堆焊层宽度,v为堆焊速度;
根据过渡层堆焊的预设定焊接电流,在待堆焊基板表面进行功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝堆焊,所述异步送丝时,所述功能焊丝送丝速度根据式III得到,所述过渡焊丝送丝速度根据式IV得到;
根据工作层堆焊的预设定焊接电流,在所述过渡层堆焊表面进行工作层堆焊,完成梯度堆焊,所述工作层堆焊的功能焊丝送丝速度由式V计算得到,
V’wn=4whv/πΦw 2 式V,
其中V’wn为工作层堆焊的功能焊丝送丝速度。
本发明提供功能焊丝和过渡焊丝。
在本发明中,所述功能焊丝优选根据待堆焊基板对耐磨性、耐蚀性、耐辐射性的不同需求,选择现有市售焊丝或自制焊丝,更优选为SKD11焊丝或KB-999WC药芯焊丝。
在本发明中,所述过渡焊丝优选根据待堆焊基板和功能焊丝的材料性质,选择与基体晶格结构差异小的焊丝,更优选为THQ-50C焊丝。
本发明根据总堆焊层厚度、工作层厚度和过渡层数,利用式I计算单道次堆焊厚度,
h=(Hs-Hw)/N 式I,
其中,h为单道次堆焊厚度,Hs为总堆焊层厚度,Hw为工作层厚度,N为过渡层数
在本发明中,所述过渡层数优选为3~5。
本发明根据功能焊丝直径和过渡焊丝直径,利用式II计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,
rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw] 式II,
其中,rn为功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,Vwn为功能焊丝送丝速度,Vtn为过渡焊丝送丝速度,Φw为功能焊丝直径,Φt为过渡焊丝直径。
本发明根据堆焊层宽度、堆焊速度、单道次堆焊厚度和功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,利用式III和式IV分别计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度,
Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)] 式III;
Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)] 式IV,
式III和式IV中w为堆焊层宽度,v为堆焊速度。
本发明根据过渡层堆焊的预设定焊接电流,在待堆焊基板表面进行功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝堆焊,所述异步送丝时,所述功能焊丝送丝速度根据式III得到,所述过渡焊丝送丝速度根据式IV得到。
在本发明中,所述过渡层堆焊的预设定焊接电流优选为170A。在本发明中,所述过渡层堆焊的预设定焊接电流的作用是根据堆焊成型效果微调过渡层堆焊电流,在满足堆焊层间形成完全冶金结合的前提下,尽量降低电流,以此降低堆焊热输入量,确定最理想的过渡层堆焊电流。
在本发明中,所述异步送丝优选利用双送丝管实现,所述双送丝管优选安装在焊接热源的端部,更优选为利用工装夹具,将双送丝管安装在焊接热源的端部,调整送丝管角度,使焊丝对准焊接热源芯部。
在本发明中,所述焊接热源的能量调节优选和送丝速度调节相互独立。在本发明中,所述焊接热源优选为等离子焊机。
在本发明中,所述双送丝管优选分别与功能焊丝送丝机和过渡焊丝送丝机连接。在本发明中,所述功能焊丝送丝机和过渡焊丝送丝机优选均为速度可调式送丝机,且配备独立的送丝速度设定系统。
在本发明中,所述基板优选为Q235。
形成过渡层堆焊后,本发明根据工作层堆焊的预设定焊接电流,在所述过渡层堆焊表面进行工作层堆焊,完成梯度堆焊,所述工作层堆焊的功能焊丝送丝速度由式V计算得到,
V’wn=4whv/πΦw 2 式V,
其中,V’wn为工作层堆焊的功能焊丝送丝速度。
在本发明中,所述工作层堆焊的预设定焊接电流优选为150~165A,更优选为160A。在本发明中,所述工作层堆焊的预设定焊接电流的作用是在满足堆焊层间形成完全冶金结合的前提下,尽量降低电流,以此降低堆焊热输入量,重复相同操作,直至达到目标堆焊厚度。
在本发明中,焊接电流是影响堆焊层成型形状的关键因素,电流过高,堆焊熔池液态金属温度过高,流动性增强,导致液态金属外流,造成堆焊层边部塌陷,另外温度过高会导致堆焊层晶粒粗化,致使堆焊层韧性降低;而堆焊电流过低,不能将堆焊焊丝充分熔化,无法实现有效成型,而且导致堆焊层的孔洞类缺陷增加,因此根据预设工艺参数和微调优化工艺参数都是不可缺少的步骤。
为了进一步说明本发明,下面结合实例对本发明提供的异步送丝实现梯度堆焊的方法进行详细地描述,但不能将它们理解为对本发明保护范围的限定。
实施例1:采用双送丝管异步送丝梯度堆焊法,在Q235基板堆焊高韧耐磨工作层,目标堆焊层厚度为8mm,耐磨层厚度为5mm。
1、实验方法
1.1、焊接设备安装
(1)选择堆焊热源:选择等离子焊机作为热源。
(2)确定送丝管安装位置:利用工装夹具,将双送丝管安装在等离子焊枪端部,调整送丝管角度,使焊丝对准焊接热源芯部。
(3)选购送丝机和控制系统:选购两台速度可调式送丝机,并配备独立的送丝速度设定系统。
1.2、焊接材料选择
(1)功能焊丝:选购1.0mm SKD11焊丝作为工作层材料。
(2)过渡焊丝:选购1.0mm THQ-50C焊丝作为过渡层材料。
1.3、焊接工艺设定
(1)计算单道次堆焊厚度:若采用三层进行过渡层堆焊,根据总堆焊层厚度(Hs=8mm),工作层厚度(Hw=5mm),过渡层数(N=3),计算单道次堆焊厚度:h=(Hs-Hw)/N=(8-5)/3=1mm。
(2)计算送丝速比:根据rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw],以及功能焊丝直径(Φw=1.0mm)和过渡焊丝直径(Φt=1.0mm),计算三层过渡层的送丝速比分别为:r1=1/3;r2=1/1;r3=3/1。
(3)计算送丝速度:根据Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)];Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)],以及单道次堆焊厚度(h=1mm)、堆焊宽度(w=10mm)、堆焊速度(v=2mm/s)和送丝速比,计算每道次过渡层堆焊时,功能焊丝和过渡焊丝的送丝速度分别为:Vw1=6.4mm/s;Vt1=19.1mm/s;Vw2=12.7mm/s;Vt2=12.7mm/s;Vw3=19.1mm/s;Vt3=6.4mm/s。
(4)过渡层堆焊:根据(3)计算得到的焊接速度设定每层堆焊时工作层和过渡焊丝的送丝速度,根据焊接经验预设定焊接电流170A,启动两台送丝机,根据堆焊成型效果微调堆焊电流,最终选定堆焊电流为150A。
(5)工作层堆焊:根据V’wn=4whv/πΦw 2,计算工作层堆焊时功能焊丝的送丝速度为25.5mm/s,根据焊接经验预设定焊接电流,只启动工作层送丝机,堆焊电流保持150A,多道次堆焊,直至达到堆焊层总厚度为8mm。
2、试验结果
在未预热基板条件下进行堆焊,堆焊层和基板形成良好冶金结合,堆焊层未产生龟裂现象。
实施例2:采用双送丝管异步送丝梯度堆焊法,在Q235基板堆焊高韧耐磨工作层,目标堆焊层厚度为10mm,耐磨层厚度为6mm。
1、实验步骤
1.1、焊接设备安装
(1)选择堆焊热源:选择等离子焊机作为热源。
(2)确定送丝管安装位置:利用工装夹具,将双送丝管安装在等离子焊枪端部,调整送丝管角度,使焊丝对准焊接热源芯部。
(3)选购两台速度可调式送丝机,并配备独立的送丝速度设定系统。
1.2、焊接材料选择
(1)功能焊丝:选购1.2mm KB-999WC药芯焊丝作为工作层材料。
(2)过渡焊丝:选购1.0mm THQ-50C焊丝作为过渡层材料。
1.3、焊接工艺设定
(1)计算单道次堆焊厚度:若采用四层进行过渡层堆焊,根据总堆焊层厚度(Hs=10mm),工作层厚度(Hw=6mm),过渡层数(N=4),计算单道次堆焊厚度:h=(Hs-Hw)/N=(10-6)/4=1mm。
(2)计算送丝速比:根据rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw],以及功能焊丝直径(Φw=1.2mm)和过渡焊丝直径(Φt=1.0mm),计算四层过渡层的送丝速比分别为:r1=1/4.8;r2=1/1.8;r3=1/0.8;r4=1/0.3。
(3)计算送丝速度:根据Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)];Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)],以及单道次堆焊厚度(h=1mm)、堆焊宽度(w=10mm)、堆焊速度(v=2mm/s)和送丝速比,计算每道次过渡层堆焊时,功能焊丝和过渡焊丝的送丝速度分别为:Vw1=4.1mm/s;Vt1=19.6mm/s;Vw2=7.9mm/s;Vt2=14.1mm/s;Vw3=11.4mm/s;Vt3=9.1mm/s;Vw4=14.6mm/s;Vt4=4.4mm/s。
(4)过渡层堆焊:根据(3)计算得到的焊接速度设定每层堆焊时工作层和过渡焊丝的送丝速度,根据焊接经验预设定焊接电流170A,启动两台送丝机,根据堆焊成型效果微调堆焊电流,最终选定堆焊电流为160A。
(5)工作层堆焊:根据V’wn=4whv/πΦw 2,计算工作层堆焊时功能焊丝的送丝速度为17.7mm/s,根据焊接经验预设定焊接电流,只启动工作层送丝机,堆焊电流保持160A,多道次堆焊,直至达到堆焊层总厚度为10mm。
2、试验结果
在未预热基板条件下进行堆焊,堆焊层和基板形成良好冶金结合,堆焊层未出现应力裂纹。
实施例3:采用双送丝管异步送丝梯度堆焊法,在Q235基板堆焊高韧耐磨工作层,目标堆焊层厚度为12mm,耐磨层厚度为6mm。
1、实验步骤
1.1、焊接设备安装
(1)选择堆焊热源:选择等离子焊机作为热源。
(2)确定送丝管安装位置:利用工装夹具,将双送丝管安装在等离子焊枪端部,调整送丝管角度,使焊丝对准焊接热源芯部。
(3)选购两台速度可调式送丝机,并配备独立的送丝速度设定系统。
1.2、焊接材料选择
(1)功能焊丝:选购1.6mm KB-999WC药芯焊丝作为工作层材料。
(2)过渡焊丝:选购1.0mm THQ-50C焊丝作为过渡层材料。
1.3、焊接工艺设定
(1)计算单道次堆焊厚度:若采用五层进行过渡层堆焊,根据总堆焊层厚度(Hs=12mm),工作层厚度(Hw=6mm),过渡层数(N=5),计算单道次堆焊厚度:h=(Hs-Hw)/N=(12-6)/5=1.2mm。
(2)计算送丝速比:根据rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw],以及功能焊丝直径(Φw=1.6mm)和过渡焊丝直径(Φt=1.0mm),计算五层过渡层的送丝速比分别为:r1=1/8;r2=1/3.2;r3=1/1.6;r4=1/0.8;r5=5/1.6。
(3)计算送丝速度:根据Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)];Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)],以及单道次堆焊厚度(h=1.2mm)、堆焊宽度(w=10mm)、堆焊速度(v=2mm/s)和送丝速比,计算每道次过渡层堆焊时,功能焊丝和过渡焊丝的送丝速度分别为:Vw1=2.9mm/s;Vt1=23.1mm/s;Vw2=5.3mm/s;Vt2=17.0mm/s;Vw3=7.3mm/s;Vt3=11.8mm/s;Vw4=9.1mm/s;Vt4=7.3mm/s;Vw5=10.6mm/s;Vt5=3.4mm/s。
(4)过渡层堆焊:根据(3)计算得到的焊接速度设定每层堆焊时工作层和过渡焊丝的送丝速度,根据焊接经验预设定焊接电流170A,启动两台送丝机,根据堆焊成型效果微调堆焊电流,最终选定堆焊电流为165A。
(5)工作层堆焊:根据V’wn=4whv/πΦw 2,计算工作层堆焊时功能焊丝的送丝速度为11.9mm/s,根据焊接经验预设定焊接电流,只启动工作层送丝机,堆焊电流保持165A,多道次堆焊,直至达到堆焊层总厚度为12mm。
2、试验结果
在未预热基板条件下进行堆焊,堆焊层和基板形成良好冶金结合,堆焊层未出现应力裂。
以上所述仅是本发明的优选实施方式,并非对本发明作任何形式上的限制。应当指出,对于本技术领域的普通技术人员来说,在不脱离本发明原理的前提下,还可以做出若干改进和润饰,这些改进和润饰也应视为本发明的保护范围。

Claims (8)

1.一种异步送丝实现梯度堆焊的方法,其特征在于,包括以下步骤:
提供功能焊丝和过渡焊丝;
根据总堆焊层厚度、工作层厚度和过渡层数,利用式I计算单道次堆焊厚度,
h=(Hs-Hw)/N式I,
其中,h为单道次堆焊厚度,Hs为总堆焊层厚度,Hw为工作层厚度,N为过渡层数;
根据所述功能焊丝直径和过渡焊丝直径,利用式II计算第n层堆焊时,功能焊丝和过渡焊丝送丝速度之比,
rn=Vwn/Vtn=nΦt/[(N-n+1)Φw]式II,
其中,rn为功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,Vwn为功能焊丝送丝速度,Vtn为过渡焊丝送丝速度,Φw为功能焊丝直径,Φt为过渡焊丝直径;
根据堆焊层宽度、堆焊速度、单道次堆焊厚度和功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度之比,利用式III和式IV分别计算第n层堆焊时,功能焊丝送丝速度和过渡焊丝送丝速度,
Vwn=4whvrn/[πΦw(rnΦwt)]式III;
Vtn=4whv/[πΦt(rnΦwt)]式IV,
式III和式IV中w为堆焊层宽度,v为堆焊速度;
根据过渡层堆焊的预设定焊接电流,在待堆焊基板表面进行功能焊丝和过渡焊丝的异步送丝堆焊,所述异步送丝时,所述功能焊丝送丝速度根据式III得到,所述过渡焊丝送丝速度根据式IV得到;所述过渡层堆焊的预设定焊接电流为170A;
根据工作层堆焊的预设定焊接电流,在所述过渡层堆焊表面进行工作层堆焊,完成梯度堆焊,所述工作层堆焊的功能焊丝送丝速度由式V计算得到,V’wn=4whv/πΦw 2式V,所述工作层堆焊的预设定焊接电流为150~165A;
其中,V’wn为工作层堆焊的功能焊丝送丝速度。
2.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述功能焊丝为SKD11焊丝或KB-999WC药芯焊丝。
3.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述过渡焊丝为THQ-50C焊丝。
4.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述过渡层数为3~5。
5.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述异步送丝利用双送丝管实现,所述双送丝管安装在焊接热源的端部。
6.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述焊接热源的能量调节和送丝速度调节相互独立。
7.根据权利要求5所述的方法,其特征在于,所述双送丝管分别与功能焊丝送丝机和过渡焊丝送丝机连接。
8.根据权利要求1所述的方法,其特征在于,所述待堆焊基板为Q235。
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