（材料科学与工程专业论文）碱性堆焊二氧化碳气体保护药芯焊丝研究.pdf

华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 ab s t r a c t s flux-cored wire has many advantages than soliddissertation, first, the welding processes of mgo-caf, si0basic cladding flux-cored wire is studied. secondly, themechanism of deposited metal are investigated. thirdly, the w i r e i n h a r d f a c i n g . i n t h i s z s l a g s y s t e m c o a g a s s h i e l d a b r a s i v e p r o p e rt i e s a n d t h e i n fl u e n c e o f r a r e e a r t h o n t h e h e a t e d b y r e s i s t a n c e h e a t , g g h 日 r a c i e r i s t i c s t h e r e l a t i o n s h i p p r o p e r t i e s , t h e k i n e t i c c h a r ac t e r i s t c o m p o s i t i o n s o f c l a d d i n g m e t a l , c o m p o u n d s p a r a m e t e r s a r e s y n t h e t i c a l l y s t u d ie d . o f c o m p o u n d s w i t h i n t h e fl u x - c o r e d w i r e a m o n g t h e a l l o y i n g e l e m e n t c h e m i c a l w i t h i n t h e fl u x - c o r e d w i r e a n d t h e w e l d i n g s t a b i l i t y o f w e l d i n g a r c a n d w i r e t h e r e s e a r c h i d r o p l e t t r a n s f e r i s a k e y p r o b l e m d u r i n g fl u x - c o r e d n g . t r a d i t i o n a l h i g h - s p e e d p h o t o g r a p h m e t h o d i s m o s t s t u d y i n g t h e p r o c e s s o f w e l d i n g c o m mo n l y u s e d i n i n f o r ma t i o n o f a i t r e c o r d s t h e r e l a t i o n s h ip b e t w e e n t h e t i m e a n d t h e s p a c e h i g h - s p e e d m o v e m e n t b y p h o t o g r a p h . i t h a s d i r e c t a n a l y z in g t h e w e l d i n g a r c s t a b i l it y a n d d r o p l e t t r a n s f e r , b u t i t i s d i ff i c u l t a n a l y z i n g . i n t h i s d i s s e r t a t io n , t h e f o u r i e r t r a n s f o r m a t i o n , w a v e l e t w e l d i n g v o l t a g e , t h e s t a b i l it y o f w e l d i n g a r c a n d t h e d r o p l e t t r a n s f e r a r e a d v a n t a g e s i n t o q u a n t i t a t i v e t r a n s f o r ma t i o n o f s t u d i e d i n t h e t i me d o m a i n , a n d t h e f r e q u e n c y d o m a i n , a s w e l l a s t h e t i m e - f r e q u e n c y d o m a i n , w h i c h i s o n t h e b a s i s o f n u m e r i c a l l y a n a l y z i n g t h e w e l d i n g v o l t a g e a n d c u r r e n t s i g n a l . i t i s t h e f i r s t t i m e t o a p p l y t h e t h e o r y o f w a v e l e t t r a n s f o r m a t i o n i n r e s e a r c h i n g t h e s t a b i l i ty o f w e l d i n g p r o c e s s a n d d r o p l e t t r a n s f e r i n o u r c o u n t ry . i t i s v e r y i m p o r t a n t t o c a l c u la t e p r e c i s e l y a l l k i n d s o f a l lo y i n g e l e m e n t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s i n t h e s t u d y t h e p r e s c r ip t i o n o f fl u x - c o r e d w i r e f o r h a r d f a c in g . i f t h e a l l o y i n g e l e m e n t t r a n s f e r c o e ff i c i e n t s w e r e k n o w n , i t i s v e ry c o n v e n i e n t t o d e t e r m i n e t h e c o m p o u n d s w i t h in t h e fl u x - c o r e w i r e . t h e r e a r e m a n y f a c t o r s t o a f f e c t t h e a l l o y i n g e l e m e n t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s , s u c h b a s i c it y o f t h e fl u x - c o r e d w i r e , t h e a s t h e p h y s i c a l a n d c h e m i c a l p r o p e r t i e s o f s l a g s y s t e m , o x i d a t i o n p o t e n t i a l o f t h e g a s e o u s p h a s e a n d t h e m a s s o f t h e a l l o y i n g m a t e r i a l s w i t h i n fl u x - c o r e d w i r e , a n d w e l d i n g p a r a m e t e r s . a t p r e s e n t , t h e r e i s n o a n y i d e a l m e t h o d t o c a l c u l a t e a c c u r a t e l y t h e a l lo y in g e l e m e n t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s o f d e p o s i t e d m e t a l . i n t h i s d i s s e rt a t i o n , i t i s t h e f i r s t t i m e t o a p p l y t h e n o n - l i n e a r a p p r o a c h th e o ry o f a r t i f i c i a l n e u r a l n e t w o r k s t o f o r c a s t t h e c h e m i c a l c o m p o s i t i o n s o f d e p o s i t e d m e t a l . t h e n e u r a l n e t w o r k m o d e l o f t h e r e l a t i o n s h ip a m o n g t h e c o m p o u n d s w i t h i n t h e fl u x - c o r e d w i r e , w e l d i n g p a r a m e t e r s a n d c h e m i c a l c o m p o s i t io n o f c l a d d i n g m e t a l h a s b e e n s e t u p . a n e w m e t h o d t o , c a l c u l a t e t h e a l l o y i n g e l e m e n t t r a n s f e r c o e f f i c i e n t s h a s b e e n e x p l o r e d . t h e r e a r e m a n y f a c t o r s t o a f f e c t t h e a n t i - a b r a s i v e w e a r p r o p e r t i e s o f h a r d f a c i n g m e t a l , s u c h a s t h e m i c r o s t ru c t u r e o f t h e d e p o s it e d m e t a l a n d t h e l o a d . t h e a n t i - a b r a s i v e w e a r 1 1 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 andthisgas p r o p e r t i e s o f t h e c l a d d in g m e t a l a r e v e r y d i f f e r e n t e v e n i f t h e t h e m i c r o s t r u c t u r e o f d e p o s i t e d m e t a l a r e t h e s a m e b u t t h e c h e mi c a l c o m p o s i t i o n s l o a d s d i s s e r t a t i o n , t h e a n t i - a b r a s i v e p r o p e rt i e s o f t h e c l a d d i n g m e t a l o f s h i e l d b a s i c fl u x - c o r e d w i r e f o r h a r d f a c i n g a r e d i f f e r e n t . i n y d c r mo v c o , i s s y n t h e t i c a l l y s t u d i e d . t h e r e s e a r c h r e s u l t s r e v e a l t h a t w i t h t h e a l l o y i n g e l e m e n t c , e l e m e n t v a r y w i t h i n c = 0 . 3 3 61 . 0 4， mn , s i , c r , mo , v , m a k e t h e c o n t e n t o f a l l o y i n g c i - - 0 . 5 - 2 . 5， mo = 0 . 5 - 1 . 0， s i = 0 . 2 2 - - 0 . 8 4， mn = 0 . 5 - 2 . 3 9 , v = 0 . 41 . 0 , t h e mi c r o s t r u c t u r e o f t h e c l a d d i n g m e t a l + r e t a i n e d a u s t e n i t e . i t i s a p p r o p r i a t e l y a t h a r d f a c i n g o f a n t i - w e a r a n d h i g h c a r b o n a l l o y i n g s t e e l . i s ma rt e n s i t e +c a r b i d e p a r t s m a d e b y m e d i u m i t i s s h o w s t h a t , b y a d d i n g t h e r a r e e a r th i n t o t h e fl u x - c o r e dwl r e , c o l u m n a r s t r u c t u r e s o f h a r d f a c i n g m e t a l a r e r e f i n e d , m e a n w h i l e t h e s e c o a r e a l s o i m p r o v e d b y a d d in g r e a n d t h e m a r t e n s i t e i sr e fi n e d a s we l l lr e , t h e p r i m a ry n d a ry s t r u c t u r e s st h e c o n t e n t o f fl a k e m a r t e n s i t e i s d e c r e a s e d . s o t h e a n t i - a b r as i v e w e a r p r o p e rt i e s o f h a r d f a c i n g m e t a l a r e i m p r o v e d . f i n a l l y , t h e k i n e t i c c h a r a c t e r i s t i c s o f c o m p o u n d s w i t h i n t h e fl u x - c o r e d j o u l e h e a t a r e s t u d i e d . t h e r e s u l t s o f s t u d y r e v e a l t h a t t h e r e s i s t a n t h e a t w i r e h e a t e d b y can cause o x i d i z a t i o n o f f e - a l l o y a n d t h e e v a p o r a t i o n o f m o i s t u r e w i t h i n t h e fl u x - c o r e d , w h i c ht h e w i ll f u r th e r a ff e c t t h e w e l d i n g p r o c e s s a n d t h e t r a n s f e r o f a l l o y in g e l e m e n t s f r o m fl u x - c o r e d w i r e t o h a r d f a c i n g m e t a l . k e y w o r d : b as i c fl u x - c o r e d w i r e f o r h a r d f a c i n g , a b r a s i v e w e a r , a rt i f i c i a l n e u r a l f o u r i e r t r a n s f o r ma t i o n , wa v e l e t t r a n s f o r ma t i o n i i i 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 第一章绪论 1 . 1选题意义 1 . 1 . 1 药芯焊丝的国内 外发展概况与预测 1 . 1 . 1 . 1 国外药芯焊丝的发展概况和预测 药芯焊丝又称粉芯焊丝或管状焊丝， 外观如同 普通 c o ， 气体实芯焊丝， 但内 部 填充药芯粉。药芯粉所起作用和涂料焊条的药皮相似，如:稳定电弧、脱氧、 脱硫、 保护熔滴、 熔池免受空气的氧化、氮化、 添加合金元素、改善接头力学性能以 及辅 助焊缝成型等作用. 最早的药芯焊丝出现于本世纪 2 0年代，是由美国和德国生产的i i i .其使用方式 不同与现代的盘状焊丝，当时的药芯焊丝是将药芯粉灌入钢管切成长段，用氧乙炔 焰焊接，与现代的管状焊条极为相似。由于其本身产生的保护效果不够理想，不能 获得高质量的焊缝金属。加之药芯焊丝制造工艺复杂、生产成本高，并且由于后来 在 2 0年代末期发展了涂料焊条，3 0年代又发展了埋弧焊接技术，于是人们对药芯 焊丝的兴趣减退了 下来。 直到1 9 4 8 年出现了 气体保护熔化极电弧焊接方法 ( m i g ) , 并提供了 连续送丝焊接设备，才使药芯焊丝在工业上应用成为可能. 但是 1 9 5 6年 以前药芯焊丝在商业上还未广泛供应，直到 6 0年代初期才在钢材焊接方面崭露头 角成为最有发展前途的焊接材料。 国外药芯焊丝发展较早，发展最快的国家是美国。日本发展较晚， 但发展很快。 美国于5 0 年代大力发展药芯焊丝，至6 0 , 7 0 年代已广泛地应用这一材料， 6 0 , 7 0年代在美国大量使用的是4 ) 2 .0和d ) 2 .4 m m的粗直径药芯焊丝，主要用于平焊和 平角焊， 用于焊接建筑机械、重型机械、钢架、桥梁等。7 0年代中期研制的 e 7 1 t -1 型细直径为1 .2 - - 1 . 6 m m药芯焊丝至8 0 年代在美国的用量急剧增加，该焊丝属钦 型，焊接工艺性优良，从造船、海洋结构至普通机械，从厚板至薄板，从大中型企 业到小型厂家， 广泛应用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力制造与修复等行业。 在 美国药芯焊丝占 全部焊接材料比 例， 从 1 9 6 2 年的 1 % 增加至1 9 8 3 年的1 5 % , 1 9 8 3 年美国药芯焊丝的总产量为4 .2 万吨左右，到 1 9 8 9 年药芯焊丝的产量达到7 .6 万吨 12 1 。 现在美国的药芯焊丝占焊接材料总产量的比 例为 4 0 % 左右.药芯焊丝品种齐全 达7 5 种， 其中林肯公司的 产品多达5 0 种，包括通用药芯焊丝 ( 牌号 o u t s h i e l d ) , 低合金药芯焊丝 ( 牌号 l a c ) 、自 保护药芯焊丝 ( 牌号 n r ) 和堆焊药芯焊丝 ( 牌 号 l i n c o r d )等。其次是麦克凯公司的产品， 共 2 9种，该公司主要生产碳钢和低 合金钢用气体保护药芯焊丝。 牌号以“ s p e e d - a l l o y ”开头， 共2 9 种.另外， 该公 司还专门生产了 的是 7 5 %a r + 2 5 % 1 0种立焊用的适于短路过渡形态的短弧型低合金药芯焊丝，采用 c o , . 目 前美国共有四 个药芯焊丝电弧填充材料规程 a ws a 5 .2 0 碳钢药芯焊丝叭 华 中理， 工 大 学博 士 学 位 论 文 竺 竺 = = 竺 竺 竺 ， 竺 竺 竺 ， = 竺 竺 竺 a w s a 5 .2 2 铬 及铬镍耐 腐蚀药 芯焊丝 叭 a w s a 5 .2 6 碳 钢 和 低 合 金高 强 钢 气电 立 焊 药 芯 焊 丝 is l, a w s a 5 .2 9 低合金钢药芯焊丝(6 l . 日 本 药 芯 焊 丝 的 飞 速 发 展 是 在8 0 年 代 初 ， 从 直 径小 1 .2 m m的 高 k n j t o -a r .v 5 荃 焊 丝 问 世 开 始 的 药 芯 焊 丝 的 构 成 比 从， 9 8 ， 年 的 1 % 增 加 至， 9 9 : 一 而 肠 硫 丁 甘 杏 稗 l i) 舌 开 鉴 能 够 以 大 电 流 进 行 全 位 置 焊 接 的 金 红 石 型 药 芯 焊 丝 ， 但 金 红 石 型 药 %u 怪 些 i=e t j 的 含 氧 量 高 ， 使 焊 缝 金 属 韧 性 下 降 。 随 着 在 药 芯 配 方 资 金 和 技 术 的 枣 量 投 入 ， 金 红 石 型 药 芯 焊 丝 熔 敷 金 属 的 冲 击 韧 性 得 到 了 很 大 提 高 。 日 本 近 年 推 出 的d ow和 d w a系列酸性气体保护焊丝，不仅保持了酸性焊丝优良的工艺性能，而 且具有良 好的冲击性能。 计2 0 0 0 年将超过3 0 %m . 实芯焊丝的态势. 1 9 9 7 年日本药芯焊丝占焊材总产量的比例己达到2 7 %。预 成为增长速度最快的一种焊接材料，大有取代涂料焊条和 目前，日本药芯焊丝除主要用于造船外 汽车及其他焊接厚板的工业上。 还用于桥梁、建筑机械、工程机械、 日本共有药芯焊丝 8 0种，神钢公司的产品达 5 0 种之多，其中气体保护药芯焊。 丝占多数，自 保护药芯焊丝占少数，仅有6 种。 其焊丝牌号一般以“ d w , m x , l o w”开头.气体保护药芯焊丝的品种齐全，适用于各种级别钢种、各种板厚、 各种接头形式的焊接， 可用于平焊、 立焊、 横焊和全位置焊接。 渣系以 氧化钦型和 金属粉型为主。日 铁焊接公司的药芯焊丝品种也较多， 共有3 0 种， 牌号多以“ w ; 打头。其中气体保护结构钢药芯焊丝 6种;气体保护不锈钢、耐候钢、耐蚀钢专用 药芯焊丝1 3 种:气体保护堆焊用药芯焊丝5 种;自 保护药芯焊丝6 种. 日 本j i s 共有六个药芯焊丝填充材料标准: j i s z 3 3 1 3 电弧焊用低碳钢、高强钢和低温钢药芯焊丝is l , j i s z 3 3 1 8 c ma g焊用钥及铬铝钢药芯焊丝is l . j i s z 3 3 1 9 气电 焊用药芯焊丝110 1 ; j i s z 3 3 2 0 ( c o 2 气体保护焊用耐大气腐蚀钢药芯焊丝fi l l ; j i s z 3 3 2 3 不锈钢药芯焊丝 l = i . j i s z 3 3 2 6( 硬面堆焊用药芯焊丝w 1 . 欧洲和前苏联药芯焊丝发展较早，于 7 0年代开始应用，但发展速度较慢，前 苏联 1 9 8 6 年药芯焊丝产量约为 1 . 8 万吨，占焊材约3 %。但品种齐全达7 3 种，牌号 以“ i i i i 11 开头。其中自 保护药芯焊丝2 3 种， 气体保护药芯焊丝 1 3 种，自 保护堆 焊药芯焊丝1 3 种，埋弧堆焊用药芯焊丝1 4 种。 瑞士共有 5 7 种，其中奥利康公司的气体保护药芯焊丝有2 6 种，以碱性渣系为 主，牌号均以“ f l u x o f i l ” 开头。其中 f l u x o f i l 3 1气体保护碱性渣系药芯焊丝具有全 位置焊接的性能，适用于焊接含碳量高的钢种。另外该公司还有埋弧焊用药芯焊丝 2 9 种。 世界著名焊接材料生产商瑞典伊萨公司共有药芯焊丝 1 9种，用于结构钢、低 温钢、耐磨钢等的焊接，牌号均以 “ o k ”打头11 4 1 。其中 o k 1 5 .2 5型高碱性药芯焊 丝可全位置焊接，焊缝含n i 约2 % ，适用于一 6 0 低温钢结构的焊接。 2 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 一一竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 竺 二 竺 竺 二 竺 英国 也 于1 9 8 9 年 制订出 药 芯 焊 丝 填充 材 料 标 准 hi s , 16 , 17 1 b s 7 0 8 4 -1 9 8 9 碳钢和碳锰钢用药芯焊丝 ，并于 超过电焊条。 1 9 9 5年药芯焊丝产量首次 近些年来，随着焊接自 动化水平的提高， 的比例。1 9 7 0年西方各发达国家， 各国都在不断努力调整各类焊接材料 量的比例，美国和西欧约 7 0 %, 仍以使用手工焊为主，当时各国焊条占焊材总产 日 本为 8 7 %。到 1 9 8 0年美国和西欧下降到 4 0 %, 日 本焊条占 焊接材料总产量的比 例小于5 2 % 的时间始于1 9 8 2 年，以 后就逐年下降， 1 9 9 0 年为2 4 .5 %, 1 9 9 7 年为2 0 %。 表1 - 1 为1 9 9 7 年一些国 家和地区的焊材构成比 例。 1 9 9 7 一些国家和地区的焊材构成比例 ( %)17 1 国家或地区 日本 美国 西欧 中国大陆 中国台湾地区 气保护实芯焊丝药芯焊丝 埋弧焊丝 1 2 1 0 1 1 1 2 ，矛nu气 227住 9 1 0 116名7 j斗j气曰on弓 卜uo声石uq户月呀 ，门j气，矛j 由此可见西方主要经济发达国家药芯焊丝的研究与生产已经进入全面成熟期， 正逐渐迈入全面取代涂料焊条的新时代。 1 . 1 . 1 . 2 国内药芯焊丝的发展概况和预测 我国药芯焊丝的研究起步并不晚，6 0年代，上海亚洲电焊条厂和北京电焊条厂 分别与机械部机械科学研究院郑州机械研究所 ( 当时位于河南省深河市)和北京工 业大学合作，研制了药芯焊丝生产设备，由于技术上的原因没有形成生产能力。直 到 1 9 8 8 年北京焊条厂引进英国c o r e wi r e公司药芯焊丝生产线及相应配方后，国 内市场才出现了批量供应的气体保护药芯焊丝。进入 9 0年代后，从英国、美国、 德国、日 本和乌克兰引进 1 5条药芯焊丝生产线，投资 1 0 3 5 万美元，见表 1 - 2 . 加 上国产或自 制的生产线设备，目前我国具有药芯焊丝生产能力的企业有 2 3家，共 有生产线条3 3 条。按设备能力计算，年生产能力己超过1 0 , 0 0 0 吨。 与花费大量外汇重复引进药芯焊丝制造设备形成鲜明反差的是科研投入 ( 科研 经费和科研人员)不够，对药芯焊丝的冶金过程及机理的认识仍然停留在套用涂料 焊条的冶金机理上。加上引进配方对药芯焊丝原材料要求过高，不适应我国国情， 因此形成产量不高( 9 8 年产量接近1 0 0 0 吨) ， 国内 绝大多数药芯焊丝( 年消耗量5 0 0 0 吨)仍然依赖进口的局面。 目前国内药芯焊丝制造业的基本情况是: 1 . 能维持正常生产的企业不多。 生产基本正常的企业有: 天津三英， 年产销约 1 0 0 0 吨:北京宝钢，年产销约6 0 0 吨;北京廉钢，年产销约5 0 0 吨;上海司特立， 年产销约2 0 0吨;河南京深，年产销约2 0 0 吨;其它一些企业产量估计在 1 0 0吨以 s 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 竺竺巴竺=竺=芝竺匕=巴巴= 下。 大. 品种少，相对国外药芯焊丝生产企业，国内药芯焊丝品种少规格型号不全。 长期质量稳定性差，同种型号不同批次的药芯焊丝工艺和力学性能变化较 2.3. 序号引 进单 位 鑫 星药 芯 焊丝 生 产 线引 进情 况114 1 北京宝钢焊业有限公司 上海司太立有限公司 天津大桥集团 公司 天津金燕焊材有限公司 武汉船用机械厂 中油龙昌 焊接有限公司 北京钢廉焊材有限公司 沧州电焊丝厂 湖北先达焊材有限公司 潍坊电焊条厂 嘉兴东方焊业有限公司 引进国别 英国 美国 美国 美国 乌克兰 乌克兰 乌克兰 德国 德国 乌克兰 日本 引 进日 期引 进内 容 i 2 3 4 5 6 7 8 9 1 0 1 1 1 2 引进投资( 万美元 5050160655025507515050150 广州威斯特焊材有限公司 日 本 1 9 8 5 一条生产线十 二个配方 1 9 8 6 二条生产线+ 配方 1 9 9 3 二条生产线十 二个配方 1 9 9 3一条生产线 1 9 9 3二条生 产线 1 9 9 4一条生产线十 一个配方 1 9 9 5 一条生产线十 二个配方 1 9 9 4一条生产线十 二个配方 1 9 9 6一条生产线+ 配方 1 9 9 6 一条生产线 1 9 9 6 一条生产线十 配方 1 9 9 6一条生产线十 配方 互 1 . 1 . 1 . 3国内 外药芯焊丝的 研究动态 表 1 - 3 是对 1 9 9 01 9 %年各国 药芯 焊丝专利公开 数目 的 粗略统计。由 表中 数 据 可见，日本是药芯焊丝专利数目 最多的国家，而我国是药芯焊丝专利数目公开最少 的国家。虽然这一时期美国和欧洲公开药芯焊丝的专利数目也很少，但仅在 1 9 5 41 9 7 2年间，美国和欧洲公开药芯焊丝的专利数目 就达数十个iu 。 这与美国和 欧洲在5 0 - 7 0 年代大力发展药芯焊丝的战略是吻合的。 表1 - 3 1 9 9 0 -1 9 %年各国药芯焊丝专利公开数目 114 1 国家日本美国欧洲前苏联中国 ，乙，.且，.二 ull zt了，且 气保护 酸性 碱性 金属粉型 16-66 自保护 合计4 3 1 . 1 . 2 课题的目 的、意义 堆焊是用焊接方法在零部件表面堆敷一层或数层具有一定特殊性能材料的工艺 a 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 过程，其目的不是为了连接零件，而是在于使零件表面获得具有耐磨、耐蚀、耐热 等特殊性能的烙敷金属或为了恢复或增加零部件尺寸而进行的焊接过程，是焊接领 域的一个重要分支， 在冶金机械、 矿山 机械、 农业机械、 石油化工机械、 交通运输、 原子能工程、航天工业等部门的零部件制造和修复中获得了广泛的应用。在一些国 家，每年堆焊在零部件上的金属总量达数万吨11 9 1 。从五、六十年代起，世界各国发 展了各种各样的堆焊方法， 进一步扩大了堆焊在各部门中的应用。 对每种堆焊方法来说，总是希望母材稀释率尽可能低，堆焊质量尽可能高，而 且随着被堆焊件尺寸的增大，更迫切需要高效的堆焊方法。一种理想的堆焊方法应 该将 “ 高效、优质、低稀释率” 三者集于一身，然而这三者之间既是互相密切联系， 又是相互制约的12 0 1 。目前世界各国普遍采用的堆焊方法主要有:手工电弧堆焊、氧 乙炔焰堆焊、埋弧堆焊、电渣堆焊、熔化极惰性气体保护焊、等离子堆焊等方法。 随着堆焊机械化程度的提高，手工电弧堆焊和氧乙 炔焰堆焊由于其自 身的局限性己 远远不能满足要求。大力发展高效、节能、自 动化的堆焊方法是今后世界各国的共 同目标。 为了提高堆焊层的质量，除了 发展 “ 高效、优质、低稀释率” 的堆焊方法和工 艺外， 还需使用优质的堆焊材料来实现。 堆焊材料是保证堆焊层性能和质量的基础， 国内外在这方面进行了大量的研究工作。山于零部件所处的工况条件不同，对堆焊 层性能的要求也千差万别，所需的堆焊材料也各式各样。因此开发出一种合金元素 调配准确、方便、易于加工生产、又适合于自 动化堆焊工艺形式的堆焊材料，一直 是焊接科技人员追求的目 标.各种类型的合金焊丝是最早被用来满足与之相对应的 零部件制造和修复的堆焊材料。但随着硬质合金复合材料、模具材料、轧馄材料的 发展，与之相对应的堆焊材料的生产成为困扰广大科技工作者的难题。药芯焊丝的 出现给堆焊材料的开发注入了新的活力。 这主要是由药芯焊丝的本身的结构特点的和气体保护焊工艺特点决定的。 从药芯焊丝制造特点来看: 首先是基于经济的优势，因为实芯焊丝是用适当成分的钢锭拔制而成的，这类 合金钢锭往往是不易获得的，而且价格昂贵。为堆焊而研制、冶炼、拉拔小批量专 用焊丝在经济上是不合算的。此外，合金焊丝，尤其是高合金实芯焊丝在拔制过程 中存在严重的加工硬化现象，从钢锭到所需直径焊丝，需要多次拔制、退火，氧化 损失严重，而且拔丝模的磨损问题尤为突出。 其次，药芯焊丝的制造方法为成分的调配提供最大的自由度和方便，不象实芯 焊丝受钢锭成分调配的限制。 但是，实芯焊丝由于是从合金成分非常均匀的钢锭直接拔制而成，因此堆焊金 属化学成分均匀，这也是药芯焊丝的弱点。但非晶态药芯材料技术的成熟和先进送 粉技术的发展，目前已能较好的解决这一问题。 另外从气体保护焊工艺上的特点来看: 首先是堆焊效率高，细丝 c o : 气体保护药芯焊丝堆焊，与手工电弧堆焊、埋弧 自动堆焊相比，焊接电流密度大，没有熔化焊条药皮和埋弧焊剂的电弧热量损耗， 熔敷系数高。 5 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 其次是堆焊变形小，由于 工件受热面积小，同时 形小。 c 0 2 气护药芯焊丝堆焊的电弧热量集中， 焊接速度快， c o : 气流又具有较大的冷却作用，所以由堆焊引起的工件变 再次是抗锈、抗裂能力强，因c 0 2 气保护的氧化作用，能够抑制氢的有害作用。 所以对油、锈不敏感，同时堆焊层含氢量低，裂纹倾向小。 还有 c 0 2 气护药芯焊丝堆焊适应性强，与埋弧堆焊相比不需要承托焊剂，易于 实现各种零件尺寸及各种位置的 堆焊. 因此，国外自 六十年代初期药芯焊丝在商业上广泛供应开始，就将药芯焊丝的 特点与堆焊工艺的特点有机的结合起来。研制出一系列堆焊用药芯焊丝并制订了相 关标准，药芯焊丝成为最有发展前途的堆焊材料。表 1 - 4是六十年代美国研制的 6 种表面堆焊用药芯焊丝。从表中不难看出堆焊用药芯焊丝熔敷金属合金元素化学成 分从 3 . 1 %到3 8 .4 %，具有非常宽的合金成分调整范围，既适用于低合金钢，也适用 于高铬铸铁的表面堆焊。 表1 - 4 表 面 堆 焊 用 药 芯 焊 丝 p i g 焊丝型号焊丝成分硬度物理性质 c mn s i mo cr ni hrc hb a耐磨性一好 自保护2 . 7 5 0 .6 5 一一2 7 .0一5 0 5 0 0抗冲击一好 b 自保护 3 . 5 0 1 . 6 0 0 . 3 0 1 . 0 3 2 刀 c 自保护 0 . 1 0 0 . 5 0 0 . 2 5 0 . 8 5 1 . 5 0 自 保护0 .6 0 0 .8 0 0 . 8 5 5 . 0 0一4 5 1 3 . 5 0 0 . 8 0自 保护。 . 7 00 . 5 0 3 . 5 0 c 0 2 保护 0 .7 0 2 .0 0 1 .0 0 8 . 0 0 抗氧化一好 耐热性一好 耐磨性一好 抗冲击一好 抗腐蚀一好 机加工一差 耐磨性一中 抗冲击一优异 抗压强度一高 机加工性一优 重负荷堆焊用 耐磨性一好 抗冲击一 .优异 高锰钢堆焊 抗冲击一优异 耐磨性一城 尤 异 恒在当 时由 于 认为 堆 焊 工 作 中 塑 性 不 是 主 要 因 素 堆焊金属是否具有塑性是次 要的问题，因此当时堆焊药芯焊丝的研究是很少考虑熔敷金属的塑性的。药芯焊丝 表面堆焊主要应用于各种矿山机械零件的修复工作，例如推土机、挖掘机、疏浚机 械、 惰轮、粉碎机叉头及辊轮、水泥粉碎设备及破碎锤等。 而且以 直径大于 2 .4 m m 一-一-一-一-，-一-一- 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 的自 保护药芯焊丝为主。随着药芯焊丝制造技术的进步和人们对药芯焊丝认识程度 的提高，八十年代，成功地制造出了直径不大于 2 m m 的细直径药芯焊丝。气保护 药芯焊丝的最小直径被拉拔到 0 . 8 m m，常用的为 1 .2 n i m和 1 . 6 m m。自 保护药芯焊 丝的最小直径被拉拔到 1 .2 m m,常用的为 2 .0 m m.焊丝直径的减小使得药芯焊丝全 位置焊成为现实，进一步扩大了药芯焊丝的使用范围，同时细直径气保护堆焊药芯 焊丝也为堆焊工艺注入了新的活力。 堆焊用药芯焊丝是目前表面堆焊领域中最具有生命力和发展潜力的新型材料。 但由于堆焊本身不象焊接那样具有普遍性，特别是堆焊的目的千差万别，有的是为 了提高耐磨损性、有的是为了提高耐腐蚀性、有的是为了提高耐热性、有的是为了 提高耐疲劳性等等.即使是耐磨损性也分许多种，如:金属间磨损、磨料磨损、冲 击磨损、低应力磨损、高应力磨损、疲劳磨损、应力腐蚀磨损、高温磨损等，因此 决定了堆焊材料本身用量少、品种多、通用性差专用性强。与之带来的堆焊材料研 究问题是零散、缺乏系统性。而且目前国内堆焊材料与焊接材料一样仍是以 焊条为 主，只有少数厂家和科研单位从事堆焊药芯焊丝的生产与开发工作。无论是在产品 质量还是品种方面都远不及国外的发展水平，因此开展堆焊药芯焊丝冶金机理方面 的基础理论研究工作，加快堆焊药芯焊丝在我国的推广应用具有重大的理论和实践 意义。 1 .2 堆焊药芯焊丝的研究进展 c o : 气护堆焊药芯焊丝中的药芯与结构钢药芯焊丝中的药芯虽然都具有一定数 量的造渣、稳弧及合金成分，但它们在合金与渣剂的分配比例是截然不同的。堆焊 药芯焊丝在满足工艺性能要求的基础上，其主要目的满足堆焊金属化学成分的要 求，因此最大限度的提高合金元素的过渡系数才是堆焊药芯焊丝的研究宗旨。 1 .2 . 1 合金元素过渡系数的计算 堆焊药芯焊丝配方的研究与开发，各种合金元素过渡系数的确定是至关重要 的，在己 知合金元素过渡系数的条件下， 根据堆焊金属的化学成分的要求就可以 很 方便地确定药芯的组成。目前国内多数药芯焊丝生产厂家仍然是沿用传统经验法， 粗略地估算合金元素的过渡系数，并且通常认为合金元素的过渡系数是一个常数， 依据估算的合金元素的过渡系数值反复调整配方， 通过多次试验最终达到堆焊金属 化学成分的要求. 这虽然也能 达到目 的，但势必造成许多不必要的时间和经费的浪 费，给开发经费本不宽裕的生产厂家带来了沉重的负担，直接影响新产品的研究与 开发.因此对堆焊药芯焊丝的药芯组成进行优化，建立药芯组成物、工艺规范与堆 焊金属化学成分之间关系的数学模型对科学地研究与开发堆焊药芯焊丝显然具有重 要的指导意义。在利用计算机对自保护堆焊药芯焊丝配方进行优化计算方面，前苏 联学者做了 许多工作。 文献 2 1 1 的作 者认为自 保护堆焊药芯焊丝的药芯中 含有许多 矿物质，这些矿物质在焊接电弧的作用下所形成的渣系具有不同的氧化性，保证焊 丝具有良 好的保护性能的同时，又要求具有好的工艺性能，如:稳弧、抗气孔、裂 纹等。因此使计算合金元素的过渡系数变得非常困难，在对自保护堆焊药芯焊丝常 7 华 中 理 工 大 学 博 士 学 位 论 文 用矿物质 ( 萤石、大理石、菱镁矿、金红石、 金元素过渡系数影响的大量的研究的基础上 要因素是渣系的化学性能，也即渣系的碱度 错英石、硅灰石)的数量和比例对合 金元素的含量。最后借助计算机，运用多元非线性回归分析的方法，建立了堆焊层 金属化学成分与药芯焊丝中合金元素间的非线性方程组， 在方程组中作者将焊芯中 矿物质 ( 造渣剂、造气剂)用渣系的碱度综合考虑后作为回归方程的一个变量加以 2 人壬 匕亏 曰不d卜f 飞: - r书 日 c= 1 0 c ( 1 9 .6 + 0 .4 3 c + 5 . 1 2 召 丽奋 十 1 1 .0 福 + 7 .4 甲 石 不 + 3 . 8 6 v + 1 .2 2 m o + 1 . 7 v 一 0 .6 1 3 c _+ 0 . 1 8 1 n k o + 0 .2 c _ i n k 。 一 2 . 8 c q ) 腼， = 1 0 - m n ( 5 1 .0 + 5 .3 衍+ 3 .7 3 了 丽 奋 十 8 .6 6 福十 0 .9 c r + 1 .7 v - 0 . 8 2 c m + 3 .2 5 1 n k o + 0 .0 6 c . i n k 。 一 5 .4 c 0 , ) s i= 1 0 - s i( 9 . 1 + 1 6 .7 沥+ 5 .0 寸 丽 万 十 3 0 .1 福十 6 .4 了 云 石 + 0 .2 2 v - 3