CN114083096B - 钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法 - Google Patents

Abstract

本发明公开了一种钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，包括1)粘结相的选择；2)硬质相的选择；3)焊接前的准备；4)编辑焊接程序；5)焊接过程执行等步骤。本发明采用双路送粉混合焊接，实现焊接时电弧混粉材料合金化，采用高温钴基作为耐高温的粘结相，采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，获得耐高温耐磨损的硬质钴基碳化钨合金。

Description

钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法

技术领域

本发明涉及焊接领域，尤其涉及一种钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法。

背景技术

钢厂开炉钻头在实际使用时为冲击钻的形式，旋转在炉壁内冲击，将炉壁击穿把液态铁水放出来。现有技术的钢厂开炉钻头从未采用过熔化焊焊接工艺，一般为做好的合金YGB硬质合金块使用钎焊的方式将其机械咬合在刃口表面。现有技术钢厂开炉钻头往往使用寿命短，一般只能打一炉就要报废且效率低，报废形式为剥落及刃口崩块。

发明内容

发明目的：针对现有技术的不足与缺陷，本发明提供一种钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，采用双路送粉混合焊接，实现焊接时电弧混粉材料合金化，采用高温钴基作为耐高温的粘结相，采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，获得耐高温耐磨损的硬质钴基碳化钨合金。

技术方案：本发明的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：包括下述步骤：

1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C 2.6-3.0，Cr 30-33，Si 1.0-2，W 14-17，Fe＜3，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn0.7-1.2，Co余量，合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W 95-96，LC 3.8-4.1；硬质相与粘结相的质量比为1:1；

3)焊接前的准备：将钻头刃口安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的第一送粉桶与第二送粉桶中；

第一送粉桶通过第一粉管与焊枪的等离子喷嘴的第一下粉口连通，单独输送粘结相粉体；第二送粉桶通过第二粉管与焊枪的等离子喷嘴的第二下粉口连通，单独输送硬质相粉体；

三个第一下粉口的直径为1.2mm，第一下粉口底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口之间的夹角角度为10°；二个第二下粉口的直径为2mm，第二下粉口底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口之间的夹角角度为10°；送气孔的直径为2.5mm；

钨针选择直径2.4mm，钨针尖打磨角度30°，将钨针插入送气孔内，使用钨针调节工具调节钨针在送气孔内的位置，打开等离子气与焊接保护气；

使用焊接控制系统的HMI屏设置等离子电流10A，等离子气1L/min，打开维护，即打开等离子弧，开启等离子电流和等离子气，这时焊枪的等离子中心孔处出现电弧；

4)编辑焊接程序：将焊枪下端的等离子喷嘴调试至待焊工件表面15mm-19mm处，设置开炉钻头刃口起弧点及收弧点；将粘结相粉体调试至焊接方向的前端，硬质相粉体调试至焊接方向的后端，实现焊接时电弧混粉材料合金化；

根据粘结相粉体的特性，设置焊接电流80A，焊接速度80mm/min，粘结相粉体送粉量5g/min，硬质相粉体送粉量5g/min，焊接时等离子气0.7L/min，等离子电流10A，保护气8L/min，粘结相粉体送粉气流量2.5L/min，硬质相粉体送粉气流量3.5L/min，摆动宽度2mm，摆动频率2Hz启动高速摆动，摆动左右停留0.02s；使用机器人在线调用参数模式；

5)焊接过程执行：使用机器人示教器启动焊接，当主电流启动后在焊接过程中，前端的三个1.2mm直径的第一下粉口会将粘结相粉体送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，后端的硬质相粉体送至液态金属表面，在撒至焊缝液态熔池表面后0.3s凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C 3.2-3.6，Cr 25-28，Si 0.8-1.8，W 14-17，Fe 6-7，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn≤0.8，WC49-51％，Co余量；钴基碳化钨的合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

在机器人走完焊接程序后自动停止焊接并执行焊接控制系统的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。

其中，所述的喷嘴为五孔二路水冷等离子嘴结构，喷嘴上端面左右两侧分别设有第一下粉分流槽与第二下粉分流槽，喷嘴中部开设有贯穿喷嘴的送气孔，喷嘴设有环形结构的冷却水槽；所述第一下粉分流槽与第一粉管连接，第一下粉分流槽开设有三个第一下粉口，第一下粉口贯穿喷嘴，第一下粉口底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口之间的夹角角度为10°；所述第二下粉分流槽与第二粉管连接，第二下粉分流槽开设有二个第二下粉口，第二下粉口贯穿喷嘴，第二下粉口底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口之间的夹角角度为10°。

其中，所述的喷嘴在使用时，粘结相粉体通过第一粉管进入喷嘴，在第一下粉分流槽处通过三个第一下粉口将粘结相粉体引导至喷嘴的下端，三路粘结相粉体以与水平面45°夹角的角度喷出；第一下粉口之间的夹角角度为10°，送出的粉末呈半圆弧形状，将粉末送至送气孔的正下方6mm-7mm处；硬质相粉体通过第二粉管进入喷嘴，在第二下粉分流槽处通过二个第二下粉口将硬质相粉体引导至喷嘴的下端，二路硬质相粉体以与水平面66°夹角的角度喷出，第二下粉口之间的夹角角度为10°，在送粉时，将大颗粒粉末送至送气孔的正下方20mm处。

其中，所述的喷嘴的上口直径为60mm，喷嘴的下口直径为20mm。

其中，所述的第一下粉分流槽与第二下粉分流槽位于喷嘴上端面直径50mm处。

其中，所述的冷却水槽位于送气孔外围，冷却水槽的宽度为5mm，冷却水槽的直径为40mm。

有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下显著优点：本发明采用双路送粉混合焊接，实现焊接时电弧混粉材料合金化，采用高温钴基作为耐高温的粘结相，采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，获得耐高温耐磨损的硬质钴基碳化钨合金。

附图说明

图1为本发明的等离子喷嘴的使用状态图；

图2为本发明的等离子喷嘴的下端面的结构示意图；

图3为本发明的等离子喷嘴的截面结构示意图；

图4为本发明的等离子喷嘴的上端面的结构示意图；

图中1为第一粉管、2为第二粉管、3为喷嘴、4为硬质相粉体、5为粘结相粉体、6为第一下粉口、7为第二下粉口、8为第一下粉分流槽、9为第二下粉分流槽、10为冷却水槽、11为送气孔。

具体实施方式

下面结合附图及具体实施方式对本发明的技术方案做进一步的描述。

本发明钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，包括下述步骤：

1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C(2.6-3.0)，Cr(30-33)，Si(1.0-2)，W(14-17)，Fe(＜3)，Mo(3-5)，Ni(3.5-4.0)，Mn(0.7-1.2)，Co(余量)，合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W(95-96)，LC(3.8-4.1)；硬质相与粘结相的质量比为1:1；

3)焊接前的准备：将钻头刃口安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的第一送粉桶与第二送粉桶中；

第一送粉桶通过第一粉管1与焊枪的等离子喷嘴3的第一下粉口6连通，单独输送粘结相粉体5；第二送粉桶通过第二粉管2与焊枪的等离子喷嘴3的第二下粉口7连通，单独输送硬质相粉体4；

三个第一下粉口6的直径为1.2mm，第一下粉口6底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口6之间的夹角角度为10°；二个第二下粉口7的直径为2mm，第二下粉口7底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口7之间的夹角角度为10°；送气孔11的直径为2.5mm；

钨针选择直径2.4mm，钨针尖打磨角度30°，将钨针插入送气孔11内，使用钨针调节工具调节钨针在送气孔11内的位置，打开等离子气与焊接保护气；

使用焊接控制系统的HMI屏设置等离子电流10A，等离子气1L/min，打开维护，即打开等离子弧，开启等离子电流和等离子气，这时焊枪的等离子中心孔处出现电弧；

4)编辑焊接程序：将焊枪下端的等离子喷嘴3调试至待焊工件表面15mm-19mm处，设置开炉钻头刃口起弧点及收弧点；将粘结相粉体5调试至焊接方向的前端，硬质相粉体4调试至焊接方向的后端，实现焊接时电弧混粉材料合金化；

根据粘结相粉体5的特性，设置焊接电流80A，焊接速度80mm/min，粘结相粉体5送粉量5g/min，硬质相粉体4送粉量5g/min，焊接时等离子气0.7L/min，等离子电流10A，保护气8L/min，粘结相粉体5送粉气流量2.5L/min，硬质相粉体4送粉气流量3.5L/min，摆动宽度2mm，摆动频率2Hz启动高速摆动，摆动左右停留0.02s；使用机器人在线调用参数模式；

5)焊接过程执行：使用机器人示教器启动焊接，当主电流启动后在焊接过程中，前端的三个1.2mm直径的第一下粉口6会将粘结相粉体5送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，后端的硬质相粉体4送至液态金属表面，在刚刚撒至焊缝液态熔池表面后0.3s左右迅速凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C(3.2-3.6)，Cr(25-28)，SI(0.8-1.8)，W(14-17)，Fe(6-7)，Mo(3-5)，Ni(3.5-4.0)，Mn(≤0.8)，WC(49-51％)，Co(余量)；钴基碳化钨的合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

在机器人走完焊接程序后会自动停止焊接并执行焊接控制系统的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。

进一步的，喷嘴3为五孔二路水冷等离子嘴结构，喷嘴3上端面左右两侧分别设有第一下粉分流槽8与第二下粉分流槽9，喷嘴3中部开设有贯穿喷嘴3的送气孔11，喷嘴3设有环形结构的冷却水槽10；第一下粉分流槽8与第一粉管1连接，第一下粉分流槽8开设有三个第一下粉口6，第一下粉口6贯穿喷嘴3，第一下粉口6底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口6之间的夹角角度为10°；第二下粉分流槽9与第二粉管2连接，第二下粉分流槽9开设有二个第二下粉口7，第二下粉口7贯穿喷嘴3，第二下粉口7底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口7之间的夹角角度为10°。其中，喷嘴3的上口直径为60mm，喷嘴3的下口直径为20mm。第一下粉分流槽8与第二下粉分流槽9位于喷嘴3上端面直径50mm处。冷却水槽10位于送气孔11外围，冷却水槽10的宽度为5mm，冷却水槽10的直径为40mm。

进一步的，喷嘴3在使用时，粘结相粉体5通过第一粉管1进入喷嘴3，在第一下粉分流槽8处通过三个第一下粉口6将粘结相粉体5引导至喷嘴3的下端，三路粘结相粉体5以与水平面45°夹角的角度喷出；第一下粉口6之间的夹角角度为10°，送出的粉末呈半圆弧形状，将粉末送至送气孔11的正下方6mm-7mm处；硬质相粉体4通过第二粉管2进入喷嘴3，在第二下粉分流槽9处通过二个第二下粉口7将硬质相粉体4引导至喷嘴3的下端，二路硬质相粉体4以与水平面66°夹角的角度喷出，第二下粉口7之间的夹角角度为10°，在送粉时，可将大颗粒粉末送至送气孔11的正下方20mm处。

钢厂开炉钻头在实际使用时为冲击钻的形式，旋转在炉壁内冲击，将炉壁击穿把液态铁水放出来。现有技术的钢厂开炉钻头从未采用过熔化焊焊接工艺，一般为做好的合金YGB硬质合金块使用钎焊的方式将其机械咬合在刃口表面。现有技术钢厂开炉钻头往往使用寿命短，一般只能打一炉就要报废且效率低，报废形式为剥落及刃口崩块。

本发明采用双路送粉混合焊接，实现焊接时电弧混粉材料合金化，采用高温钴基作为耐高温的粘结相，采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，获得耐高温耐磨损的硬质钴基碳化钨合金。焊缝经过切样检查，硬质相内部分布均匀无偏析。经过客户在炼钢厂测试，钻孔效率提升1.5倍且可连续打3-4炉钢水，打3-4炉钢水后还可继续使用。通本发明的方法为开炉钻头焊接增材，全面提高了生产质量，增加了产品使用寿命。且自动化程度高，和手工火焰钎焊相比，机器人的形式效率提高100％以上，且质量稳定高。

Claims (6)

1.钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：包括下述步骤：

1)粘结相的选择：采用高温钴基作为耐高温的粘结相，粘结相包括如下质量百分比的各组分：C 2.6-3.0，Cr 30-33，Si 1.0-2，W 14-17，Fe＜3，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn 0.7-1.2，Co余量，合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

2)硬质相的选择：采用硬度1800HRC的WC作为磨粒磨损的硬质相，硬质相包括如下质量百分比的各组分：W 95-96，LC 3.8-4.1；硬质相与粘结相的质量比为1:1；

3)焊接前的准备：将钻头刃口安装在双轴协同变位机上；采用80目-150目的筛网对粘结相、硬质相的粉末进行筛选；筛选后的粘结相、硬质相分别装入送粉器的第一送粉桶与第二送粉桶中；

第一送粉桶通过第一粉管(1)与焊枪的等离子喷嘴(3)的第一下粉口(6)连通，单独输送粘结相粉体(5)；第二送粉桶通过第二粉管(2)与焊枪的等离子喷嘴(3)的第二下粉口(7)连通，单独输送硬质相粉体(4)；

三个第一下粉口(6)的直径为1.2mm，第一下粉口(6)底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口(6)之间的夹角角度为10°；二个第二下粉口(7)的直径为2mm，第二下粉口(7)底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口(7)之间的夹角角度为10°；送气孔(11)的直径为2.5mm；

钨针选择直径2.4mm，钨针尖打磨角度30°，将钨针插入送气孔(11)内，使用钨针调节工具调节钨针在送气孔(11)内的位置，打开等离子气与焊接保护气；

使用焊接控制系统的HMI屏设置等离子电流10A，等离子气1L/min，打开维护，即打开等离子弧，开启等离子电流和等离子气，这时焊枪的等离子中心孔处出现电弧；

4)编辑焊接程序：将焊枪下端的等离子喷嘴(3)调试至待焊工件表面15mm-19mm处，设置开炉钻头刃口起弧点及收弧点；将粘结相粉体(5)调试至焊接方向的前端，硬质相粉体(4)调试至焊接方向的后端，实现焊接时电弧混粉材料合金化；

根据粘结相粉体(5)的特性，设置焊接电流80A，焊接速度80mm/min，粘结相粉体(5)送粉量5g/min，硬质相粉体(4)送粉量5g/min，焊接时等离子气0.7L/min，等离子电流10A，保护气8L/min，粘结相粉体(5)送粉气流量2.5L/min，硬质相粉体(4)送粉气流量3.5L/min，摆动宽度2mm，摆动频率2Hz启动高速摆动，摆动左右停留0.02s；使用机器人在线调用参数模式；

5)焊接过程执行：使用机器人示教器启动焊接，当主电流启动后在焊接过程中，前端的三个1.2mm直径的第一下粉口(6)会将粘结相粉体(5)送至焊接电弧的中心处融化形成焊缝液态熔池，机器人往前端运动时，后端的硬质相粉体(4)送至液态金属表面，在撒至焊缝液态熔池表面后0.3s凝固，形成一种新的材料钴基碳化钨；钴基碳化钨包括如下质量百分比的各组分：C 3.2-3.6，Cr 25-28，Si 0.8-1.8，W 14-17，Fe6-7，Mo 3-5，Ni 3.5-4.0，Mn≤0.8，WC 49-51％，Co余量；钴基碳化钨的合金硬度大于55HRC，在800摄氏度的高温环境下具有耐磨作用；

在机器人走完焊接程序后自动停止焊接并执行焊接控制系统的收弧程序完成收弧的焊接；关闭主电弧，开启维护状态；完成焊接操作。

2.根据权利要求1所述的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：所述的喷嘴(3)为五孔二路水冷等离子嘴结构，喷嘴(3)上端面左右两侧分别设有第一下粉分流槽(8)与第二下粉分流槽(9)，喷嘴(3)中部开设有贯穿喷嘴(3)的送气孔(11)，喷嘴(3)设有环形结构的冷却水槽(10)；所述第一下粉分流槽(8)与第一粉管(1)连接，第一下粉分流槽(8)开设有三个第一下粉口(6)，第一下粉口(6)贯穿喷嘴(3)，第一下粉口(6)底部与水平面夹角角度为45°，三个第一下粉口(6)之间的夹角角度为10°；所述第二下粉分流槽(9)与第二粉管(2)连接，第二下粉分流槽(9)开设有二个第二下粉口(7)，第二下粉口(7)贯穿喷嘴(3)，第二下粉口(7)底部与水平面夹角角度为66°，二个第二下粉口(7)之间的夹角角度为10°。

3.根据权利要求2所述的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：所述的喷嘴(3)在使用时，粘结相粉体(5)通过第一粉管(1)进入喷嘴(3)，在第一下粉分流槽(8)处通过三个第一下粉口(6)将粘结相粉体(5)引导至喷嘴(3)的下端，三路粘结相粉体(5)以与水平面45°夹角的角度喷出；第一下粉口(6)之间的夹角角度为10°，送出的粉末呈半圆弧形状，将粉末送至送气孔(11)的正下方6mm-7mm处；硬质相粉体(4)通过第二粉管(2)进入喷嘴(3)，在第二下粉分流槽(9)处通过二个第二下粉口(7)将硬质相粉体(4)引导至喷嘴(3)的下端，二路硬质相粉体(4)以与水平面66°夹角的角度喷出，第二下粉口(7)之间的夹角角度为10°，在送粉时，将大颗粒粉末送至送气孔(11)的正下方20mm处。

4.根据权利要求1-3中任一所述的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：所述的喷嘴(3)的上口直径为60mm，喷嘴(3)的下口直径为20mm。

5.根据权利要求2或3所述的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：所述的第一下粉分流槽(8)与第二下粉分流槽(9)位于喷嘴(3)上端面直径50mm处。

6.根据权利要求2所述的钢厂开炉钻头刃口表面堆焊耐高温耐磨损硬质合金的方法，其特征在于：所述的冷却水槽(10)位于送气孔(11)外围，冷却水槽(10)的宽度为5mm，冷却水槽(10)的直径为40mm。

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