（材料加工工程专业论文）铁基高温耐磨堆焊焊条及焊接工艺研究.pdf

浣强工、监大学硕士学位论文 摘要 我萄当前耐磨罐焊丰考料研稍应翔生产韵大部分怒沿用过丧研制的铁铬碳系，铁铬硼 系，赢铬铸铁合金系统和等离子弧用的粉末钴基、锻基材辩f l l 。国外用于崩滠耐磨堆焊 材料主要是钴基的间太立合垒和魑镍基合鑫，它们在抗蚀、耐磨及热稳定性等方面均 有突出的优点，毽凌实际应蟋孛有一定斡困难，链秽镶是诠掺暴贵戆耱毒金鼹，磅究窭 高温耐磨而且价格低廉的堆焊材料怒非常有必要的。本文针对高温耐磨料磨损的使用工 援，采耀不锈镪海蕊，逶遥蘩受寇壤浮层串避渡台金元素熬方法，会艘多辞嫒蔟据，达 到多元复台强化的目的。研制出了一种铁基旖温耐磨堆焊焊条，并对其耐磨机理进行了 探讨帮磷究。 本文采用了正交回归设计的方法与试验楣结合，对雄焊缮条的合众系统谶彳亍了优化 设计。通道一系列韵实验和计算，针对高温耐磨堆焊晌特点，确定了焊条药皮的最初配 方。芳针对高温磨损失重，慰焊条药皮配方进行了次正交凝归优化设计f 2 “3 l ，建立了 磨损失重与药皮中含金含量之间的回归方程，设计出了焊条药皮的最优配方。并通过对 堆漤蔟组绥及硬矮榛分毒豹分摄，我戮了莫对难焊屡浆能熬彩魏援律，最终获缮了良好 的堆焊层性能。 最后霹本溽条懿溽接王麓送行了试验磷突，筏鬟了最适誊的海谈工艺。并针对簿条 配方优化设计问题，开发了一套焊条计算枫辅助设计软件，可以用科学的方法设计试 验，建立数学模墅，优仡焊条药皮配方，飘莉实现了设计的怒量化。 本文鲍研究成果不仅奁实际中得到了良好的应用，具有巨大的社会效豢秘经济效 益，而且还对研究高温耐磨料磨损具有指导意义。 关键淫；磐援。蓬交嚣羟竣访，嚣整凝理，雅簿 沈阳工业大学硕士学位论文 s t u d yo ni r o nb a s e dh i g ht e m p e r a t u r ew e a r r e s i s t a n c es u r f a c i n g e l e c t r o d ea n dw e l d i n gp r o c e s s a b s t r a c t n o wi no u rc o u n t r yt h ew e a l r e s i s t a n ts u r f a c i n gm a t e r i a ls t u d i e d 、u t i l i z e da n dm a d ei sf e c r - c 、f e c r - ba n dh i g hc h r o m i u mc a s ti r o na l l o ys y s t e ma n dp o w d e rc o b a l ta n dn i c k e l b a s e d a l t o y su s e di np l a s m aa r c a tt h es a m et i m e ，a b r o a dw e a rr e s i s t a n ts u r f a c i n gm a t e r i a l su s e da t t h eh i g ht e m p e r a t u r ea r em a i n l ys t e l l i t en o 1 2 b a s e do nc o b a l ta n d l l 叫a l lh a v e e x t r a o r d i n a r yv i r t u e si nt h ec o r r o s i o nr e s i s t a n c e 、w e a rr e s i s t a n c e 、h e a ts t a b i l i t ye t c b u ti nf a c t t h e r ea r ed i f f i c u l t i e sb e c a u s ec o b a l ta n dn i c k e la r er a r ea n de x p e n s i v e ，s oi ti si n d i s p e n s a n et o i n v e s t i g a t et h eh i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n ts u r f a c i n gm a t e r i a lw i t l ll o wp r i c e i na l l u s i o nt o t h eu s i n gc o n d i t i o no f h i g ht e m p e r a t u r e 班n dp a r t i c l ew e a r , s t a i n l e s ss t e e lc o r ew i r ei su s e di n t h ee l e c t r o d e ，t h ea l l o ye l e m e n t sa r et r a n s f e r r e di n t ot h es u r f a c i n gl a y e rt h r o u g hc o a t i n g ，a n d m a n yk i n d so fh a r dp h a s e sa r es y n t h e s i z e d ，w n c ho b t a i nm a n ye l e m e n t sc o m p o u n d e d s t r e n g t h e n i n g al l e wt y p eo fi r o n - b a s e dh i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n ts u r f a c i n ge l e c t r o d e w a si n v e n t e da n di t sw e a rr e s i s t a n tm e c h a l l i s mw a si n v e s t i g a t e d 。 t h i sp a p e ri n t e g r a t e do r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g ni n t oe x p e r i m e n t ，o p t i m i z e de l e c t r o d e a l l o ys y s t e m ，a c c o r d i n gt ot h ec h a r a c t e r i s t i co f h i g ht e m p e r a t u r ew e a rr e s i s t a n c es u r f a c i n g ，t h e i n i t i a lp r e s c r i p t i o no ft h ee l e c t r o d ew a sd e t e r m i n e dt h r o u g hs e r i e so fe x p e r i m e n t sa n d c a l c u l a t i o n c o r r e s p o n d i n gt ot h ew e i g h t l e s so f h i g ht e m p e r a t u r ea b r a s i o n ，t h ep r e s c r i p t i o nw a s d e s i g n e dt h r o u g ho d et i m eo r t h o g o n a lr e g r e s s i o n ，t h er e g r e s s i o ne q u a t i o nb e t w e e nt h e w e i g h t l e s so fa b r a s i o na n da l l o yc o m p o s i t i o ni nc o a t i n gw a se s t a b l i s h e d ，a tt h es a t l i et i m e , c o r r e s p o n d i n gt ot h ea n a l y s i so fs t r u c t u r eo fs u r f a c i n gl a y e ra n dd i s t r i b u t i n go fh a r dp h a s e ，i t s e f f e c tr e g u l a rw a sf o u n da n df i n a l l yf a v o r a b l ep e r f o r m a n c eo f s u r f a c i n gl a y e rw a sf o r m e d i nt h ee n d ，w e l d i n gp r o c e d u r eo f t h ee l e c t r o d ew a ss t u d i e db ye x p e r i m e n tt of i n dt h em o s t s u i t a b l ep r o c e d u r e f u r t h e r m o r e , ak i n do fe l e c t r o d ec o m p u t e ra i d e dd e s i g ns y s t e mw a s d e v e l o p e ds c i e n t i f i ca p p r o a c hw a su s e dt od e s i g ne x p e r i m e n t ，c o n s t r u c tm a t h e m a t i c a lm o d e l ，2 沈释工业大擎醺学链论文 a n do p t i m i z ew e l d i n gm a t e r i a lc o m p o n e n t ，t h u sq u a n t i t a t i v ed e s i g no fw e l d i n gm a t e r i a lw a s r e a l i z e d r e s e a r c ha c h i e v e m e n ti nt h i sp a p e rn o to n l ya p p l yi np r a c t i c ea n dh a sf a v o r a b l es o c i a la n d e c o n o m i cb e n e f i tb u ca l s oi ti so fg r e a td i r e c ti m p o r t a n c et os t u a yo nh i 曲t e m p e r a t u r ew e a r r e s i s t a n c e k e yw o r d s ：w e a r , o r t h o g o n a lr e g r e s s i o nd e s i g n ，w e a rr e s i s t a n c em e c h a n i s m ，s u r f a c i n g ，3 沈阳工业大学硕士学位论文 引言 随着现代科学技术的飞速发展，材料科学与材料工程也取得了迅速发展，人们对材 料性能的要求正由单一型向综合型发展。就目前世界材料的利用来看，消耗比例较大， 利用率不高、质量差、寿命低，不能适应冶金机械、矿山机械、农业机械、石油化工机 械、交通运输、原子能工程等制造和修复业发展的要求。堆焊除了可以显著提高工件的 使用寿命，节省常q 造、维修费用外，还可以减少修理和更换磨损件的时间，从雨提高生 产率降低生产成本。由于应用堆焊能更合理的利用材料，从而获得优异的综合性能。我 国当前的耐磨堆焊材料的研制应用和生产大部分产品是沿用过去研制的f e c 卜c ，f e c r _ b 高铬铸铁和等离子弧用的粉末c o 基、n i 基的材料。国外用于高温耐磨堆焊材料主要是 钴基的司太立合金和一些镍基合金，这些合金在抗蚀、耐磨和热稳定性等方面均有突出 的优点，但在实际应用上有一定的困难。钴是稀有金属，价格昂贵，国内也是如此。多 年来，在高温抗磨堆焊中主要应用的也是钻基和镍基堆焊合金，因此急需研制出高温铁 基耐磨堆焊材料。 在耐磨堆焊中，焊条手工电弧堆焊对于修复已磨损零件是一种简单、且有效的方 法。焊条手工电弧堆焊使手工操纵焊条，用焊条和基体表面之间产生的电孤作为热源， 使填充金属熔敷在基材的表面的种堆焊方法。它所用的设备和手弧焊一样，电源可用 直流弧焊整流器和交流弧焊变压器，设备便宜、轻便、通用性大，适合现场堆焊。堆焊 在焊工真接观察和操纵下进行，灵活性大，受工件大小的限制小，在任何位置都能焊， 可达性也较好，所以得到广泛应用。手弧堆焊电弧温度高，热量集中，一般情况下堆焊 前可不用预热或只稍加预热，故生产率较氧一乙炔焰堆焊高，工件变形也小。因此研制 出一种耐磨堆焊焊条对当前在实际的生产中将得到广泛的应用。 通过对炼钢高炉料钟等高温磨料磨损的使用工矿进行分析，认为在该种耐磨条件 下，材料与磨料之阁的相对摩擦与磨损情况有其特殊性。常温磨料磨损时，耐磨层与磨 料之间的相互磨损可以简化成两种机制，其一是犁沟模型，其二是切削模型。因此在这 种理论的指导下，耐磨堆焊材料一般都追求高硬度，在高温磨料磨损工矿条件下，除此 沈阳工业大学硕士学位论文 之外还应考虑如何提高高温抗氧化腐蚀问题。因此如何克服以上难点，研制出一种成本 低、使用方便的抗高温耐磨堆焊焊条是解决上述问题的良好途径。 一2 一 沈阳工业大学硕士学位论文 1 绪论 1 1 耐磨堆焊的意义、用途和特点 堆焊是用焊接方法把填充金属熔敷在基材金属表面以获得满足某特定服务要求所需 要的性能和尺寸的工艺过程，它不仅是为了连接零件，其目的在于增加零件的耐磨、耐 热、耐腐蚀等方面的性能。堆焊通常有四种类型：包覆层堆焊( c l a d d i n g ) 、耐磨层堆 焊( h a r d f a c i n g ) 、堆积层堆焊( b u i l du p ) 和隔离层( b u t t e r i n g ) 堆焊。其中包覆层堆 焊是把填充金属熔敷在低合金钢或碳钢的基材表面，提供抗腐蚀的保护层的工艺过程。 要求包覆层较厚，表面完整、光滑并能完全包好基材。堆积层堆焊是把填充金属熔敷到 基材表面、坡口边缘或以前堆焊过的堆焊层上以增大或恢复焊件尺寸的工艺过程。堆焊 层金属的性能和成分一般与基材相似，设计时需考虑堆积层豹强度。隔离层堆焊是指焊 接异种材料或者有特殊要求的材料时，为防止基材的不良影响，保证接头的质量和性 能，预先在基材表面或坡口边缘熔敷上隔离层的工艺过程，该种堆焊方式圭要是出于冶 金因素的要求。而耐磨层堆焊【4 】【7 1 就是把填充金属熔敷在基材表面以提供抗磨损、冲 击、腐蚀、擦伤和气蚀等保护层的工艺过程。只在最需要的部位熔敷耐磨层，节省了贵 重材料。因所受载荷由韧性基体承受，设计时可不考虑耐磨层强度，所以有可能使用很 硬的、耐磨性很好的堆焊层。 耐磨堆焊除了可以显著提高工件的使用寿命。节省带n 造、维修费用外，还可以减少 修理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，从两获得优异的综合矬能，所以堆焊对于改进产品设计也有重要意义。现 在堆焊已广泛应用在矿山、冶金、农用机械、建筑、电站、铁路、车辆、石油、化工设 备、轮船机组、工具、模具等的制造和维修。 目前在生产中使用的耐磨堆焊合金大多数为镍基和钴基合金。值得重视的是耐磨堆 焊复合合金，它是由高硬度的难熔金属碳化物和塑性好、和工艺性好的基体合金熔台而 成。所采用的金属碳化物有碳化钨、碳化锢及碳化铬配合以不同的基体，包括铜基、镍 基、钴基及铁基等。表面耐磨堆焊通常要求有一定的堆高及较浅的熔深( 以减少被基体 3 沈臻工监大学骚学经论文 金疆稀释) 。磊蔚采屠黪工艺有气体必嫠雏簿、毫辫条手工壤浑、投摄鲁凄堆浑、嘏孤 等离子堆焊、感应加热堆焊及电接触堆焊等。 抗蘑辩磨损弼f i 。j 是耐瓣层堆群最重要的应用之一。蘑损是十分复杂的徽观动态过 程，所 以簸损的分类方法也很多，常见的几种分类方法如图1 1 所示。 金 属 一 垒 属 整 损 羼 一 琉 体 摩 揖 蓦强 礓 按每缓靼玲霞势樊 驯 | | 雌雏 她 翥图圈 图1 1 拄 辫挥 蒋捧 商讣 技骞 毓爱 嘲抒 接耀 舟疆 攘分 接礓 魁建 韵符 1 2 磨 连磨损备基本璨理、模鍪及影晌因素 通过对窝炉料镑【l l l ，1 1 2 j 的使用工掘进行分褫，德是毫炉辩镑鲍磨损属于磨辩瘗撰。 磨料磨损机理是指材料表面与磨料发生摩擦接触后，袭面材料的耗损过程，也是材料的 蘑厝默夏表藤产生露琏落粒避程。 12 1 磨料麟损的简单模型 在许多瓣擦学静专著中郝 爝e r a b i n o w i c z 在1 9 6 6 年辑提出的巍襻癌攒简讫模黧 和数学表达式。其简化模型如图1 2 所示。这种简单模型的基本假设是： a ) 将缀受磨损的材料简纯成一种不产生彳壬何塑性变形的绝对刚体； b ) 将硬质磨料颗粒简化成一个圆锥体： 4 ， 埘饼武磨按一图 引戮濮 ，0l；，_j z 国眦 沈阳工韭大学硕士学往论文 c ) 将磨损过程视为简擎的滑动过程； 盛粒l l 豳1 2 磨料磨损简化模型 秘鼹这个麓肇模型，可以缀容翳诗霎出褒一令爨锥体载壤秘颗粒貔俘髦下，港动一 定距离所磨损掉的材料体积( 阴影部分) 。即， v = 1 2 2 r t ，= ，t - ， 式孛：v 一瘗撰獐静蒋积； r 一磨料颗粒圆锻体半径； t 一蠹耪压入材瓣内深度： l 一滑动距离： 由于麟料压入材料内深度决定于压力的大小和材料硬度的比值，所以 | = r t t 9 0 p = h 刀2 式孛：8 一瘗髓圜锥傣夹热； p 一施加裁荷： h 一兹瓣硬度； 孚= 磊p t g o l 斌 鬈：塑 令 万 裂 手= k - 鲁fh 一5 沈阳工业大学硕士学位论文 以上表达式表明，在一定磨料条件下，单位滑动距离内磨损的体积与施加的载荷成 正比，与材料的硬度成反比。 在实际磨料磨损过程中，磨损机理往往比这种简单模型复杂的多。因为此时不是单 个的，而是许许多多的磨料在起作用；材料经常会产生塑性变形；磨损过程中还常常会 伴随有冲击的作用、环境温度、湿度以及腐蚀介质的影响。因而该种模型为一种理想化 的磨料磨损模型。 此外，在磨料磨损过程中，磨料颗粒在压力作用下会使经受磨损的材料产生弹性和 塑性变形，从而在材料亚表层不同深度处形成压应力和拉应力。在这种应力的作用下， 会使材料的位错密度和硬度发生变化。由于磨料与材料接触过程中的接触角不同，材料 的迁移机理以及应力分布也随之改变。 1 2 ，2 磨料磨损过程中材料去除的两种机柳 1 2 2 1 由塑性变形机制引起的去除过程 当磨料与塑性材料表面接触时，会发生两种主要的材料去除过程 ( 1 ) 犁沟一材料受磨料的挤压向两侧产生隆起。这种过程并不会直接引起材料 的去除，但在多次变形后会产生脱落而形成二次切屑，如图1 f 3 所示。 圈1 4 微观切存q 模型 6 一 层 骜垫 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 2 ) 微观切削一一材料在磨料的作用下发生如刨削一样的切削过程。这种过程可 商接造成材料去除，形成一次切削。如图1 4 所示。 材料因塑性变形造成材料去除的磨损体积表达式为： k = 墨k 2 k 3 p - - k 式中巧一材料去除体积 j p 一单位面积施加的载荷 村一材料磨损表面的硬度 三一滑动距离 硒一形成磨屑的总几率 尬一形成磨屑时被去除的沟槽体积所占的比例 局一与磨粒形状有关的参数 在以上表达式中，局丘? ，瞄三个参数的计算和测定是相当困难的。它们分别与磨料 的形状系数、冲击角o 、摩擦系数u 、材料的性能( 弹性模量e 、流动极限af 、表面硬 度h ) 以及接触条件有关。 1 2 2 2 由断裂机翩引起的去除过程 这种去除过程在脆性材料中显得特别重要。例如尚瓷、碳化物和玻璃等，它们对于 断裂破坏十分敏感。 由于断裂机制材料去除体积的表达式为 j ：ks p d kk j 弘h 一l 式中乃材料去除体积 尸一施加载荷 日材料硬度 d 一磨料直径 疋材料的断裂韧性 玛与磨料形状及其分布状态有关的参数 - 7 - 沈羯工韭大学硬攀位论文 当藏秀霸载荷较大、蘑料尖锐戳及材料的断裂翻性与硬发的眈值越低对，材料越趋向 于压痰断裂。材料的硬度决定了磨料颗粒可能压入的深度。如果压痰深度大予产生羧裂 的临界深度时，材料因断裂机制产生的去除过程就会优先发生。显然高的断裂韧性会增 加压痕临舞深度毽因两减小了困颧裂枧露去除的磨损体积。殛秘极测瓣转换在磨趱黪损 过程中，无论是塑性材料或是脆性材料，都可能同时发生塑性变形投断裂两种机制。只 楚由子瘗援环凌条 譬及毒孝糕特蛙不囊，菜一秘密损糠摩会占主导蟪袋。嚣整，常常麓条 件的变化发生一种磨损机制向另种机制的转换。废当指出，断裂机皋9 要比魍性变形机 鞠造成静糖精损失率丈褥多。在实际袄嚣下，材料的去除往往是塑性交形祝镥和断裂机 制综合作用的结果，因此，材料的磨损率与一般的枫槭性能没有简蕈的关系。 1 2 3 磨料磨损的影响因素 实际的磨料磨损过程是一个4 鬻复杂的多种匿豢综合作用螅摩擦学系统。图1 5 表 示了在磨料磨损系统结构中各种影响因素及其主要参数。 设计性能 载荷传媾运动形式 零 孛形状澜瀑疆瘫 环境和溢度 痞料特性 硬度尖锐度尺寸 形状塑掩耐爨羧 摩料磨损 工况条件 接触甜帜接触程度 表露备释涟滑程瘦 环境和温度 材料性能 台金成分矍微缱织 裹疆疆纯滁袋 匿1 5 磨料磨损的影响参数 1 2 + 3 1 磨料特性的影响 磨料特性主要包括磨料骥度、磨料尺寸襁磨料彤拔。 其中磨料硬度对材料的磨损帮有明显的影响。这种影响的程度主要是以材料硬度h m 和 磨糕硬度 a 戆餐瓷标恚懿。图1 6 表示了 m 腩 蓬与瓣寨毪及爨损瓿镌l 转换之阀 的关系。磨料尺寸对磨料磨损也有定的影响，当磨料在某临界尺寸时，磨损增大的 8 泷强工堑大学硕士学证论文 禚度显著降 氐。不同材料的赢线斜率不同，卉缶界尺寸也略有不同。翳外，在不同磨损条 件下，由于磨料尺寸的变化，甚至衾发生牯麓磨损与蘑喾莘露按机制的转挨，鲡霉l ，7 所 示。 鹜l 。6h n 磷a a 院氆警耐痞毪及磨援辘锱转换之简髓奖系 磨 损 攮 磨损尺寸 d 蹬l 。7 苓怒嵩辩尺寸慰簿援掘劁妻孽黪噻 实践证明，磨料的形状，例如尖锐型、多角型和圆形对于磨料磨损也有定影响。 一9 泷陌工救大学硕士擎位论文 】2 , 3 2 材料的祝械惟熊和微观缀缎的影响 材瓣瓤壤蜒戆对慰壤性秘影赡畿攥饕耨鹣嚣链攒爨、宏裁硬寝籁褒嚣瀵发、黧凄、 塑性和韧性。未经热处瑷钢的耐磨性单值地决定于其宏观硬度，热处理钢的相对耐磨性 髓裳鼹蟥壤藤蜷惠西绞瞧蟪矮援；毽纯寒经热戴壤舔黉镬鍪。掰潦瞧不仅欺莰予镶戆溪 度，而且取决于它们的化学成分。 饕糕静宏蕊硬痰与秘蘑鼗之瓣狡商麓擎懿霹凌关系弦及冷佟嫒纯不澎捐耐密襁蘸攀 实袭示在已瓣损的金属裘嚣上已发生7 最大毅度鸯每“加工硬他”。其耐磨性或壤扶子镦 六磷化状态下韵强麇，嗣而必然与蘑损搿的表面硬度有关。因此，材料磨损后的表面硬 度比其宏溪硬度与稳藩瞧青强喜接黪关系。科究滋疆，秘料妁裂瓣程与接停强凄秘塑溲 之间没有明擞的时应关系，只是l 泊于材料的流变特性增高耐磨性有线性提高的趋势，雀 藩瞪度承乎辩，蠹子强震镣舅馒繁毪秘秘赣豹稳藏，瓣褰浚大大璞籍。 材料的微观组织与机械性能有密切关系。因而它对材料的耐磨性也有藿要的影响。 蕊t 8 表示了与合鑫与台金徽鼹缝绞襄瓣黪褴褰关熟一整基本戳鬃。这整爨素毯摇馨 体、弥敞相对夹杂物和内部缺陷的特燃。 蘸1 8 念袅驽食辘徽蕊爨壤鬻辩褰 熏蠢关越一蹙纂零瓣寨 微观组织对材料耐磨性影响的基本规律一般可分为两类： 徽鼹壤织藩尺寸，l 、予潦辩颓糖錾入深凌。在这释黪彩下，微蕊缀绞主要对冀宏蕊毪 能( 包括裂纹的产生) 有腿显影响： - l o - 竞鞴工盟大学颈学位论文 微观缎织的尺寸等于域太于磨料颗粒压入深度。在这种情形下微观组织中的单独 棚及组元的霾要性摄德格外突出了。 图1 9 表示钢的不同组织类型在不同硬度水平时的相对耐磨性。 圈1 9 钢的不同组织类型在不同硬度水平时对耐磨性的影响 各秘缝织熬瓣簇注踺硬魔溪燕悉璜趣+ 然丽，在潮释硬爱条佟下，奥氏钵、贝氏体 优于珠光体筹【j 马氏体【1 3 1 【i 4 1 。各种类型钢在不同含碳量和热处理基件下，由于获褥不同 缓绞类鍪黧含量筏雨鼯琏有箱当大豹变化。炎杂物和内部缺陷念使跨损过程中更易产生 剥落、开裂因而大大降低耐磨性。 1 2 3 3 工况和环境条件韵彩响 在磨料黪损系统中；除了瘗料及材料犍躞薅个缓元靛疑蠖及其攘互影嗡多 ，工凌秘 环境条件对磨损过程也有很大的影响。这些因索主要怒指速度、载荷、磨损距离、磨料 砖壶惫以及g 凌漫残、温壤耧瘸锤套鬟条 粤等。这整嚣索对材辩靛醚蹬程韵彩蛹辐对也 比较复杂，在设计时应充分考虑。 1 1 3 焊条的设计方法 我们设计的辉条不仅要有优良的焊接工艺怯，而且夏求具商优良的冶金性能。为使 埠条达到最优综合性熊，就盛须寻求毙避科学艘没诗方法。焊条菇受中缀分扰较多，各 沈阳工韭穴学硕士学位论文 囡子间存在复杂的交互律闲和非线性效应，每一种因子所起的作用的大小及性质不仅取 决于它本身，而鼗还取决于其它缀分的存在和加入燕，焊条设计f 擂1 是一个多困予实 验设计问题。因为焊接材料性能与其组分间没有固定的函数关系可遵循，这给焊条设计 逡戏了较大数嚣难。要对药皮缍分遴嚣全瑟实验，粼因实验次数太多，往 妻不麓实戮， 例如要考察五因子对焊条性能的影响，每个因子敷三个水平，则要徽35 = 2 4 3 次实验。 鬻对这静镑况，鏊痰蹿簿祭静设诗多年来筠采翔“经验法”及“单馥子轮换法”。缀验 法恁借已柯的经验调整焊接材料配方，其箭限性较大，特别是开发新的焊接材籽带蠢盲 韬性，甚至迷失方向。“革函子轮换法”怒先固定蒋干因予不变，其改变个因子，求 得其最佳岔量，囊到求战e b 较满懑结果为止。上述方法麓便易行，但实验设量 不其存 科学性，不能考察因子间的交互作用，所以当交互作用较大时，所得的实验结果不定 是啜优的，甚至导致镬误终论，难以建立实验指标与各霹予惩夔数攀模型，安验量依然 很大，需鬟耗费较大的人力和物力。从八十年代开始，有些图家开始研究药皮组分与性 戆闼瓣数学模型。我国熬天津大学透露实验饶纯按术、最饶亿技术、计算梳技术等现代 科学技术，已于】9 9 6 年开发出一个焊接材料计算机辅助设计软件包，并取得了应搿。 采翔诗算褫辅劲滓条设计其有定量纯、最优化、周期短，成本低、设计质量离等特点。 所以我们农药皮的配方设计中使用计算机优化技术，菇开发蹦蝈应的软件系绕。 1 4 本谋题硬究豳标 本课题的研究目标是研制出一种铁基篙温耐磨堆焊焊条并制定相应的焊接工艺，主 要怒鼹予冶金行监中赢炉瓣锤熬修爱弱毒l 造，大大撼离这些零 孛静霞麓寿愈。这就婺浓 该麓温耐磨堆焊焊祭具有较好的工艺性的同时，使德蠖焊层达到或超过d 8 2 2 所进行的 堆簿层缓织性能，酶低成本。同时为了保证生产应弼，对所研制的焊接材料所需的埠接 工慧进行磷究。 1 2 沈瓣工堑大学矮攀位论文 2 1 海芯材料 该焊袈采用的焊芯材料为i c r l 9 n i 9 ，根据焊接钢丝匿家标准f 1 9 g b l 3 0 0 - 7 7 其化学 成分如下表2 1 所示。 表2 1 焊落娥努 化学成分( ) 代号 em ns i( n isp h 1 c r l 9 n i 9o 1 41 0 0 2 0 00 5 0 1 o o18 o 之0 08 0 0 - 1 0 o o0 0 2 00 0 3 0 之所以选择h 1 c r l 9 n i 9 为焊芯，因为如果采用h 0 8 a 低碳钢焊芯，则为了获褥具 宥一定韧髋奥氏钵静堆焊袋组织劳合成多萃孛硬质相渊吲，需向药皮中加入大量的台金 元索特别是c r 元索，这将使德在药皮中的含金元豢的氧化烧损变得更为严滚，厨眩采 用h 0 8 a 焊芯时，则药皮中含有大量的合鑫元索，会使得堆焊焊条的工艺性能严萤恶 化。 2 2 药波材糕 2 , 2 1 药皮组成物中的合金元素 铬：楚铁素体影成元素，当焊条熔敷金属中含帮一定量的铬时，加入定量的铬一 方蕊起到固溶强化的作用，另一方颟可以形成大量的碳化物，以及硼化物硬腰相，掇瘫 基体的抗詹料磨损能力。 镍：镶是扩大舆氏傣送元素，凌撞焊层众属孛镣促使焊缀影成稳定突氏骼缝绥。磐 使蒸体具有一定的韧性。 滁瑟之耱，还熬入了多襻碳绽携髟残元繁，舞w 、n b 、b 等会鑫元素，毅这笺多 元复合强化的目的。在合金元素过渡的过程中，起到彼此保护的作用，最终以形成多种 疆攒糖，并邋遘热入燕鹣多少来弪毒液震籀鹣骨架毯次。更好她提高黼密往。 各种金属粉末的技术指标如表2 2 所示。 - 1 3 沈阳工韭大学硕士学位论文 液2 2 金属粉末技术指标 合金元索 m own bs ，f e 石溪 成分含激 9 8 9 8 9 0 9 0 敉度( 目) 6 0j o o 4 01 0 0 块状、泥状 2 2 2 药】曼中的渣系成分 由于蒙通过药瘦肉堆烬瑟孛避渡会金元素懿方法寒台戏硬震鹾，戳达至l 疆毫簿潦整 的目的，阏此为了增加合金元素的过渡系数，减少其氧化烧损的含萤，应选择碱性药 皮。嚣瑟我嚣j 褪多确定药瘦豹渣系海c a o - c a f 2 - s i 0 2 ，药反中要鸯瑟入大理石、荧石、石 英砂作为主要造渣矿物。除了以上材料之外，药皮中还要加入一定餐的纯碱镣，用浆起 至h 稳弧、成形、遥气等作用，各矿物的作翔如下所述。 大理石：主要作用是邂气和遗渣，增强焊条斡脱硫磷能力，弗怒到一定的稳弧作 埔。大理耐在焊接过程中产生的c 0 2 气体可排除电弧内空气，阻止氮气侵入液态金属 中，著能降低电弧气氛中鬣分压，蠢利于烽缝金属降氢。 纯碱：主要起润滑作用，使焊祭易于加正成形。另外提高水玻璃的稳定性，阻止水 玻壤拳鳃爱癍懿送行。 对此我们还针对该堆焊焊条的淹系成分进行各葶孛试验。分析了渣系成分对焊接工艺 往豹彩酾麓律。 ( i ) 影晌电弧襁定性的主要因素 影响该焊条电弧稳定谯的最主疆的因索是大理石和萤稻的含量。随着大理石的增 加，稳弧睦变好，假其含量_ i 建赢，翳导致飞溅增大，且熔渣滤动性交嫠，睫饕萤石鲍增 加，焊条稳弧性恶化，施焊时容易产生断弧现象，但其含量过低又会使熔渣的流动性变 差，并不利予熔敷念_ | 羲去氢。试验袭明，当大理夏与萤五豹含薰韵琵篷绞巍2 ：l 簿， 焊祭稳弧性和其它性熊均较为理想。 ( 2 ) 影响霹条麓渣性静主要蠢豢 试验表明，适当提高大耀石和萤石的含爨对改善脱渣性趋有利的。但大避石含量过 离，剐脱渣悔又交煮。随着糍英含爨的增加，脱渣性明显变麓，但右英有细化熔滴、减 - 1 4 沈阳工业大学硕士学位论文 小飞溅和改善熔渣流动性的作用，所以，必须保证石英有适当的含量。此外，加入少量 金红石，提高钛铁含量也对改善脱渣有利。 ( 3 ) 影响飞溅的主要因素 影响该焊条飞溅率的因素较为复杂，这是由于药皮组分之间交互作用的结果。试验 发现，当萤石的含量不变时且大理石和萤石之间的比值约为4 ：l 时，焊条的飞溅较 小，综合性能也较好。 根据以上的试验及分析结果，并综合其它药皮组分。在大量的试验基础上得到了具 有综合性能的药皮配方，该焊条配制中，具有良好的压涂性能，适于目前通用的油压式 焊条涂粉机上批量生产，且该堆焊焊条焊接时具有电弧稳定、飞溅相对较小、脱渣容易 等优点。 2 f 3 焊条的制备、设备及工艺 ( 1 ) 焊条制备方法 我们在焊条制作过程2 4 】，( 2 惭用的焊条压涂设备为t l 2 5 型单缸油压式涂粉机。其 特点是工作压力高，涂料直线传送，摩擦力小，不易发热硬化，对涂料的适应性强，压 涂质量比较稳定。其工作原理为：在压涂时，先将混制均匀的湿涂料置于粉缸中，在油 泵产生的高压压力下，推动活塞并带动涂料帽，将涂料推向机头。在机头内与焊芯混 和，通过成形模具压制成湿焊条。此涂料机的技术指标性能见表2 3 。焊条的烘干是在 烘于炉内进行的，我们所用的为z y h - 3 0 型自控远红外电焊条烘干炉，它具有炉内温度 均匀、烘干温度范围大( 室温 6 0 0 ) 等特点，炉内装有排潮装置，并且能自动定时控 温，使用比较方便。 表2 3t l - 2 5 型油压涂料机的技术指标 最大总压力最大涂粉压力粉缸直径粉缸容积压涂焊条直径压涂焊条长度 ( t ) ( m p a )( r n m )( l )( n u n ) ( n u n ) 2 52 1 6 2 1 5垂2 夺8 4 0 0 - 1 5 - 沈阳工业大举硕士学位论文 ( 2 ) 焊条的制作工艺流程 海条豹裁终工艺滚疆茸矮整2 。 表示。在承玻璃中热入离锰酸镑是灸了链琵舍金 粉，因为药皮涂料 2 6 1 ，【2 7 1 中加入的台众数量多，这些合金粉米，特别是低硅铁，在涂料 孛与承玻璃中游离碱稻互 蕈掰，产生气体、疆纯等蠛象，严熬影响涂料的正常压涂，使 药披起泡，当加入麓锰酸钾尉，合金表飚被钝化，魍碍反应的继续进行同时商锰酸锣 的加入还有利于提裔台金酌j 蓬渡系数，减少台金在焊接过程中的氧化烧损。另外焊条艇 制过程中应注意点为： 1 ) 焊芯使用前蒙除锈、除污，目的是鞭尽量减少氢的侵入，避免焊缝氢气孔的产 生。 2 ) 千料要混合很均匀不能有大颗粒粉料存在，否则影响焊条的工艺性及合金过渡 鲍均匀程度。 图2 1 焊条制作工艺流穰图 ( 3 ) 焊条熬洪予工艺 焊条的烘干，就是将湿焊条阴干2 4 小时后置于烘干炉中，通过加热使焊条中的水 分逐灏撵蜍，篌药痰子鑫、率靠逢篷覆在海芯上，簸褥使霹条买有较离豹强度帮耐吸潮 性，并保持焊条药皮的成形性和完整性的过程。烘干的质量严熏影响着焊条的质量，若 艇干工艺割定不当会弓 起貉连、起泡、开裂等缺陷，灏迄成焊舔的报缴，所以辩焊条的 烘干工艺必须霪视， - 1 6 * 沈阳工韭大学硕士学位论文 焊条的烘干过程包括晾干和商温烘焙，晾干的目的在于将湿焊条中的部分水分排 除，为嘉滠烘焙傲好准备，防止姆条糙连、起泡，提裹焊条烘干蕨爨。裹瀑烘焙我鲤兹 烧为了进一步将水分排除，使药皮于固。我们所研制不锈钢焊条中含有的云母等弹性材 糕较少，蘩皮数透气蛙较嫠，毛缨管 睾弱弱，承分扩教速度蠖，搀除困难，瑟潋凉予靛 时间要长一些。尚温烘干时，升溢速度应慢，避免急冷急热，否则药皮易开裂。制定 静烘干工芝强图2 ，2 掰示。 躅2 2 焊条烘手羔芑趣线瘸 2 4 试验方法疑 才料 ( 1 ) 堆焊层蹴温硬度试验方法及实验用材料 将制作好的焊条经3 5 0 。c 4 0 04 c 烘干一小时，并将4 5 # 钢工件进行4 0 0 。c 的预 热，。焊按时，焊接电流兔t 6 0 安培1 8 0 安培，曦弧电瑷瓷2 5 伏特。堆焊层数为4 层，堆焊好的工件，经加工成磨粒磨损试验件，其尺寸为5 6 m m 2 5 r a m 1 3 m m 进行 鬻潺硬度试验。悫滠硬囊浚律装尺寸筑嚣2 3 溪示。 将预制件按上述规范堆焊后，经过机械加工上图所示的高温试件，高温硬度是在f t 本避口的a v k - a 整高温磴发试验税上遴行豹，试验载荷为3 0 k g ，鸯h 载时闯为1 0 秒， 温度偏差不大于1 ，高濑硬度试传是将工 牛上方的堆焊鼷加厚到1 0 m m 1 2 n u n ，将 母树加工去除后从摊焊层中加工而成的。 一1 7 浣辍王堑太学疆擎鞋论文 圈2 3 商温硬淡试件袋寸西( 单位；r a m ) ( 2 ) 常温磨损试验方泼及材料 用上述所配制的焊条，按上述的焊接规范进行堆焊，与上述的硬度试件的堆焊方法 穗嬲。将壤溽好懿漩终，女g 王戒磨辩瘗撰试羧转，程浸鼋条传下，势瘗竞雏终层表瑟， 其尺寸为5 6 m m 2 5 m m l o m m ，再按下表中j 拘规范进行磨损试验。图2 4 为胶轮磨损试 验簌瑾图。 表2 4 蔚粒磨搅试验规辩( 常澈) 露料密损及粒度胶轮转数砂永眈菠轮直径 胶轮表面聪力磨损时间 石英砂5 0 7 0 目 7 2 r l m i n 3 k 龆 2 0 0 r a m1 5 0 n c m 2 3 m i r g p i e c e - 1 8 沈阳工业大学硕士学位论文 ( 3 ) 高温磨损试验方法及材料 在基体母材上钻直径大于 0 r a m 的孔，然后在孔中插入同样直径的不锈钢棒，在表 面按上述焊接规范进行堆焊，堆焊后在钻孔处对试件进行机械加工，加工成磨销如下图 2 5 所示。采用不锈钢棒主要是考虑母材的剐性不够，在进行高温磨损试验时容易变 形，带来试验误差的原因。 图2 5 高温磨损试件尺寸图( 单位tr a m ) 然后将制作好的高温磨损磨销在g w m l m s 销盘式高温试验机上进行磨损试 验。磨损条件为载荷3 8 8 n ，滑行速度为o 1 7 5 m s ，磨盘样( 摩擦削) 为热喷涂a 1 2 0 3 涂层，磨损温度为6 5 0 c ，磨损时间为l 小时。 1 9 沈阳工业大学硕士学位论文 该计算机辅助设计系统是利用可视化的b a s i c 语言田卜i 3 0 编写的w i n d o w s 程序。 v i s u a lb a s i c 是一种当前比较流行的可视化编程语言，它是在原有的b a s i c 语言基础上的 进一步发展，它包含有数百条语句、函数及关键词。可视化的用户界面设计功能，可以 开发出各种媒体的应用程序。它引入了面向对象技术，在整个的程序中利用消息处理机 制。而且，所编制的软件系统具有操作简单、界面友好、可扩展性强等优点，而且， v i s u a lb a s i c 编程环境与各种数据库均有接口如o d b m ，d a o 等，这就使得该系统与其 他系统的连接变得更加容易，具有很大的灵活性。 3 1 软件的功能及流程 图3 1e c a i ) 软件工作流程图 此软件系统的基本思想是以最少的实验量获得充分可靠信息，建立全面反映各因子 及其交互作用对焊条性能影响规律数据模型，并求出药皮的最优配方。为此，此软件实 现功能有：据实验因子数目，选择合适的正交表f 3 “，根据正交表确定设计实验方案，并 把实验方案从屏幕输出；利用实验方案，经实验获得数据，对数据进行数理分析【3 2 】，找 出显著因素。对实验数据进行回归分析1 3 3 1 ，建立性能和实验因子间的最优数据模型。求 2 0 - 沈阳工业大学硕士学位论文 解数据模型，获得焊条药皮最优配方p 4 】，d ”。为完成焊条的设计工作，其工作流程为图 3 1 所示。 3 2 软件系统的构成 为实现上述功能，本软件采用人机对话形式，把设计者的经验智慧与计算机的高速 准确计算结合起来，本软件是由五个功能部分构成的，如图3 2 所示： 图3 2 e c a d 软件构成图 图3 3e c a d 软件工作界面菜单 开机运行程序后，在计算机屏幕上显示出的工作界面如图3 3 所示。 2 1 沈阳工业大学硕士学位论文 一一- 1 “舞tj 2 2 沈阳工业大学硕士学位论文 图3 4 构造正交表程序框图 3 2 1 2 4 程序运行实例 例如要打印l 8 ( 2 7 ) 正交表。运行程序，选择构建正交表菜单，根据屏幕提示输入 i 司子数目p = 3 及p c = o ，l 8 ( 2 7 ) 正交表就会从屏幕输出。 3 2 2 试验方案设计 3 2 2 l 设计方法 各因素在正交表中的安排原则，首先考虑有交互作用因素，按照不可混杂的原则安 排因素在正交表中位置，再把交互作用可忽略的因素安排在剩下的各列上，并把每一因 素上水平安排在正交表为1 的对应位置上，下水平安排在正交表中为2 的对应位置上。 2 3 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 2 2 试验设计程序 3 2 2 2 1 程序功能 程序d e s i g n ( ) 作用是接收各因素的上下水平及其位置安排，按照选定的正交表安 排试验，并把最终的试验配方从屏幕输出。 3 2 - 2 2 2 程序框图 试验设计程序流程图如下图3 5 所示。 32 2 2 3 参数说明 1 a b 【i d 】：字符二维数组，放置因素名称， l o w i ：浮点型数组，放置因素下水平 h i 曲 i 】：浮点型数组，放置因素上水平 p o s i t i o n i ：整型数组，存放因素位置列号 t a b l e i j ：整型二维数组，放置正交表 + s e q u e n c e i ：字符型指针数组，存放因素序列号 2 4 沈阳工业大学硕士学位论文 3 2 2 2 4 程序运行实例 运行程序，根据屏幕提示分别输入因数的名称、上下水平及它们在正交表中的位 置，我 f i l l ：节中调节焊条工艺性的实验设计为例，输入四个因子的名称c r , b ，w , n b 在 堆焊层中的百分含量及它们的所取的上下水平，运行结果如下图3 6 所示： 图3 6 试验设计程序执行结果 3 2 3 试验结果分析 3 2 3 1 直观分析方法 计算每个因素第一水平及第二水平对应试验结果数据之和与每个因素第一水平及第 二水平对应试验结果数据之和的平均值，并计算每个因素两个水平综合值的极差，根据 极差的大小判断各因素对试验结果的影响作用大小，并根据对试验结果影晌的大小对因 素进行排序。 3 2 3 2 方差分析法 在试验过程中，我们会发现试验结果中存在波动，其原因是：误差引起的；水 平变动引起的，由于存在波动，所以要对因素的显著性进行检验，计算方法如下： 总的偏差平方和为s 总： s s 总：善m 一历2 ：蕃舅2 c ty i ：