CN115365706B - 焊丝药芯、药芯焊丝、其制备方法、焊接方法及应用 - Google Patents
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Abstract
本申请涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊丝药芯、药芯焊丝、其制备方法、其焊接方法及应用。本申请提供的焊丝药芯中包括B元素、Si元素、稀土Y元素、Ni元素、Cr元素、Nb元素以及Mo元素。其中，焊丝药芯中的B元素可形成固溶体及Fe‑B共晶合金。稀土Y元素，降低金属液体表面张力，减少气孔、热裂等缺陷。Ni元素，增加基体的淬透性，保证堆焊层基体获得马氏体组织的能力，可提高基体的韧性。Cr元素与O结合形成致密和稳定的Cr2O3，提高堆焊层在氧化性介质中的耐腐蚀性能。Nb元素和Mo元素可与C结合形成稳定的碳化物相，在高温下保持对位错运动的阻碍作用，提高堆焊层的高温强度。可有效地避免出现堆焊层不耐磨、易开裂等过早失效的现象。
Description
技术领域
本申请涉及焊接技术领域，尤其涉及一种焊丝药芯、药芯焊丝、其制备方法、焊接方法及应用。
背景技术
药芯焊丝是继焊条与实心焊丝之后，在以先进制造、节能、环保及智能为前提条件下发展起来的一种新型焊接材料，因其效率高、耗能低的优势，已成为焊材领域研究的热点。而合理调整药芯粉末成分与配比是制备具有优质性能堆焊合金的关键所在。
陶瓷颗粒增强铁基复合材料是一种以金属铁为基体，复合其它合金元素及硬质颗粒相的材料。它既有铁基材料良好的塑韧性，同时具有陶瓷增强颗粒高硬度、高强度及高耐磨的性能，采用此类材料作为堆焊药芯焊丝材料制备堆焊耐磨涂层已在汽车制造、航空航天、石油化工等领域取得了广泛的应用。
但目前采用陶瓷颗粒增强铁基复合材料常规工艺制备的堆焊层，在使用过程中往往会出现堆焊层不耐磨、易开裂等过早失效的现象。
发明内容
本申请提供一种焊丝药芯、药芯焊丝、其制备方法、焊接方法及应用，可有效地解决上述或者其他潜在技术问题。
本申请的第一个方面是提供一种焊丝药芯，焊丝药芯按照质量配比包括：粉末预制块15％～30％和铁基合金粉末85％～70％；粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe。
在根据第一方面的可选的实施例中，铁基合金粉末的粒径为300目-500目；和/或，焊丝药芯的粉末粒径为300目-500目。
需要说明的是，在具体实施过程中，将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
还需要说明的是，在具体实施过程中，将焊丝药芯的粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的焊丝药芯的粉末。
本申请的第二个方面还提供一种药芯焊丝，包括焊丝外皮和上述的焊丝药芯；焊丝外皮包裹在焊丝药芯的外侧。
在根据第二方面的可选的实施例中，焊丝外皮中的焊丝药芯的填充率为20％～30％。
在根据第二方面的可选的实施例中，焊丝外皮的材料包括钢，钢按照质量配比包括：
C≤0.10％，Mn＝0.30％～0.55％，Si≤0.03％，Cr≤0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，S≤0.015％，P≤0.015％，余量为Fe。
本申请的第三个方面还提供一种药芯焊丝的制备方法，用于制备上述的药芯焊丝，制备方法包括：
制备焊丝药芯：将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比15％～30％和85％～70％配置，并熔炼，以获得焊丝药芯；其中，粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe；
制备药芯焊丝：将焊丝药芯填充于焊丝外皮中，得到药芯焊丝。
在根据第三方面的可选的实施例中，制备焊丝药芯，具体包括：
将铁基合金粉末进行真空感应熔炼，并升温到1723K～1873K，在惰性气体的保护下加入粉末预制块；
待粉末预制块反应至反应过程中的火光消失后进行搅拌，并降温至1573K～1723K，获得熔体；
采用惰性气体对熔体进行雾化冷却，得到焊丝药芯。
在根据第三方面的可选的实施例中，将焊丝药芯填充于焊丝外皮中，具体包括：
将焊丝药芯填充于焊丝外皮内，焊丝药芯的填充率为20％～30％。
本申请的第四个方面还提供一种焊接方法，采用上述的药芯焊丝进行焊接。
本申请的第五个方面还提供一种如上述药芯焊丝在汽车制造和/或汽车维修领域中的应用。
本申请实施例提供的焊丝药芯，焊丝药芯成分中添加的B元素可形成固溶体及Fe-B共晶合金，从而降低熔点。添加的Si元素可显著降低液相相，从而提高金属流动性，均匀组织。添加稀土Y元素，起净化作用，有效地降低金属液体表面张力，减少气孔、热裂等缺陷。添加的Ni元素，可扩大奥氏体相区，增加基体的淬透性，保证堆焊层基体获得马氏体组织的能力，并且可提高基体的韧性。添加的Cr元素与O结合可以形成致密和稳定的Cr2O3，有效地提高堆焊层在氧化性介质中的耐腐蚀性能。添加的Nb元素和Mo元素可与C结合形成稳定的碳化物相，在高温下保持对位错运动的阻碍作用，从而提高堆焊层的高温强度。综上，可有效地避免出现堆焊层不耐磨、易开裂等过早失效的现象。
本申请实施例提供的药芯焊丝，由于包括上述的焊丝药芯，因此也具有上述的技术效果。
本申请实施例提供的药芯焊丝的制备方法，由于用于制备上述的药芯焊丝，因此也具有上述的技术效果。
本申请实施例提供的焊接方法，由于采用上述的药芯焊丝进行焊接，因此也具有上述的技术效果。
本申请实施例提供的应用，基于上述的药芯焊丝在汽车制造与维修领域中的应用，因此也具有上述的技术效果。
本申请的附加方面的优点将在下面的描述中部分给出，部分将从下面的描述中变得明显，或通过本申请的实践了解到。
附图说明
通过参照附图的以下详细描述，本申请实施例的上述和其他目的、特征和优点将变得更容易理解。在附图中，将以示例以及非限制性的方式对本申请的多个实施例进行说明，其中：
图1为采用本申请实施例1中提供的药芯焊丝制备的堆焊层上切割出样件进行维氏硬度测试的微观组织的示意图；
图2为采用本申请对比例1提供的药芯焊丝制备的堆焊层上切割出样件进行维氏硬度测试的微观组织的示意图；
图3为采用本申请对比例2提供的药芯焊丝制备的堆焊层上切割出样件进行维氏硬度测试的微观组织的示意图；
图4为采用本申请对比例3提供的药芯焊丝制备的堆焊层上切割出样件进行维氏硬度测试的微观组织的示意图。
具体实施方式
下面详细描述本申请的实施例，上述实施例的示例在附图中示出，其中自始至终相同或类似的标号表示相同或类似的元件或具有相同或类似功能的元件。下面通过参考附图描述的实施例是示例性的，旨在用于解释本申请，而不能理解为对本申请的限制。
应当理解的是，下面的实施例并不限制本申请所保护的方法中各步骤的执行顺序。本申请的方法的各个步骤在不相互矛盾的情况下能够以任意可能的顺序并且能够以循环的方式来执行。
在本说明书的描述中，参考术语“一个实施例”、“一些实施例”、“示例”、“具体示例”、或“一些示例”等的描述意指结合该实施例或示例描述的具体特征、结构、材料或者特点包含于本申请的至少一个实施例或示例中。在本说明书中，对上述术语的示意性表述不必须针对的是相同的实施例或示例。而且，描述的具体特征、结构、材料或者特点可以在任一个或多个实施例或示例中以合适的方式结合。
陶瓷颗粒增强铁基复合材料是一种以金属铁为基体，复合其它合金元素及硬质颗粒相的材料。它既有铁基材料良好的塑韧性，同时具有陶瓷增强颗粒高硬度、高强度及高耐磨的性能，采用此类材料作为堆焊药芯焊丝材料制备堆焊耐磨涂层已在汽车制造、航空航天、石油化工等领域取得了广泛的应用。但目前采用陶瓷颗粒增强铁基复合材料常规工艺制备的堆焊层存在材料界面结合强度低、增强颗粒粗大、均匀性差、形状尖锐，韧性差等缺点，在使用过程中往往会出现堆焊层不耐磨、易开裂等过早失效的现象。
有鉴于此，本申请实施例提供的焊丝药芯，焊丝药芯按照质量配比包括：粉末预制块15％～30％和铁基合金粉末85％～70％；粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe。
本申请实施例提供的焊丝药芯，焊丝药芯成分中添加的B元素可形成固溶体及Fe-B共晶合金，从而降低熔点。添加的Si元素可显著降低液相相，从而提高金属流动性，均匀组织。添加稀土Y元素，起净化作用，有效地降低金属液体表面张力，减少气孔、热裂等缺陷。添加的Ni元素，可扩大奥氏体相区，增加基体的淬透性，保证堆焊层基体获得马氏体组织的能力，并且可提高基体的韧性。添加的Cr元素与O结合可以形成致密和稳定的Cr2O3，有效地提高堆焊层在氧化性介质中的耐腐蚀性能。添加的Nb元素和Mo元素可与C结合形成稳定的碳化物相，在高温下保持对位错运动的阻碍作用，从而提高堆焊层的高温强度。综上，可有效地避免出现堆焊层不耐磨、易开裂等过早失效的现象。
本申请实施例提供的焊丝药芯，焊丝药芯按照质量配比包括：粉末预制块15％～30％和铁基合金粉末85％～70％；粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo 0.25～0.75wt％，余量为Fe。
需要说明的是，铁元素与镍元素均为第四周期第VIII族元素，同时均为过渡族元素，最外层均有两个4s电子，原子半径相近，具有相似的物理性质与化学性质。因此，铁和镍都可以作为基体碳化钨是增强相分布在基体里。
铁的密度比镍的密度低，由铁基合金粉末制成的改性涂层在耐磨性相当的情况下具有更轻的重量，同时价格更为低廉，在新能源汽车轻量化与成本控制的背景下铁基合金粉末具有更大的优势。
在可选地示例性实施例中，铁基合金粉末的粒径为300目-500目；和/或，焊丝药芯的粉末粒径为300目-500目。
需要说明的是，在具体实施过程中，将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
还需要说明的是，在具体实施过程中，将焊丝药芯的粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的焊丝药芯的粉末。
本申请实施例还提供了一种药芯焊丝，包括焊丝外皮和上述的焊丝药芯；焊丝外皮包裹在焊丝药芯的外侧。
本申请实施例提供的药芯焊丝，由于包括上述的焊丝药芯，因此也具有上述的技术效果。
焊丝外皮中的焊丝药芯的填充率为20％～30％。示例性地，在本实施例中，焊丝外皮中的焊丝药芯的填充率为20％。需要说明的是，将焊丝外皮中的焊丝药芯的填充率为20％可有效地避免填充率高导致的容易开裂，以及填充率低导致的不耐磨的现象。
在可选地示例性实施例中，焊丝外皮的材料包括钢，钢按照质量配比包括：C≤0.10％，Mn＝0.30％～0.55％，Si≤0.03％，Cr≤0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，S≤0.015％，P≤0.015％，余量为Fe。
具体地，在本实施例中，焊丝外皮为厚度为0.4mm～0.6mm，宽度为12mm～16mm的钢带。示例性地，焊丝外皮采用厚度为0.5mm，宽度为15mm的钢带。
可以理解的是，这里并不对焊丝外皮的具体结构或尺寸进行限定，在其他具体就实施例中，可以根据用户的具体需求，将焊丝外皮采用其他适宜的形状或尺寸。
本申请实施例还提供了一种药芯焊丝的制备方法，用于制备上述的药芯焊丝，制备方法包括：
制备焊丝药芯：将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比15％～30％和85％～70％配置，并熔炼，以获得焊丝药芯；其中，粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe；
制备药芯焊丝：将焊丝药芯填充于焊丝外皮中，得到药芯焊丝。
具体地，在本实施例中，制备粉末预制块，将W：C：Fe＝1：1：1进行配料，搅拌混合均匀，并将其压实成块状，以获得粉末预制块。其中搅拌混合均匀可采用机械方法混合均匀，例如采用搅拌等方式。
具体地，在本实施例中，在制备焊丝药芯过程中，将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比25％和75％配置，并熔炼，以获得焊丝药芯。在熔炼过程中，采用的是真空熔炼。需要说明的是，采用真空熔炼，具有夹渣少，易于清除，材料利用率高，适用于规模型生产等技术效果。
在可选地示例性实施例中，制备焊丝外皮，其中，焊丝外皮的材料包括钢，钢按照质量配比包括：C≤0.10％，Mn＝0.30％～0.55％，Si≤0.03％，Cr≤0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，S≤0.015％，P≤0.015％，余量为Fe。
具体地，在本实施例中，焊丝外皮采用的是厚度为0.4mm～0.6mm，宽度为12mm～16mm的钢带。示例性地，焊丝外皮采用厚度为0.5mm，宽度为15mm的钢带。
具体地，焊丝外皮的材料为适用于焊接的低碳钢，同时，选用表面光滑，并且无裂纹、折叠、结疤、毛刺和锈蚀等缺陷存在的钢带。
具体地，在本实施例中，制备铁基合金粉末，将铁基合金粉末按照以下质量配比配置：C 1.8％，B 1.8％，Si 1.6％，Y 0.6％，Ni 3.5％，Cr 1.5％，Nb0.28％，Mo 0.26％，余量为Fe，采用水雾法，以获得铁基合金粉末。
在可选地示例性实施例中，制备焊丝药芯，具体包括：
将铁基合金粉末进行真空感应熔炼，并升温到1723K～1873K，在惰性气体的保护下加入粉末预制块；
待粉末预制块至反应过程中的火光消失后进行搅拌，并降温至1573K～1723K，获得熔体；
采用惰性气体对熔体进行雾化冷却，得到焊丝药芯。
具体地，是将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，铁基合金粉末熔化并升温到1723K～1873K；在惰性气体的保护下向真空感应熔炼炉中加入粉末预制块，粉末预制块受热发生反应；待反应完全后进行搅拌，并降温至1573K～1723K，获得熔体；将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内，采用惰性气体对熔体进行雾化冷却，得到焊丝药芯。
具体地，在本实施例中，清洗焊丝外皮，具体采用的是采用优质碳素结构钢20钢作为基体材料，厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带。对需进行堆焊的表面进行喷砂粗化处理，砂料粒径为100目～200目，压力可以为0.6Mpa，喷砂处理后进行超声波清洗，以此得到表面光滑、无裂纹、折叠、结疤、毛刺和锈蚀等缺陷存在的钢带。
在本实施例中，将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，铁基合金粉末熔化并升温到1723K～1873K，获得熔体；将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内，采用惰性气体对熔体进行雾化冷却，得到焊丝药芯。具体包括：采用真空中频感应熔炼炉进行熔炼，预先设置真空度为2Pa，首先将配比好的铁基合金粉末熔化并升温到1823K，在惰性气体氩气的保护下加入配比好的粉末预制块，粉末预制块受热发生反应，待反应完成后，进行电磁搅拌，并降温至1673K，将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内部，采用惰性气体氩气对熔体进行雾化冷却，雾化压力为1.5Mpa，粉末预制块受热发生反应，其中，C与W发生化学反应，在Fe基体中原位合成焊丝药芯中的WC陶瓷相颗粒。
需要说明的是，在本实施例中，在Fe基体中原位合成焊丝药芯中的WC陶瓷相颗粒，增强了后序在药芯焊丝使用过程中，产生的堆焊层基体与焊丝药芯的结合力，解决了外加陶瓷颗粒与基体界面结合力弱，导致容易出现剥落的问题。
还需要说明的是，原位合成具体指的是不同元素或化合物之间在一定条件下发生化学反应，而在金属基体内生成一种或几种陶瓷相颗粒，以达到改善单一金属合金性能的目的。本申请实施例中是指得C元素与W元素发生化学反应，在Fe基体中原位合成WC陶瓷相颗粒。
具体地，制作焊丝药芯合金粉末原位合成WC陶瓷颗粒的主要化学反应包括：2W+C＝W2C(1)；
W+C＝WC (2)；
W2C+C＝2WC (3)；
可以理解的是，本实施例中选用的惰性气体是氩气，在其他具体实施例中，可以根据用户的具体需求，选用其他适宜的惰性气体。
在可选地示例性实施例中，得到焊丝药芯后，将焊丝药芯置于惰性气体氮气的保护下混合均匀后进行筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，获得粒径为300目-500目的焊丝药芯粉末。
在可选地示例性实施例中，将焊丝药芯填充于焊丝外皮中，具体包括：将焊丝药芯填充于焊丝外皮内，焊丝药芯的填充率为20％～30％。
具体地，在本实施例中，将焊丝药芯填充于焊丝外皮中，具体包括：
清洗焊丝外皮；
将清洗后的焊丝外皮轧制变形成具有凹槽的结构件，并将焊丝药芯填充于凹槽内，焊丝药芯的填充率为20％；通过轧制和粗精拉，获得药芯焊丝。
具体地在本实施例中，是将厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带通过超声波清洗后，在成型机上轧制变形成具有凹槽的结构件，其中凹槽为“U”型槽，并向凹槽添加混合均匀的焊丝药芯粉末，填充率可以为20％。之后，通过多次轧制、粗精拉后获取1.5mm的“O”形药芯焊丝。
在可选地示例性实施例中，药芯焊丝制备完之后，可采用埋弧焊工艺将药芯焊丝堆焊到基体材料表面，其焊接电压：20V-30V；焊接电流可以选用300A-400A，焊接速度可以选用180mm/min。
实施例1：
本申请还提供了一种药芯焊丝的制备方法，用于制备上述的药芯焊丝，制备方法包括：
选用材料牌号为H08C的钢带，厚度为0.6mm，宽度为15mm，材料化学成分要求如下表所示。
H08钢带的化学成分(wt％)，余量为Fe。
| 元素 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Cu | S | P |
| 技术要求 | ≤0.10 | 0.30～0.55 | ≤0.03 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.015 |
制备粉末预制块，将W粉末、C粉末、Fe粉末按照如下摩尔比进行配料，W：C：Fe＝1：1：1，采用机械方法搅拌混合均匀，并将其采用压模压实成块状，获得粉末预制块；
制备铁基合金粉末，将铁基合金粉末按照以下质量配比配置：C 1.8％，B1.8％，Si1.6％，Y 0.6％，Ni 3.5％，Cr 1.5％，Nb 0.28％，Mo 0.26％，余量为Fe，采用水雾法，以获得铁基合金粉末；将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
制备焊丝药芯，将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比25％和75％配置，并将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，采用真空中频感应熔炼炉进行熔炼，预先设置真空度为2Pa，首先将配比好的铁基合金粉末熔化并升温到1823K，在惰性气体氩气的保护下加入配比好的粉末预制块，粉末预制块受热发生反应，待反应完成后，进行电磁搅拌，并降温至1673K，将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内部，采用惰性气体氩气对熔体进行雾化冷却，雾化压力为1.5Mpa，得到焊丝药芯。
制备药芯焊丝，将厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带通过超声波清洗后，在成型机上轧制变形成具有凹槽的结构件，其中凹槽为“U”型槽，并向凹槽添加混合均匀的焊丝药芯粉末，填充率可以为20％。之后，通过多次轧制、粗精拉后获取1.5mm的“O”形药芯焊丝。
制备堆焊层，药芯焊丝制备完之后，可采用埋弧焊工艺将药芯焊丝堆焊到基体材料表面，其焊接电压：20V-30V；焊接电流可以选用300A-400A，焊接速度可以选用180mm/min。
对比例1：
在上述的实施例1中的焊丝药芯制备过程中，制备铁基合金粉末时，未添加稀土元素Y，在实施例中1中Y的成分占比，采用余量Fe填补。其余均于实施例1的材料以及制备方法一致。
对比例1的具体方法如下：
选用材料牌号为H08C的钢带，厚度为0.6mm，宽度为15mm，材料化学成分要求如下表所示。
H08钢带的化学成分(wt％)，余量为Fe。
| 元素 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Cu | S | P |
| 技术要求 | ≤0.10 | 0.30～0.55 | ≤0.03 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.015 |
制备粉末预制块，将W粉末、C粉末、Fe粉末按照如下摩尔比进行配料，W：C：Fe＝1：1：1，采用机械方法搅拌混合均匀，并将其采用压模压实成块状，获得粉末预制块；
制备铁基合金粉末，将铁基合金粉末按照以下质量配比配置：C 1.8％，B1.8％，Si1.6％，Ni 3.5％，Cr 1.5％，Nb 0.28％，Mo 0.26％，余量为Fe，采用水雾法，以获得铁基合金粉末；将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
制备焊丝药芯，将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比25％和75％配置，并将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，采用真空中频感应熔炼炉进行熔炼，预先设置真空度为2Pa，首先将配比好的铁基合金粉末熔化并升温到1823K，在惰性气体氩气的保护下加入配比好的粉末预制块，粉末预制块受热发生反应，待反应完成后，进行电磁搅拌，并降温至1673K，将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内部，采用惰性气体氩气对熔体进行雾化冷却，雾化压力为1.5Mpa，得到的焊丝药芯。
制备药芯焊丝，将厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带通过超声波清洗后，在成型机上轧制变形成具有凹槽的结构件，其中凹槽为“U”型槽，并向凹槽添加混合均匀的焊丝药芯粉末，填充率可以为20％。之后，通过多次轧制、粗精拉后获取1.5mm的“O”形药芯焊丝。
制备堆焊层，药芯焊丝制备完之后，可采用埋弧焊工艺将药芯焊丝堆焊到基体材料表面，其焊接电压：20V-30V；焊接电流可以选用300A-400A，焊接速度可以选用180mm/min。
对比例2：
在上述的实施例1中的焊丝药芯制备过程中，制备铁基合金粉末时，未添加元素Ni，在实施例中1中Ni的成分占比，采用余量Fe填补。其余均于实施例1的材料以及制备方法一致。
对比例2的具体方法如下：
选用材料牌号为H08C的钢带，厚度为0.6mm，宽度为15mm，材料化学成分要求如下表所示。
H08钢带的化学成分(wt％)，余量为Fe。
| 元素 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Cu | S | P |
| 技术要求 | ≤0.10 | 0.30～0.55 | ≤0.03 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.015 |
制备粉末预制块，将W粉末、C粉末、Fe粉末按照如下摩尔比进行配料，W：C：Fe＝1：1：1，采用机械方法搅拌混合均匀，并将其采用压模压实成块状，获得粉末预制块；
制备铁基合金粉末，将铁基合金粉末按照以下质量配比配置：C 1.8％，B1.8％，Si1.6％，Y 0.6％，Cr 1.5％，Nb 0.28％，Mo 0.26％，余量为Fe，采用水雾法，以获得铁基合金粉末；将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
制备焊丝药芯，将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比25％和75％配置，并将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，采用真空中频感应熔炼炉进行熔炼，预先设置真空度为2Pa，首先将配比好的铁基合金粉末熔化并升温到1823K，在惰性气体氩气的保护下加入配比好的粉末预制块，粉末预制块受热发生反应，待反应完成后，进行电磁搅拌，并降温至1673K，将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内部，采用惰性气体氩气对熔体进行雾化冷却，雾化压力为1.5Mpa，得到的焊丝药芯。
制备药芯焊丝，将厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带通过超声波清洗后，在成型机上轧制变形成具有凹槽的结构件，其中凹槽为“U”型槽，并向凹槽添加混合均匀的焊丝药芯粉末，填充率可以为20％。之后，通过多次轧制、粗精拉后获取1.5mm的“O”形药芯焊丝。
制备堆焊层，药芯焊丝制备完之后，可采用埋弧焊工艺将药芯焊丝堆焊到基体材料表面，其焊接电压：20V-30V；焊接电流可以选用300A-400A，焊接速度可以选用180mm/min。
对比例3：
在上述的实施例1中的焊丝药芯制备过程中，制备铁基合金粉末时，未添加元素Nb和Mo，在实施例中1中Nb和Mo的成分占比，采用余量Fe填补。其余均于实施例1的材料以及制备方法一致。
对比例3的具体方法如下：
选用材料牌号为H08C的钢带，厚度为0.6mm，宽度为15mm，材料化学成分要求如下表所示。
H08钢带的化学成分(wt％)，余量为Fe。
| 元素 | C | Mn | Si | Cr | Ni | Cu | S | P |
| 技术要求 | ≤0.10 | 0.30～0.55 | ≤0.03 | ≤0.10 | ≤0.10 | ≤0.20 | ≤0.015 | ≤0.015 |
制备粉末预制块，将W粉末、C粉末、Fe粉末按照如下摩尔比进行配料，W：C：Fe＝1：1：1，采用机械方法搅拌混合均匀，并将其采用压模压实成块状，获得粉末预制块；
制备铁基合金粉末，将铁基合金粉末按照以下质量配比配置：C 1.8％，B1.8％，Si1.6％，Ni 3.5％，Y 0.6％，Cr 1.5％，余量为Fe，采用水雾法，以获得铁基合金粉末；将铁基合金粉末经过两次筛分，第一次筛选采用的筛网为500目，第二次筛选采用的筛网为300目，最终，获得粒径为300目-500目的铁基合金粉末。
制备焊丝药芯，将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比25％和75％配置，并将铁基合金粉末置于真空感应熔炼炉中，采用真空中频感应熔炼炉进行熔炼，预先设置真空度为2Pa，首先将配比好的铁基合金粉末熔化并升温到1823K，在惰性气体氩气的保护下加入配比好的粉末预制块，粉末预制块受热发生反应，待反应完成后，进行电磁搅拌，并降温至1673K，将搅拌均匀的熔体导入至雾化系统内部，采用惰性气体氩气对熔体进行雾化冷却，雾化压力为1.5Mpa，得到的焊丝药芯。
制备药芯焊丝，将厚度为30mm，长度300mm，宽度为200mm的钢带通过超声波清洗后，在成型机上轧制变形成具有凹槽的结构件，其中凹槽为“U”型槽，并向凹槽添加混合均匀的焊丝药芯粉末，填充率可以为20％。之后，通过多次轧制、粗精拉后获取1.5mm的“O”形药芯焊丝。
制备堆焊层，药芯焊丝制备完之后，可采用埋弧焊工艺将药芯焊丝堆焊到基体材料表面，其焊接电压：20V-30V；焊接电流可以选用300A-400A，焊接速度可以选用180mm/min。
实施例1与对比例1、对比例2及对比例3的堆焊层的硬度测试结果对比如下表1所示：
表1堆焊层硬度对比数据
| 试样 | 硬度(HV) | 平均硬度(HV) |
| 实施例1的堆焊层 | 922、956、936 | 938 |
| 对比例1的堆焊层 | 916、908、912 | 912 |
| 对比例2的堆焊层 | 867、876、879 | 874 |
| 对比例3的堆焊层 | 902、908、896 | 902 |
由表1对比结果可见，采用本申请制备的堆焊层与未加稀土元素Y的对比例1、未加Ni元素的对比例2以及未加Nb与Mo的对比例3相比，本申请制备的堆焊层硬度可达到更高的数值。
采用摩擦磨损机测试堆焊层的耐磨性能，测试参数见表2、测得的摩擦性能对比数据见表3。
表2摩擦性能测试条件
表3堆焊层耐磨性能对比数据
由表3对比数据可知，采用本申请实施例1制备的堆焊层经摩擦磨损试验后具有最少的磨损量和磨损率，极大的改善了堆焊层的耐磨性能。
进一步的，由堆焊层的微观组织图可知，加入稀土元素Y的堆焊层无开裂现象，未加入稀土元素Y的堆焊层存在开裂现象(见图2中a处所圈出的区域)。
综上，由性能对比表以及微观组织对比图，可明确得知，本申请制备的堆焊层，药芯焊丝无开裂现象，堆焊层硬度可达到更高的数值，极大的改善了堆焊层的耐磨性能。
本申请实施例还提供了一种焊接方法，采用上述的药芯焊丝进行焊接。
本申请实施例提供的焊接方法，由于采用上述的药芯焊丝进行焊接，因此也具有上述的技术效果。
本申请实施例还提供了一种如上述的药芯焊丝在汽车制造和/或汽车维修领域中的应用。
本申请实施例提供的应用，基于上述的药芯焊丝在汽车制造与维修领域中的应用，因此也具有上述的技术效果。
需要说明的是，本申请提供的药芯焊丝并不限于上述的应用环境，还可以根据用户的具体需求，应用于其他使用环境。
最后应说明的是：以上实施方式仅用以说明本申请的技术方案，而非对其进行限制；尽管参照前述实施方式对本申请已经进行了详细的说明，但本领域的普通技术人员应当理解：其依然可以对前述实施方式所记载的技术方案进行修改，或者对其中部分或者全部技术特征进行等同替换；而这些修改或者替换，并不使相应技术方案的本质脱离本申请实施方式技术方案的范围。
另外需要说明的是，在上述具体实施方式中所描述的各个具体技术特征，在不矛盾的情况下，可以通过任何合适的方式进行组合。为了避免不必要的重复，本申请对各种可能的组合方式不再另行说明。
Claims (10)
1.一种焊丝药芯，其特征在于，所述焊丝药芯按照质量配比包括：粉末预制块15％～30％和铁基合金粉末85％～70％；
所述粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；
所述铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C 1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe。
2.根据权利要求1所述的焊丝药芯，其特征在于，所述铁基合金粉末的粒径为300目-500目；和/或，所述焊丝药芯的粉末粒径为300目-500目。
3.一种药芯焊丝，其特征在于，包括焊丝外皮和权利要求1或2所述的焊丝药芯；所述焊丝外皮包裹在所述焊丝药芯的外侧。
4.根据权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝外皮中的所述焊丝药芯的填充率为20％～30％。
5.根据权利要求3所述的药芯焊丝，其特征在于，所述焊丝外皮的材料包括钢，所述钢按照质量配比包括：
C≤0.10％，Mn＝0.30％～0.55％，Si≤0.03％，Cr≤0.10％，Ni≤0.10％，Cu≤0.20％，S≤0.015％，P≤0.015％，余量为Fe。
6.一种药芯焊丝的制备方法，其特征在于，用于制备权利要求3至5中任一项所述的药芯焊丝，所述制备方法包括：
制备焊丝药芯：将粉末预制块和铁基合金粉末按照质量配比15％～30％和85％～70％配置，并熔炼，以获得焊丝药芯；其中，所述粉末预制块按照摩尔比包括：W：C：Fe＝1:1:0.5-1；所述铁基合金粉末按照质量百分含量包括：C1.2～2.0wt％，B 1.0～2.0wt％，Si 1.0～2.0wt％，Y 0.2～0.8wt％，Ni 3.0～5.0wt％，Cr 1.0～2.0wt％，Nb 0.25～0.75wt％，Mo0.25～0.75wt％，余量为Fe；
制备药芯焊丝：将所述焊丝药芯填充于焊丝外皮中，得到药芯焊丝。
7.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，所述制备焊丝药芯，具体包括：
将所述铁基合金粉末进行真空感应熔炼，并升温到1723K～1873K，在惰性气体的保护下加入所述粉末预制块；
待所述粉末预制块反应至反应过程中的火光消失后进行搅拌，并降温至1573K～1723K，获得熔体；
采用惰性气体对所述熔体进行雾化冷却，得到所述焊丝药芯。
8.根据权利要求6所述的制备方法，其特征在于，将所述焊丝药芯填充于焊丝外皮中，具体包括：
将所述焊丝药芯填充于所述焊丝外皮内，所述焊丝药芯的填充率为20％～30％。
9.一种焊接方法，其特征在于，采用权利要求3至5中任一项所述的药芯焊丝进行焊接。
10.如权利要求3至5中任一项所述的药芯焊丝在汽车制造和/或汽车维修领域中的应用。
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2022
- 2022-09-23 CN CN202211164470.2A patent/CN115365706B/zh active Active
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