CN115415698B - 一种热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法 - Google Patents

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Abstract

本发明提供一种热锻模修复再制造药芯焊丝，包括冷轧钢带和药芯，其成分按质量百分比计为：C：0.01‑0.03％、Mn：0.16‑0.26％、Si≤0.03％、S≤0.015％、P≤0.015％，余量为Fe；药芯包括造渣剂和合金剂。本发明还提供了一种实时调控药芯焊丝性能的方法，通过VCO2/VCO调控的C含量的变动范围在0.2～0.5％的范围，熔覆金属的硬度变化范围在480～550HV，冲击韧性变化范围在5～16J/cm2。

Description

一种热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法
技术领域
本发明涉及焊接材料领域，尤其涉及热锻模增材修复药芯焊丝及性能实时调控方法。
背景技术
热锻模作为现代制造业的基础，在各行业占有重要地位。锻造成形过程中，热锻模与锻件接触时间长，作用载荷大，模具易发生塑性变形、热疲劳、热磨损等失效形式，为节约生产成本，提高模具使用寿命，通常需要对一个生命周期内的热锻模具进行修复再制造。
热锻模具对材料的强韧性均有要求，为了使热锻模的修复结构更合理，常采用多材料搭配的方式进行热锻模的修复再制造。对于一般的金属材料，强度和韧性往往是矛盾的，由于锻模型腔表面材料耐磨性要求高，其强度指标较高，其塑韧性往往较低，锻模型腔表面易于产生裂纹并扩展，并向深度方向和型面方向延伸。实际上，锻模型腔表面的形貌复杂，不同形貌结构的区域对修复材料的强韧性有不同的要求，所以沿型面方向制备高韧性和高硬度搭配的多材料结构可以在源头改善热锻模的抗裂性能，并保留其耐磨性能。解决热锻模型腔表面沿型面方向上材料的强韧性匹配问题。
目前，在锻模失效型面的深度方向，已经有部分工作通过依次采用硬度不同的多种焊材，制备了沿深度方向上不同区域的性能梯度结构，一定程度上提高了热锻模具的修复质量。但在型面方向，通过适时更换焊材对不同区域进行选择性打印有诸多弊端：(a)不同焊材的频繁更换会显著降低生产效率，增加时间和材料成本；(b)分区打印会显著增加焊接的起弧点和断焊点，增大焊接缺陷出现的可能性；(c)分区打印在各区域结合处易于产生夹渣或熔合不良等情况，各区域的结合质量难以保证；(d)不同材料由于热膨胀系数不同，结合时会引发额外的热应力，增加热锻模的载荷，而多种焊材搭配形成的梯度结构严格意义上并不连续，在降低热应力方面的作用有限。
因此，无论是在热锻模修复再制造的深度方向和型面方向，通过更换多种焊材进行分区打印来制备性能梯度结构的局限性较大、灵活性较差，需要进行改进。
发明内容
本发明的目的是克服现有的热锻模多材料修复再制造技术中存在的梯度结构不连续、各区域结合质量较差和性能梯度结构制备不灵活等问题，提供了一种热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法。
为实现以上目的，本发明的技术解决方案是：
一种热锻模修复再制造药芯焊丝，包括钢带和药芯，所述钢带为冷轧钢带，所述冷轧钢带的成分按质量百分比计为：C：0.01-0.03％、Mn：0.16-0.26％、Si≤0.03％、S≤0.015％、P≤0.015％，余量为Fe；
所述药芯包括造渣剂和合金剂，以所述造渣剂的总重为100％计，所述造渣剂的成分按质量百分比计为：镁砂：12～14％、萤石：9～10％、钾长石：18～20％、Al2O3：7～9％、金红石：38～44％、氟化钠：6～9％、锆英砂：2～4％；
以所述合金剂的总重为100％计，所述合金剂的成分按质量百分比计为：硅铁2.7～3.5％、钒铁8.2～9.4％、钼粉11.8～12.9％、铌铁0.6～1.2％、铬粉29.4～35.3％、硅锰合金7.1～8.2％、镍粉8.2～9.4％、钨粉4.1～4.7％、钴粉4.1～7.1％、石墨1.8～2.3％、余量为铁。
本发明还提供一种实时调控本发明提供的热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法，包括以下步骤：
步骤一：搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制；其中，保护气组成为：氩气占比80％，CO2+CO总占比为20％；
步骤二：建立数据库，为VCO2/VCO分配焊接参数变量，并建立VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型；
步骤三：按照热锻模修复的目标分区结构，在修复再制造轨迹的程序中给VCO2/VCO焊接参数变量进行赋值，实时调用数据库，在指定分区填充C含量或硬度及韧性数值满足要求的熔覆金属。
与现有材料和技术相比，本发明的有益效果为：
1、本发明提供的热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法中，热锻模修复再制造药芯焊丝的焊接工艺良好，具有良好的热稳定性、硬度及韧性，同时该药芯焊丝的C含量具有一定的变动范围，其对应的熔覆金属的强韧性具有可调性。
2、本发明提供的热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法中，通过VCO2/VCO调控C含量，进而调整熔覆金属的硬度和韧性，在不需要频繁更换焊材的情况下按分区设计结构填充性能满足对应要求的材料，提高了生产效率。
3、本发明提供的热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法中，VCO2/VCO变化范围为(0，+∞)，可以连续地对熔覆金属C含量进行调控，实现真正意义上的连续梯度结构，从而显著地降低分区材料之间的附加热应力，提高热锻模的修复质量。
4、本发明提供的热锻模修复再制造药芯焊丝及性能实时调控方法中，在性能实时调控时，焊接不中断，显著降低起弧点和断焊点，降低了焊接缺陷出现的可能性。
附图说明
图1为本发明的药芯焊丝性能实时调控示意图。
具体实施方式
本发明提供一种热锻模修复再制造药芯焊丝，包括钢带和药芯，所述钢带为冷轧钢带，所述冷轧钢带的成分按质量百分比计为：C：0.01-0.03％、Mn：0.16-0.26％、Si≤0.03％、S≤0.015％、P≤0.015％，余量为Fe；
所述药芯包括造渣剂和合金剂，以所述造渣剂的总重为100％计，所述造渣剂的成分按质量百分比计为：镁砂：12～14％、萤石：9～10％、钾长石：18～20％、Al2O3：7～9％、金红石：38～44％、氟化钠：6～9％、锆英砂：2～4％；
以所述合金剂的总重为100％计，所述合金剂的成分按质量百分比计为：硅铁2.9～3.5％、钒铁8.2～9.4％、钼粉11.8～12.9％、铌铁0.6～1.2％、铬粉29.4～35.3％、硅锰合金7.1～8.2％、镍粉8.2～9.4％、钨粉4.1～4.7％、钴粉4.1～7.0％、石墨1.8～2.3％、余量为铁。
其中，所述热锻模修复再制造药芯焊丝包括外部钢带和内部药芯，冷轧钢带成分为C：0.01-0.03％，Mn：0.16-0.26％，Si≤0.03％，S、P≤0.015％，余量为Fe。
药芯包括造渣剂和合金剂，造渣剂主要由矿物原料组成，用以改善焊丝的焊接工艺性；合金剂主要由各种金属单质或铁合金组成，用以过渡熔覆金属的合金元素，造渣剂和合金剂的状态为粉末，粒度在80～100目。
造渣剂以TiO2-SiO2-MgO-Al2O3-CaF为主要渣系，以所述造渣剂的总重为100％计，所述造渣剂的成分按质量百分比计为：镁砂：12～14％、萤石：9～10％、钾长石：18～20％、Al2O3：7～9％、金红石：38～44％、氟化钠：6～9％、锆英砂：2～4％。所述造渣剂的总重占所述药芯焊丝的总重的7-8％，优选为7％时，药芯焊丝仍具备良好的横焊性，同时清渣工作量较小。
合金剂采用Cr-Mo-W-V-Ni-Nb-Co多元合金化，以所述合金剂的总重为100％计，所述合金剂的成分按质量百分比计为：硅铁2.9～3.5％、钒铁8.2～9.4％、钼粉11.8～12.9％、铌铁0.6～1.2％、铬粉29.4～35.3％、硅锰合金7.1～8.2％、镍粉8.2～9.4％、钨粉4.1～4.7％、钴粉4.1～7.0％、石墨1.8～2.3％、余量为铁。
所述合金剂的总重占所述药芯焊丝的总重的16-17％，优选为17％。
所述药芯焊丝的性能实时调控方法包括以下步骤：
步骤一：搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制；其中，保护气组成为：氩气占比80％，CO2+CO总占比为20％；
步骤二：通过实验，建立数据库，给VCO2/VCO分配焊接参数变量，并建立VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型。
步骤三：按照热锻模修复的目标分区结构，在修复再制造轨迹的程序中给VCO2/VCO焊接参数变量进行赋值，实时调用数据库，在指定分区填充C含量或硬度及韧性数值满足要求的熔覆金属。
所述步骤一中，CO2气体在焊接温度下具有氧化性，起脱碳作用，会降低熔覆金属中的C含量，从而提高其韧性；CO气体在焊接温度下具有渗碳作用，会提高熔覆金属中的C含量，从而提高其硬度。
所述步骤一中，焊接专家系统可选用林肯、米勒Miller等电焊机。
所述步骤二中，VCO2/VCO比值度量了熔覆金属脱碳和渗碳的竞争关系，VCO2/VCO变化范围为(0，+∞)。VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型可通过预先实验建立。
所述步骤三中，热锻模修复的目标分区结构可通过拓扑优化或仿生结构设计确定。
所述步骤三中，通过VCO2/VCO调控的C含量的变动范围应处于0.18～0.4％范围，VCO2/VCO比值大小与C含量呈反比。C含量过低，熔覆金属的硬度和热稳定性均较差；C含量过高，大量大尺寸碳化物析出，形成封闭网状，导致材料韧性和热稳定性较差。
本发明人通过研究还发现了，所述热锻模修复再制造药芯焊丝对应的熔覆金属化学成分中Cr含量为4.5～6％、Cr/Mo比值为2.4～2.6％、且Co含量为0.4～1％时，碳化物的数量和类型合理，熔覆金属的焊态硬度以及冲击韧性值均较好。从本发明实施例1中的数据可以看出，实施例1-5中，熔覆金属化学成分中Cr含量、Cr/Mo比值、Co含量均可以达到上述范围；从表2中的数据可以看出，实施例1-5中，熔覆金属的焊态硬度以及冲击韧性值均较好。
下面结合附图和实施例进一步阐明本发明，本发明绝非仅局限于所陈述的实施例。
实施例1
热锻模修复再制造药芯焊丝选用C：0.01-0.03％，Mn：0.16-0.26％，Si≤0.03％，S、P≤0.015％，余量为Fe的冷轧钢带。
药芯造渣剂组成为：镁砂：42g，萤石：33.6g，钾长石：67.2g，Al2O3：26.9g，金红石：134.4g，氟化钠：25.2g，锆英砂：6.72g。合金剂组成为：硅铁：24.49g，钒铁：68.87g，钼粉：101.51g，铌铁：5.95g，铬粉：256.89g，硅锰合金：63.02g，镍粉：73.71g，钨粉：37.11g，钴粉：40.41g，石墨：18g，铁粉127.05g。填充率为24％。通过钢带法制备出直径为1.6m的药芯焊丝。药芯中各组分的粒度为80目。
采用电弧增材制造系统实施热锻模的增材再制造，修复示意图如图1，焊枪沿工字形轨迹对一层型面进行堆焊，在不同时刻实时调整保护气VCO2/VCO比值大小。
搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制。建立数据库，为VCO2/VCO分配焊接参数变量，并建立VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型。按照热锻模修复的目标分区结构，分成Ω1至Ω3分区。t1时刻，焊枪进入Ω1分区，保护气组成调整为：氩气占比80％，CO2占比20％，CO占比0％，堆焊出尺寸为60mm×30mm×20mm的试块。
实施例2
在该实施例中，除了以下调控热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法如下所示以外，其他与实施例1相同地进行。
搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制。t2时刻，焊枪进入Ω2分区，保护气组成调整为：氩气占比80％，CO2占比10％，CO占比10％，堆焊出尺寸为60mm×30mm×20mm的试块。
实施例3
在该实施例中，除了以下调控热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法如下所示以外，其他与实施例1相同地进行。
搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制。t3时刻，焊枪进入Ω3分区，保护气组成调整为：氩气占比80％，CO2占比0％，CO占比20％，堆焊出尺寸为60mm×30mm×20mm的试块。
实施例4
在该实施例中，除了热锻模修复再制造药芯焊丝的组成如下所示以外，其他与实施例1相同地进行。
热锻模修复再制造药芯焊丝选用C：0.01-0.03％、Mn：0.16-0.26％、Si≤0.03％、S、P≤0.015％，余量为Fe的冷轧钢带。
药芯造渣剂组成为：镁砂：15g，萤石：9g，钾长石：18g，Al2O3：7g，金红石：38g，氟化钠：9g，锆英砂：4g，总量为100g。合金剂组成为：硅铁：8.4g，钒铁：22.8g，钼粉：28.7g，铌铁：2.9g，铬粉：71.4g，硅锰合金：17.3g，镍粉：20.0g，钨粉：10.0g，钴粉：10.0g，石墨：4.4g，铁粉47.1g，总量为243g。填充率为24％。通过钢带法制备出直径为1.6m的药芯焊丝。药芯中各组分的粒度为90目。
实施例5
在该实施例中，除了热锻模修复再制造药芯焊丝的组成如下所示以外，其他与实施例1相同地进行。
热锻模修复再制造药芯焊丝选用C：0.01-0.03％，Mn：0.16-0.26％，Si≤0.03％，S、P≤0.015％，余量为Fe的冷轧钢带。
药芯造渣剂组成为：镁砂：12g，萤石：9g，钾长石：18g，Al2O3：9g，金红石：44g，氟化钠：6g，锆英砂：2g，总量为100g。合金剂组成为：硅铁：7.0g，钒铁：19.9g，钼粉：31.3g，铌铁：1.5g，铬粉：85.8g，硅锰合金：20.0g，镍粉：22.8g，钨粉：11.4g，钴粉：17.0g，石墨：5.6g，铁粉20.7g，总量为243g。填充率为24％。通过钢带法制备出直径为1.6m的药芯焊丝。药芯中各组分的粒度为100目。
性能测试
采用维氏硬度计测定实施例1～5分区的硬度，每个试样测5点取平均值。在试块上取55mm×10mm×10mm标准试样，中间开2mmU型槽，测定堆焊金属冲击韧性。
每组实施例取两个试样进行实验，取平均值。堆焊金属化学成分采用X荧光光谱仪和碳硫分析仪测定。
下表1为实施例1～5熔覆金属的化学成分表
表1各实施例熔覆金属化学成分(wt％)
从以上表1中的数据可以看出，本发明实施例1、4、5的对比，说明了，通过调节药芯造渣剂和合金剂的组成，能够调节C含量；本发明实施例1-3的对比，说明了，通过本发明提供的实时调控热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法，具体通过调节VCO2/VCO，也能调节C含量。
下表2为实施例1～5熔覆金属的焊态硬度以及冲击韧性值
表2各实施例熔覆金属性能
从以上表2中的数据可以看出，本发明实施例1、4、5的对比，说明了，通过调节药芯造渣剂和合金剂的组成，能够调节熔覆金属的焊态硬度以及冲击韧性值；本发明实施例1-3的对比，说明了，通过本发明提供的实时调控热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法，具体通过调节VCO2/VCO，也能调节熔覆金属的焊态硬度以及冲击韧性值。具体地，结合表1和表2的数据可以看出，CO2气体用量越多，会降低熔覆金属中的C含量，从而提高其韧性；CO气体越多，会提高熔覆金属中的C含量，从而提高其硬度。
另外，从表1和表2的数据可以看出，本发明中，通过VCO2/VCO调控的C含量的变动范围在0.2～0.5％的范围，硬度变化范围在480～550HV，冲击韧性变化范围在5～16J/cm2。

Claims (5)

1.一种热锻模修复再制造药芯焊丝，其特征在于，包括钢带和药芯，所述钢带为冷轧钢带，所述冷轧钢带的成分按质量百分比计为：C：0.01-0.03％、Mn：0.16-0.26％、Si≤0.03％、S≤0.015％、P≤0.015％，余量为Fe；
所述药芯包括造渣剂和合金剂，以所述造渣剂的总重为100％计，所述造渣剂的成分按质量百分比计为：镁砂：12～14％、萤石：9～10％、钾长石：18～20％、Al2O3：7～9％、金红石：38～44％、氟化钠：6～9％、锆英砂：2～4％；
以所述合金剂的总重为100％计，所述合金剂的成分按质量百分比计为：硅铁：2.9～3.5％、钒铁：8.2～9.4％、钼粉：11.8～12.9％、铌铁：0.6～1.2％、铬粉：29.4～35.3％、硅锰合金：7.1～8.2％、镍粉：8.2～9.4％、钨粉：4.1～4.7％、钴粉：4.1～7.0％、石墨：1.8～2.3％、余量为铁。
2.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述造渣剂的总重占所述药芯焊丝的总重的7-8％、所述合金剂的总重占所述药芯焊丝的总重的16-17％。
3.根据权利要求1所述的药芯焊丝，其特征在于，所述造渣剂的总重占所述药芯焊丝的总重的7％、所述合金剂的总重占所述药芯焊丝的总重的17％。
4.一种实时调控权利要求1所述的热锻模修复再制造药芯焊丝的性能的方法，其特征在于，包括以下步骤：
步骤一：搭建硬件平台，分别在氩气、CO2和CO气体储气瓶出气口安装气体流量传感器和控制阀，将电路接入焊接专家系统进行闭环控制；其中，保护气组成为：氩气占比80％，CO2+CO总占比为20％；
步骤二：建立数据库，为VCO2/VCO分配焊接参数变量，并建立VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型；
步骤三：按照热锻模修复的目标分区结构，在修复再制造轨迹的程序中给VCO2/VCO焊接参数变量进行赋值，实时调用数据库，在指定分区填充C含量或硬度及韧性数值满足要求的熔覆金属。
5.根据权利要求4所述的方法，其特征在于，步骤二中，VCO2/VCO与熔覆金属C含量和硬度及韧性数值的模型，通过实验建立。
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