（材料加工工程专业论文）双电极石墨型堆焊焊条及单弧焊工艺研究.pdf

原创性声明 本人郑重声明：所呈交的学位论文，是本人在导师的指导下，独 立进行研究所取得的成果。除文中已经注明引用的内容外，本论文不 包含任何其他个人或集体已经发表或撰写过的科研成果。对本文的研 究作出重要贡献的个人和集体，均已在文中以明确方式标明。本声明 的法律责任由本人承担。 论文作者签名：廛施筵 日 期：三2 丝星5 二 关于学位论文使用授权的声明 本人完全了解山东大学有关保留、使用学位论文的规定，同意学 校保留或向国家有关部门或机构送交论文的复印件和电子版，允许论 文被查阅和借阅；本人授权山东大学可以将本学位论文的全部或部分 内容编入有关数据库进行检索，可以采用影印、缩印或其他复制手段 保存论文和汇编本学位论文。 ( 保密论文在解密后应遵守此规定) 论文作者签名：库毖蛘导师签名： 山东大学硕士掌位论文 双电极石墨型堆焊焊条及单弧焊工艺研究 摘要 双电极焊条单弧焊是新发明的焊条电弧焊方法，双电极焊条是一根焊条中 含两根焊芯，由外涂药皮连为整根焊条，双芯之间利用药皮或绝缘剂绝缘。焊 接时，被焊工件不接电极，两根焊芯分别接电源的正负两极，通过引燃电弧， 使其在两根焊芯端部稳定燃烧，调整电弧与被焊工件之间适当距离，完成焊接。 本文主要研究双电极石墨型堆焊焊条双电极之间的绝缘问题及其单弧焊焊 接工艺。石墨型焊条药皮中含有大量的石墨和合金元素，药皮具有较强的导电 性，当在双电极焊条上施加电压时，焊条易被击穿。因此，本文重点研究了双 电极间绝缘问题与双电极之间电阻及间距对双电极焊条电弧、电压及焊缝成形 的影响。实验结果表明：对于双电极石墨型堆焊焊条，利用大片状云母粉作为 绝缘剂，水玻璃作为粘结剂，进行药皮间绝缘，云母粉和水玻璃混合厚度控制 在o 1 8 m m 0 2 2 m m 之间，能达到较好的使用效果。 用手工焊在板厚1 2 m m 的低碳钢材料上进行焊接试验，研究结果表明，双 电极石墨型堆焊焊条的双电极间距是控制焊接电弧电压的最重要因素，焊接时 调节双电极焊条与工件间距离对焊接电弧电压影响很小，随双电极焊条双电极 间距的增大，焊接电弧电压升高；在双电极间电阻和间距定的条件下，随焊 接电流增大，焊接电弧电压线性升高；对于药皮重量系数为5 8 7 ，焊芯直径 为中4 m m 的双电极石墨型堆焊焊条，双电极电阻在4 0 心1 以上，间距为1 8 m m 1 ，9 m m ，电弧吹力适中，电弧稳定，焊缝成形较好，力学性能较好。 双电极石墨型焊条单弧焊电弧形态具有连续、敞开和活动的特征：电弧聚 合程度与药皮截面形状、尺寸和焊接电流有关。当双电极间距较小且焊接电流 较大时，聚合程度高：当双电极间距较大且焊接电流较小时，分离程度高。 研究石墨型焊条单电极和双电极的性能比较。采用相同的焊接电流和焊接 速度分别制备单、双电极焊条焊接试样，抛光腐蚀后，利用扫描电镜对试样的 热影响区、熔合区、焊缝进行余相扫描，研究相同焊接条件下单、双电极的金 相组织的差异。实验结果显示，在相同的焊接条件下，单、双电极石墨型堆焊 山东大掌硕士掌位论文 焊条单弧焊堆焊层表层组织细化程度差别较小，但双电极石墨型堆焊焊条堆焊 层中合金元素含量较多，耐磨性较好。采用焊条自动焊接设备，研究单、双电 极石墨型堆焊焊条电弧焊的焊条熔化系数、熔敷系数及其耗电量。实验结果表 明，双电极焊条单弧焊的熔敷系数、熔化系数比单电极焊条电弧焊的约提高一 倍，其耗电量可节省约4 0 。因此双电极石墨型堆焊焊条单弧焊是一种高效、 节能的焊接方法。 关键词：双电极单弧焊、双电极石墨型堆焊条、绝缘剂、电弧形态 2 山东大掌硕士攀位论文 s t u d yo nt w i ng r a p h i t es u r f a c i n ge l e c t r o d ea n d s i n g l ea r cw e l d i n gt e c h n o l o g y a b s t r a c t t w i n e l e c t r o d es i n g l ea r cw e l d i n gi san e wm e t h o d i tm a k e su po ft w i ne l e c t r o d e a n di n s u l a t e db yc o a t i n go ri n s u l a t o rb e t w e e n w e l d i n ge l e c t r o d e w h e nw e l d i n g ，t h e w e l d i n gp i e c ei sn o tc o n n e c t e dw i t hp o l ea n dt h et w i n - e l e c t r o d el i n kp o l e ，o n el i n k s c a t h o d e ，t h eo t h e ri sp o s i t i v e a f t e rt h ea r ci si g n i t e d ，i tc a nc o n f l a g a t es t e a d i l ya tt h e t o po f t h et w i n - e l e c t r o d e w ev n na c c o m p l i s hw e l d i n g t h r o u g ha d j u s t i n gt h ed i s t a n c e b e t w e e na r ca n dt h ew e l d i n gp i e c e t h e p a p e r s t u d i e s i n s u l a t i o n - p r o b l e m b e t w e e nt w i n e l e c t r o d ea n d w e l d i n g t e c h n i q u e o ft w i n s u r f a c i n g e l e c t r o d e t h e c o a t i n g o f w i n s u r f a c i n g e l e c t r o d e c o n t a i nal o to f g r a p h i t ea n d a l l o y s ow h e n p o t e n t i a ls o u r c ew e r ea p p l i e d o nt w oc o r e w i r e s ，t h ec o a t i n go ft w i n - s u r f a c i n g e l e c t r o d ei se a s yd i s r u p t i v ec o n d u c t i n g t h i s p a p e ri n v e s t i g a t e s t h e i n s u l a t i o n p r o b l e m a n dt h ei n f l u e n c er e s i s t a n c ea n ds p a n b e t w e e nt w oc o r e so n a r cs h a p e ，a r cv o l t a g ea n dw e l da p p e a r a n c e i nt h ee x a m i n a t i o n ， l a m i n a t e dm i c ai si n s u l a t o ra n dw a t e r - g l a s si sb l i n d e r t h er e s u l ts h o w t h a tu n d e rt h e c o n d i t i o nt h a tt h es p a c eb e t w e e nt w oc o r e si s0 18 m m o 2 2 m m ag o o de f f e c tc a n b ea c h i e v e d w i t ht h em i l ds t e e lo f12 r a mt h i c k ，w cr e s e a r c ha n df o u n dt h a tt h es p a c eb e t w e e n t w i n - e l e c t r o d eo ft w i ng r a p h i t es u r f a c i n ge l e c t r o d ei st h em o s ti m p o r t a n tf a c t o ri n c o n t r o l l i n gw e l d i n ge l e c t r i cv o l t a g e ，w h e nw e l d i n gw er e g u l a t et h es p a c eb e t w e e n t w i n e l e c t r o d ea n dw e l d i n gp i e c ec a na f f e c tw e l d i n ge l e c t r i cv o l t a g el i t t l ew e l d i n g e l e c t r i c v o l t a g e w i l li n c r e a s e a l o n g w i t ht h e i n c r e a s i n g o f s p a c e b e t w e e n t w i n e l e c t r o d eo f t w i ng r a p h i t es u r f a c i n ge l e c t r o d e a tt h ec o n d i t i o no f r e s i s t a n c ea n d s p a nb e t w e e nt w oc o r e s a r e s e t t i e d ，w e l d i n g e l e c t r i c v o l t a g e w i l ll i n e a ri n c r e a s e a l o n g w i t ht h e i n c r e a s i n g o f w e l d i n g e l e c t r i cc u r r e n t t h er e s u l t ss h o wt h a t t w i n s u r f a c i n g e l e c t r o d eo f5 9 7 e l e c t r o d e p e e lw e i g h tc o e f f i c i e n t w i t h2 x q ) 4 m m d i a m e t e r u n d e rt h ec o n d i t i o nt h a tt h es p a c cb e t w e e nt w oc o r e si s 18 m m 1 9 r a m 1 山东大掌硕士掌位论文 a n de l e c t r i cr e s i s t a n c ei so v e r4 0 煳，w e l dt h a th a sg o o dw e l d a p p e a r a n c e ，s t e a d ya r c ， a p p r o p r i a t ea r cf o r c e a n d p r o p e rm e c h a n i c a lc a p a b i l i t yc a l lb eg a i n e d t h et y p eo fa r cw a sc o n t i n u o u s o p e n w i d ea n da c t i v e i tw a sd i v i d e ds i m p l y s e p a r a t e a n dc o n v e r g ea r c a c c o r d i n gt o t h es t a t eo fd e g r e eo fc o v e r a g e i tw a s s e p a r a t ea r cw h e n t h ec o r ed i s t a n c ew a sl a r g e ra n dt h ew e l d i n gc u r r e n ti sl e s s e lo r e l s ei tw a s c o n v e r g ea r c w e l d i n gp i e c ei sm a d ew i t ht h es a m ew e l d i n g c u r r e n ta n ds p e e df o rs t u d y i n gt h e p r o p e r t i e so ft w i n - e l e c t r o d es i n g l ea r cs u r f a c i n gw e l d i n gj o i n i n go r g a n i z a t i o n a f t e r p o l i s h i n ga n de r o d e ，s a m p l ei s s c a m m e dw i t hs e mf r o mh e a t - a f f e c t e d ，z o n et o w e l d i n gl i n ea n dr e s e a r c ht h em e t a l l o g r a p h yo r g a n i z a t i o n d i f f e r e n c eo f t h es i n g l e a n dt w i n e l e c t r o d ew e l d i n gu n d e rt h es a m ec o n d i t i o n w i t hs e m i - a u t o m a t i cw e l d i n g e q u i p m e n t ，w eh a v ec o m p a r ee l e c t r o d em e l tc o e f f i c i e n t ，d e p o s i t i o nc o e f f i c i e n ta n d l o s se l e c t r i c e n e r g yo fm e l t i n gd r i p p i n g i nu n i t t h er e s u l ti n d i c a t et h a tm e l t i n g m o d u l u sa n dd r o p p i n gm o d u l u sa r eu pt o2 0 0t h a ns i n g l ee l e c t r o d ew e l d i n g t h e c o n s u m i n ge n e r g y i nu n i t d r o p p i n g w i l l g o d o w n4 0 s ot h e t w i n s u r f a c i n g - e l e c t r o d ea n ds i n g l ea r cw e l d i n gi s ah i g hr a t ea n dl o wc o s tw e l d i n g t e c h n i q u e k e y w o r d s ：t w i n - e l e c t r o d es i n g l e a r c w e l d i n gt w i n - s u r f a c i n g - e l e c t r o d e i n s u 】a t o ra r cc h a r a c t e r 4 山东大学硕士掌位论文 1 绪论 随着工业技术的发展，工作参数的提高，对零件的性能提出了更高的要求， 很多机械零件常因工况条件恶劣，造成表面局部损坏而失效。为解决这类问题， 各种表面技术应运而生。 表面技术是通过施加覆盖层或改变表面形貌、化学成分、相组织、微观结 构、缺陷状态，达到提高材料抵御环境作用能力或赋予材料表面某种功能特性 的材料工程技术。按照作用原理，表面技术分四种基本类型：( 1 ) 原子沉积： 沉积物以原子、离子、分子和粒子集团等原子尺度的粒子形态在材料表面上沉 积形成外加覆盖层，如电镀、化学镀、物理气相沉积、化学气相沉积。( 2 ) 颗 粒沉积：沉积物以宏观尺度的颗粒形态在材料表面形成覆盖层，如热喷涂。( 3 ) 整体覆盖：如堆焊、包箔、贴片、热浸镀、涂刷。( 4 ) 表面改性：如磷化、离子 注入、离子渗、扩散渗、激光表面处理。由于表面技术可在不改变材料基本组 成、工艺前提下，用较小的费用，大幅度提高材料的性能，取得显著的经济效 益，在国民经济中的作用于越来越重要，发展十分迅速。其中堆焊是一种较为 成熟的表面技术，特别适用于严重磨损工况下零件表面的强化及修复己磨损的 零件表面【2 】。 所谓堆焊是在零件表面或边缘熔敷一层、甚至多层的具有耐磨耐腐蚀或其 他特殊性能的金属或合金，堆焊是机械制造行业中的一个制造手段和维修手段。 使用堆焊的手段把填充金属熔敷在金属表面以便得到所要求的性能和尺寸。堆 焊除可显著提高工件的使用寿命、节省制造、维修费用外，还因减少维修和更 换磨损件的时间，从而提高生产效率、降低生产成本，由于应用堆焊能更合理 的利用材料，从而可获得更优异的综合性能。所以堆焊对改进产品设计也有重 要意义。现在堆焊己广泛地应用于矿山、冶金、农机、建筑、电站、铁路、车 辆、石油、化工设备以及工具、模具等的制造和维修 3 】。堆焊有几种类型，包 括耐磨堆焊、包层堆焊、增厚堆焊和隔离层堆焊。这些类型的堆焊所提供的性 能要求依次是耐磨性、抗腐蚀性、尺寸控制和冶金需要等。在诸多类型的堆焊 中，耐磨堆焊是堆焊中应用最为广泛的一种，耐磨堆焊通常用手工、半自动、 自动电弧焊或气焊方法完成。用于堆焊的材料有光焊丝( 棒) 、药皮焊条、盘装焊 山东大学硕士掌位论文 丝、焊膏或焊剂州。耐磨堆焊所表现的优点是：( 1 ) 只在需要的部位提高耐磨性； ( 2 ) 易于使用很硬的耐磨金属：( 3 ) 便于在现场施工； ( 4 ) 合理的使用贵重金属； ( 5 ) 可用坚硬的堆焊层抗磨损，用韧性好的母材承担载荷。耐磨堆焊已成为近年 来应用最广泛的表面技术之一，是种较为成熟的焊接技术i5 1 。 目前国内外对堆焊工艺及其堆焊层性能等内容都在进行研究及探讨，堆焊层 质量的好坏对其耐磨性的影响很大，是直接关系到这种堆焊材料能否在生产实 际中得以应用的关键。 1 1 堆焊的发展现状 2 0 世纪初人们就知道利用焊接技术进行堆焊，世界各国从2 0 世纪5 0 、6 0 年 代开始发展各种各样的堆焊方法。到目前为止，堆焊方法已扩展到包括焊接方 法、钎焊方法和热喷涂方法。因此，可以采用各种不同形状的填充金属。应用 最多的是熔化焊法。用熔化焊法堆焊时，填充金属和母材表面熔化面熔合。覆 盖在熔池上的焊剂、保护气体或在填充金属中含有保护元素，可防止熔池金属 与大气之间产生化学反应。表1 1 列出最常用的堆焊方法和堆焊材料f 6 7 t 8 】 表1 - 1 堆焊方法与堆焊材料 耐磨堆焊薄层堆焊和增厚堆焊 堆焊采用 填充金属可使用的填充金属可使用的注 方法方式 形式填充金属形状填充金属 裸棒状铸钻，镍和铁 手工和 造焊丝或基：碳化钨 自动 氧一乙药芯焊丝组台材料 炔气焊锫。镍和铁 手工粉末基；碳化钨 组合材料 手工和 裸实心焊 奥氏体应用 明弧焊丝或药芯 半自动锰钢有限 焊丝 钴，镍和铁 手工电普通药皮焊 不锈钢、镍、 手工药皮焊条基；碳化钨 弧焊 条铜和铁基 组合材料 续表l 山东大学硕士学位论文 耐磨堆焊薄层堆焊和增厚堆焊 堆焊采用 填充金属可使用的填充金属可使用的 注 方法方式 形式填充金属形状填充金属 药芯焊 半自动 丝( 自保药芯焊丝铁基药芯焊丝 不锈钢、铁基 自动 护) 裸棒状铸钴，镍和铁 裸实心焊丝不锈钢、镍、 手工造焊丝或基；碳化钨 或棒状焊丝铜和铁基 药芯焊丝组合材料 钨极惰 裸药芯焊 性气体 丝：超长裸 保护电 棒状铸造钴镍和铁 弧焊裸实心焊丝 不锈钢、镍、 自动焊丝：碳化基：碳化钨 ( g t a )或棒状焊丝铜和铁基 钨粉末加组合材料 裸实心焊 我 裸实心焊 使用 半自动丝或药芯铁基 有限 埋弧焊 焊丝 单丝裸实心焊 铜基合 裸实心焊丝 不锈钢、镍、 自动丝或药芯铁基 金使用 或药芯焊丝铜和铁基 焊丝 有限 裸实心焊 铜基合 埋弧焊实心焊丝或 不锈钢、镍、 自动丝或药芯铁基 金使用 多丝 药芯焊丝铜和铁基 焊丝 有限 主要用 埋弧焊 不锈钢和于大型 串联电 自动实心焊丝铁基 实心焊丝 镍基容器包 弧 层堆焊 主要用 埋弧焊 不锈钢和i于大型 带极和自动 裸带 镍基容器包 辅助带 层堆焊 7 续表2 山东大掌硕士学位论文 耐磨堆焊 薄层堆焊和增厚堆焊 堆焊采用 填充金属可使用的填充金属可使用的 注 方法方式 形式填充金属形状填充金属 裸实- t l , 焊 埋弧焊 丝或药芯铁基或裸实心焊丝不锈钢和 辅助粉自动 焊丝加金钴基加金属粉末镍基 术 属粉末 等离子钴，镍和铁 有或无粉主要辟j ( 转移基合金；碳不锈钢、镍、 自动末碳化钨粉末于耐磨 弧) 焊粉化钨组合铜基 颗粒堆焊 末材料 主要砗 于大型 等离子 裸实，t l , 焊 ( 转移裸实心焊丝 不锈钢、镍、容器和 自动丝或药芯铁基 弧) 焊热或药芯焊丝铜和铁基有关部 焊丝 奎幺 件的包 层堆焊 仅用于 不锈钢、镍和 电渣焊自动扳或丝 犬断面 铁基 构件 在喷涂 之后某 些耐磨 火焰喷 不锈钢、镍、 半自动钻，铁和 合金可 涂( 金属粉末、棒裸实心焊丝 铜和铁基。 自动镍基 以熔化 喷涂) 铝、锆等 以产生 熔化结 碳化钨加 自动 爆炸一定的材 ( 专粉末 度层 料：一定的 利) 氧化物 山东大掌硕士掌位论文 续表3 耐磨堆焊 薄层堆焊和增厚堆焊 雎焊采用 注 方法方式 填充金属可使用的填充金属 可使用的 形式填充金属形状填充金属 钴，镍和铁 等离子基合金；碳 半自动 喷涂( 金粉末化钨组合 和自动 属喷涂)材料( 陶 瓷) 丝、片、 铁、镍、钴、银、金、镍及使用 硬钎焊丝、片、粉末 粉末铜基合金不限 1 2 焊条电弧堆焊 g a o l ( 1 ) 特点和应用范围 1 ) 设备便宜、轻便、适合现场堆焊。所用电源有直流弧焊发电机、直流弧焊整 流器和交流弧焊变压器。 2 ) 焊接是在焊工的直接观察和操纵下进行，灵活性大，几乎在任何位置都能焊， 可达性也较好，所以得到广泛采用。特别是对形状不规则的零件即可达性差 的部位堆焊尤为合适。 3 ) 电弧温度高、热量集中，一般情况下堆焊可不预热或者只稍加预热故生产 率较高，工件变形小，但熔深大，稀释率高。堆焊层硬度和耐磨性下降，所 以通常要焊2 - - 3 层但是多层堆焊容易导致开裂。 焊条电弧堆焊主要用于生产小批量堆焊件和修复已磨损的零件。 ( 2 ) 堆焊用焊条多为涂料焊条，焊芯一般为冷拔焊丝，也可用铸芯或者管状芯 的。我国堆焊焊条根据其主要用途分为： d 0 0 d 0 9x特殊型铸铁模具堆焊焊条 d 1 0 d 2 4 不同硬度常温堆焊焊条 d 2 5 d 2 9 常温高锰钢堆焊焊条 d 3 0 d 4 9 刀具、工具堆焊焊条 d 5 0 x d 5 9 阀门堆焊焊条 山东大掌硕士学位论文 d 6 0 x d 6 9 合金铸铁堆焊焊条 d 7 0 d 7 9 碳化钨堆焊焊条 i ) 8 0x d 8 9 钴基合金堆焊焊条 d 9 0 d 9 9 其它堆焊焊条 其中的数字代表药皮类型，例如2 一钛钙型、6 低氢型、8 一石墨型 3 ) 堆焊工艺焊条电弧堆焊所需电源及其极性取决于焊条涂层的类型。钛钙 型、钛铁矿型和低氢型涂层的焊条推荐用直流反接( 焊条接正极) 进行堆焊。 这样熔敷效率较高，堆焊层质量较好，稀释率也较低。使用堆焊焊条堆焊模具 时以直流正接为宜，交流电源也可用。 一般堆焊前须将焊条重新烘干。烘干的温度应按焊条说明书规定。一般酸性 焊条须在1 5 0 烘干0 5 1 0 h 。碱性焊条须在2 5 0 3 5 0 烘干1 2 h 。 调节焊接规范如改变电压、电流、焊接速度、运条方式、焊条和工件距离 等都能影响稀释率。搭边率对稀释率的影响也很大。电流太大，电弧太长都会 增加合金元素的烧损。正确的堆焊次序对控制焊件变形有一定的作用。通常采 用后向焊( 焊条前倾，电弧向后吹) ：因为前向焊易导致气孔和不熔合。 ( 4 ) 缺陷及预防堆焊最常碰见的问题是开裂和剥离。防止的主要方法是焊 前将工件预热和焊后缓冷。当堆焊材料为碳钢或低合金钢时，工件的预热温度 常用碳当量来估算。常用的碳当量计算公式如下： c c a = c + 1 6 m n + 1 2 4 s i + 1 5 c r + 1 4 m o + 1 1 5 n i 不同的碳当量所需最低预热温度见表3 2 ，5 。 袭t 2 堆焊材料碳当量与预热温度关系 预热的温度还和工件的材质和大小、堆焊的面积和堆焊的部位的刚度有关。 当工件所需的预热温度与堆焊材料所需的预热温度有不同的时，应采用其中高 的预热温度。当堆焊层硬度高，而且预热有困难的时候，常采用堆焊过渡层的 方法防止开裂和剥离。过渡层所用焊条多为延性好，强度不高的低碳钢或不锈 钢焊条等。 山东大掌硕士学位论文 1 3 堆焊应注意事项 在多数情况下，对焊接接头不需要考虑的一些特殊因素，在堆焊时则必须 予以考虑。这些应考虑的因素包括： ( 1 ) 堆焊层的化学成分和机械性能通常与所要进行堆焊的母材可以不同； ( 2 ) 通常要进行堆焊的是面积相当大的母材； ( 3 ) 要求尽可能熔敷最少量的堆焊金属，因此，母材和焊缝金属熔合线两 侧的合金含量和碳含量以及机械性能通常有很大的梯度变化。 稀释率的控制焊接的接头与熔敷的堆焊层之间的一个显然的最大不同 点，就是稀释率，它常常成为关系到堆焊质量的关键。稀释率( 以百分比计) 等于熔化的母材量( b ) 除以添加的填充金属量和熔化的母材金属量之和( a + b ) 再乘以1 0 0 。 从冶金的角度看，稀释率强烈的影响堆焊层的成分和性能。因为有这种影 响，对于任何具体产品来说，必须考虑在采用各种焊接方法时所获得稀释量最 少，以便对填充材料和焊接方法搭配作适当的选择。 大多数堆焊都采用熔化极电弧焊方法进行。由于稀释率的重要性，因此了 解熔化极电弧焊每个工艺参数对稀释率的影响是很重要的，要严格控制影响稀 释率的那些焊接参数。 焊接电流增加焊接电流( 电流密度) ，电弧功率增强、熔深大、熔化更 多的母材，则稀释率增加。 极性直流正极性时熔深较小，因此稀释率比反极性时低。采用交流时， 稀释率介于直流正极性与直流负极性之间。 焊条( 焊丝) 尺寸通常，焊条直径越小，则焊接电流越小，因此稀释 率越小。然而，对于给定的焊接电流，焊丝直径越大( 电流密度越小) ，则稀 释率越小。 焊道间距小的焊道间距( 焊道相搭较多) 使稀释率减少，这是因为熔化 了一部分前面已熔敷的焊道，而不是熔化同样多的母材。焊道间距较大时( 焊 道相搭较少) ，则稀释率增大。 电极摆动电极摆动较大时将减少稀释率。线状焊道稀释率最大。摆动频 山东大学硕士学位论文 率也影响稀释率。通常，摆动频率越高，稀释率越低。 焊接速度降低焊接速度就会降低母材的金属熔化量，同时增加填充金 属的加入量，从而降低稀释率。稀释率的这种降低是改变焊道形状和厚度引起 的，也是由于电弧力是作用在熔池上而不是作用在母材上的结果。 麓工位置和工件的倾斜度施工位置对稀释率有重要的影响。施工位置和 工件的倾斜度不同时，重力将引起焊接熔池导前于电弧、在电弧之下或滞后于 电弧。焊接熔池导前于电弧越多或处于电弧之下，母材的熔深越小，稀释率也 就越小；因此，焊接熔池相当于个软垫，在电弧撞击母材之前便吸收了一定 的电弧能量。所吸收的这部分能量使焊接熔池变平并铺展开，从而使焊道变平、 变宽。如果焊接熔池导前电弧太多或熔池太厚，则母材金属表面将熔化不足， 不能与堆焊层很好的结合。 电弧保护保护介质，即气体或焊剂，对稀释率有明显的影响。它们影响 焊接熔池的流动性和表面张力，而流动性和表面张力又决定了焊缝金属润湿母 材金属的程度和焊道边缘正常成形的情况，从而决定了能否形成满意形状的焊 道。保护介质对可以使用的焊接电流的种类也有明显的影响。 附加填充金属在堆焊过程中，除了焊丝之外，还向焊接熔池中添加填充 金属，可大大降低稀释率。分别以粉末、丝材、带材或焊剂形式加入的附加金 属，由于增加了填充金属的总量和减少了母材金属的熔化量，使稀释率降低。 这一过程是由于一部分电能用来熔化附加填充金属丽不是熔化母材来实现的。 附加填充金属量越大，稀释率就越低。 污染某些合金元素，即使量很少，也能影响堆焊构件的使用性能。把这 些元素作为一组来看，可以引起裂纹、降低抗腐蚀性能或者降低强度、韧性和 塑性。例如，碳能降低奥氏体不锈钢包层的抗腐蚀性能。由于中碳或者高碳母 材的碳通过稀释作用，少量的碳进入到不锈钢包层中去，或者其他原因造成的 增碳，都会使包层金属对晶间腐蚀敏感。同样，如果构件在包层堆焊后必须作 热处理或者必须在高温下长期工作，则碳也可以从铁素体母材向奥氏体包层扩 散，而可在包层中或构件中形成硬的或者脆的碳化物。这样的碳化物可以导致 部件在使用中机械实效。 热处理某些构件在堆焊后可能要求热处理。在这种情况下采用具体的热 山东大学硕士学位论文 处理工艺必须考虑到堆焊金属和母材的要求，也必须考虑到可能应用的结构规 程的要求。 热处理也可能影响到母材或包层金属的性能。在低合金钢中的焊道下裂纹 就是一个例子。采用大线能量奥氏体不锈钢在低合金钢上包层堆焊时，会在热 影响区的一定区域产生高应力并产生粗晶组织。消除应力处理时，拉应力促使 这个区域内的晶界分离，要求采用提供小线量或者减少这一区域晶粒度的特殊 堆焊技术。 堆焊层的外观在某些堆焊操作中，另一个要求注意的问题是表面平滑 度。通常，堆焊层表面即为部件的最终表面状态，随后的机械加工不一定总是 有可能的，或者甚至在经济上是不可能的。因此，焊态的焊缝金属往往要求足 够平滑，以满足使用要求，并便于在制造过程中进行不可缺少的无损检验。为 此，必须慎重选择填充金属和焊接技术，以获得所要求的表面光滑度。 热应力一个堆焊产品成功与否内应力大小的影响很大，不管外应力是剪 切应力、拉应力还是压应力。由于焊接操作而产生的残余应力会叠加，从而可 增强堆焊层的开裂倾向。耐磨堆焊焊缝通常不作消除应力处理，所以在堆焊过 程中由于热膨胀或者收缩引起的残余应力可能是难以克服的。这些应力是否能 引起变形或者开裂，在很大程度上取决于焊缝金属和母材的强度和塑性j i l l 。 1 4 堆焊焊条 堆焊焊条的发展【1 2 1 3 】 1 8 9 2 年俄罗斯人斯拉维扬诺夫研究成功了现行的金属电弧焊接法的实用化 方案： 1 9 0 4 年瑞典人奥斯卡尔克杰尔贝格建造了世界上第一个焊条厂，同期， 欧美各国对焊条药皮的作用都作了大量的研究； 1 9 1 0 年瑞典发明了矿物型厚药皮焊条： 1 9 1 9 年美国发明用纸缠在焊芯上，提出了纤维素型焊条的初型； 1 9 2 1 年美国人提出用大理石一萤石制造焊条药皮； 1 9 1 7 年欧洲依纳乔纳斯发明用机械压制焊条； 1 9 2 7 年美国开始用机械大量生产焊条： 山东大掌硕士掌位论文 二次世界大战后，出现了许多新的药皮类型和焊条品种，性能也进步完 善； 1 9 6 4 年日本研制成功“无害”焊条； 7 0 年代有开发了低尘焊条、超低氢焊条和难吸潮焊条等，把焊条质量提高 到一个新的水平； 2 0 世纪初，前苏联就会用焊条进行堆焊； 2 0 世纪3 0 、4 0 年代世界各国大量利用焊条进行堆焊； 2 0 世纪5 0 、6 0 年代世界各国开始发展各种各样的堆焊方法： 堆焊焊条的组成 简单的说，堆焊焊条就是在金属丝( 即焊芯) 表面涂上适当厚度药皮。 各种焊条药皮都有一定厚度，通常用“药皮重量系数”来表示焊条药皮在 焊条中所占的重量比例： 药皮重量系数k ( ) = ( 药皮重量) ( 带药皮的这部分焊芯重量) 一般药皮重量系数为3 5 5 5 ，随焊条药皮类型及使用目的而异。 ( 1 )焊芯 焊芯的主要作用是导电，在焊条端部形成电弧，焊芯靠电弧热熔化后，冷 却形成具有一定成分的熔敷金属。 为了保证熔敷金属所需的合金成分，一般可以通过两种掺合金的方法来达 到：一种是利用低碳钢焊芯，通过药皮来过渡，一种是利用合金芯，再通过药 皮来补充少量合金元素。焊芯的成分直接影响熔敷金属的成分和性能，因此， 要求焊芯尽量减少有害元素的含量。随着冶金工业的发展，对焊芯中有害元素 的含量的控制要求越来越严，除了通常的s ，p 外，有些焊条已要求焊芯控制a s ， s b ，s n 等元素。 ( 2 ) 药皮 焊条药皮又可称为涂料，把它涂在焊芯上是为了保证熔敖金属具有一定的 成分和性能。以及操作方便。药皮的主要作用是【1 4 1 5 1 ： 1 ) 药皮在电弧的高温作用下，发生一系列冶金化学反应，除去氧化物与s 、 p 等有害杂质，加入适当的合金元素，保证熔敷金属具有所要求的机械性能和 其它特殊性能( 如耐磨、耐蚀、耐热等) ； 1 4 山东大学硕士学位论文 2 ) 保证电弧的集中、稳定，使熔滴金属容易过渡： 3 ) 在电弧的周围造成一种还原性或中性的气氛，以防止空气中的氧和氮等 进入熔敷金属； 4 ) 生成的熔渣均匀的覆盖在焊缝金属的表面，减缓焊缝金属的冷却速度， 并获得良好的焊缝成形； 5 ) 保证熔渣具有合适的熔点、粘度和比重，使焊条具有全方位的焊接或容 易进行特殊的作业，如向下立焊等： 此外，在焊条药皮中加入一定量的铁粉，可以提高熔敷效率。 焊条药皮可以采用氧化物、碳酸盐、硅酸盐、有机物、氟化物、铁合金及 铁合金等上百种原料粉末，按照一定的配方比例进行混合而成。各种原料根据 在焊条药皮中的作用，可分为：合金剂、稳弧剂、造渣荆、脱氧剂、造气剂、 增塑润滑剂、粘接剂等。 目前，堆焊技术日益发展成熟，人们可以采用不同的焊接工艺和在药皮中 渗入不同的合金来满足不同的性能需要【1 7 1 8 1 9 2 0 2 ”。特别是通过改变熔敷金属中 c ，c r 、w 、v 、t i 、m o 、b 、n i 、稀土元素等合金元素的含量来改变熔敷金属 的性能和满足不同的需要瞄2 3 2 4 2 5 2 6 1 。 1 5 双( 多) 芯焊条的应用 在2 0 世纪4 0 年代曾经出现了嵌套的不锈钢焊条，嵌套焊条主要用于堆焊 焊条。所谓嵌套焊条是指一根焊条中含有两根或多根焊芯。焊芯头部有特定的 焊钳夹持，使几根焊芯连在一起，即多根焊芯并联。焊条的制作很简单，把原 来制作的单芯焊条捆在一起( 束状焊条的雏形) ，焊接时从一头开始熔化。焊条 的外观如图1 一l 所示。按照焊条中心线和焊接方向的关系，分为不同的嵌套方 式。常用的嵌套方式如图1 2 所示。实际工作中使用的嵌套焊条一条线上一般 不多于4 根焊芯。 山东大学硕士掌位论文 ：x 二)c o 二| ) 0 ：t o 1 一 卜i i clj 图1 - 1 嵌套焊条的外观图1 - 2 焊条的嵌套形式 嵌套焊条焊接时，焊条与工件分别接电源的两极。从理论上讲电流可以同 时平行的流过多根焊芯，但是不同焊芯的电阻是不同的，因而电流总走电阻最 小的焊芯，焊接电弧只能从一根焊芯上产生，在电弧存在期间，焊芯的电阻随 温度的升高而增大，因此电弧从这根燃烧的焊芯移到离工件最近的焊芯。电弧 总是在离工件最近的焊芯和工件之间产生，因而电弧较短。电弧燃烧时，电弧 周围的气体发生电离，因此电弧从一根焊芯移到相邻的焊芯时，相邻的焊芯根 本不用和工件直接接触。电弧从一根焊芯移到另一根焊芯的速度由电弧长度和 设定的电流决定。因为每根焊芯都有燃弧时间和熄弧冷却时间，所以可以用大 的焊接电流。焊缝的形状由焊芯的嵌套形式决定。 嵌套电弧焊的优点有： ( 1 ) 可以通过选择不同的焊条嵌套形式控制焊缝的熔宽；金属过渡速度快， 可以得到窄的焊缝，同时提高生产率。在手工焊厚板时，正确使用嵌套焊条， 可以大大降低焊接成本。 ( 2 ) 嵌套焊条的电弧短而强有力，焊接时可以很好的保护熔池，得到良好 的焊缝成形。 ( 3 ) 用形式为1 1 的嵌套焊条，焊接电流设定值低时可以用来焊接不锈钢。 用形式为2 的嵌套焊条可以用于铸铁堆焊。由于焊缝稀释率低，第二道焊道就 能得到硬度高的熔敷金属。嵌套焊条能够得到熔宽宽、熔深浅的焊缝，因此也 可以用来焊接铸铁。 虽然嵌套焊条有许多优点，但是存在两个问题。一是焊缝中存有夹渣。二 是由于嵌套焊条是由两根及两根以上焊芯组成的，几根焊芯并不可能同时燃烧， 山东大学硕士学位孛g - 文 瞬时燃烧的只能是其中的某一根焊条，因此如果按单根焊芯允许焊接电流选择 嵌套焊条焊接电流，如每根单芯焊条允许电流值为1 0 0 a 、按嵌套方式为1 1 ， 那么一根嵌套焊条所选择的焊接电流值就为2 0 0 a ；随着嵌套焊芯数的增加，焊 接电流选定值要随之增加，那么一根嵌套焊条所选用的焊接电流就可能达到几 百a 。远远超过单焊芯焊条所能承受的电流值，会发生焊条的爆断等现象。由 于存在上述i ；1 题，嵌套焊条在实际生产中没有得到扩展应用【3 03 ”。 五十年代术中国在引用外国嵌套焊条的基础上，为了提高手工电弧焊的生 产率。采用双手六条和单手多条焊。这种焊接方法主要用于堆焊。焊前将焊条 用很细的铁丝捆成束状，即所谓的束状焊条。然后在焊条的端部用电焊或气焊 焊牢，使之成为一个良好的传导体，防止焊接时焊条分离。进行双手六条快速 堆焊时，用三根有涂料的焊条和三根无涂料的光焊条分别捆成束状，将有涂料 的束状焊条夹入焊钳内作为基本熔注焊条，光焊条拿于左手作为补助焊条，但 光焊条一定是“一字联”的束状。操作如下图所示。可以根据磨损金属物的大 小，窄宽采用四根、六根、七根、八根均可，操作则完全一样。单手多条堆焊 是用两根、三根、五根焊条捆在所需的束状，如图1 - 3 所示。 涂料焊条束 光焊条束 ， ，- 厂， 一。一! o ：，一r 、一i 卜i 一 o 、：、 一 。 ! 妻兰薹兰遂釜三!( x 。一二，。等 图1 3 双手六条快速堆焊 文酬m 1 提到了束状焊条焊接法。所谓束状焊条法，是指焊条束内同时夹两 根或更多的焊条。焊条靠点焊连在一起。这样由于焊条类似于嵌套焊条轮流燃 烧，其受热程度减小了。焊接时，燃烧的一根焊条的辐射热能将其它焊条的末 端加热，这样便显著改进了电弧热能的利用。焊条的更换次数少了，因此减少 了换焊条的辅助时间。减少了烧损与喷溅的损失，而熔敷系数比用直径相同的 单根焊条焊接时，约增至1 5 倍【3 2 ” 3 钔。 文献【3 5 】提到了三相手弧焊。三相电弧焊的电弧有三相电源供电，分别接 焊件、焊条a 、焊条b ，如图1 4 所示： 山东大掌硕士掌位论j r 图1 4 三相手弧焊 三相电源 除了焊条与工件发生电弧外，焊条与焊条之间也有电弧发生，有三个电弧 同时燃烧，而焊条之间又必须相互绝缘。其优点为： ( 1 ) 利用三相供电，使三相电流匀化，避免了普通单相供电的三相载荷 不均现象，使功率因数由普通单相的0 4 0 5 提高到0 6 0 7 5 。在大量使用焊接 的情况下，可以大大改善供电性能，并能节省3 0 的电力。 ( 2 ) 由于三个电弧同时燃烧，同时使用两根焊条，热能的有效利用，焊接 规范的加大，因而大大提高了劳动生产率。由于劳动生产及电能利用率的提高， 生产成本及生产周期就可大为降低。 、 ( 3 ) 三相电弧的热力集中，电弧对焊件的熔透深度增加，因而可以加大钝 边厚度或扩大不开坡口对接焊的厚度。由于热力集中，在堆焊工作中可以再添 加辅助焊丝，则生产率还可提高。 三弧电弧焊的不足之处：一是必须使用三相电，设备复杂，价格昂贵；二 是对工件的熔深增加，对母材的热输入增大，会导致焊接热影响区粗晶区的晶 粒粗大，使焊接接头的性能下降。 1 6 课题的提出及研究内容 2 0 世纪初科学家发明了手工电弧焊堆焊技术，多年来，各国的焊接工作者 致力于堆焊焊接的研究，并取得了很大发展。出现了手工、半自动、自动电弧 焊和气焊等堆焊技术，这些都可以减少焊接中的缺陷，提高焊接生产率。但是 在节能、提高熔敷效率、降低稀释率、改善热影响区的性能等问题上，目前的 堆焊焊接技术尚存大量的问题急需解决。而目前的手工堆焊，一般都是工件接 山东大学硕士学位论文 电源的一个极，焊条接另一极，电弧在焊条与工件之间进行燃烧。 双电极焊条单弧焊是邹老师等研究人员经几年潜心研究的一种全新的电弧 焊技术，具有高效节能的特点。双电极焊条是一根焊条中含有两根相互平行而 绝缘焊芯，焊接时两根焊芯分别接同一电源的两个电极，由外涂药皮连为整根 焊条。双电极焊条焊接时：被焊工件不接电极，两根焊芯分别接电源的正负两 极，通过引燃电弧，使其在两根焊芯端部稳定燃烧，调整电弧与被焊工件之间 适当距离，进行焊接。与传统的手工电弧焊不同之处有： ( 1 ) 引燃电弧可以利用工件短路两焊芯头部，也可以在远离工件的其它空 间用焊丝、碳棒或铁片短路引弧； ( 2 ) 引燃的电弧可以在离焊件不同距离的任何空间进行燃烧，电弧在两焊 芯头部形成单一电弧，调整电弧与工件的距离，可获得不同熔合比的焊缝； ( 3 ) 两焊芯尾部由特制双电极焊条单弧焊焊钳夹持； ( 4 ) 工件上不存在活性斑点区； ( 5 ) 双电极焊条单弧焊具有熔敷效率高，工件热输入大小灵活可调，电消 耗低，操作容易等优点，特别适于堆焊。 目前国内外堆焊技术大多为单芯焊条堆焊，有关双电极焊条堆焊作为一种 新技术，国内外的文章和报道还没有。所以，研究双电极焊条单弧堆焊工艺不 仅具有重要的理论研究意义而且具有实际工程应用意义。 本课题重点研究双电极石墨型耐磨堆焊焊条及其单弧焊工艺，主要研究内容 有： ( 1 ) 双电极石墨型堆焊焊条的研制，重点解决双电极间的绝缘问题与双电 极间距对双电极堆焊焊条电弧特性、焊接工艺稳定性的影响； ( 2 ) 确定双电极石墨型耐磨难焊焊条药皮的形状、尺寸及制造工艺； ( 3