（材料加工工程专业论文）钢基体上alsi钢焊丝双丝焊制备feal堆焊层.pdf

m d d i s s e r t a t i o n p r e p a r a t i n g t h ef e - a is u r f a c i n gl a y e ro nt h e s t e e ls u b s t r a t e b yb yt w i nw i r e w e l d i n gw i t h t hea i s i s t e e lw i r e b yh o u x i a nz h o u s u p e r v i s e db yp v o j i n y u n a n ji n gu n i v e r s i t yo fs c i e n c e & t e c h n o l o g y m a r c h ，2 0 1 3 声明 本学位论文是我在导师的指导下取得的研究成果，尽我所知，在本学 位论文中，除了加以标注和致谢的部分外，不包含其他人已经发表或公布 过的研究成果，也不包含我为获得任何教育机构的学位或学历而使用过的 材料。与我一同工作的同事对本学位论文做出的贡献均已在论文中作了明 确的说明。 研究生签名： 狮年乡月于日 学位论文使用授权声明 南京理工大学有权保存本学位论文的电子和纸质文档，可以借阅或上 网公布本学位论文的部分或全部内容，可以向有关部门或机构送交并授权 其保存、借阅或上网公布本学位论文的部分或全部内容。对于保密论文， 按保密的有关规定和程序处理。 研究生签名： 忍1後 侧年；月听 硕士论文钢基体上a i s i 一钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 摘要 本文主要针对在钢基体上采用a 1 s i 焊丝+ 钢焊丝的双丝堆焊来获得f e a 1 堆 焊层。通过大量的堆焊工艺试验，从a 1 s i 焊丝钢焊丝的配比、焊接规范、焊前 预热、焊后热处理等方面进行了分析和研究。焊接试验结果表明：当主机采用 e r 5 0 s 6 钢焊丝，不添加脉冲，电压为31 4 v ，电流为3 0 8 a ，辅机采用e r 4 0 4 3 铝硅焊丝，添加脉冲，电压为1 9 8 v ，电流为1 4 4 a ，焊接速度为8 5 c m m i n ，焊 前预热温度为3 5 0 ，焊后5 5 0 6 0 0 消应力处理，并随炉冷却后，得到了成形 良好、无裂纹、气孔、夹杂、未熔合等缺陷的f e 舢堆焊层，并实现了连续堆焊 3 0 道以上的多道堆焊。 力学性能测试结果显示，堆焊层的显微硬度在3 5 0 4 5 0 h v ；堆焊层与基体的 界面剪切强度大于2 8 0 m p a ，剪切断口经s e m 扫描电镜显示断裂方式为脆性断 裂；堆焊层耐磨性好于基体q 2 3 5 的耐磨性。金相显微组织分析显示，堆焊焊缝 以明显的柱状晶组织形式存在，且柱状晶组织内部有大量的析出相，当铁、铝焊 丝送丝速度分别为8m m i n 、4 5 m m i n 时的堆焊层经e d a x 能谱检测显示：f e 含量为7 1 7 7 ，a 1 含量为2 1 2 5 ( a t ) ，s i 含量为2 4 ( a t ) 。但熔合线附近 的f e 含量为8 1 一8 6 ，a 1 含量为1 3 1 7 ( a t ) ，s i 含量为1 2 ( a t ) 。经过x r d 分析表明堆焊层中存在f e 3 a l 。 关键词：a 1 s i 焊丝，x x 丝q - z ，f e a 1 堆焊层，显微组织，力学性能 a b s t r a c t i nt h i st h e s i s ，p r e p a r a t i n gt h ef e - a 1s u r f a c i n gl a y e ro nt h es t e e ls u b s t r a t e b yb y t w i nw i r ew e l d i n gw i t ht h ea 1 s i + s t e e lw i r e a n a l y s i sa n dr e s e a r c ha b o u ta 1 s iw i r e - t h er a t i oo ft h es t e e l w i r e ，w e l d i n gs p e c i f i c a t i o n s ，p r e h e a ta n dp o s t - w e l d h e a t t r e a t m e n ta f t e ral o to fw e l d i n gp r o c e s st e s t w h e nt h eo 1 2 m me r 5 0 s - 6w i r ei s a p p l i e dt ot h em a s t e re n g i n ew i t h t h ev o l t a g eo f31 4 ，c u r r e n to f30 8 a ，w i t h o u t i n v o l v i n gp u l s e 。a n do 1 2 m me r 4 0 4 3a l u m i n u mw i r et ot h es l a v ee n g i n e ，w i t hv o l t a g e o f19 8 v , c u r r e n to f1 4 4 a ，i n v o l v i n gp u l s e ，a n dt h ew e l d i n gs p e e di s8 5 c m m i n ，w ec a n g e tt h eb e s ts u r f a c i n gl a y e rw i t h o u tc r a c k sa n do t h e rd e f e c t sb y h e a t e dt o5 5 0 - 6 0 0 。c a n dt h e nc o o l i n gw i t ht h ef u r n a c e w i t ht h i sp a r a m e t e rw es u c c e s st os u r f a c em o r e 3 0w e l ds e a m s a l s o ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e st e s t sa r ec o n d u c t e dt ot h es u r f a c i n gl a y e ro f i r o na n d a l u m i n u mi n t e r m e t a l l i c t h e e x p e r i m e n t a l r e s u l t ss h o wt h a t ：m i c r o h a r d n e s so f s u r f a c i n gl a y e rr e a c h3 5 0 - 4 5 0 h v s h e a rs t r e n g t hr e a c h2 8 0 m p a s e ms h o wt h a t f r a c t u r em e c h a n i s mi sb r i t t l ef r a c t u r e w ec a ns e et h er e s i s t a n c eo ft h ew e l di sb e t t e r t h a nt h eq 2 35a f t e rt h ea b r a s i o nr e s i s t a n c et e s t m e t a l l u r g i c a lm i c r o s t r u c t u r ea n a l y s i s s h o w st h a tt h ew e l ds e a l t li n t e r f a c ei sc o m p o s e do ft h ec o l u m n a rg r a i ns t r u c t u r e a n d t h e r ea r el o t so fp r e c i p i t a t e dp h a s e si nt h ec o l u m n a rg r a i ns t r u c t u r e w i t ht h ei r o n ， a l u m i n u mw e l d i n gw i r ef e e da tt h es p e e d so f8m m i na n d4 5 m m i nt h es u r f a c i n g l a y e rb ye d a xs p e c t r o s c o p yd e t e c t i o nd i s p l a yi nt h ew e l ds e a l t li n t e r f a c ec o n t e n to f f ei sa b o u t71 t 7 7 a n dt h ec o n t e n to fa l u m i n u mr e a c h e sa b o u t2 4 - 2 7 ( a t ) a n d a l s ot h ec o n t e n to fs i l i c o ni sa b o u t2 t o4 b u ti nt h ev i c i n i t yo ft h ef u s i o nz o n e i n t e r f a c et h e r ea r e81 8 6 o ff ea n d13 17 o fa l u m i n u ma n d1 - 2 ( a t ) o f s i l i c o n t h ex r d a n a l y s i ss h o w e dt h a tf e 3 a 1 e x i s t si nt h es u r f a c i n gl a y e r k e y w o r d s ：a 1 s iw i r e + s t e e lw i r e ，t w i n - w i r ew e l dp r o c e s s ，f e a 1s u r f a c i n gl a y e r , m i c r o s t r u c t u r e ，m e c h a n i c a lp r o p e r t i e s i i 硕士论文 钢基体上a 1 s i 钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 目录 摘要。i a b s t r a c t i i 1 绪论1 1 1 选题的意义1 1 2 金属间化合物的特点性能及应用1 1 3f e 3 a l 金属间化合物的特点性能及应用3 1 4 钢和铝的焊接性6 1 5 钢和铝焊接容易产生的问题6 1 6 双丝电弧焊的研究现状7 2 试验的设备和材料。1 1 2 1 实验的设备1 1 2 1 1 法国s a ft a n d e mr 4 5 0t o p m a g 自动双丝焊接系统1 1 2 1 2 力学性能检测设备1 3 2 1 3 耐磨试验设备1 4 2 1 4 其他设备1 4 2 2 试验材料16 2 2 1 焊接母材及焊丝16 3 试验方案设计及分析17 3 1 焊接方案设计1 7 3 1 1 焊前准备1 8 3 1 2 焊丝的选择1 8 3 1 3 焊接参数的选择1 8 3 1 4 主丝、辅丝焊丝的选择1 9 3 1 5 焊前的预热及焊后的热处理工艺2 0 3 2 主丝采用1 2 m m 钢焊丝、辅丝采用1 2 m m 铝硅焊丝双丝焊堆焊试验 设计2 0 3 2 1 主丝1 2 m m 钢焊丝、辅丝采用1 2 m m 铝硅焊丝正交试验2 0 3 2 2 堆焊层的外观分析2 2 3 3 主丝采用1 2 m m 铝硅焊丝、辅丝采用1 2 m m 钢焊丝双丝焊堆焊试验 设计2 4 3 3 1 主丝1 2 m m 铝硅焊丝、辅丝采用1 2 m m 钢焊丝正交试验一2 4 i i i 目录 硕士论文 3 3 2 堆焊层的外观分析2 4 3 4 焊接过程中各种因素的影响2 7 3 4 1 电流的影响2 7 3 4 2 焊接速度的影响2 7 3 4 3 预热和焊后热处理对堆焊裂纹的影响2 8 3 4 4 干伸长的影响2 9 3 4 5 堆焊母材厚度的影响3 0 3 4 6 保护气流量的影响3 1 3 5 本章小结3 2 4 堆焊层性能测试。3 3 4 1 显微硬度测试3 3 4 2 堆焊层耐磨性能测试3 5 4 3 堆焊层的剪切试验3 8 4 4 焊接缺陷分析3 9 4 4 1 焊接裂纹3 9 4 4 2 表面缺陷一4 1 4 5 本章小结4 2 5 堆焊层组织及成分分析4 3 5 1x r d 物相分析4 3 5 2 堆焊层的显微组织分析4 4 5 3 本章小结4 7 结论。4 8 致谢4 9 参考文献5 0 1 v 硕士论文钢基体上a 1 s i 钢焊丝双丝制各f e a 1 堆焊层 1 绪论 1 1 选题的意义 f e a l 金属间化合物是介于高温合金与陶瓷之间的一种新形高温材料，具有优良的 耐磨性和抗氧化性【1 】。作为新一代中高温结构材料和不锈钢替代材料具有广泛的应用前 景，可用于航空航天、汽车工业、能量转换系统、过滤材料等领域。虽然f e a l 金属间 化合物被作为结构材料研究已有几十年了，但在工业化应用方面一直没有显著的突破【2 】。 国外对f e 舢金属间化合物的研究主要集中在其抗氧化性、抗腐蚀性和脆性等特性方面， 致力于对f e a l 金属间化合物的韧化和强度的提高，以扩大其为高温结构材料方面的应 用【3 j 。国内也开展了一些有关f e a l 金属间化合物的独特结构与性能的研究，但基本上 以模仿、跟踪为主，自主创新特别是源头创新的份量还比较小，这主要是由于基础研究 不够造成的【4 】。因此，根据国内外新形材料技术的发展趋势，对比国内外研究状况，鉴 于f e a l 金属间化合物具有的一系列优异特性，我国对铁铝金属间化合物基础研究和开 发是必不可少的，而且具有重要的现实意义【5 j 。 1 2 金属间化合物的特点性能及应用 金属间化合物简称i m c ( i n t e r m e t a l l i cc o m p o u n d s ) 是以金属元素或类金属元素为主， 组成的二元或多元系合金中出现的中间相。其特点是各个元素间既有化学计量的组分， 而其成分又可在一定范围内变化从而形成以化合物为基体的固溶体。当两种金属以整数 比形成化合物时，由于其结构与构成它的两金属结构不同，从而形成有序的超点阵结构 【6 】o 如图1 1 所示各种金属间化合物的结构。 1 绪论 硕士论文 南心赶商炼掬为 羽长程有j 擎鲜f 丰鸯 倭心立方结鞠为 的长程窬序绌构 广c u ；a 型( l i ：型) + c u p t 墅( l 1 1 型) l c u a uj 型( l k 型) 等 广c u z n 型( b 2 壁) + 删垄( d o j 型) l c u 2 m n a i 型( l 2 1 型) 等 煮慧黧差篓一m g ，c d ( d o 删) 等 的长程有序结3 每 ”一。 糊辩趣点辫c u a u l t 墅等 l a v e s 搬 。相 x 相 c q s i ( 1 3 - w ) 相 p 相等 m 卿2 稳 m 鳓2 耱 喇2 辐 图1 1 金属间化合物的结构 金属间化合物不仅有金属键，还具有共价键，共价键的出现，使得原子间的结合力 增强，化学键趋于稳定，具有高熔点、高硬度的特性【_ 7 1 。此外由于结构中原子间的结合 力强，扩散减慢，导致蠕变激活能提高，所以金属间化合物具有高的抗蠕变性能。金属 间化合物高的疲劳寿命是由于其长程有序的结构抑制了交滑移过程，减少了滑移系统， 从而降低了循环加载过程中裂纹萌生的可能性【8 】。另外有序金属间化合物在氧化气氛中 能生成致密的氧化膜，因而具有良好的抗氧化性。 金属间化合物的历史由来已久，从1 9 1 4 年英国冶金学家第一次提出金属间化合物 的概念到2 0 世纪3 0 年代，关于金属间化合物的研究已经成为材料科学研究的热点之一。 此外，以金属间化合物为基体的合金或材料是一种全新的材料，普通的金属材料都是以 相图中的端际固溶体为基体，而金属间化合物材料则以相图中间部分的有序金属间化合 物为基体【9 】。与传统的金属材料相比，其性能介于金属和陶瓷之间，所以也被誉为半陶 瓷材料。正因为金属间化合物具有这些突出特性，所以这是一类极具应用潜力的高温结 构材料。总之，作为新形材料的金属间化合物，因其键合类形呈多样化，从而使其具有 特殊的晶体结构、电子结构和能带结构【l0 1 。正是由于这些结构特点，使其具有了很多新 的性能和用途。其中耐高温、抗腐蚀、抗氧化、耐磨损等特点使其可以成为航空、航天、 交通运输、化工、机械等许多工业部门的重要结构材料。同样由于其具有声、光、电、 磁等特殊物理性能，而成为极具潜力的功能材料，如半导体材料、超导材料、软磁材料 等【1 1 1 。金属间化合物种类非常多，在结构材料领域人们研究较多的是t i a l 系、n i a l 2 以羹 以基 以篓 长 厂l十丰 框 报 排 排 整 密 俺 挣 几 攘 广illll 泼亿物 金回食 硕士论文 钢基体上a i s i 钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 系和f e a 1 系金属间化合物。f e a l 系金属间化合物与前两类相比，除具有高强度、耐 腐蚀等优点外，还具有低成本和低密度等优点，因此具有广泛的应用前景。但是，金属 间化合物的共同缺点室温塑性低和高温强度差一直没有得到很好的解决，这也制约了它 们在生产实践中的应用【1 2 。 1 3f e 3 a l 金属间化合物的特点性能及应用 f e 3 a 1 金属间化合物存在d 0 3 和b 2 两种有序结构，如图1 2 所示。室温下稳定的f e 3 a 1 具有d 0 3 长程有序结构，随着温度和铝成分的变化，该结构会以相变的方式向部：分有序 的b 2 结构转变。b 2 为简单的体心立方结构相，a l 占据项角位置，f e 占据体心位置； d 0 3 则是由8 个小体心立方晶胞所组成的大晶胞，f e 原子占据每个小体心立方晶胞的顶 角和4 个共棱小体心立方晶胞的体心位置而a l 原子则占据其余4 个共棱小体心立方晶 胞的体心位置。因此，d 0 3 结构实际上是一个复杂的体心立方结构。d 0 3 和b 2 这两种 有序结构是f e 3 a l 金属间化合物各项优异性能的基础【1 3 j 。 图1 2f e a l 合金两种结构的单位晶胞 图1 3 为f e a l 的合金相图。 l 绪论 硕士论文 图1 3f e a l 合金相图 f e 3 a 1 作为金属间化合物的一类。除具有高熔点、高硬度、高电阻率等性能外，还 具有低密度、比强度高、高温强度高等特性。随着温度的升高，f e 3 a 1 的屈服强度先升 高后降低，在6 0 0 左右达到最大值，故表格中取此温度作为屈服强度取值点【1 4 】。其物 理性能参数如图1 4 所示： 图1 4f e a a l 金属间化合物与普通钢材的物理性能参数 f e 3 a l 金属间化合物优异的物理性能，低廉的原材料价格，相对较小的密度决定了 其在应用方面必将受到广泛的关注。在近年来的研究中不仅像以往那样将其作为高温结 构材料进行研究，而且其作为功能材料应用的方面也得到了广泛的关注： ( 1 ) 将f e 3 a 1 与陶瓷结合形成复合材料，不仅缓解了陶瓷自身的脆性，而且在使陶瓷 增韧的同时，又保持了陶瓷材料高温性能的优势【l5 1 。该领域的研究，己成为当今材料复 合化探索的一个热点。 4 硕士论文 钢基体上a 1 s i 钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 ( 2 ) f e 3 a 1 金属间化合物的应用仍然受限于其室温脆性，目前在这方面的研究工作已 有了不少的突破，主要是通过细化晶粒和合金化来改善它的室温脆性1 16 | 。在合金化方面 已经取得了不少研究进展，如：铬是能提高f e 3 a l 金属间化合物室温塑性的元素。铬元 素的添加同时也能改善f e 3 a 1 金属间化合物的抗腐蚀性能，在f e 3 a 1 金属间化合物中加 入微量稀土元素铈能显著改善合金的室温强度和塑性。在采用微合金化技术时，必须控 制好合金化元素的添加量【l7 | 。 ( 3 ) f e 3 a i 金属间化合物已被广泛地用作一些高温涂层材料。科研工作者在近几年的 研究中，利用高速电弧喷涂技术在材料上喷涂一层f e 3 a l 金属间化合物涂层，既能解决 其难以加工成形的问题，又能充分发挥其优异的高温性能。开拓了f e 3 触金属间化合物 应用于涂层防护的新领域【l 引。田立辉【1 9 j 等采用机械合金化工艺制备了f e 3 a l 粉末，通过 大气等离子喷涂( a p s ) n 备了f e a 1 涂层。利用x r d 、s e m 表征了球磨粉末及热处理前 后涂层的微观结构。研究结果表明，通过大气等离子喷涂球磨粉末，可以制备出f e a 1 金属间化合物涂层，涂层经8 0 0 热处理3 0 h 后，可提高f e a 1 相的有序度。徐滨士等 口o j 以f e 3 a l 金属间化合物粉末与w c 混合粉末作为喷涂材料，采用热喷涂的方法在q 2 3 5 钢基体上制备出复合涂层。对涂层的组织与性能进行了分析。结果表明，该类涂层组织 致密、硬度较高，具有良好的耐磨性能。 ( 4 ) f e 3 a 1 金属间化合物以其优异的性能有望成为新一代的吸波材料。吸波材料必须 具有较高的电阻率，较大的电磁波衰减特性，在使用的过程中受到高温、介质的腐蚀及 氧化作用时必须保持性能的稳定【2 。f e 3 a l 金属间化合物具有低密度、高电阻率、高温 抗氧化性、耐腐蚀性。它与高分子基体复合成涂层将成为一种新形高的温吸波材料。 金属间化合物由于塑性低，热加工性能差，使得零件成形困难。国内外有关制备 f e 3 a l 基合金的报道中，主要包括：真空感应熔炼法、粉末冶金法、等离子电弧熔炼法、 电渣重熔法等，铸锭或铸件的制备一般采用真空感应熔炼或惰性气体保护下的电弧炉熔 炼法【2 2 】。 余兴泉1 2 3 j 等的研究表明，目前已经开发出可用于批量生产的在普通大气气氛中的 大容量中频感应熔炼和电渣重熔工艺，运用这套工艺可以制备出重量超过1 0 0 k g 的大形 铸锭和铸件。科研工作者在近几年的研究工作中，将f e 3 a l 金属间化合物应用于各种复 杂的工作环境。 邢毅【2 4 等采用粉末冶金法制备了f e 3 a l 多孔材料，研究了烧结温度等工艺参数对 f e 3 a 1 多孔材料的力学性能、过滤特性的影响，考察了f e 3 a l 多孔材料的高温强度和耐 腐蚀性能。结果表明：粉末冶金法制得的f e 3 a l 多孔材料具有良好的抗拉强度、渗透特 性和耐腐蚀性能，解决了陶瓷过滤材料存在的抗热震性能不好、可靠性不高等问题。 王灿明1 2 5 j 等采用热喷涂的方法，在q 2 3 5 钢基体上制备出了f e 3 a l 金属间化合物与 w c 的混合涂层，并对涂层组织与性能进行了分析，发现这类复合涂层组织致密，硬度 l 绪论硕士论文 较高，具有良好的耐磨性能。这种制备方法是将材料的高温耐腐蚀性能和高温强度分开 来考虑的，高温强度由基体材料来承担，高温下的腐蚀和磨损由f e 3 a l 金属间化合物涂 层来防护，该制备方法在一定程度上有效地解决了f e 3 a 1 材料脆性大的问题，从而扩展 了f e 3 a l 金属间化合物材料的应用范围。 钟军斌【2 6 】等在4 5 钢的表面预涂纯a l 粉，用光束合金化的方法合成了f e 舢化合物 涂层，其实验表明f e a l 化合物涂层发生了组织分层现象，表层是f e a i + f e 3 a 1 c o 5 层， 第二层是f e 3 a i + f e 3 a 1 c o 5 层，与传统的扩散方法制备f e a l 化合物涂层相比，用光束合 金化方法制备的这种材料具有组织上的梯度过渡特点，能够带来性能上的渐变，并且涂 层中不易出现富铝相，因而综合力学性能较好。 李嘉等【2 7 】分别利用氢电弧等离子体法及机械合金化法制取了纳米f e 3 a l 粉体，研究 表明：氢电弧等离子体法制备的纳米f e 3 a l 粒子为球形，粒径为5 0 1 0 0 n m ，粒度分布较 为均匀，呈部分有序的b 2 结构；由机械合金化制备的f e 3 a l 粉体存在着较高的缺陷浓度 及晶格畸变，纳米粒子经过热压烧结所制得的f e 3 a l 块体材料的洛氏硬度值可达6 1 h r c ， 室温抗弯强度和断裂韧度分别高达1 3 0 0 m p a 和4 9 m p a * m l 2 ，断裂韧度值较铸态提高了 2 2 ，硬度值提高了2 5 倍。 薛群基【2 8 】等利用燃烧合成熔化技术在3 0 0 。c 以上加温以及惰性气氛保护条件下熔化 制备了晶粒尺寸小于l o n m 、块体材料厚度大于3 m m 的具有优异的力学和抗磨损性能的 f e ，a l 块体纳米结构材料，并且利用此方法制备了微观组织特征良好、增强相含量可在 较大范围内调整且具有良好的力学和抗磨损性能的陶瓷相增强的铝化物、硅化物基复合 材料。燃烧合成熔化技术具有低能耗、低污染和生产效率高等优点。 1 4 钢和铝的焊接性 钢与铝焊接时，钢中的铁与铝既能形成固熔体、金属间化合物，又可形成共晶体。 铁在固态铝中的溶解度并不大，在2 2 5 6 0 0 时，铁在铝中的固溶界限为o o l o 0 2 2 。当共晶温度为6 4 5 。c ，铁在铝中的溶解度为0 0 5 3 且随着温度下降溶解度减 小，室温时仅为0 0 0 2 2 9 1 。如果焊接过程中铝中含有微量的铁，或在冷却时金属间化 合物f e a l 的晶粒中铝含铁量达1 8 时，还会出现f e 2 a 1 7 、f e 2 a 1 5 等金属间化合物。由 于铁与铝处于化合物状态，因而f e a l 中随含铝量的增加，焊接接头的强度和硬度提高， 而塑性明显下降。由此分析，钢与铝的焊接性较差，焊接时必须采用合适的焊接方法和 合理的焊接工艺。 1 5 钢和铝焊接容易产生的问题 6 硕士论文钢基体上a i s i 钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 钢与铝及其合金焊接时主要的问题是接头容易氧化、焊缝成分不均匀、焊缝金属强 度低、焊接变形大及易产生裂纹等。钢与铝或与铝合金的焊接，在铝母材表面易形成难 熔的氧化膜( a 1 2 0 3 ) 3 0 o 这种氧化膜也可以覆在熔池表面，熔池温度愈高，表面氧化膜 愈厚。氧化膜阻碍液态金属的结合，使焊缝容易产生夹渣，因此氧化问题给焊接带来很 大的困难。由于钢的熔点比铝的熔点高( 钢为1 3 5 0 。c ，铝为6 6 0 。c ) ，因此焊接时，铝完 全熔化为液态，而钢仍处于固态。同时，两者密度( 钢为7 8 7 9 c m ，铝为2 6 9 9 c m ) 相差 很大，当钢完全熔化，液态铝浮在钢水上面，使得冷却结晶后焊缝成分不均，焊接接头 性能降低【3 1 i 。钢与铝及其合金的热导率、线胀系数相差较大，焊接时会产生很大的应力， 使焊接接头产生严重变形，甚至出现裂纹。此外，钢与铝的焊缝容易产生各种金属间化 合物，如f e a l 、f e a l 2 、f e a l 3 、f e 2 a l s 及f e 2 a 1 7 等，这些化合物增加了焊缝金属的脆性， 降低了塑性和韧性，使焊缝产生裂纹的倾向增大【3 2 】。 1 6 双丝电弧焊的研究现状 双丝焊作为一种高效率的焊接方法越来越被人们关注。对于多丝焊的研究国内外都 是从双丝埋弧焊开始的。双丝埋弧焊包括单电源双丝和串列双弧两种。串列双弧中双丝 的每一根焊丝由一个电源独立供电，它具有熔深大、熔敷速度较高、焊缝金属稀释率接 近单丝埋弧焊的特点，因而提高了焊接速度与焊接质量。采用单电源可以获得较高的熔 敷速度和稀释率，但熔透能力比单丝埋弧焊低，因而适于窄间隙焊。目前，双丝埋弧焊 已经在实际生产中得到了广泛的应用，特别是采用单电源的双丝窄间隙埋弧焊在压力容 器及核动力装置得到了应用，解决了其两侧未熔合问题，并且提高了生产效率。但是由 于埋弧焊熔池不可见，加之只适于平焊位置，因此这种方法有较多限制。随着熔化极气 体保护焊的应用普及，对熔化极气体保护双弧焊的研究也比较多。国内研制了双焊丝的 c 0 2 气体保护焊新工艺，用于电机机座的焊接，实际应用证明，它可以减小焊接变形， 提高焊接质量和生产效率，改善劳动条件，节约焊接材料【3 3 j _ 【”】。 加拿大w e l dp r o c e s s 公司的j o h nc h u r c h 于2 0 世纪8 0 年代发明了t i m e ( t r a n s f e r r e d i o n i z e dm o l t e ne n e r g y ) t z 【3 引。f r o n i u s 公司在1 9 9 0 年提出t i m e 高效焊接工艺，2 0 0 3 年又提出了t i m et w i n 焊接工艺，两根焊丝在保护气罩里相互绝缘，由两台独立的电 源供电，双电弧共一个熔池。其工艺特点是送丝速度大( 其送丝速度最大可到5 0 m m i n ) ， 焊丝干伸长大，采用特殊的四元气体保护( 2 6 5 h e + 0 5 0 2 + 8 c 0 2 + 6 5 a r ) 。虽然 t i m e 焊接工艺可以大幅提高熔敷效率，但是由于保护气的成分中有氦气，而我国氦 气资源匮乏，阻碍了该工艺在中国的推广。 德国c l o o s 公司在1 9 9 6 年开发了t a n d e m 焊接工艺，它的焊接工艺更为灵活，两 根焊丝直径可以一样也可以不一样，而且可以是同质材料也可以是异质材料，这就使得 1 绪论 硕士论文 t a n d e m 在异种金属的焊接应用成为可能，并且每根焊丝可以独立调节焊接参数，相位 任意设定，甚至可以只使用一根焊丝进行单丝焊。现在已经成功运用于汽车等行业 3 9 】。【4 2 1 。珠海雅各臣公司从德国c l o o s 公司引进了t e n d a m 高速、高效m i g m a g 焊双 丝技术，在焊2 - 3 r a m 薄板时，焊接速度可到3 m m i n 【4 引。 瑞典的a g a a b 公司提出了r a p i dm e l t 工艺，采用本公司专利m i s o n 8 作为保 护气，主要成分是在富心中加入少量的c 0 2 ，并添加2 8 5 p p m 的n o 以减少焊接过程中 的产生的臭氧。r a p i dm e l t 焊接工艺熔敷效率最高可达到2 5 k g h ，送丝可达到 5 0 m r a i n 。 目前许多国家都在研究双丝焊接技术，而且已经比较成熟。目前对双丝焊的研究主 要集中在3 个方面：复合双丝焊、双面双丝焊及单面双丝焊一j 。 杨成刚、国旭明采用高速双丝脉冲m i g 焊成功焊接了2 2 1 8 t 8 7 高强铝铜合金，并 和单丝脉冲m i g 焊、低速双丝脉冲m i g 焊进行了比较。单丝脉冲m i g 焊和高速双丝 脉冲m i g 焊焊缝组织为细小的等轴枝晶，a ( a 1 ) c u a l 2 共晶呈短棒状均匀分布。接头抗 拉强度分别达到2 9 6 4 m p a 和2 9 3 1 m p a ，接头性能较高。而低速双丝脉冲m i g 的焊缝组 织的等轴枝晶较为粗大，a ( a 1 ) c u a l 2 呈长条网状分布，降低了焊缝强度、硬度和塑形。 采用高速双丝脉冲m i g 焊，其焊接速度远远大于单丝焊的焊接速度( 高速双丝m i g 焊的 焊接速度达到l m m i n ) 。 霍光瑞、孔红雨等【4 5 】研究了双丝埋弧焊f c b 双面焊双面成形工艺。系统分析了焊 接规范、坡口形式、背面焊剂对焊道成形的影响。实现了4 4 0 m p a 级1 4 m m 厚度的 1 0 n i c r m o v 高强钢的焊接。当两根焊丝间距达到8 0 m m 厚度时焊接接头力学性能最好， 抗拉强度达到5 8 5 m p a 。 由于双丝焊两根焊丝可以是不同材料的焊丝，通过调节送丝速度来改变两根焊丝送 进金属的比例。这就可以实现异种金属的焊接，国内外已有不少学者开始研究利用双丝 焊工艺连接异种金属材料。南京理工大学的徐越兰、王平等1 4 6 j ，针对厚度5 m m 的6 0 6 1 和5 0 8 3 异种铝合金板，采用自动双丝焊技术，借助m i n i t a b 软件分析研究了焊接工艺参 数对焊接接头强度及成形的影响。结果表明采用双丝焊技术可以单面焊双面成形，焊缝 正反面形貌优良。热影响区宽度为2 - 5 r a m 成功提高了焊接接头的抗拉强度。 南京理工大学的吴博文 4 7 】用s a f 公司的s t a r m a t i cr 4 5 0t o p m a g 自动双丝焊 接系统进行了6 m m 、1 0 r a m 厚铜钢异种金属双丝焊工艺试验。并发现焊缝金属成分对 焊接裂纹影响较大，偏铜距对铜侧熔合情况影响较大，当焊缝金属中( f e ) 在2 5 左右， 偏铜距为2 m m 时焊缝质量最好。金相分析表明焊缝区组织以( a + ) 的双相固溶体组织存 在。焊接接头力学性能强度大于2 1 0 m p a ；断裂部位位于铜母材的热影响区。作者认为 铜钢焊接接头结合机理为：在焊接加热过程中，熔池中的c u 、f e 混合均匀，在焊缝坡 口的界面主要发生元素的扩散过程，当熔池冷却时，熔化的金属从c u 、f e 母材的坡口 硕士论文 钢基体上a i s i 钢焊丝双丝制各f e a 1 堆焊层 开始向熔池中心逐渐凝固结合，c u 界面主要形成固溶体，钢侧界面形成0 l 固溶体， 焊缝中心形成( c 【+ ) 的双相固溶体。 孙科h 8 j 建立了铝合金双丝脉冲m i g 焊双目熔池视觉传感系统，提出基于立体视觉 的熔池表面形状三维重建办法，将摄像机对称置于熔池后上方，从而获得较为清晰的熔 池图像。从获得的熔池尾部三维形状可以反映出，熔池表面呈高低起伏状。在双丝脉 冲m i g 焊接过程中，由于熔滴冲击力、电弧力的作用下，导致电弧正下方的熔池表面 下凹，随着填充金属的送入，熔池中后部熔池隆起。 马勇【4 圳采用双丝埋弧焊设备，在母材1 6 m n 材料上就行了单丝直流、单丝交流、双 丝埋弧焊试验。在相同的焊接速度和焊接线能量下进行了比较。结果过面双丝埋弧焊工 艺可以明显提高熔敷效率、焊缝熔深增加、熔宽增加，同时焊接接头抗拉强度和冲击韧 性略高于母材。同时作者基于数值模拟和神经网络技术，以焊接工艺参数为输入，焊接 质量信息( 焊缝几何尺寸) 为输出，建立了b p 神经网络焊接工艺参数系统，并对该系统 的性能进行了测试和验证。 日本学者【5 u j 进行了t a n d e mm a g 焊接研究，重点进行了焊接金属熔池模形分析， 进行了两个电极之间距离对金属熔池稳定的研究。而且对焊丝进行了研究改进，使其更 有效适应高速度双丝焊接。加拿大焊接研究所也研制了脉冲双焊丝g m a w 焊接设备， 用于窄间隙的高强钢焊接，它的两电弧分别采用不同的电源供电，利用两电源脉冲峰值 的相移来控制双丝的焊接，解决电磁场的相互干扰问题，成功地解决了窄间隙侧壁熔合 问题。 日本的n k k 船厂【5 l j 采用了双高速旋转电弧的焊接工艺，用于角焊缝的焊接，它采 用了富氩气体作为保护气体，一个为引导焊枪，另一个为训练焊枪。奥地利弗尼斯公司 成功开发了单枪双丝m i g 焊技术，该技术焊接效率高，焊接变形小，焊枪小巧可达焊 件任何位置。近几年来，铝合金等有色金属及复合材料在焊接生产中的应用越来越广泛， 因此铝合金的双弧焊研究也比较广泛。科研人员还开发了t i g 1 y g ( t i g 双丝磁控法) 和m i g 1 y ( m i g 单丝磁控法) 。在铝合金的焊接中，日本还开发了双丝焊接技术，其消 耗电极焊丝在前，填充焊丝在后，近于平行地配置在喷管内进行焊接。在消耗电极形成 的熔池内插入焊丝，再由熔池热量熔化填充焊丝，这样焊丝熔化速度得到了提高，提高 了生产率，并降低了熔池温度，冷却速度增加，变形减小。由于m i g m a g 焊法具有高 效、节能、价廉、可见性好、便于使用等优点，于2 0 世纪8 0 年代中期在国际上已成为 主要的焊接方法。而且在先进工业国家的应用比例越来越大，如日本已达8 0 ，欧美 达5 0 6 0 。在多丝焊方面曾出现方波交流电源多丝埋弧焊1 52 1 ，方波交流电源由于具有 稳定的重复引燃性、在窄坡口内没有弧偏吹、边缘熔化可靠等优点，可提高生产率。利 用方波交流电源，再与高的焊接速度及高的熔敷率的多丝埋弧焊相配合，则可进一步提 高生产率。在焊接v c a 化纤纺丝机中的保温箱时，用的是双丝摆动c 0 2 自动焊。经 9 l 绪论硕士论文 实验证明，用双丝摆动c 0 2 自动焊，操作稳定性可靠，焊透性好，焊缝成形好【5 3 】。总之， 双丝焊的应用越来越广泛，越来越被人们重视。 1 7 课题研究的主要内容 本课题的目的是针对f e 和a l 焊接接头易氧化，焊接成分不均匀，堆焊焊缝时易产 生裂纹等特点，采用法国s a f 公司的双丝焊设备，探索铁铝异种金属在钢板上堆焊的 工艺参数，以完成f e a 1 金属在钢板上的大面积堆焊。研究焊接工艺主要是铁、铝送丝 量的配比对焊接接头性能的影响，揭示焊缝微观组织结构、应力分布与接头性能的内在 联系，并提出改善f e 舢接头性能和消除焊接裂纹的措施。 1 0 硕士论文 钢基体上a 1 s i 钢焊丝双丝制备f e a l 堆焊层 2 试验的设备和材料 2 1 实验的设备 2 1 1 法国s a ft a n d e mr 4 5 0t o p m a g 自动双丝焊接系统 本试验使用的焊接系统为法国赛弗公司所产的t a n d e mr 4 5 0t o p m a g 自动双丝 焊焊接系统。它所应用的是t a n d e m 高速双丝焊的焊接技术，并使用其独特的送气方 法以及填充方式，其优点为焊接的速度较快是一般单丝焊的3 4 倍，极大的增加了焊接 的效率。t a n d e m 焊接技术将两根焊枪固定在一起，并使两把焊枪的喷嘴形成一个的 角度，以保证二者的焊丝熔融时在同一个熔池内。这两种焊丝的焊接工艺参数是相互独 立的，所有的参数都可以自由的调节而互不影响，同时两种焊丝不管在材料上还是在焊 丝直径上都可以随意的选取，这样就使得其焊接的范围大大的增加，灵活度也非常的高。 s t a r m a t i cr 4 5 0t o p m a g 使用了晶体管的焊接电源。这种焊接：疗法的两把焊枪的喷 嘴角度、前丝与后丝之间的相对位置及与工件之间的相对位置都是焊接过程中的重要的 参数。由于其焊枪的灵活度较高，因此此种焊接方法可以实现全位置的焊接，方便灵巧， 也使得其应用非常的广泛。 下面就通过图片的方式逐一介绍双丝焊焊机的各个组成部分。图2 1 为双丝焊的整 体外观图。 图2 1 双丝焊焊机 2 试验的设备和材料 硕士论文 其组成部分为 a ) 焊接电源b ) 控制面板 c ) 送丝系统d ) 双丝焊枪 图2 2 焊机的各个组成部分 ( 1 ) 图2 2a ) 所示的为两个s t