（材料加工工程专业论文）高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制.pdf

摘要 自保护药芯焊丝是一种在焊接过程中无需外加其它辅助保护 措施的连续焊接材料，能够适应比较恶劣的工作条件下的自动化 生产，在我国基础设施的建设中已经得到了广泛的应用。由于我 国目前尚无比较成熟的自保护药芯焊丝产品供货，现场所需各类 自保护药芯焊丝基本依赖进口，而且在我国进口的各类药芯焊丝 中自保护药芯焊丝的到岸价格最贵。因此加快自保护药芯焊丝的 研发成为了业内人士的一种共识。 针对目前自保护药芯焊丝尚且存在的一些缺陷与国内市场的 需求，笔者希望能开发出工作性能好、性价比高、工艺性能好和 环保的高性能的堆焊用自保护药芯焊丝。为此笔者提出了金属粉 芯自保护药芯焊丝构想，以此改善自保护药芯焊丝烟尘较大的问 题和提高焊接效率。笔者在本课题研究中着重论证并考察了 c - m n s i 与c - a 卜s i 等不含氟化物主要依靠合金元素实现的非造 渣型自保护机制。在本课题研究中笔者确定了一个焊接工艺性能 较好的低合金自保护药芯焊丝，堆焊合金成分为8 c r 7 m n 3 t i 2 s i 2 b ， 表面硬度h r c 6 2 ；为了进一步改善焊丝的工艺性能，又开发出了 一种低毒性低粉尘的低合金自保护药芯焊丝，堆焊合金成分为 9 c r 6 a 1 4 s i 3 t i m o b ，表面硬度h r c 4 8 ，两种焊丝堆焊层金属的抗磨 粒磨损性能分别为耐磨堆焊用实芯焊丝2 5 c r 3 m 0 2 m n v 堆焊金属耐 磨性能的2 3 6 倍和8 6 倍。通过对堆焊合金中所检测到的c r s i 2 进行研究，笔者发现汽一液一固机制( v a p o u r l i q u i d s o l i d m e c h a n i s m ) 能合理解释焊道金属中c r s i 2 的形成，同时c r s i 2 的 存在证实了焊接冶金过程中v l s 机制的存在。因此笔者认为对v l s 机制的深入研究将有助于合理描述焊接过程以及有效预测焊道组 织。 关键词：自保护药芯焊丝，耐磨堆焊，金属粉芯，低粉尘，c r s i 2 ， 汽一液一固反应机制 a b s t r a c t s e l f s h i e l d e df l u x c o r e d w i r ei so n eo fc o n t i n u e w e l d i n g m a t e r i a lw h i c h c a nf i n i s h a u t o m a t i cw o r ki n d i s a d v a n t a g e o u ss i t u a t i o nw i t h o u ta s s i s t a n tp r o t e c tm a n n e r p r e s e n t l yw i d e l yu s e di nf o u n d a t i o nc o n s t r u c t i o nb u i l d i n g o fc h i n a ，b e c a u s et h e r ei sn oc r e d i b l em e r c h a n d i s eh a v eb e e n d e v e l o p e db yc h i n e s ee n t e r p r i s eo ri n s t i t u t e ，a l lk i n d so f s e l f - s h i e l d e df l u x c o r e dw i r eu s e di nc h i n ah a v et op u r c h a s e f r o ma b r o a d ，a n di t i st h em o s tc o s t l yk i n do ff l u x c o r e d w i r ei nc i f ，w h i c hc h i n ah a si m p o r t e d s om o s tp r o f e s s i o n a l s o f w e l d i n g m a t e r i a lr e s e a r c hr e g a r d e di tn e c e s s a r yt o d e v e l o p t h es e l f s h i e l d e df l u x c o r e d - w i r e a s q u i c k l y a s p o s s i b l e f o rs e l f s h i e l d e df l u x c o r e dw i r ei nm a r k e ts t i l l h a v es o m ed e t e c t s ，t h ea u t h o rw a n t st od e v e l o pak i n do f s e l f s h i e l d e df i u x c o r e d - w i r ef o rh a r d f a c i n gt om e e tt h e n a t i o n a lm a r k e td e m a n d ，w h i c hh a v ee x c e l l e n tw o r k c a p a b i l i t y ，g o o dc o s tp e r f o r m a n c e ，s t a n d o u tw e l d i n ga b i l i t y a n d1 i t t l eh a mt oe n v i r o n m e n t f o rt h i sr e a s o nt h ea u t h o r d e c i d et op u tf o r w a r dam e t a lc o r e ds e l f - s h i e l d e df l u x c o r e d w i r e ，i nt h i sw a yt h ea u t h o re x p e c tt oa m e l i o r a t et h ep r o b l e m o fw e l d i n gf u m ea n di n c r e a s et h ew e l d i n ge f f i c i e n c y d u r i n g t h i ss u bj e c tr e s e a r c ht h ea u t h o rm a i n l y i n v e s t i g a t e a n d e x a m i n et h es e l f - s h i e l d e dm e c h a n i s mb a s eo nm i xm e t a lp o w d e r s u c ha sc - m n s io rc - a i s i ，w h i c hw i t h o u tf l u o r i d e a n d p r o d u c el i t t l es l a ga n df u m ed u r i n gw e l d i n g i nt h i ss u b j e c t t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e das e l f s h i e l d e df l u x - c o r e dw i r eo f l o wa l l o y ，w h i c hh a sg o o dw e l d i n ga b i l i t y ，t h ed e p o s i t e d a l l o yc o m p o s i t i o ni s8 c r 7 m n 3 t i 2 s i 2 ba n di t sf a c er i g i d i t y i sh r c6 2 ：f o rd e v e l o p i n gas e l f s h i e l d e df l u x c o r e dw i r e w h o s ew e l d i n ga b i l i t ym u c hb e t t e r ，t h ea u t h o rh a sd e v e l o p e d i i al o ww e l df u m ea n dh a r m f u l n e s ss e l f - s h i e l d e df l u x c o r e d w i r e ，t h ed e p o s i t e da l l o yc o m p o s i t i o ni s9 c r 6 a 1 4 s i 3 t i m o b a n di t sf a c e r i g i d i t y i sh r c 4 8 ，t h e w e a rr e s i s t e d p e r f o r m a n c eo ft h et w ow i r e sd e p o s i t e dm e t a la r eb e t t e r 2 3 6a n d8 6t i m e st h a nt h a to f h a r d f a c i n g s o li dw i r e ( 2 5 c r 3 m 0 2 m n v ) s d e p o s i t e dm e t a l a f t e ri n v e s t i g a t et h e c r s i 2w h i c hw a sd e t e c t e di nw e l d m e t a l ，t h ea u t h o r d i s c o v e r e dt h e v a p o r l i q u i d s o l i dm e c h a n i s mc a nw e l l e x p r e s st h ef o r m a t i o no fc r s i 2 ，a n dt h eb e i n go fc r s i 2i n d e p o s i t e dm e t a lh a sp r o v e ds y n c h r o n o u s l yt h ee x i s t e n c eo f v l sm e c h a n i s mi nw e l d i n g m e t a l l u r g i cp r o c e s s s ot h ea u t h o r c o n s i d e ra ni n d e p t hr e s e a r c ho nv l sm e c h a n i s mw o u l dh e l p t oe x p r e s st h ew e l d i n gm e t a l l u r g i cp r o c e s sr e a s o n a b l ea n d f o r e c a s tt h es t r u c t u r eo fd e p o s i t e dm e t a l e f f e c t i v e t y k e yw o r d s ：s e l f s h i e l d e df l u x c o r e d w i r e ，h a r d f a c i n g ，m e t a l c o r e d ，l o wf u m e ，c r s i 2 ，v l sm e c h a n i s m ， i 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 引言 第一节本课题提出的背景 自保护药芯焊丝是一种在焊接过程中无需外加其它辅助保 护措施的焊接材料，它的设计理念是依靠焊材自身( 药芯或钢带) 的性能对焊接过程起到保护与稳弧的作用，并根据需要向焊道过 渡合金形成具有一定工作性能的焊道金属。由于自保护药芯焊丝 在焊接过程中具有“自保护”的特性而且有较强的抗风能力，从 而简化了焊枪结构，方便了焊工操作，能在交通运输不便的地区 实现现场焊接与焊接自动化生产。目前已广泛应用于石油管线、 钻井平台、桥梁、化工、冶金等钢结构建筑和机械制造工业部门 【l 】【2 】。 我国自保护药芯焊丝的使用始于8 0 年代初宝山钢铁公司的 建设，同时这也是药芯焊丝在中国应用的开始。当时为了加快工 程建设和保证施工质量，采用了日本进口的y m - - 5 0 5 n 药芯焊丝半 自动焊机和s a n 一5 3 自保护药芯焊丝焊接钢管桩，从而使功效提 高了三倍【3 】。其后，不仅是宝钢的大型建设项目主要采用自保护 药芯焊丝而且国内其它大型建设项目也都纷纷仿效，更重要的是 从此各种类型药芯焊丝在机械制造行业、能源化工行业、船舶制 造和海洋结构行业、建筑和桥粱业、输油及输气管线建设等行业 相继得到了应用。 虽然近几年我国在药芯焊丝方面的研发与生产取得了较大 的发展在国内市场的占有量连年上升( 图0 - 1 所示) ，但是至今我 国现场使用的自保护药芯焊丝主要依赖进口，而且到2 0 0 1 年进口 药芯焊丝仍然占据了国内市场的半壁江山( 图o 一2 所示) 。在进口 产品中，自保护药芯焊丝约占5 ，主要从美国进口，其平均c i f 价格在4 0 0 0 5 0 0 0 美元吨，是各类进口的药芯焊丝中价格最为 昂贵的品种( 其它品种药芯焊丝的c i f 价格平均在1 2 0 0 2 5 0 0 美 元吨) 【4 。 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 图o - 11 9 9 6 2 0 0 1 年中国进口药芯焊丝量( 吨) 4 1 图0 - 21 9 9 6 2 0 0 1 年国产药芯焊丝量( 吨) 1 4 1 焊接材料的研究的发展是与国家的能源、电力、制造、建筑 等相关金属制品产业的发展息息相关的，目前我国正处于经济飞 速发展的阶段，各类产业都进入了发展的黄金时期。能源方面， 国内在建的项目有西气东输工程、中国石油储备战略，规划中的 有中俄合作安加尔斯克一大庆输油管道敷设工程；电力方面，随 着国内夏冬季电力供应越来越紧张，国家对电力供应结构作出重 大调整，各地火电站建设纷纷上马，使得相关的管道与压力容器 的生产兴旺；制造业方面，由于受中国进出口贸易稳步增长的影 响，我国的造船业在未来较长的一段时间都将是满单生产，而且 集装箱产销量连续多年居于世界首位，同时世界各大汽车公司均 有在中国投资建厂的计划或行动；桥梁、水利等基础设施建设方 面，从宏观方面三峡水利枢纽的建设、西部大开发和振兴东北等 战略规划的实施，可以预见我国在基础项目建设上的投入仍然会 不断加大，从微观方面国内经济发达地区出于提升城市品位，改 善居民生活质量，高层大跨度的钢结构设施的建设渐渐成为了一 种潮流。为了适应以上产业的发展，国外许多先进的生产工艺与 第2 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 金属材料不断被应用，这些都对国内焊接材料的研究提出了新的 要求。 第二节国内外研究概况 0 2 一l 国外药芯焊丝及自保护药芯焊丝的研究状况 早在1 9 1 2 年手工电焊条的发明人之一以及伊萨公司( e s a b 1 9 0 4 创立) 的创始人一一瑞典人奥斯卡克杰尔贝格( o s c a r k j e l l b e r g ) 就在他的电焊条专利中写道：“至于这个金属棒 可以做成任何形状，甚至可以做成管状，其内部的物质需经良好 的混合，以求得到适当化学成分的焊缝” 2 1 。以后的研究者认为 这篇专利几乎同时提出了电焊条与药芯焊丝两种电弧焊接材料的 基本概念。笔者认为由于该专利并未提及在焊接过程中采用其它 辅助的保护措施，所以也可以认为该专利最先提出了自保护药芯 焊丝的概念。也有资料显示在1 9 1 0 1 9 3 0 年间的美国和德国【6 】 7 1 1 8 l 出现的药芯焊丝的雏形( 将药粉灌入钢管再切成长段) ，采用手工 电焊条的焊接工艺进行焊接，从其工作原理来看亦可以看作是一 种自保护药芯焊丝，但这些早期的尝试由于焊丝本身产生的保护 效果不理想，无法获得高质量的焊道金属而且制造工艺复杂生产 成本远高于焊条，所以在相当长的时间里没有取得太大的发展， 直到4 0 年代埋弧焊技术和气体保护熔化极电弧焊接技术的相继 出现，使得能进行连续焊接生产的药芯焊丝在工业上的应用成为 可能，在美国1 9 5 6 年就已经有商品化的药芯焊丝供货【9 】。不久 ( 1 9 5 9 年) 就出现了自保护型药芯焊丝，而且自保护药芯焊丝的 特点与堆焊工艺的特点很快被结合起来，一系列直径大于2 4 a m 的堆焊用自保护药芯焊丝相继问世，被应用到各种矿山机械零件 的修复工作中u 】。至上世纪7 0 年代药芯焊丝在美国、德国等主要 西方工业国家已经得到广泛使用。进入8 0 年代后日本，韩国，中 国台湾省的药芯焊丝产业也取得了长足进步，表o 一1 显示了1 9 9 7 年一些国家与地区的焊接材料构成比例。 第3 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 表0 - 11 9 9 7 年一些国家与地区的焊接材料构成比例( ) 1 1 1 国家或地区 药芯焊鳇气体保护焊用实芯焊丝 焊条埋弧焊丝 日本2 7 4 l2 0t 2 美国 2 03 13 91 0 西欧7 5 62 6i l 中国台湾省 92 7 5 41 0 中国犬陆地区 0 2 3 87 91 2 目前美国药芯焊丝品种齐全，自保护药芯焊丝约占药芯焊丝 总量的3 0 【5 l 。美国药芯焊丝的主要供货商是林肯公司( t h e l i n c o l ne l e c t r i cc o m p a n y ) 与i t w 集团何伯特兄弟公司( 目前 包括h o b a r t 、m c k a y 、t r i _ m a r k 、c o r e x 四个品牌) 。表o 一2 列出 两家公司能提供的不同用途用自保护药芯焊丝： 表0 2 林肯公司与何伯特兄弟公司自保护药芯焊丝种类1 2 卜【1 8 1 公司名称 品牌 用途焊丝种数 i n n e r s h i e l d 低碳钢用自保护药芯焊丝 1 9 林肯公司 l i n c o r e 堆焊用自保护药芯焊丝 1 3 h o b a r t 碳素钢用自保护药芯焊丝 1 0 m c k a y 堆焊用自保护管状焊丝1 5 i f w 集团何伯特兄弟公司m c k a y不锈钢用自保护药芯焊丝4 “m a r k 碳紊钢用自保护药芯焊丝 4 c o r e x 碳素钢用自保护药芯焊丝 4 美国目前执行的四个药芯焊丝规范基本为上世纪8 0 年代以 前制订： 1 a w sa 5 2 0 碳钢药芯焊丝0 9 1 2 a w sa 5 2 2 不锈钢药芯焊丝【2 哪 3 a w sa 5 2 6 碳钢和低合金高强钢药芯焊丝【2 l 】 4 a w sa 5 2 9 低合金钢药芯焊丝1 2 2 日本的药芯焊丝虽然起步较晚，但是进入8 0 年代后着重在二 氧化碳气体保护焊用药芯焊丝方面作了大量研究，并且积极在造 船、桥梁、建筑及汽车等工业领域推广应用，形成了以神钢和新 第4 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 日铁为主的研究团队。目前神钢的产品多达5 0 种，以气体保护焊 用药芯焊丝为主，其中自保护药芯焊丝6 种。日铁公司的产品有 3 0 种，其中自保护药芯焊丝6 种【l o j 。从部分公开的专利来看日本 成为了9 0 年代药芯焊丝研究最活跃的国家，表0 3 是曹文山等人 在1 9 9 8 年年作的统计： 表0 31 9 9 0 1 9 9 6 年部分国家与地区药芯焊丝专利公开数目1 2 3 国家日本 美国 欧洲 俄联邦中国 酸性2 62241 气保护 碱性 7l1lo 类型 金属粉型 1 7lo3o 自保护1 6o0l1 合计 6 6 4392 自保护药芯焊丝的理论国内外都很少研究，这是因为自保护 药芯焊丝的开发和研制多在企业，更重视实际效果，即使有一些 成熟的结论也属技术秘密不愿公开【1 1 。所以从世界范围内看，许 多自保护药芯焊丝的研究进展多以专利的形式公开。 笔者对本世纪( 2 0 0 1 2 0 0 4 ) 美国专利局公布的与药芯焊丝有 关的发明专利进行了检索和分析，共检索出1 6 篇发明专利【2 4 h 3 9 1 ， 没有发现新公开的自保护药芯焊丝发明专利。这1 6 篇发明专利中 发明人为美国人的共4 项：其中3 项为美国矿物技术有限公司申 请的应用于铸造件的药芯焊丝及焊接方法【2 4 1 1 2 5 】闭，另一项为林肯 公司发明的一种用于管道连接的短路过渡焊接设备2 _ 7 】；发明人为 日本人的有4 项分别为：神户精工株式会社发明的一种用于双相 不锈钢焊接的药芯焊丝【2 8 】和一种低飞溅高韧性的气体保护焊用药 芯焊丝【2 9 ，神户钢铁有限公司发明的用于耐热钢焊接的气体保护 焊用药芯焊丝【3 0 】，日本制铁溶接工业株式会社发明的焊接过程稳 定无渣气体保护焊药芯焊丝【3 l 】；发明人为韩国人的有6 项：其中 5 项为韩国高丽熔接棒有限公司申请，分别为应用于电镀钢板的 抗气孔与表面凹痕性能优越的气体保护焊药芯焊丝【3 2 1 、能在含锌 底漆钢板上施焊的低温冲击韧性优越的金属粉芯气体保护药芯焊 丝【 j 、用于奥氏体不锈钢焊接的抗裂性好成型好的药芯焊丝1 3 4 1 、 第5 页共5 9 斑 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 一种钛系气体保护药芯焊丝扭5 j 和一种用于双相不锈钢焊接的药芯 焊丝【36 。，另一项专利是韩国现代焊接材料株式会社申请的用于铁 素体不锈钢焊接的抗裂性优越的药芯焊丝 3 7 】；最后两项申请是法 国的同一家研究机构提交的两种用于结构钢焊接的含特殊金红石 的无渣气体保护药芯焊丝【3 8 】【3 9 】。笔者认为这些已公开专利基本上 反映了本世纪药芯焊丝的研究状况。 从以上资料我们可以看出国外在药芯焊丝的研究方面有以下 几个特点： 1 美国、日本和欧洲的工业发达国家，甚至韩国的碳素钢用 药芯焊丝品种已经相对完备，各国的开发重点集中到不锈 钢焊接或管道连接等某种特殊材料或工程所需的特种药 芯焊丝的研究上面。 2 尽管各个国家在药芯焊丝的研究各有侧重，但如何在不明 显降低焊道工作性能的前提下把飞溅，气孔，烟尘和裂纹 等焊接工艺性能指标改善成为了研究热点 4 0 l 。图o 一3 显示 了目前日本一些大的焊接材料公司对药芯焊丝的研究内 容及相应研究经费支配的情况： 图o 一3 目前日本对药芯焊丝的研究内容投入的比例【4 1 】 3 为了进一步追求高效率、高质量和低成本，发达国家的研 第6 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 究机构已经不再把研究范围局限在金属材料范围之内。美 国与日本加强了原材料的质量控制，对某些原材料进行了 改性处理，在焊丝生产过程中引入了实时监控设备。为了 解决工艺性能提高与焊丝成本上升之间的矛盾，世界上一 些知名厂家都不仅针对某种特定的钢材或结构开发相应 的药芯焊丝而且随药芯焊丝配以相应的焊机，使药芯焊丝 的优点得以发挥1 4 2 j 。 4 自保护药芯焊丝的理念虽然早在手工电焊条问世时就已 经被提出【5 】，而且随着焊丝制造与焊接生产设备不断的进 步已经取得了较大的发展，但是从目前的工艺水平而言在 获得高质量低成本的焊道金属的可实现性方面还不及气 体保护焊用药芯焊丝，所以目前在各国焊接材料的构成中 占据的份额不大，但是从美国药芯焊丝的研发历史来看， 自保护药芯焊丝在国家基础建设中有着巨大的应用空间。 可以预见随着飞溅，烟尘等自保护药芯焊丝焊接的主要缺 陷得以克服，自保护药芯焊丝将是一种理想的焊接材料。 0 - 2 2 国内药芯焊丝及自保护药芯焊丝的研究状况 中国药芯焊丝的最初研究几乎是与国外同步的。据称早在 1 9 5 8 年北京的一次技术革新展览会上就展示了机械工业部机械研 究所研制的管状焊条，而且几乎就在同时天津大学的张文钺借鉴 苏联的工艺开发出类似的“管状焊条芯”用于硬面堆焊【4 3 1 。1 9 6 8 年前后国家机械部机械研究所就开始正式立项研究，成为国内系 统进行药芯焊丝的研究起点，此后不久国内也开始了自保护药芯 焊丝的研究与应用，到7 0 年代上海船舶工艺研究所在相关方面取 得了一定成果在中华造船厂进行了试用，并于1 9 7 8 年出版了自 保护药芯焊丝【4 4 l 书。但直到1 9 8 8 年北京焊条厂用从英国引进 的药芯焊丝生产设备和配方向太原重型机械厂供货我国药芯焊丝 生产才迈入批量生产的阶段。到上个世纪末的最后几年，国内造 船、冶金与机械等行业使用药芯焊丝需求不断增长，极大的刺激 了国内药芯焊丝的研究与生产，根据2 0 0 3 年国家焊接材料质量监 督检验中心公布的数据【4 j ，截至2 0 0 2 年，已先后有1 7 个企业分 别从英国、美国、日本、乌克兰、德国、意大利、瑞典、台湾等 国家和地区引进2 4 条生产线。目前国内共有药芯焊丝生产企业 第7 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 2 9 家，生产线总计4 8 条( 引进生产线2 4 条、自制生产线2 4 条) ， 其中采用钢带法的4 3 条，采用盘条法的4 条，采用钢管法的1 条。 药芯焊丝的国产量从1 9 9 6 年不足于吨( 以粗丝为主) ，发展到2 0 0 1 年的近1 2 万吨( 以细丝为主) ，平均每年以超过5 0 的增长率 在发展。目前我国药芯焊丝产品品种主要有钛型气保护、碱性气 保护和耐磨堆焊( 主要是埋弧堆焊类) 三大系列，适用于碳钢、 低合金高强钢、不锈钢等，大体可满足一般工程结构焊接需求。 为了适应药芯焊丝的发展国家参照美国a w s 标准制定了三个相关 规范： ( 1 )6 b t 1 0 0 4 5 - - 2 0 0 1 碳钢药芯焊丝 ( 2 )g b t 1 7 8 5 3 1 9 9 9 不锈钢药芯焊丝 ( 3 )g b t 1 7 4 9 3 一1 9 9 8 低合金钢药芯焊丝 目前国内e 7 1 t 一1 钛型气保护药芯焊丝技术已经成熟，但总 的来说国内无论在品种与质量上都还有许多工作要做，尤其是在 自保护型药芯焊丝的研发方面至今国内没有比较成熟的产品，生 产现场所需相关品种几乎完全依赖进口。有鉴于此，加强自保护 药芯焊丝产品的开发力度成为了国内焊接材料研究人员与生产厂 家一种共识【1 1 1 3 1 1 4 0 1 1 4 3 1 1 4 5 1 。 第三节本课题研究内容 目前国内已广泛采用堆焊方法来修复各类基建和矿山工程机 械在生产中因磨损而失效零部件，以及考虑到现有的试验设备条 件，笔者将本课题的研究方向确定为开发出具有良好耐磨性能的 堆焊用自保护药芯焊丝，能应用到推土机铲斗、履带等中低应力 磨料磨损工作件的修复中。 从目前的报道来看自保护药芯焊丝在焊接质量，环保指标和 焊丝成本等方面与应用于其它工艺的药芯焊丝相比存在一定的不 足【l 儿2 1 。因此为了使所开发的自保护药芯焊丝研究符合国际研究趋 势，满足市场未来的需求，在本课题的研究中笔者希望在高性能 自保护药芯焊丝的研究方面进行一些有益探索，笔者认为高性能 的定义应有四个方面的内容： 1 所研制的自保护药芯焊丝所得到的焊道金属工作性能要达到 设计要求，具体来说就是要有合适的硬度和足够的耐磨性能。 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 2 所研制的自保护药芯焊丝在经济性能指标方面要有足够高的 性价比，也就是说使用该焊丝得到一定工作性能的堆焊层金 属所花费的综合成本不能高于采用其它类型药芯焊丝进行焊 接生产的花费。 3 所研制的自保护药芯焊丝要能满足高效率的生产要求，在工 艺性能方面要求尽可能的减少飞溅，降低气孔与裂纹倾向。 4 所研制的自保护药芯焊丝在环保方面，要求尽可能减少粉尘 与烟雾的产生量，并降低所产生烟雾的毒性。 因此本课题所研究内容为： 1 探讨符合设计要求的高性能堆焊用自保护药芯焊丝的可行性 方案，并确定相应的合金系统。 2 开发出符合设计要求自保护药芯焊丝，测试并评估其各项性能 指标。 第9 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 第一章高性能自保护堆焊用药芯焊丝的研究与设计 第一节高性能堆焊用自保护药芯焊丝的设计思路 在引言的介绍中笔者对本课题所研究的高性能堆焊用自保护 药芯焊丝给出了四个方面的定义，前两个目标的实现主要与所选 合金系统有关，长期以来，焊接材料的研究人员在堆焊金属材料 的研究中做了大量的工作，目前已经形成几类比较成熟的合金系 统，表1 一l 列出了各类合金系堆焊金属的主要特性： 表1 - 1 各类合金系堆焊金属的主要特性5 】 主要性能 耐 耐耐 金 磨 j 耐 耐耐 曷 气腐 耐 组织与成分硬度主要特征 属 料温 执 冲 问 磨磨 蚀蚀 j ”、 击 磨 损损 性性 性 性 损 马 低合金系 h r c 4 0 一- 6 0硬度高，耐磨性好，使用范围广泛良良 由i 山 差中 由 氏 体 1 3 c r 系h r c 4 0 5 0耐蚀耐磨性好，适台中温下工作良 由 良良良良中 型 奥1 3 m n 系衄2 0 0 5 0 0 韧性很好，加工硬化性大差良差中差差优 氏 1 6 m n 1 6 c r 系h b 2 0 0 - - 4 0 0高温硬度大，韧性好良中中良良良良 体 型 高铬镍系 h b 2 5 0 3 5 06 0 0 6 5 0 0 ci - 的硬度高，抗蚀性好 良差良良良良优 高铬铸铁合金h r c 5 0 - 6 6耐磨料磨损性优良，耐蚀耐热性好 由 优优差良良差 碳化钨合金h r c 5 0耐磨料磨损性优良差优差差差 差差 钴基台金h r c 3 5 - 5 8高温硬度高，耐磨耐热性良好良良优优优 优中 通过分析比较，笔者认为由于高硬度堆焊金属( m 屹 6 0 ) 一般耐磨性较好，所以沿铬系低合金化的思路探索高硬度合金的 配方，能够获得综合性能比较好、性价比较高的堆焊金属。 要实现第三项内容，笔者认为所谓的高效率事实上就是要提 高堆焊金属的熔敷效率，减少清焊渣、除飞溅等辅助性劳动时间， 并且要求所得到的焊态金属能有较好的工作性能，即使在恶劣的 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 条件下施焊也无需通过焊后热处理工艺来保证焊道质量，如果以 上目标都能实现那么这种白保护药芯焊丝的综合效益将相当可 观。因此一个可行的办法就是研制一种能够满足工作性能要求的 金属芯的自保护药芯焊丝( 亦可称为低渣型自保护药芯焊丝) ，这 样焊丝的熔敷效率能大幅度提高，而且即使连续多层堆焊也无需 清渣。然而从国内外公开的文献来看目前所开发的自保护药芯焊 丝大多是含有相当比例的造渣成分，这意味着研制金属芯的自保 护药芯焊丝存在相当难度，但依据文献 4 6 4 7 所提供的经验笔 者认为成功的可能性是存在的。 第四方面的内容是目前国内焊接研究最为忽视的一个方面， 这是因为从中国的国情来看从过去甚至到未来相当长的一段时间 内，国内焊接材料的研究工作不得不把更多精力放在开发高效率 低成本的产品上，但是如果我们注意到由于近期无铅焊料在国外 成为一种可能，西方各国已开始对使用含铅焊料加工的电器产品 的进口加以限制，使得我国出口电器遭遇了所谓的“绿色壁垒” 这样一个事实，我们可以想象在可预见的未来，我们所开发的新 产品是否达到了环保要求将会成为这种产品是否能够进入市场的 先决条件。不可否认长期以来焊接生产是工业生产流程中污染最 大的环节之一，而且由于药芯焊丝普遍存在“滞熔”现象j ，自 保护药芯焊丝又主要依靠药芯成分对焊接过程提供保护，造成自 保护药芯焊丝在焊接过程产生的烟尘量远高于其它品种的焊材， 使得要从根本上解决自保护药芯焊丝焊接过程烟尘大这一问题存 在相当难度。目前国外根据焊丝直径的不同，从调整渣系与改变 截面形式入手来细化熔滴，改善“滞熔”现象( 表卜2 所示) 。 表卜2 渣系与截面形式对自保护药芯焊丝熔滴尺寸的影响1 】 焊丝直径熔滴尺寸 ( n u n )( n u n )渣系产地截面形状 3 01 2 2 0 c a f 2 一c a c 0 3 德国单折 3 20 2 1 0 c a f 2 - a 1 日本双折 3 20 卜一o 8 c a f 2 - a li _ _ ；j 本双折 2 o0 5 1 2 c a f 3 t i 0 2美国o 形 2 81 5 2 0 c a f 3 一t i 0 2 c a o美国o 形 高性能耐磨堆焊用白保护药芯焊丝的研制 但笔者在本课题研究中不具备相应的试验条件，并且本课题 已确定在非造渣自保护药芯焊丝方面进行尝试，所以笔者希望从 减少非金属难熔物质加入量入手就能在一定程度上改善粉尘的产 生量；至于有毒烟雾排放量的问题，笔者认为降低药芯中氟化物 和锰的含量是唯一的办法，当然要保证焊道金属质量这个方法受 至0 很大限审0 。 第二节自保护药芯焊丝合金强化元素的选择 根据设计思路c r 将作为一种主要的合金元素加入到药芯中， 有文献 4 9 1 表明c r 对焊道金属硬度的影响有其两面性：当c r 含量 较低时( c r 5 8 ) ，随着c r 含量的增加，堆焊层金属的硬度降低，该文作者认为是由于c r 含 量的进一步增加，造成c r c 值上升使得堆焊金属的奥氏体组织的 稳定性和淬透性下降。为了获得足够多的碳化物，笔者在试验中 把对c r 考察范围锁定在5 1 5 之间。 通过在药芯中加入强碳化物元素以期在焊道金属中生成高硬 度的硬质相，往往能够起到提高焊道金属硬度以及细化晶粒的双 重作用，是提高堆焊金属耐磨性常用的方法即l 。表1 - 3 显示了部 分碳化物的性质参数： 从下表的内容，我们可以发现钛是一种强碳化物的形成元素， 生成的碳化钛不仅硬度高而且结晶温度高，又因为碳化钛的结晶 温度相当高，所以对于细化晶粒很有帮助，于是笔者选定钛作为 第二种主要的合金元素，在基础配方中笔者还选定了硼作为第三 种合金元素，原因并不在于希望硼能与碳形成碳化硼这样的高硬 度物质，事实上，硼更多的是作为种间隙原子存在于焊道金属， 而且富集于晶界，起到强化晶界的作用。 从表卜3 还可以看出，m o 、w 、v 、n b 亦属于强碳化物的形成 元素，对于提高焊道金属的硬度，改善焊道成形都有好处，但与 铬、钛相比，这些合金元素价格较贵，所以在基础配方设计中， 暂不考虑，在调整配方时酌情加入。 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 表1 - 3 部分碳化物的性质参数垆1 1 f 5 2 】 显微硬度( 5 0 9 ) 碳化物品体结构熔点c k g m m 2 w 2 c 密排六方 3 2 0 02 7 5 0 t j c面心立方2 8 5 0 3 2 0 03 2 0 0 s i c 复杂面心立方 2 3 5 0 2 9 0 0 2 4 0 0 升华 v c 面心立方 2 0 9 42 8 3 0 n b c 面心立方 2 0 5 53 5 6 0 w c简单六方1 7 3 02 6 0 0 分解 m o c 简单六方 1 5 0 0 ( 1 0 0 9 )2 7 0 0 分解 m 0 2 c密排六方 1 4 7 9 ( 1 0 0 9 )2 7 0 0 分解 c r 7 c 3斜方1 4 5 0 1 6 8 0 分解 f e 3 c正交1 3 4 01 6 5 0 c f 3 c 2正交1 3 0 01 8 9 5 分解 c r 2 3 c 6 复杂面心立方 1 3 0 0 1 5 0 0 分解 m n 7 c 3斜方1 7 2 8 当然，碳，硅，锰稀土也是能强化焊道金属的有益元素。但 对自保护药芯焊丝来说，它们加入与否以及加入量的多少更主要 的是取决对工艺的需要。 第三节自保护药芯焊丝自保护机制的确定 卜3 一l 自保护药芯焊丝自保护机制的研究 自保护药芯焊丝的焊接过程是直接在空气中进行的，因此自 保护药芯焊丝要有一个有效的保护机制来稳定电弧、减少飞溅以 保证焊接工艺性能，同时降低焊道金属中氮、氢、氧的含量来保 证焊道金属的工作性能。 按实现自保护的方式来划分，目前主要有渣保护、气保护与 合金元素保护。气保护的原理是通过在药芯中加入一定的造气剂 ( 木粉、碳酸盐等) 在高温下分解生成c 0 2 ，h 2 0 ，形成气罩降低 电弧区n 2 与0 2 的分压，达到保护的效果；渣保护是通过在焊芯 中加入各种矿石粉( 大理石、石英等) 在焊丝熔化形成熔滴时， 造渣包裹熔滴以及进入熔池后覆盖在焊道表丽起到隔绝空气的作 用；合金元素保护是在药芯中加入一些与n 、o 亲和力大的元素 ( a 1 、m g 等) 在焊接过程中脱氧固氮，为了达到更好的效果有时 对加入的元素进行了改性处理或干脆采用人工合成材料【1 1 。由于 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 每种保护方式在保护效果与副作用两方面各有特点，在具体的实 现机制上过去多为金属一气一渣联合保护机制，近来金属一渣联 合保护机制较多。基于前面的设计思路，本课题所开发的是一种 金属粉芯的自保护药芯焊丝，即采用造气造渣较少的合金元素型 保护机制。由于成本与现有条件的限制，本课题主要在常见的合 金元素中选配。 卜3 - 2 能起到脱氧作用的元素 虽然氮氧元素对自保护药芯焊丝的焊接过程都有不利影响 ( 图卜1 ) ，但大气中氮气的分压相当高而且能够有效降氮的元素 有限，同时从图1 - 1 亦可以看出只要在一定程度上降低氧的分压， 就可以有效的减少气孔产生的倾向。所以在考察对自保护机制有 益的元素时，笔者将着重考察能降低焊道含氧量的元素。 豢 z r m g c b t i s i v m n n b c r f e m o w p s c o n i c u 。 第1 4 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 卜3 2 1c 作为脱氧元素的工作基理 1 8 0 0 k 相当于铁的熔点，也就是说从理论上只要碳的含量足 够，就能保护其它合金元素通过电弧以气相或液相的形式进入焊 道而不被氧化，但在实际情况下，碳作为脱氧剂有几个问题值得 注意：首先在高温下碳与氧存在以下反应： c + o 一 c o f 也就是说碳脱氧的机制是通过与氧元素结合生成非氧化性气体达 到保护的目的，从效果上讲，碳优先其它合金与氧作用又生成非 氧化性气体降低了电弧反应区的氧的分压，在一定程度上实现了 先期脱氧，这对焊接过程有积极的影响，但从另一方面讲，大气 中氧是充足的，自保护药芯焊丝在焊接过程中合金成分通过电弧 的过程时在一定程度被氧化，是无法避免的，因而在焊道结晶的 过程中熔池中的碳和氧在超过饱和度以后会结成气泡上浮，当上 浮速度低于结晶速度就会形成气孔，有资料1 5 4 j 表明白保护药芯焊 丝在焊接过程中形成的气孔多为c o + n 2 形成，所以在药芯中以石 墨的形式加碳产生气孔的倾向可能会比较明显。笔者认为，在非 硬面堆焊自保护药芯焊丝的药芯中舍弃单质碳的作法是谨慎的， 因为要想通过加入碳来实现焊接过程的自保护所加入的量是相当 可观的，而碳对焊道金属的促硬效果相当明显。这与非硬面堆焊 材料所追求的高韧性这一目标有所抵触。但是以此断言，自保护 药芯焊丝的药芯中不适宜加石墨是过于保守的。因为有两个事实 值得注意： 1 虽然单质状态的z r 、t i 、v 等合金元素在1 8 0 0 k 时与 氧还有很强的亲合力，但是这些合金元素在3 0 0 0 k 以 上就与碳结合成稳定的碳化物了，且这些碳化物对堆 焊金属的工作性能至关重要： 2 在1 8 0 0 k 的温度下，随着温度的降低，碳的活度排位 下降，若熔池中存在其它的单质状态的脱氧剂，舢、 t i 、b 、s i 等，则因c o 形成气孔的可能性大大降低。 因此笔者认为，单质碳( 石墨) 作为一种高效环保廉价的脱氧 剂添加到硬面堆焊用自保护药芯焊丝中是有益的。 卜3 2 2m n 和s i 作为脱氧元素的工作基理 锰与硅是在各类焊材中最常用的两种脱氧元素，也是研究的 最多的脱氧元素。从脱氧机制来说，两者不完全相同，锰的沸点 第1 5 页其5 9 丽 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 仅1 9 6 2 k ，所以在电弧的热作用下，极易挥发，在电弧反应区形 成一定浓度的锰蒸气，降低了氧的分压，因此能起一定的先期脱 氧作用。锰进入焊道以后，能改善熔池的流动性，有利于焊道金 属中熔解的气体元素结泡上浮。而且锰能与焊道中的氧结合生成 固体的氧化物，所以其对后期脱氧也有贡献。但锰作为脱氧剂的 缺陷也是较明显的：首先，其活度不高，脱氧能力有限，其次对环 境污染大，在焊接过程中产生大量的高锰的金属蒸气及氧化物， 会对焊工身体产生严重损害，而且难于治愈。硅作为脱氧剂之所 以常常与锰联系在一起，是因为硅脱氧能力强，但脱氧产物不易 上浮，当硅与锰结合进行联合脱氧时，在一定的锰硅比范围内会 形成大颗粒的低熔点的氧化产物易于上浮。表1 - 4 显示了几种化 合物的熔点和密度，图1 2 显示了不同锰硅比对脱氧产物质点半 径的影响【5 5 】： 表1 4 几种化合物的熔点和密剧5 5 l 化合物f e o如os i 0 2t i 0 2a 1 2 0 ，( f e o ) 2 s i 0 2m _ n o s i o ，( m n o ) 2 s i 0 2 熔点1 3 7 0 1 5 8 01 7 1 3 1 8 2 52 0 5 01 2 0 51 2 7 01 3 2 6 密度 ( g c m 3 ) 5 8 0 5 1 l2 2 64 0 73 9 54 - 3 03 6 04 1 0 ( 2 0 0 c ) ，、0 2 0 艄 戮 m n s i 图卜2 h i n s i 对脱氧产物质点半径的影响 5 5 第1 6 页共5 9 页 高性能耐磨堆焊用自保护药芯焊丝的研制 卜3 3 能起到脱氧与固氮作用的元素 t i 、b 、a 1 、稀土等元素在高温下具有很高的活度，往往能起 到脱氧与固氮的双重作用。 1 - 3 - 3 1b 与t i 作为脱氧与固氮元素的工作基理 在前面的介绍中我们可以看出b 与t i 是强化焊道金属的有益 元素。在高温下b 与t i 与氧的亲合力仅次于