CN116532754A - 一种耐磨堆焊层的制备方法及装置 - Google Patents
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Abstract
本发明提供了一种耐磨堆焊层的制备方法及装置，涉及耐磨堆焊技术领域。具体而言：采用MAG焊，且焊枪在进行堆焊的同时向熔池注射硬质颗粒；所述焊枪包括由内至外分布的堆焊组件、硬质颗粒通道和保护气通路，其中，所述硬质颗粒通道通过送粉气将所述硬质颗粒输送至所述熔池。本发明的方法极大降低了如碳化物等硬质颗粒在熔焊过程中的分解，使硬质颗粒均匀且完整地保留在焊缝金属中，提高了母材的韧性和耐磨性，具有良好的应用前景。
Description
技术领域
本发明涉及耐磨堆焊技术领域，具体而言，涉及一种耐磨堆焊层的制备方法及装置。
背景技术
熔化极活性气体保护电弧焊(MAG焊)是在氩气中加入少量的氧化性气体(氧气，二氧化碳或其混合气体)混合而成的一种混合气体保护焊接方式，在现行工艺中已经得到了广泛的应用。MAG焊通常由焊枪进行实施，根据焊接工艺的不同，焊枪也具有不同结构，但通常均含有送入焊丝的相关组件和通入混合气体的相关组件。在MAG焊中通过调整焊丝的成分能够获得不同组织及性能的焊缝金属。
以耐磨材料为例，通常在焊丝中加入较多的碳(1.7％以上)和较多的碳化物形成元素(如Cr、Mo、V、Ti、W等元素)；通过焊丝融化后形成的熔池发生冶金反应形成碳化物，进而提高焊缝金属的耐磨性。但是这种工艺中合金元素烧损严重，同时在焊缝中所形成的碳化物尺寸粗大，且周围形成的缺碳相(小颗粒或针状组织)对基体的割裂导致焊缝金属力学性能下降，影响其耐磨性。
另一种可行的MAG焊工艺中采用两种或多种不同成分焊丝，通过多个焊枪联动形成双丝三弧/多丝多弧焊的工艺，能够一定程度上降低碳化物合金元素烧损，形成尺寸小、分布致密的焊缝金属以达到提高整体耐磨性的效果。
也有在焊丝中外加碳化物的方式，这种方式基于碳化物的高熔点、熔池冶金反应时间短的特点，将外加碳化物在焊缝金属中保留下来，从而达到提高耐磨性作用的目的。但是，现有技术无法解决熔池反应过程中合金元素烧损严重、碳化物组织粗大，对基体割裂作用明显、缺碳相通常为脆性组织等缺陷，严重降低焊缝金属的力学性能，进而导致焊缝金属耐磨性不足。
有鉴于此，特提出本发明。
发明内容
本发明的第一目的在于提供一种耐磨堆焊层的制备方法，用于解决现行外加碳化物堆焊工艺中所存在的一系列技术缺陷，同时得到具有强金属耐磨性的堆焊层。
本发明的第二目的在于提供一种所述的制备耐磨堆焊层的装置，用于进行所述的耐磨堆焊层的制备方法。
为了实现本发明的上述目的，特采用以下技术方案：
一种耐磨堆焊层的制备方法，包括如下步骤：采用MAG焊，且焊枪在进行堆焊的同时向熔池注射硬质颗粒；所述焊枪包括由内至外分布的堆焊组件、硬质颗粒通道和保护气通路，其中，所述硬质颗粒通道通过送粉气将所述硬质颗粒输送至所述熔池。
一种制备耐磨堆焊层的装置，用于进行所述的耐磨堆焊层的制备方法；所述装置包括电焊机、送丝组件、堆焊组件、气体组件、送粉组件。
与现有技术相比，本发明的有益效果为：
一方面，本发明相较于传统的电弧熔敷技术，通过外加硬质颗粒的方法，极大降低了硬质颗粒在熔焊过程中的分解，使硬质颗粒完整的保留在焊缝金属中，提高了母材的韧性，同时提高了焊缝金属的耐磨性。
另一方面，相较于现有外加硬质相法的专利技术，本发明采用内嵌式送粉管路，缩小焊枪体积的同时给予硬质颗粒和焊丝熔滴的充分熔融混合，能够使硬质颗粒在焊缝金属中均匀分布，相比外加硬质相法以面状地形成一层硬质颗粒保护层，本发明的焊缝金属硬质相占比更高，耐磨性更好。
附图说明
为了更清楚地说明本发明具体实施方式或现有技术中的技术方案，下面将对具体实施方式或现有技术描述中所需要使用的附图作简单地介绍，显而易见地，下面描述中的附图是本发明的一些实施方式，对于本领域普通技术人员来讲，在不付出创造性劳动的前提下，还可以根据这些附图获得其他的附图。
图1提供了本发明的一种可行的耐磨堆焊层制备装置的结构示意图；
图2提供了本发明实施例1制得的熔敷金属电镜图。
具体实施方式
下面将结合附图和具体实施方式对本发明的技术方案进行清楚、完整地描述，但是本领域技术人员将会理解，下列所描述的实施例是本发明一部分实施例，而不是全部的实施例，仅用于说明本发明，而不应视为限制本发明的范围。基于本发明中的实施例，本领域普通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。实施例中未注明具体条件者，按照常规条件或制造商建议的条件进行。所用试剂或仪器未注明生产厂商者，均为可以通过市售购买获得的常规产品。
在本发明的描述中，需要说明的是，术语“中心”、“上”、“下”、“左”、“右”、“竖直”、“水平”、“内”、“外”等指示的方位或位置关系为基于附图所示的方位或位置关系，仅是为了便于描述本发明和简化描述，而不是指示或暗示所指的装置或元件必须具有特定的方位、以特定的方位构造和操作，因此不能理解为对本发明的限制。此外，术语“第一”、“第二”、“第三”仅用于描述目的，而不能理解为指示或暗示相对重要性。
在本发明的描述中，需要说明的是，除非另有明确的规定和限定，术语“安装”、“相连”、“连接”应做广义理解，例如，可以是固定连接，也可以是可拆卸连接，或一体地连接；可以是机械连接，也可以是电连接；可以是直接相连，也可以通过中间媒介间接相连，可以是两个元件内部的连通。对于本领域的普通技术人员而言，可以具体情况理解上述术语在本发明中的具体含义。
在现行工艺中外加碳化物并进行堆焊时，如CN106513929B的技术方案，是在焊枪与熔覆层中间的旁侧增设一个送粉喷嘴，并通过所述送粉喷嘴送入碳化物颗粒至熔池中心。但是，这种技术方案在实际操作时存在相当的技术缺陷：第一方面，很难保证颗粒全部准备地落入熔池中心，外加颗粒通常以扇形或圆形铺散至焊缝外，或是基于焊枪和送粉喷嘴的移动过程中不均匀地喷射至熔池；第二方面，为改善上述第一方面的不良影响，通常难以将送粉气和保护气的流量调节至较大的范围，而尤其是当保护气的流量不足时，容易出现过氧化烧损现象，这对焊缝的机械强度存在较大的负面影响。由此，特提出本发明的技术方案，通过如下具体的实施方式进行：
一种耐磨堆焊层的制备方法，采用MAG焊，且焊枪在进行堆焊的同时向熔池注射硬质颗粒；所述焊枪包括由内至外分布的堆焊组件、硬质颗粒通道和保护气通路，其中，所述硬质颗粒通道通过送粉气将所述硬质颗粒输送至所述熔池。
本发明的制备工艺至少包含如下两方面典型的优势效果：一方面，本发明的硬质颗粒通道设置于堆焊组件(即包括有焊丝和导电嘴等加热件)和保护气通路之间，通过调整导电嘴位置以保证送粉气对准电弧，通过电弧的瞬时高温将焊丝熔滴并与硬质颗粒混合后进入熔池，形成外加碳化物形状保持完好，避免了产生粗大的碳组织，或是缺碳组织而导致的缺碳脆性相的产生；另一方面，当采用这种送粉方式时，硬质颗粒不断地、均匀地与熔体混合，使得硬质颗粒均匀地分布在熔池中，避免了侧向加粉或其他送粉方式中导致的硬质颗粒分布不均而导致的焊缝耐磨性与机械强度不足的问题。
本发明所述的耐磨堆焊层的制备方法可以具体地包括有如下步骤：步骤一、先开启保护气气瓶，使得保护气经由保护气通路散播，并实现保护气体氛围；步骤二、开启堆焊组件并熔化焊丝，同时使气瓶中的保护气携带有硬质颗粒并输送至硬质颗粒通道；步骤三、实施堆焊；步骤四：停止堆焊组件，并停止硬质颗粒的放料；步骤五、关闭保护气气瓶，以停止硬质颗粒通道和保护气通路内保护气体的输送。
作为一种优选的实施方式，以质量百分比计，堆焊所采用的焊丝的药粉成分包括Mn 12％～30％、Ni 0.5％～5％、Mo 0.5％～5％，以及余量的Fe；作为一种更优选的实施方式，所述焊丝的成分中各元素的质量百分比包括但不限于Mn 12％、14％、16％、18％、20％、22％、24％、26％、28％、30％；Ni 0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％；Mo 0.5％、1％、1.5％、2％、2.5％、3％、3.5％、4％、4.5％、5％。
作为一种优选的实施方式，焊丝药粉经钢带卷制后即可得到焊丝，所涉及的卷制、拉拔均为本领域常规性操作，在本发明中不作突出强调，本领域预技术人员能够基于焊丝药粉和钢带制备得到对应焊丝。
本发明的药芯焊丝具有较好的韧性和强度，但通常不具有耐磨性；当采用上述组成的铁基焊丝与硬质颗粒相匹配时，搭配以特定焊枪结构和操作方法能够得到接头强度高、焊接性能强的焊缝，同时这种铁基焊丝与硬质颗粒具有较好的兼容性，能够实现焊缝具有良好的耐磨性。
但需要注意的是，本发明中对待焊工件(母材)的材质不做出任何限制，可以是任何一种金属基体，优选采用碳钢、合金钢或不锈钢等铁基材料。
作为一种优选的实施方式，所述焊丝的重量系数为30～45；作为一种可选的实施方式，所述焊丝的重量系数包括但不限于30、32、35、38、40、42、45；所述重量系数是指药粉占焊丝总质量的百分比，在本发明中可以理解为药粉、和药粉加钢带卷(即焊丝)的总质量的百分比。
作为一种优选的实施方式，所述焊丝的直径为1.0mm～3.2mm；作为一种可选的实施方式，所述焊丝的直径包括但不限于1.0、1.2、1.5、1.8、2.0、2.2、2.5、2.8、3.0、3.2(mm)。
作为一种优选的实施方式，所述硬质颗粒包括碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化铌、氧化铝或氧化锆中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述硬质颗粒的粒径为60目～120目；作为一种可选的实施方式，所述硬质颗粒的粒径包括但不限于60、70、80、90、100、110、120(目)。
作为一种优选的实施方式，所述硬质颗粒通道的数量为3～8，且所述硬质颗粒通道均匀分布在所述堆焊组件的外侧；作为一种更优选的实施方式，每个所述硬质颗粒通道的直径为0.5mm～2.0mm；作为一种可选的实施方式，每个所述硬质颗粒通道的直径包括但不限于0.5、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0(mm)；
作为另一种优选的实施方式，所述硬质颗粒通道为环形；作为一种更优选的实施方式，所述环形的宽度为0.5mm～2.0mm；作为一种可选的实施方式，所述环形的宽度包括但不限于0.5、0.8、1.0、1.2、1.4、1.6、1.8、2.0(mm)。
作为一种优选的实施方式，所述送粉气的流量为10L/min～25L/min；作为一种可选的实施方式，所述送粉气的流量包括但不限于10、12、15、18、20、22、24、25(L/min)。
作为一种优选的实施方式，所述送粉气包括氩气或二氧化碳中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述保护气通路中的保护气的流量为10L/min～25L/min；作为一种可选的实施方式，所述保护气的流量包括但不限于10、12、15、18、20、22、24、25(L/min)。
作为一种优选的实施方式，所述保护气包括氩气或二氧化碳中的至少一种。
作为一种优选的实施方式，所述硬质颗粒通道中，所述硬质颗粒的流量为1kg/h～3kg/h；作为一种可选的实施方式，所述硬质颗粒的流量包括但不限于1、1.5、2、2.5、3(kg/h)。
作为一种优选的实施方式，所述焊丝的送丝速度为200mm/min～550mm/min；作为一种可选的实施方式，所述焊丝的送丝速度包括但不限于200、250、300、350、400、450、500、550(mm/min)。
作为一种优选的实施方式，所述MAG焊的电流为120A～650A，所述MAG焊的电压为28V～35V，所述MAG焊的焊接速度为100mm/min～1000mm/min；作为一种可选的实施方式，所述MAG焊的电流包括但不限于120、150、200、250、300、350、400、450、500、550、600、650(A)，所述MAG焊的电压包括但不限于28、29、30、31、32、33、34、35(V)，所述MAG焊的焊接速度包括但不限于100、200、300、400、500、600、700、800、900、1000(mm/min)。
作为一种优选的实施方式，所述焊枪与施加焊接的母材之间的夹角为90°；意味着在本发明中焊枪在操作过程中与母材之间呈现垂直状态，尽可能地不存在倾斜角，以保证携带有硬质颗粒的熔体均匀地铺展在焊缝中。
一种制备耐磨堆焊层的装置，用于进行所述的耐磨堆焊层的制备方法；所述装置包括电焊机、送丝组件、堆焊组件、气体组件、送粉组件。
如图1所示提供了本发明的一种可行的耐磨堆焊层制备装置的结构示意图。
所述装置的最中心为堆焊组件，包括MAG焊枪导电嘴、焊丝夹持元件等；与所述堆焊组件相连接的送丝组件，用于向所述堆焊组件中提供源源不断的焊丝；同样与所述堆焊组件相连接的还有电焊机，即MAG电焊机，用于提供堆焊所需的能量；所述气体组件包括有气瓶和至少两条送气通路，分别用于提供本发明中的保护气和送粉气；所述送粉组件用于向硬质颗粒通道中通入硬质颗粒粉末。
作为一种可选的实施方式，所述气体组件中设置有用于监控和调整两条通路的气体流量的程序与元件；所述送粉组件和所述送丝组件中也应当存在用于监控和调节的程序与元件，方便操作人员对硬质颗粒的输送速度、焊丝的送丝速度进行调整。
实施例1
采用如图1所示的装置进行。焊丝成分按质量分数计为Mn20％，Ni3％，Mo2％，以及余量的Fe；通过钢带卷制成有缝药芯焊丝，重量系数为35，直径为采用碳化钨作为硬质颗粒，粒度为80目。
先开启保护气气瓶，使得保护气经由保护气通路散播，并实现保护气体氛围；而后，开启堆焊组件并熔化焊丝，同时打开硬质颗粒储存组件，使气瓶中的保护气携带着硬质颗粒并输送至硬质颗粒通道；实施MAG堆焊。待堆焊结束后，关闭堆焊电源和保护气输出。
其中，送粉保护气的送粉量为2kg/h，焊丝送丝速度为400mm/min；MAG焊的电流为280A，电压为32V，焊接速度为500mm/min；保护气采用CO2气体，在保护气通路和硬质颗粒通道的流量均为20L/min。焊后熔敷金属的成分如下表1所示。
表1熔敷金属成分质量分数(wt.％)
| C | Mn | Ni | Mo | Ti | Fe |
| 2.14 | 19.50 | 3.13 | 1.99 | 18.97 | 余量 |
本实施例所获得的熔敷金属显微组织如图2所示。图2中白色硬质相尺寸均匀，在基体上弥散分布，并且没有形成高Cr铸铁显微组织中常见的缺碳相。
实施例2
与实施例1基本相同，区别仅在于：焊丝成分按质量分数计为Mn30％，Ni5％，Mo5％，以及余量的Fe。
实施例3
与实施例1基本相同，区别仅在于：焊丝成分按质量分数计为Mn12％，Ni0.5％，Mo0.5％，以及余量的Fe。
实施例4
与实施例1基本相同，区别仅在于：采用碳化钛与碳化铌的混合粉末作为硬质颗粒(二者质量比1：1)，粒度为120目。
实施例5
与实施例1基本相同，区别仅在于：采用氧化锆作为硬质颗粒，粒度为60目。
实施例6
与实施例1基本相同，区别仅在于：MAG焊的电流为450A，电压为30V，焊接速度为800mm/min。
实施例7
与实施例1基本相同，区别仅在于：送粉保护气的送粉量为3kg/h，焊丝送丝速度为300mm/min。
实施例8
与实施例1基本相同，区别仅在于：在保护气通路和硬质颗粒通道的保护气流量均为15L/min。
表2
尽管已用具体实施例来说明和描述了本发明，然而应意识到，以上各实施例仅用以说明本发明的技术方案，而非对其限制；本领域的普通技术人员应当理解：在不背离本发明的精神和范围的情况下，可以对前述各实施例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发明各实施例技术方案的范围；因此，这意味着在所附权利要求中包括属于本发明范围内的所有这些替换和修改。
Claims (10)
1.一种耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，采用MAG焊，且焊枪在进行堆焊的同时向熔池注射硬质颗粒；所述焊枪包括由内至外分布的堆焊组件、硬质颗粒通道和保护气通路，其中，所述硬质颗粒通道通过送粉气将所述硬质颗粒输送至所述熔池。
2.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，以质量百分比计，堆焊所采用的焊丝中药粉的成分包括Mn 12％～30％、Ni 0.5％～5％、Mo 0.5％～5％，以及余量的Fe。
3.根据权利要求2所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述焊丝的重量系数为30～45；
优选地，所述焊丝的直径为1.0mm～3.2mm。
4.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒包括碳化钛、碳化钨、碳化钒、碳化铌、氧化铝或氧化锆中的至少一种；
优选地，所述硬质颗粒的粒径为60目～120目。
5.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒通道的数量为3～8，且所述硬质颗粒通道均匀分布在所述堆焊组件的外侧；优选地，每个所述硬质颗粒通道的直径为0.5mm～2.0mm；
或者，所述硬质颗粒通道为环形；优选地，所述环形的宽度为0.5mm～2.0mm。
6.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述送粉气的流量为10L/min～25L/min；
优选地，所述送粉气包括氩气或二氧化碳中的至少一种。
7.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述保护气通路中的保护气的流量为10L/min～25L/min；
优选地，所述保护气包括氩气或二氧化碳中的至少一种。
8.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述硬质颗粒通道中，所述硬质颗粒的流量为1kg/h～3kg/h；
和/或，焊丝的送丝速度为200mm/min～550mm/min。
9.根据权利要求1所述的耐磨堆焊层的制备方法，其特征在于，所述MAG焊的电流为120A～650A，所述MAG焊的电压为28V～35V，所述MAG焊的焊接速度为100mm/min～1000mm/min；
优选地，所述焊枪与施加焊接的母材之间的夹角为90°。
10.一种制备耐磨堆焊层的装置，其特征在于，用于进行如权利要求1～9任一项所述的耐磨堆焊层的制备方法；所述装置包括电焊机、送丝组件、堆焊组件、气体组件、送粉组件。
Priority Applications (2)
| Application Number | Priority Date | Filing Date | Title |
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| CN202310680174.6A CN116532754A (zh) | 2023-06-08 | 2023-06-08 | 一种耐磨堆焊层的制备方法及装置 |
| ZA2023/11752A ZA202311752B (en) | 2023-06-08 | 2023-12-21 | Hardfacing layer preparation method and device |
Applications Claiming Priority (1)
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2023
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