CN113523646A

CN113523646A - 一种低稀释率的堆焊药芯焊丝及制备方法

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Publication number: CN113523646A
Application number: CN202110864177.6A
Authority: CN
Inventors: 刘大双; 吴玉程; 魏萍; 赵前程
Original assignee: Hefei University of Technology
Current assignee: Hefei University of Technology
Priority date: 2021-07-29
Filing date: 2021-07-29
Publication date: 2021-10-22
Anticipated expiration: 2041-07-29
Also published as: CN113523646B

Abstract

本发明公开一种低稀释率的堆焊药芯焊丝及制备方法，包括低碳钢带和药芯粉末，药芯粉末填充于低碳钢带中，药芯粉末包括：石墨烯0.018%～0.036%，硼铁4.8%～7.2%，硼硅铁0.6%～1.8%，纳米氧化锆0.24%～0.72%，氟钛酸钾0.12%～0.6%，铝镁合金0.36%～1.2%，锰1%～3%，余量为铁。本发明的药芯焊丝通过添加石墨烯在焊接过程中脱氧产生气体产物，通过添加其他复合脱氧成分来调控石墨烯脱氧气体产物逸出频率和程度，促进气体稳定逸出带走热量，石墨烯的添加有利于改善熔池特性，从而降低稀释率，极大提高材料利用率和堆焊合金成分含量水平，无需添加气体保护，无焊接气孔，堆焊成形优良。

Description

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝及制备方法

技术领域

本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种低稀释率药芯焊丝及制备方法。

背景技术

因能便捷进行金属零部件修复及再制造，药芯焊丝堆焊技术在现代制造业中得到广泛应用。堆焊过程中，除了药芯焊丝，母材亦有部分熔化，导致母材对堆焊金属的稀释现象。如果稀释率过高，则会引起堆焊成分变化，从而影响堆焊合金的性能。然而，如何降低堆焊稀释率是一个难题。

自2004年英国科学家以石墨为基础，从中分离得到了石墨烯以来，由于其独特的结构性能及优势，迅速得到了广泛的研究及应用。石墨烯是一种空间二维性质的材料，平时所述石墨烯材料，一般指单层石墨烯，但是它还存在着双层石墨烯以及多层石墨烯。它是一种由C原子以SP2杂化形式连接的，其中C原子整齐的排列，形成蜂窝状的结构。石墨烯中的C原子，不仅用σ键和其他的C原子进行连接，而且多余的π电子与之外C原子的电子会形成大π键，在这个范围内，电子的移动不受限制，可以自由的进行转移，这就使石墨烯在导电方面具有极好表现。此外，石墨烯的导热性能优异，其导热系数达到了5000W/(m·K)，比碳纳米管材料的导热系数还要大，比Au、Ag等材料的导热系数大十倍左右。

目前，石墨烯在焊接领域也得到了初步应用，一方面是提高焊丝防锈功能，改善送丝性，另一方面主要发挥细化晶粒作用，用于提高焊缝的力学性能。如专利(ZL201710578556.2)报道了一种用石墨烯涂覆的焊丝，通过将石墨烯浆料涂覆并包裹于焊丝本体表面,形成石墨烯涂层，从而制得用石墨烯涂覆的焊丝，增强焊丝的防锈能力，可使焊丝表面更光滑。专利(ZL201710799215.8)发明了一种石墨烯焊丝，其利用氧化石墨为原料，通过将氧化石墨涂覆与焊丝表面，再对焊丝表面的氧化石墨进行还原制得石墨烯焊丝，具有优良的耐腐蚀性能和送丝性。专利(ZL201610826722.1)提供了一种石墨烯复合粉末热喷涂复合焊丝及制备方法，通过热喷涂加工方式在基材表面生成少层石墨烯细化晶粒，从而提高了基材表面硬度和耐磨性能。专利(CN201610826334.3)公开了一种耐热耐磨药芯焊丝，利用在药芯粉中加入纳米级石墨烯、稀土元素和碳化铬等组分，并通过优化组分合理范围，实现了焊缝金属组织细化和均匀化，提高了堆焊金属的高温回火稳定性。此外，专利(ZL202011194495.8)则解决了焊丝自保护效果不良及晶粒粗大的缺陷，增强耐磨性及抗氧化能力，细化晶粒，提高焊缝硬度，改善冲击韧度的效果。

考虑到石墨烯在焊接过程中剧烈脱氧产生大量的气体逸出，极其有利于熔池热量扩散并被带出，有望明显降低堆焊稀释率。目前，降低稀释率通常采用优化焊接方法或工艺参数的途径，尚未有利用石墨烯来改善药芯焊丝堆焊稀释率的相关报道。

发明内容

发明目的：为解决现有技术中存在的技术问题，本发明提供了一种低稀释率的堆焊药芯焊丝及制备方法。

技术方案：为实现上述技术目的，本发明提供了一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，所述低稀释率的堆焊药芯焊丝包括低碳钢带和药芯粉末，药芯粉末填充于低碳钢带中，药芯中各粉末按占焊丝总重的质量百分比含量包括如下组分：石墨烯0.018％～0.036％，硼铁4.8％～7.2％，硼硅铁0.6％～1.8％，纳米氧化锆0.24％～0.72％，氟钛酸钾0.12％～0.6％，铝镁合金0.36％～1.2％，锰1％～3％，余量为铁。

其中，硼铁含硼量(质量分数)为18～20％，其余为铁；硼硅铁含硅量(质量分数)为19～22％，含硼量(质量分数)为4～5％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量(质量分数)为47～53wt％，其余为镁。

作为优选，所述低碳钢带为低碳钢带H08A，具体成分为：C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:≤0.3％，S:≤0.03％，P:≤0.03％，余量为Fe。

优选地，所述药芯中的石墨烯、硼铁、硼硅铁、纳米氧化锆、氟钛酸钾、铝镁合金、锰及铁粉组分的粒径为200目～300目，粉末粒度太大，焊丝拉拔成型困难，粒度太小则导致粉末流动性变差。

优选地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.8×12mm。

优选地，所述焊丝的直径为1.6或1.2mm的一种。

本发明内容还包括所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝的制备方法，包括如下步骤：

(1)利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的12～15％加入到U形槽中；

(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6或1.2mm中的一种，得到最终产品。

在上述药芯中各组分主要作用如下：石墨烯在焊接过程中强烈脱氧产生大量的气体逸出，极其有利于熔池热量扩散并被带出，并改善熔池特性，有利于降低堆焊稀释率。当添加石墨烯含量低于0.018％时，药芯焊丝堆焊金属的稀释率较高，而当石墨烯添加量超过0.036％时，由于石墨烯较轻，无法达到预定填充率的药芯焊丝，药芯粉末的含量不够，焊丝的工艺性能明显恶化。硼铁与硼硅铁同时添加，一方面将克服传统添加硼铁导致粉末混合难以均匀的难题，发挥硼的脱氧作用和硼硅原位同步脱氧效能，另一方面将和铝镁合金、锰一起协同脱氧，作为石墨烯脱氧的重要补充，调控石墨烯氧化的程度和频率，促进气体稳定逸出带走热量，且石墨烯的添加有利于改善熔池特性，从而降低稀释率，同时实现空气中的自保护焊接。剩余的硼、硅、铝、镁、锰过渡到堆焊金属中，具有强化堆焊金属的作用。纳米氧化锆和氟钛酸钾稳定焊接电弧并且改善焊丝工艺性能并降低H含量。

由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明通过在药芯中添加石墨烯在焊接过程中脱氧气体产物的逸出散热作用来降热降稀释率，同时添加硼铁、硼硅铁、铝镁合金、锰协同脱氧来控制氧含量，从而调控石墨烯氧化的程度，促进气体产物稳定逸出带走热量，为降低稀释率提供重要技术设计。且石墨烯的添加有利于改善熔池特性。并添加纳米氧化锆和氟钛酸钾，利用钠离子和钾离子稳定焊接电弧，氟离子降低H含量，并且调整熔渣特性，改善焊丝工艺性能，最终获得低稀释率的堆焊药芯焊丝。

有益效果：本发明的药芯焊丝，通过添加石墨烯在焊接过程中脱氧产生气体产物，同时通过添加其他复合脱氧成分来调控石墨烯脱氧气体产物逸出频率和程度，促进气体稳定逸出带走热量，且石墨烯的添加有利于改善熔池特性，从而降低稀释率，极大提高材料利用率和堆焊合金成分含量水平，且无需添加气体保护，无焊接气孔，堆焊成形优良。

附图说明

图1是石墨烯含量为0.036％(占焊丝总重的质量百分比含量)时堆焊金属横截面图；

图2是石墨烯含量为0％(占焊丝总重的质量百分比含量)时堆焊金属横截面图；

图3是稀释率计算原理图。

具体实施方式

根据下述实施例，可以更好地理解本发明。然而，实施例所描述的具体的药芯组分配比、工艺条件及其结果仅用于说明本发明，而不应当也不会限制权利要求书中所详细描述的本发明。其中，下列各实施例中所使用的硼铁含硼量(质量分数)为18～20％，其余为铁；硼硅铁含硅量(质量分数)为19～22％，含硼量(质量分数)为4～5％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁。

实施例1

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:≤0.3％，S:≤0.03％，P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0.036％，硼铁5％，硼硅铁0.8％，纳米氧化锆0.5％，氟钛酸钾0.15％，铝镁合金0.6％，锰3％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为12％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.2mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属横截面如图1，可见熔合线较为平缓，基材熔化区域相对较小，稀释率较低。稀释率和堆焊金属成形情况见表1。

实施例2

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％,Mn:0.3～0.55％,Si:≤0.3％,S:≤0.03％,P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0.025％，硼铁7.2％，硼硅铁0.6％，纳米氧化锆0.24％，氟钛酸钾0.6％，铝镁合金0.7％，锰1.2％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为13％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.6mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属稀释率和和堆焊金属成形情况见表1。

实施例3

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:≤0.3％，S:≤0.03％，P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0.018％，硼铁4.8％，硼硅铁1.8％，纳米氧化锆0.72％，氟钛酸钾0.12％，铝镁合金1.2％，锰2％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为15％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.2mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属稀释率和和堆焊金属成形情况见表1。

实施例4

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:≤0.3％，S:≤0.03％，P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0.02％，硼铁5.25％，硼硅铁1％，纳米氧化锆0.6％，氟钛酸钾0.3％，铝镁合金0.36％，锰1％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为14％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.2mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属稀释率和堆焊金属成形情况见表1。

对比例1

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:0.3％，S:≤0.03％，P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0％，硼铁5％，硼硅铁0.8％，纳米氧化锆0.5％，氟钛酸钾0.15％，铝镁合金0.6％，锰3％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为12％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后获得直径为1.2mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属横截面如图2，可见熔合线下凹严重，基材熔化区域相对较大，稀释率较大。稀释率及堆焊金属成形情况见表1。

对比例2

一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，包括低碳钢带H08A和药芯粉末，药芯中各粉末填充于低碳钢带中。钢带H08A成分为C:≤0.1％，Mn:0.3～0.55％，Si:0.3％，S:≤0.03％,P:≤0.03％，余量为Fe。药芯粉末按占焊丝总重的质量百分比含量进行如下配制：石墨烯0.045％，硼铁5％，硼硅铁0.8％，纳米氧化锆0.5％，氟钛酸钾0.15％，铝镁合金0.6％，锰3％，余量为铁。制备方法为：所有粉末分别过200目和300目筛，确保粉末粒度200目～300目。将所取各种粉末置入混粉机内，混合60分钟，然后把混合粉末加入U形的0.8mm×12mm的H08A碳钢钢带槽中，设定填充率为12％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm、2.55mm、2.4mm、2.2mm、2mm、1.8mm、1.6mm、1.45mm、1.4mm、1.3mm、1.2mm的拉丝模，逐道拉拔、减径，中途断丝，无法得到填充率为12％的焊丝产品。将填充率降低至8％后，最后获得直径为1.2mm的产品。将其在Q235钢上堆焊，Q235钢的化学成分为C≤0.22％，Mn≤1.4％，Si≤0.35％，S≤0.050，P≤0.045。焊接电流为250～290A，焊接电压为26～28V，焊接速度为0.2m/min，堆焊金属成形极差，这是由于药粉填充少，保护严重不足，出现较多气孔，焊接金属成形差。焊接金属稀释率不可计算，堆焊金属成形情况见表1。

稀释率就是熔池中基材熔化的金属所占的比例大小，计算公式为：

其中，A₁——基材熔化面积；

A₂——焊接金属面积。

稀释率计算原理图如图3。

表1堆焊金属稀释率及成形

Claims

1.一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝包括低碳钢带和药芯粉末，所述药芯粉末填充于低碳钢带中，所述药芯中各粉末按占焊丝总重量的质量百分比含量包括如下组分：石墨烯0.018%～0.036%，硼铁4.8%～7.2%，硼硅铁0.6%～1.8%，纳米氧化锆0.24%～0.72%，氟钛酸钾0.12%～0.6%，铝镁合金0.36%～1.2%，锰1%～3%，余量为铁。

2.根据权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带为低碳钢带H08A，具体成分为C: ≤0.1%，Mn: 0.3～0.55%，Si: ≤0.3%，S: ≤0.03%，P: ≤0.03%，余量为Fe。

3.根据权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，以质量分数计，所述的硼铁含硼量为18～20%，其余为铁；所述的硼硅铁含硅量为19～22%，含硼量为4～5%，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt%，其余为镁。

4.根据权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述药芯中的石墨烯、硼铁、硼硅铁、纳米氧化锆、氟钛酸钾、铝镁合金、锰及铁组分的粒径为200目～300目。

5.根据权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述低碳钢带厚度×宽度为0.8×12 mm。

6.根据权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝的直径为1.6或1.2 mm中的一种。

7.权利要求1所述的一种低稀释率的堆焊药芯焊丝的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）利用成型轧辊将低碳钢钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯粉末按焊丝总重的12～15%加入到U形槽中；

（2）将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到1.6或1.2mm中的一种，得到最终产品。