CN113967809B - 一种铁镍基合金药芯电焊条及其制备方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种铁镍基合金药芯电焊条及其制备方法，所述电焊条包括管体、填充于管体内的药芯、以及包裹管体的药皮；药芯为纯镍粉，其于管体内的填充率为100％；药皮由如下质量百分含量的组分组成：矿粉42.0％‑54.0％、高钾长石粉14.0％‑27.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％‑3.0％以及纯镍粉余量，矿粉包括碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉。该电焊条在焊接过程的电弧端部不漏粉、管皮与药皮不发红、电弧稳定、焊接飞溅少，焊缝成型美观光滑、焊渣全覆盖且易去除、多层焊缝无裂、无孔，所堆焊金属塑韧性、抗冲击和抗震动性良好，在使用中受强烈冲击力后加工硬化效果明显而使被堆焊工件使用寿命大大提高，适用于铸铁、铸钢件的修补、堆焊场合。

Description

一种铁镍基合金药芯电焊条及其制备方法

技术领域

本发明属于焊材技术领域，具体涉及一种铁镍基合金药芯电焊条及其制备方法。

背景技术

在制糖领域，常用于剪切、压榨甘蔗的榨辊、撕解刀在作业过程中会发生榨滚齿崩口、磨损等现象，严重影响工件的使用寿命和生产工期，因而往往需要现场对受损工件进行补焊修理。这些工件大多是铸铁、铸钢材质，对堆焊技术及材料的要求较高；首先是堆焊金属与母材的结合强度要高且减震性好，不能出现气孔、夹渣、裂纹等现象，因压榨时的挤压力较大，若结合强度不足会导致崩口、断齿；其次，堆焊金属本身不能太硬，甚至要求比常用的铸铁纯镍Z308焊缝还要软，以便于切削加工成形；同时，堆焊材料的焊接工艺要满足现场施焊条件，例如，需满足电弧稳定，再引弧好，清渣容易，便于全位置施焊，焊接烟雾和飞溅少，焊缝成型美观等；此外，堆焊金属在使用过程中受强力挤压、冲击等作用后要有加工硬化效果，使之使用寿命得以大幅提高。除了上述的榨辊补焊滚齿用途外，一些铸铁模具，如FCD550、FC300材质的汽车模具等工件都需要类似的焊材。以往这些修复所用的焊材主要是不锈钢焊条、铸铁纯镍Z308、Z408焊条等，在实践中都或多或少出现了不理想的状况，例如：易出现裂纹，结合强度不足，没有加工硬化效果而导致使用寿命短、不易切削机加工，以及成本太高等。因此，需要寻求一种能减低使用成本、焊接工艺性能较好、与工件母材熔合度高、焊缝金属强度足够且有加工硬化功能的焊材。

镍是一种扩大奥氏体相区的元素，当其在Fe-Ni合金中的含量超过30％时能保持奥氏体组织。镍还是一种促使石墨化的元素，能减弱含碳量高的铸铁、铸钢等在焊接时半熔合区的白口宽度，故可大大减少硬化层而有利于抗裂和便于机加工作业。但镍的导热系数比钢小，电阻也较高，容易导致晶粒粗化，还极易与钢中的杂质如S、P、Si等作用生成低熔点共晶体等有害物质；而且镍的线胀系数大，焊接时易出现较大的焊接应力，导致在焊接中极易出现结晶裂纹；此外，高镍含量的焊接熔融金属的粘稠度高，流动性差，结晶温度区间太窄，导致焊接熔深浅，成型不好，焊接时气泡无法及时逸出而产生气孔。有关资料表明，焊缝中镍含量低于30％时气孔倾向较小，30％～60％区间最严重，60％以上又减弱。以上种种因素，使得在焊接高镍材料或制备高镍焊材时需要采取各种针对性措施予以应对。目前，市面上的各种电焊条基本都是以镍铁芯或纯镍芯为焊芯，外层包裹着药皮，而焊丝则相反，管皮包裹着药粉。在有关高镍焊接材料领域，已有各种各样的药芯焊丝、电焊条，比如在铸铁焊材领域有常规铸铁修补且焊缝金属加工性能优良的Z308纯镍、Z408镍铁等；国外还有一些Ni60-Fe40等特色焊材。但对于用管芯内填充纯镍粉、以及外包裹着具有各种性能物质的药皮形成的电焊条却不多见。根据CN202011087345.7“一种高耐磨药芯电焊条及其制备方法”的记载可知，药芯电焊条的管皮薄，温升大，容易在焊接过程的前期就熔化而导致管内填充物漏粉或发红，无法继续烧焊；而且镍铁芯的电阻大，焊接时升温大，易致发红而浪费；就镍铁芯制作的电焊条而言，其药皮中如果还加入了一定量的镍粉，则只有在药皮中含较多量的酸碱性物质比如碳酸盐、氟化物、氧化钛型矿粉的渣系时工艺才较好，但此时镍的过渡系数很低；而在药皮中的酸性物质比如氧化钛型矿粉太多，就很容易引起焊缝气孔。纯镍芯成本高，造价高，只有特殊场合才考虑使用。而管芯电焊条的管皮温升、管芯粉与药皮熔化匹配、管芯药皮电焊条全位置焊接、加强与铸铁材质熔合力、含镍高出现的气孔敏感性等问题就制约着这种新型材料的发展。如何破解这些难题，就成为了当务之急。

发明内容

为解决上述现有技术中存在的不足之处，本发明的目的在于提供一种铁镍基合金药芯电焊条及其制备方法。

为达到其目的，本发明所采用的技术方案为：

一种铁镍基合金药芯电焊条，其包括管体、填充于所述管体内的药芯、以及包裹所述管体的药皮；所述药芯为纯镍粉，其于所述管体内的填充率为100％；所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：矿粉42.0％-54.0％、高钾长石粉14.0％-27.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％-3.0％以及纯镍粉余量，所述矿粉包括碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉。

优选地，所述纯镍粉的Ni含量≥99.50％。

优选地，所述药皮中，碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉的质量比为1:1:1。

优选地，所述管体为碳钢空心管。

理论上，镍的熔点为1455℃，与钢相近，它们在液态、固态下均无限溶解，从而为解决管状填充纯镍粉提供了可能。如果管皮、药芯粉、药皮的熔化速度基本相近，就能避免管皮发红、熔断、漏粉等问题。从焊接熔敷效率和熔化速度来看，在中弱氧化性药皮中添加适量的碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质且不加入或加入更多的纯镍粉这两个极端情况下，镍铁芯与管芯填充100％纯镍粉的情形比较，前者的熔敷效率、熔化速度均逊于后者，当镍粉加入量居中时，前者甚至出现了焊缝气孔问题。将上述焊材以及对比组铸铁Z408、常规修补铸铁汽车模具FCD550、FC300材料的型号为210的焊条，对接普通钢板Q215与铸铁汽车模具FCD550、FC300材料，随后对接头进行冲击试验发现，接头断裂面有多种情况，有的位于铸铁模具一侧，有的断裂在母材和焊缝中。用210焊条、镍铁实芯药皮中还加一些镍粉的高镍铁焊条等要比管芯药皮焊条、Z408的效果差一些，而镍铁实芯药皮中不加镍粉的高镍铁焊条对接FCD550的效果最好，但对接FC300的效果一般，特别是前两个断于母材一边，且在对接FC300时接头熔深浅，只拉断了很少部分的母材金属，而后者情况不同，拉断面一部分是大块的母材金属，另一部分还是镍铁焊层金属自身断裂。这充分说明了管芯镍铁药皮焊条具有与铸铁母材熔合度更大的特性，但从熔融状态时的液态金属流动性来看，管芯的效果又优于Z408。由此可见，管芯镍铁药皮焊条可适当改进因镍铁芯熔融状态时粘度大、流动差且熔深浅的缺陷，也可承受更大的冲击力。此外，经堆焊层焊后及适当加工硬化后所做的硬度实验发现，将有强烈加工硬化效果的高锰钢焊条D286、铸铁焊条Z308、各种药皮组合制作的镍铁芯高镍铁焊条与管状药皮焊条对比，焊后三层硬度测试发现，适量加入碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质且镍含量居中间范围的药皮管芯电焊条堆焊层硬度最低，甚至比Z308铸铁焊条的还低，这对机加工非常有利；在经适当加工硬化后发现，这类焊条虽没有高锰钢那样的加工硬化效果，但也能将其硬度值成倍增长，因而在使用中一旦焊缝金属受到强烈冲击力作用，就将产生强硬化效果而提高工件的使用寿命，其他组合的镍铁芯或管芯镍铁药皮电焊条均不如这些效果。由此可见，加入适量的碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质且镍含量居中间范围的药皮管芯电焊条具有更加好的综合功能。

本发明中，因药皮中不含石墨、碳化硼、碳化钨这一类的高熔点物质，向药皮中添加适量的碳酸盐矿粉、氟化物矿粉、氧化钛型矿粉、高钾长石粉等均提高了药皮的熔化速度，使之与管皮、药芯粉的熔化基本同步，而且，也使焊接熔池金属的流动性改善了许多，焊缝成型也因此变好。从焊接工艺角度看，不加氧化钛型矿粉，而加较多的氟化物矿粉，虽也有类似效果，但电弧稳定性、再引弧性会变差；不加碳酸盐矿粉，加较多的氧化钛型矿粉，则将引起焊缝气孔倾向性变大。而且，因碳酸盐矿粉、氧化钛型矿粉、高钾长石粉都是氧化性相当强的物质，加入太多将导致镍的氧化、烧损严重而过渡系数下降。因此，只有将碳酸盐矿粉、氟化物矿粉、氧化钛型矿粉三者以相同比例加入且控制在一定范围内时，焊接工艺和镍的过渡系数才能达到最佳。本发明人经过大量实验研究发现，碳酸盐矿粉、氟化物矿粉、氧化钛型矿粉三种粉料的总量合计为42.0％-54.0％时为最佳；若总量过少，会造成电弧吹力小，熔深浅，药皮保护性差，易引起气孔，熔融金属流动性不好，成形变差；若总量过大，会造成镍合金的烧损大，过渡减少，焊渣太多，不利于脱渣和全位置焊接。

高钾长石粉含有稳弧物质K₂O，能有效地细化熔滴，改善其过渡形式，提高药皮的熔化速度；随着高钾长石含量的增加，熔化速度加快，焊条温升下降，就可以减轻发红、漏粉倾向，这些也都同时改善了镍的过渡。经实验研究发现，高钾长石粉的加入量以14％-27％范围为宜，若加入量过少，无法起到有效改善作用，药皮仍容易发红，若加入量过多，会导致酸性渣太多，不利于抗裂性和镍的过渡。

加入少量的金属锰粉能提高药皮的脱氧、脱硫水平，提高抗结晶裂纹能力。但这种物质不宜加入过多，以加入3.0％为佳，否则将导致焊缝抗脆断性下降。实验表明，药皮中加入其它铝、镁、钛等类似锰的具有脱硫、脱氧、变质剂作用的元素效果不大，反而易出现焊缝气孔、粘渣等问题。

焊缝金属中的含镍量在49.0％-51.0％之间时，抗脆断能力较佳，焊缝硬度低，机加工性好。若镍含量过高，虽然抗脆断能力基本相近，但性价比不好，硬度偏大，机加工性差；若含镍量过低，则抗脆断能力下降，硬度也升高，不利于机加工及与母材的结合性能。而管芯内因填充100％的镍粉，此时的整体管芯电阻比镍铁芯的小，且导热系数更大，即比镍铁芯的发热程度小，故效果更好。将这种填充后的管芯、管皮熔融后检验得出，镍的含量为41％左右。采用碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质适量的药皮，不另加镍，堆焊后其成分中镍含量为38％左右；如果是药皮中碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质的加入量太大，则焊缝中镍含量只有32％左右。如此可见，必须选择前者才有意义。而要达到焊缝金属中的镍含量在49.0％-51.0％，还需要在药皮中额外添加足够的镍粉。经大量实验发现，药皮中镍的过渡系数在前者药皮情况下基本为42％左右，即药皮中镍粉的加入量应在26％-33％范围。

在药皮中加入钛白粉，可改善焊条的生产压涂性，但其加入量以2.0％-3.0％为限。由于其属于氧化钛型物质，会增大熔渣酸度，对镍过渡和焊缝抗气孔性不利，因此不宜加入太多，否则会影响综合性能。

从渣系酸碱度而言，碳酸盐类和氟化物类矿粉为碱性，氧化钛型矿粉为酸性，镍合金在这种酸碱度适中的场合被氧化和烧损得少，合金过渡系数大，焊接熔融金属流动性适中，焊接引弧、稳弧性好，焊条不发红，不漏粉，脱渣容易，渣覆盖密，抗气孔性强，适合全位置施焊。

经研究还发现，管芯外裹的药皮厚度对抗脆断水平、焊接工艺性特别是气孔敏感性的影响较大。若药皮的厚度太小，会使管皮容易发热、发红，焊层硬度增大，容易出现气孔，抗脆断能力差；若药皮的厚度太大，会导致焊渣增多，熔池金属流动性太大，全位置施焊性能差，不利于多层堆焊；此外，药皮的厚度太大也会影响焊条的生产压涂性。研究得出，以管体的壁厚为0.3-0.5mm、直径为Φ4.0mm为例，药皮的外径为Φ6.9-7.1mm为最佳。

此外，还必须控制好药芯及药皮中各种粉料的颗粒度。若颗粒度过大，会减少它们之间的接触面积而使受热不均匀，还会使管内颗粒混合松散，使熔滴端部容易因受热严重而烧穿致漏粉，焊缝中还容易出现气孔；反之，将增加管内的气流压力，从而影响透气性，导致散热慢，使管皮和药皮发红。为此，优选地，所述纯镍粉、金属锰粉的粒度分别为60-100目，所述氧化钛型矿粉的粒度为40-160目，所述高钾长石粉、碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉的粒度分别为80-200目，所述钛白粉的粒度为280-325目。

使用时，所述铁镍基合金药芯电焊条可使用交流或直流焊接电源进行施焊，焊接电流需控制在160-180A之间，超出此范围将易出现气孔、焊条发红等现象。

经过大量试验研究得出，本发明中效果较好的药皮配方如下：

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉27.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉26.0％。

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉18.0％、氟化物类矿粉18.0％、氧化钛型矿粉18.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉3.0％和纯镍粉26.0％。

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉23.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％。

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉17.0％、氟化物类矿粉17.0％、氧化钛型矿粉17.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％。

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉20.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉33.0％。

优选地，所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉16.0％、氟化物类矿粉16.0％、氧化钛型矿粉16.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉33.0％。

上述配方下，焊层的抗脆断能力、以及焊条的工艺性和使用要求均能得到满足。

优选地，所述药芯和管体的总质量为所述铁镍基合金药芯电焊条的质量的58.0％-61.5％，所述药皮的质量为所述铁镍基合金药芯电焊条的质量的38.5％-42.0％。该参数限定下，药皮和药芯在过渡镍、耐发红、焊缝金属机加工水平等方面的效果均较好，还避免了电弧端部漏粉，延长了所焊工件的使用寿命。

优选地，所述管体的壁厚为0.3-0.5mm，所述管体的外径为Φ4.0mm，所述药皮的外径为Φ6.9-7.1mm，所述电焊条的长度为400mm。该规格控制下，能使焊条的焊接工艺性、焊缝金属的抗气孔性、抗裂性、与母材的结合力和硬度等都达到较佳水平。

本发明还提供一种铁镍基合金药芯电焊条的制备方法，其包括如下步骤：

(1)采用碳钢钢带制备所需规格的管体；

(2)按配方称取纯镍粉，填充于管体中，形成药芯；

(3)按配方称取所述药皮的组分，并将组分搅拌均匀，用粘结剂将药皮粘结，然后包裹在管体的外表面上，并将管体的两端口密封，烘干，即得所述铁镍基合金药芯电焊条。

优选地，所述步骤(3)的烘干温度为280-300℃。

优选地，所述粘结剂为钾钠高模数水玻璃，其模数为2.9-3.1，浓度为42-45°Bé。

优选地，所述钾钠水玻璃中，钠原子与钾原子的摩尔比为1:3。上述粘结剂的使用效果较好，不会对焊条造成不利影响。

优选地，所述步骤(3)在包裹药皮时可在现有生产焊条专用的油压涂粉机上实施，将药皮压涂在管体的外表面上；涂压时注意送丝轮间隙要适当加大，以防压扁管体。

与现有技术相比，本发明的有益效果为：本发明通过在空管内100％填充纯镍粉作为药芯，并外裹含起着各种性能要求的粉料药皮的方式制作了药芯电焊条。这种焊条因管内是纯镍粉，相对镍铁实芯而言，可降低管芯的电阻率，提高导热系数而减少管皮发红、易熔断、漏粉等现象发生。本发明还通过在药皮中加入适量的碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉三种物质，使熔渣酸碱度适中，还加入了适量的高钾长石粉及镍粉等组合，使熔滴过渡呈渣壁过渡、细粒过渡、喷射过渡多种组合的过渡形式，提高了药皮的熔化速度，实现了药芯、管皮、药皮三者的熔化水平相匹配，进一步有效控制管皮、药皮的发红性、焊接工艺性(焊接飞溅、脱渣、熔融金属流动性、气孔敏感性等)以及使焊缝硬度变大，镍元素能更多地过渡到焊缝金属中，焊接熔深，克服了高镍铁芯熔深浅的弊端，实现了铸铁及其模具的焊缝抗裂性好、机加工性佳(优于铸铁Z308的机加工性能)而又具有一定的加工硬化功能、焊缝抗冲击力强、工件使用寿命高、以及性价比合理等的目的。本发明的焊条尤其适用于铸铁、铸钢材质工件的焊补，比如糖厂常用于剪切、压榨甘蔗的榨辊齿和撕解刀、以及汽车模具FCD550、FC300等材质的工件的手弧焊堆焊场合，焊缝抗裂性好，易机加工，抗冲击力强，焊补后工件的使用寿命较长。

具体实施方式

下面将结合实施例对本发明的技术方案作进一步描述，显然，所描述的实施例仅仅是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例。基于本发明中的实施例，本领域技术人员在没有做出创造性劳动前提下所获得的所有其他实施例，都属于本发明保护的范围。实施例中使用的原料均可通过市售购买获得，比如：(1)纯镍粉的Ni含量≥99.50％、金属锰粉的Mn含量≥99.50％、钛白粉的TiO₂≥99.0％，均购自江苏省海门市金易焊材公司；(2)碳酸盐类矿粉的CaCO₃含量≥96.0％，氟化物类矿粉的CaF₂含量≥96.0％，高钾长石粉的SiO₂含量≥60.0％、K₂O+Na₂O含量≥12.0％，均购自湖南省长沙大托矿厂；(3)氧化钛型矿粉的TiO₂含量≥95.0％，购自广东省雷州焊材公司。

实施例1

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其包括管体、填充于管体内的药芯、以及包裹管体的药皮。其中，药芯及管体的总质量为铁镍基合金药芯电焊条的质量的59.0％，药皮的质量为铁镍基合金药芯电焊条的质量的41.0％。药芯为纯镍粉，其在管体内的填充率为100％。药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉27.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉26.0％。

本实施例的铁镍基合金药芯电焊条中，管体的壁厚为0.4mm、外径为Φ4.0mm，药皮的外径为Φ7.0mm，焊条的长度为400mm。

本实施例的铁镍基合金药芯电焊条的制备方法，包括以下步骤：

(1)采用碳钢钢带通过轧制、卷圆工序制备所需规格的管体；

(2)按配方称取纯镍粉，填充于管体中，形成药芯；

(3)按配方称取药皮的组分，并将组分搅拌均匀，然后加入粘结剂混合均匀，然后通过油压涂粉机挤压在管体的外表面上，并将管体的两端口用药皮粉密封，280～300℃烘干，即得铁镍基合金药芯电焊条；粘结剂为钾钠高模数水玻璃，其模数为2.9～3.1，浓度为42-45°Bé。

实施例2

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。本实施例的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉18.0％、氟化物类矿粉18.0％、氧化钛型矿粉18.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉3.0％和纯镍粉26.0％。

实施例3

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。本实施例的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉23.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％。

实施例4

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。本实施例的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉17.0％、氟化物类矿粉17.0％、氧化钛型矿粉17.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％。

实施例5

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。本实施例的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉14.0％、氟化物类矿粉14.0％、氧化钛型矿粉14.0％、高钾长石粉20.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉33.0％。

实施例6

本实施例提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。本实施例的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉16.0％、氟化物类矿粉16.0％、氧化钛型矿粉16.0％、高钾长石粉14.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉33.0％。

对比例1

对比例1提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。对比例1的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉20.0％、氟化物类矿粉20.0％、氧化钛型矿粉20.0％、高钾长石粉9.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉26.0％。

对比例2

对比例2提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。对比例2的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉20.0％、氟化物类矿粉20.0％、氧化钛型矿粉20.0％、高钾长石粉5.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％。

对比例3

对比例3提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。对比例3的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉17.0％、氟化物类矿粉17.0％、氧化钛型矿粉17.0％、高钾长石粉10.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉3.0％和纯镍粉33.0％。

对比例4

对比例4提供了一种铁镍基合金药芯电焊条，其与实施例1的区别仅在于药皮的配方不同。对比例4的药皮由如下质量百分含量的组分组成：碳酸盐类矿粉20.0％、氟化物类矿粉20.0％、氧化钛型矿粉20.0％、高钾长石粉1.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉3.0％和纯镍粉33.0％。

为探究药皮的组成含量对焊条各项性能的影响，对实施例1～6和对比例1～4制备的电焊条进行了如下几种试验：

试验一、首先考察电焊条的药皮在焊接时的发红程度，对发红稍严重的予以淘汰，余下的继续做下一步试验。

试验方法：采用型号为ZX7 400焊机，施焊电流为180A，交流施焊，同一配方的电焊条均烧焊三根整根的焊条，记录其发红程度。结果发现，凡药皮中高钾长石含量低于14％的焊条，比如对比例1～4，均出现了不同程度的发红现象。因此，在下一阶段试验时，首先淘汰这四组配方。

试验二、设计了如下对比组1、2、3、4四组，将对比组1～4的药皮配方分别与两种药芯(焊芯A：镍铁实芯，焊芯B：管芯100％填充纯镍粉)制备焊条(焊条以焊芯类型作标记)，考察上述焊条、以及实施例3和实施例6的焊条的熔敷效率和熔化速度，焊接工艺参数同试验一。

对比组1

药皮的质量百分含量配方为(不加镍粉)：碳酸盐类矿粉28.5％、氟化物类矿粉28.5％、氧化钛型矿粉28.5％、高钾长石粉8.5％、金属锰粉3.0％和钛白粉3.0％。

对比组2

药皮的质量百分含量配方为(不加镍粉)：碳酸盐类矿粉23.0％、氟化物类矿粉23.0％、氧化钛型矿粉23.0％、高钾长石粉26.0％、金属锰粉3.0％和钛白粉2.0％。

对比组3

药皮的质量百分含量配方为(加中等含量的镍粉)：碳酸盐类矿粉20.0％、氟化物类矿粉20.0％、氧化钛型矿粉20.0％、高钾长石粉8.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉3.0％和纯镍粉26.0％。

对比组4

药皮的质量百分含量配方为(加更多含量的镍粉)：碳酸盐类矿粉18.0％、氟化物类矿粉18.0％、氧化钛型矿粉18.0％、高钾长石粉1.0％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉40.0％。

以上对比组的各焊条的药芯直径、药皮外径、焊条长度和生产工艺均与实施例1相同。试验结果如下表一所示。表中熔敷效率是指熔敷金属量与熔化的填充金属(焊芯)量的百分比，熔化速度是指单位时间内熔化的长度。

表一、焊条的熔敷效率和熔化速度

由表一可知：在熔敷效率方面，对比组1显示，无论实芯还是药芯，因药皮中加入较多的碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉三种物质且药皮中不含镍粉，熔敷效率最低；对于药芯而言，只要药皮中加入的碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉三种物质减少，其熔敷效率都显著提高，而不论药皮中有无镍粉都影响不大；对于实芯而言，其熔敷效率也随上述三种矿粉的减少而逐步提高。说明这三种矿粉不能加入太多，才能获得较高的熔敷效率。但从实施例3、6来看，这些粉的加入也不能太低，否则同样影响熔敷效率。另外，对于含镍量为中等水平的药皮而言，如果采用镍铁实芯的焊芯制备电焊条，容易产生气孔。

在熔化速度方面，药皮相同时，纯镍粉药芯填充率100％的电焊条的熔化速度均大于镍铁实芯焊条的熔化速度。对于焊芯相同但药皮不同的电焊条，实施例3和实施例6的药皮中因比对比组3含有更多的高钾长石粉，虽然对比组3的药皮中含有比实施例3和实施例6更多的矿粉(即碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉)，但对比组3的焊条的熔化速度明显下降。

综合以上两个因素，说明焊条药皮的组分含量只有在适量时才具有有益效果。而同等药皮条件下，采用镍铁实芯的电焊条的熔化效果要差于采用纯镍粉药芯填充率100％的电焊条，且前者容易产生气孔等缺陷。

试验三、考察实施例2、3、6的焊条在堆焊一层、三层及简易方法加工硬化后的布氏硬度。同时引入上述对比组1、3、4(A代表采用镍铁实芯焊芯，B代表采用填充率100％的纯镍粉药芯)及以下对比组5-7作为对比：

对比组5：常用的抗裂性好且加工硬化效果优良的高锰钢堆焊条D286，焊芯直径为Φ4.0mm。

对比组6：市售常用于修补铸铁的可加工的Z308焊条，焊芯直径为Φ3.2mm。

对比组7：市售加工性仅次于Z308但强度更高的铸铁Z408焊条，焊芯直径为Φ4.0mm。

采用前述方法，在规格为60mm×40mm×20mm的普通钢板Q215上堆焊一层、三层，焊接工艺参数同试验一。焊件空冷后镶嵌在试验平台上，磨平最顶层表面，并采用型号为AH150的里氏硬度计测定布氏硬度。本试验的简易加工硬化试验在自制的冲击试验装置上进行，装置上设有循环运动的1公斤重的锤头，利用该锤头打击堆焊三层的焊层，而后对焊层按每打击100次为单位进行考察其经加工硬化后的布氏硬度。结果如表二所示。

表二、焊层的布氏硬度值(HB)

从表二可知，实施例2、实施例3和实施例6的堆焊层硬度均低于铸铁Z308和Z408的堆焊层硬度，机加工性能更好。而对比组的数据除了部分低于铸铁焊条外，其他的均要高些，尤其是镍铁芯焊芯的电焊条，因此其机加工性能较差。在堆焊层受加工硬化后的硬化效果方面，所有试验组普遍都有加工硬化功能，焊缝中含镍较多的加工硬化效果要好些。这些加工硬化效果非常有利于堆焊层金属的抗冲击能力的提升，从而延长了工件使用寿命。

试验四、考察实施例4、上述对比组2/A(A代表采用镍铁实芯焊芯，下同)和如下对比组8的焊条堆焊在汽车模具FCD550、FC300材料表面上焊后一层、三层及简易方法加工硬化后的布氏硬度、洛氏硬度；此外，因对比组8为硬度值较高的耐磨堆焊焊条，其焊层硬度系洛氏硬度。对比组8：型号D210焊条。

采用前述方法施焊一层、三层。焊接工艺参数、硬度测定方法及仪器同试验三。结果如表三所示。

表三、铸铁模具表面上堆焊层的硬度值(HB、HRC)

由表三可知，实施例4与对比组2在堆焊上述模具材料时，一层硬度较高，是受母材含碳量高影响所致，到第三层时硬度基本变回焊缝的原有数值，但其受简易加工硬化处理后硬度又提高了许多，甚至在堆焊FCD550时已基本接近堆焊条D210的硬度值。从表看出，实施例4的焊条在堆焊上述模具钢材料时，堆焊层硬度均已超出母材原有硬度，而且在实际应用中，其堆焊层的耐磨性、及工件使用寿命均获得了较满意效果。

试验五、考察实施例1～6的焊条堆焊对接焊缝的抗冲击断裂水平，采用上述对比组1-4及A、B两种焊芯予以对比。试验方法：取普通钢板Q215，规格为60mm×40mm×20mm两块进行对接，考察其对接头抗冲击水平。

对接焊时除了对接时接头不开坡口，焊接每对试件速度、焊缝长度等基本一致外，其他焊接方法、工艺参数与前述方法相同。本试验所述抗冲击断裂试验也按上述试验三中的加工硬化的冲击装置上进行，只是对接后两块板的两端由夹具支撑，锤头作用在对接试板一侧，捶打时记录对接缝断裂、弯曲情况和捶打次数。在没断裂之前，两块板受冲击后弯曲越多，说明抗断力越大，一旦断裂就记录其冲击次数。冲击次数越多，抗断力越大。在对接焊过程中，有发生裂纹、气孔等情况时就不进行冲击试验。试验结果如表四、表五所示。

表四、实施例组钢板间对接缝的抗冲击试验结果

表五、对比组钢板间对接缝的抗冲击试验结果

在进行分析表中结果过程中，还分析了本试验六个实施例及四个对比组的焊缝金属化学成分。发现，无论实芯还是100％填充的纯镍粉药芯，凡普通钢板之间的对接头，其堆焊缝中含镍量在49.0％-52.0％时，冲击次数基本都超过24次才断裂，具有较好的冲击力，而且，药皮中含高钾长石粉相对越多的焊条，其冲击力越好；尤其是焊条采用镍铁实芯、以及药皮中不含镍粉、但含较多的矿粉(即碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉)和高钾长石粉时，对接缝甚至出现弯曲90°亦不会断裂的情况。当超出上述焊缝镍量范围后，抗冲击力均下降。因而，制作高镍铁焊条时，无论是镍铁实芯还是药芯，其药皮中不能添加太多的镍粉，否则效果不理想。

试验六、考察实施例1的焊条对接汽车模具FCD550、FC300材料焊缝的抗冲击断裂水平。采用对比组2/A、3/A、对比组7、8焊条予以对比。

试验时，取规格为60mm×40mm×20mm的普通钢板Q215，与汽车模具FCD550、FC300材料进行对接，考察其对接头抗冲击水平，以了解其对接头抗冲击水平。对接焊时除了对接时接头不开坡口，焊接速度、焊缝长度等基本一致，其他焊接方法、工艺参数与前述方法相同。本试验所述抗冲击断裂试验也按上述试验三所述的冲击装置上进行。试验结果见表六。

表六、对接缝抗冲击试验结果

从表六可知，对比组2/A(镍铁实芯、药皮不加镍粉)对接铸铁模具FCD550的抗冲击性最好，断口金属中母材被撕扯的量最多，其次为实施例1、对比组7，其他二组较差。而对接FC300时，实施例1、对比组7的效果最好，其他组较差，此时，其断口金属中母材被撕扯的量最少。说明了对比组2/A、实施例1、对比组7对接铸铁模具FCD550熔深大，咬合力强，达到或超过铸铁补焊、补裂纹常用的对比组7(Z408)焊条和对比组8的D210焊条；而对接FC300时，实施例1熔深较大，咬合力较强，也达到了对比组7(Z408)焊条水平。

需要指出的是，对比组8的D210焊条系堆焊FCD550、FC300铸铁模具的专用焊条，硬度较高、耐磨性较好，并不是焊接铸铁模具时用来对接或打底用的。但尽管如此，对比组3/A也只能达到与对比组8相近的水平。因而，再次证明，在制作高镍铁焊条时，无论是镍铁实芯还是药芯，其药皮组成中增加太多的镍粉并没好处。

上述几个表中发现，药皮中添加高钾长石粉具有非常明显的效果，它将大大提高焊层的抗冲击力。究其原因，主要是改善了熔滴过渡方式，焊条发红程度也相应下降，以及避免了镍元素的烧损。另外，碳酸盐类矿粉、氧化钛型矿粉在焊接过程中产生气体，提高了电弧的氧化性，有助于形成较大的电弧气体挺度，并促使母材中游离石墨的减少，有效地减少铸铁焊接时出现白口宽度，降低了接头硬化水平；加上氟化物类矿粉、碳酸盐类矿粉组合使熔渣碱度增大，有利于接头塑韧性的改善，从而提高了接头的抗冲击能力。为了进一步说明碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉、高钾长石粉含量不同对焊条药皮中镍元素过渡的影响，还作了以下试验。

试验七、药皮中矿粉添加对镍过渡效率的影响。考察实施例2和实施例6的药皮中矿粉组成对堆焊层中镍含量过渡的影响。采用对比组1/A、1/B(B代表采用100％填充的纯镍粉药芯，下同)、2/B、4/B及添加如下一组对比组9予以对比。

对比组9/B的药皮(碱性药皮)配方为：碳酸盐类矿粉25％、氟化物类矿粉40％、金属锰粉3.0％、钛白粉2.0％和纯镍粉30.0％(质量百分含量)。

试验时，堆焊母材采用普通钢板Q215，规格为100mm×50mm×16mm，采用试验一的方法在钢板表面中间部位进行堆焊三层以上。焊层化学成分及镍元素含量的检测按GB/T984-2001进行，检测结果见表七所示。

表七、焊缝金属中镍含量的检测结果

从表七可知，凡是采用药芯管状堆焊条的焊缝金属镍过渡，在本发明的矿粉含量范围内，存在一定的过渡系数。比较实施例2、实施例6及对比组1/B、2/B、4/B、9/B可发现，当管芯100％填充纯镍粉时，药皮中不加镍粉的焊条的镍粉过渡因药皮含碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉、氧化钛型矿粉、高钾长石粉含量不同而差别很大，对比组1/B因这三种物质含量高而没有高钾长石粉，氧化性太大而烧损大，因此对比组1/B的镍过渡就明显小于对比组2/B；因此，在设计药皮组成时，采用对比组2/B类似的矿粉组成、高钾长石粉量适当增加的方案是有益于镍的过渡。而且，在本发明提供的矿粉组成(比如实施例2、6)前提下，在药皮中添加镍粉而过渡到焊缝中呈某种趋势，即焊缝中含镍量随镍粉的增加，以其过渡系数42％左右增加。甚至这种趋势在再增加一定量镍粉后也有效，比如对比组4/B，但若再继续增加，于工艺、成本、抗冲击力都不利。

另外，当药皮中加一定量镍粉后，药皮呈碱性且氧化性较弱的配方组合(比如对比组9/B)的镍过渡系数与实施例6的相近，说明呈强碱性的氟化物类矿粉也有助于镍的过渡，但因其对焊接电弧稳定性影响变差，而且熔融金属流动性太大，全位置焊接工艺不好，即综合性能没有药皮中还加入适当的氧化钛型矿粉时的全面。因此还是不宜采用此种配方。

试验八、管芯药皮电焊条的经济价值预测。试验材料、工艺等同试验二。采用实施例3、对比组2/A焊条，在钢板表面中间部位堆焊一层。测算同等焊缝重量及其含镍量前提下，所需管芯及粉、实芯、两者药皮的重量，测算大体制作的材料成本。测算成本见表八所示，表中所列为焊芯直径为Φ4.0mm、药皮的外径为Φ7.0mm、长度为400mm的焊条，单位成本可实现焊缝含49％左右镍量的焊缝重量之效益比值。为方便统计，计算时因矿粉、极少量的金属锰、钛白粉数量相对便宜而忽略不计，只将实施例3、对比组2/A焊条中的实芯、管体、填充粉料和药皮中镍粉计入。

表八、两种焊芯单位成本焊条可实现焊缝重量之效益测算表

从表八可看出，从材料成本角度看，采用管芯药皮制作的电焊条是实芯药皮的1.5倍，效益显现。

试验九、管芯药皮电焊条堆焊层效果评价。取实施例5的焊条，补焊在已崩口的糖厂榨辊铸铁齿上。连续堆焊七层，约十毫米厚的焊缝，电流同试验一。焊接过程中发现，一层金属与母材熔合良好，而且全位置焊接工艺良好，熔池铁水不流淌；电弧稳定，脱渣容易，飞溅少，成型美观，无气孔夹渣、裂纹等缺陷。经半年使用后检测其表面硬度，可达HRC40左右，一层金属与母材连接牢固，仍可继续使用；再经半年后，按常规修复要求，只需在其磨损的部分表面重新堆焊一部分，就可以再重复使用。与以前曾经堆焊某国外品牌镍55铁45型号的高镍铁焊条对比，焊材价格便宜1/3,而效果基本相近。又比较曾经使用本公司的相近成分的镍铁实芯焊条，成本便宜一半,而从与母材熔合深度看，与母材的熔合更大，结合力更强。使用寿命因而有所延长。

以上种种实施例和对比组的各种试验得出，根据本发明配方制备的电焊条具有比实芯镍铁电焊条明显更优的效果，具体如下：

1、全位置焊接性能良好，电弧吹力大，与铸铁熔合性好，焊接时焊条熔敷效率高，熔化速度快，非常适于各类铸铁包括其模具的堆焊、修补场合。

2、焊接经济价值较高，焊接成本相对便宜，便于大规模推广采用。

3、焊缝加工硬化效果较理想，使用寿命满足客户需求，而机加工性优良，甚至优于常规铸铁Z308水平，可以按照使用要求加工成不同复杂形状，方便各种场合使用。

4、从汽车模具工件使用寿命看，本发明的电焊条不输于常规耐磨堆焊模具焊条，而抗裂、抗气孔等方面更优。

最后应当说明的是，以上实施例仅用以说明本发明的技术方案而非对本发明保护范围的限制，尽管参照较佳实施例对本发明作了详细说明，本领域技术人员应当理解，可以对本发明的技术方案进行修改或者等同替换，而不脱离本发明技术方案的实质和范围。

Claims (8)

1.一种铁镍基合金药芯电焊条，其特征在于，包括管体、填充于所述管体内的药芯、以及包裹所述管体的药皮；所述管体为碳钢空心管；所述药芯和管体的总质量为所述铁镍基合金药芯电焊条的质量的58.0%-61.5%，所述药皮的质量为所述铁镍基合金药芯电焊条的质量的38.5%-42.0%；

所述药芯为纯镍粉，其于所述管体内的填充率为100%；

所述药皮由如下质量百分含量的组分组成：矿粉42.0%-54.0%、高钾长石粉14.0%-27.0%、金属锰粉3.0%、钛白粉2.0%-3.0%以及纯镍粉余量，所述矿粉包括碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉。

2.如权利要求1所述的铁镍基合金药芯电焊条，其特征在于，所述纯镍粉的Ni含量≥99.50%。

3.如权利要求1所述的铁镍基合金药芯电焊条，其特征在于，所述药皮中，碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉和氧化钛型矿粉的质量比为1:1:1。

4.如权利要求1所述的铁镍基合金药芯电焊条，其特征在于，所述管体的壁厚为0.3-0.5mm，所述管体的外径为Φ4.0 mm，所述药皮的外径为Φ6.9-7.1mm。

5.如权利要求1所述的铁镍基合金药芯电焊条，其特征在于，所述纯镍粉、金属锰粉的粒度分别为60-100目，所述氧化钛型矿粉的粒度为40-160目，所述高钾长石粉、碳酸盐类矿粉、氟化物类矿粉的粒度分别为80-200目，所述钛白粉的粒度为280-325目。

6.如权利要求1~5任一项所述的铁镍基合金药芯电焊条的制备方法，其特征在于，包括如下步骤：

（1）采用碳钢钢带制备所需规格的管体；

（2）按配方称取纯镍粉，填充于管体中，形成药芯；

（3）按配方称取所述药皮的组分，并将组分搅拌均匀，用粘结剂将药皮粘结，然后包裹在管体的外表面上，并将管体的两端口密封，烘干，即得所述铁镍基合金药芯电焊条。

7.如权利要求6所述的铁镍基合金药芯电焊条的制备方法，其特征在于，所述步骤（3）的烘干温度为280-300℃。

8.如权利要求1~5任一项所述的铁镍基合金药芯电焊条的使用方法，其特征在于，包括使用交流或直流焊接电源进行施焊，焊接电流控制在160-180A。