（材料加工工程专业论文）自保护金属芯堆焊焊丝及其焊接烟尘的研究.pdf

摘要 摘要 自保护金属芯焊丝代表了当今世界焊接材料的发展方向以及近年来国际焊 接材料发展的新趋势。它即具有自保护药芯焊丝优质、高效、节能的特点，又 体现了金属芯焊丝特有的渣量少，自动化焊接程度高的优点。自保护金属芯焊 丝堆焊无须保护气体，无须焊剂，操作简便，采用平特性电源，可自( 半) 动焊 接，是近年来在欧洲出现的并迅猛发展的一种新型表面工程技术，是目前堆焊 方法中最经济、最方便的绿色焊接技术，也是2 l 世纪再制造工程中最有前景的 表面强化技术之一。 ( 1 ) 本文针对电厂磨煤辊的磨损特点以及修复方式，研制了一种自保护金 属芯堆焊焊丝，此种焊丝无气孔、夹渣等焊接缺陷，焊接工艺性能良好，焊缝 成型好，飞溅率1 0 3 ，堆焊层硬度h r c 5 8 - 6 2 ，相对耐磨性为q 2 3 5 钢的1 2 倍。 ( 2 ) 研究了石墨对焊丝工艺性能的影响，试验结果表明随着石墨含量的 增加，飞溅先减少后增加。当焊丝粉芯中的石墨含量为3 时，飞溅率最低。 ( 3 ) 本文还研究了粉芯中c r 3 c 2 、v 含量对焊缝组织以及力学性能的影 响，试验结果表明随着c r 3 c 2 含量的增加，堆焊层的硬度和耐磨性上升。随着 v 含量的增加，堆焊层的硬度、耐磨性也上升。 ( 4 ) 对焊丝的主要工艺性能( 焊缝成型、飞溅等) 以及堆焊层组织性能 ( 微观组织、硬度) 与国内外两种同类产品进行了全面的对比，结果表明本焊 丝具体指标已达到或接近国内外同类焊丝。 ( 5 ) 此种焊丝的发尘率平均值为2 4 1 班g ，i c p 结果表明烟尘中的主要 元素为f e ，c r ，m n ，s i ，其中铁含量最高，并且含有大量的铬，硅含量最 低。结果表明烟尘中的元素主要是以铁锰或者铁铬氧化物或者其它盐类 物质存在，主要包括f e 3 0 4 、m a c r 2 0 4 、f e c r 2 0 4 、f e 2 9 5 s i 0 0 5 0 4 、c r 2 0 3 。研究 发现随着石墨的加入，焊丝发尘率降低，但是石墨含量对烟尘的物相组成影响 不大。 关键词自保护金属芯堆焊焊丝；飞溅；药芯组分；焊接烟尘 a b s t r a c t a b s t r a c t s e l f - - s h i e l dm e t a lc o r e dw i r ei st h ed e v e l o p m e n ta n dt r e n do fw e l d i n g m a t e r i a l si nw o r l d w i d ei nr e c e n ty e a r s ，i th a sn o to n l yt h ea d v a n t a g e so f s e l f - - s h i e l d w i r ei n c l u d i n gh i g hq u a l i t i e s , h i g he f f i c i e n c ya n dl o we n g i n ew a s t e b u ta l s ot h e c h a r a c t e r so fm e t a lc o r e dw i r es u c ha sn or e s i d u ea n dh i g ha u t o m a t i cw e l d i n g r a t e s e l f - - - s h i e l dw e l d i n gf o rh a r d f a c i n gi san e wt y p eo f $ u r f a c ee n # n o e r i n g t e c h n o l o g yw h i c hi sf a s td e v e l o p e dr e c e n t l yi ne u r o p e t h eo p e r a t i n gp r o c e s so f s e l f - - - s h i e l dm e t a lc o r e dw i r ei ss i m p l ea n dc o n v e n i e n tw i t h o u ta i rp r o t e c t i o na n d s o l d e r t h es e l f - - s h i e l dw e l d i n gt e c h n o l o g yf o rh a r d f a c i n gi st h ec h e a p e s ta n d a d v a n t a g e o u sw e l d i n gm e t h o da l s ot h em o s ti m p o r t a n ts u r f a c es t r e n g t h e nm e t h o d u s e df o rr e m a n u f a d m r ei n d u s t r yi nt h e2 1 s tc 宅a t o r y 1 ) at y p eo fs e l f - s h i e l dm e t a lc o r e dw i r eu s e df o rr e m i n d i n gf o rt h ew e a ro f m i n eg r i n dr o l l ei ss t u d i e di n ，t h i sp a p e r t h eo p e r a t i n gp e r f o r m a n c eo ft h ew i r ei s e x c e l l e n tw i t h o u td e f e c t ss u c ha ss l a g ，p o r o s i t ya n ds oo i lt h es p a t t e rr a t ei s1 0 3 t h eh a r d n e s so fh a r d f a c i n g l a y e ri sh r c 5 8 - 6 2 ，a n dt h ew e a l r e s i s t a n c ei s1 2t i m e s h i g h e rt h a nt h a to fq 2 3 5 2 ) t h ei n 丑u e n c eo fg r a p h i t eo nt h ew e l d i n go p e r a t i n gp e r f o r m a n c ei ss t u d i e d t h ee x p e r i m e n tr e s u l ts h o wt h a tt h es p a t t e rr a t ef i r s t l yr e d u c et h e ni n c r e a s ew i t h t h ei n c r e m e n to fg r a p h i t ec o n t e n t t h es p a t t e rr a t er e a c h e st h el o w e s tv a l u ew h e n t h eg r a p h i t ec o n t e n ti s3 3 ) t h ee f f e c to fc r 3 c 2a n dv a n a d i u mo nt h em i c r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e sa r c a l s oi n v e s t e di nt h e p a p e r t h eh a r d n e s sa n dw e a l r e s i s t a n c e 锄h a n c ew i t ht h e i n c r e m e n to ft h ec r 3 c 2c o n t e n t s ，a l s oi m p r o v ew i t ht h ei n c r e m e n to fv a n a d i u m c o n t e n t s 4 ) t h et o t a l l yc o n t r a s to f o p e r a t i n gp e r f o r m a n c ei n c l u d i n gw e l da p p e a r a n c e , s p a t t e ra n dm i e r o s t r u c t u r ea n dp r o p e r t i e so fh a r d f a c i n gl a y e ra l ec a r r i e do u t t h e 一一 北京工业大学工学硕士学位论文 r e s u l t ss h o wt h a tt h ew i r ea l r e a d yr e a c ht h ei n t e a - a a t i o n a ll e v e r 5 ) t h ea v e r a g ev a l u eo f f u m eg e n e r a t i o nr a t ei s2 4 1e k g , t h ei c pr e s u l ts h o w s t h a tt h em a i ne l e m e m t so ff u m ea r ef e ，c r , m na n ds i ，t h ef ec o n t e n ti sh i g h e s t , t h e f o l l o w i n gi sc r , t h el a s ti ss i t h e s ee l e m e n t sm a i n l ye x i s tb yf e x o , o rm n x o ya n d f e x c r y o zo rm a x c r y o , s u c ha sf e 3 0 4 ，m n c r 2 0 4 ，f e c r 2 0 4 ，f e 2 s i o m 5 0 4 , c r 2 0 3 t h ef 1 u n eg e n e r a t i o nr a t er e d u c e sw i t ht h ea d d i t i o no fg r a p h i t ec o n t e n t , b u tt h e c h e m i c a lc o m p o s i t i o na n d p h a s ec h a n g el i t t l e k e yw o r d s ：s e l f - s h i e l dm e t a lc o r e dw i r e , s p a t t e r , f l u xc o m p o s i t i o n , w e l d i n g f l l m e 一一 独创性声明及关于论文使用授权的说明 独创性声明及关于论文使用授权的说明 独创性声明 本人声明所呈交的论文是我个人在导师指导下进行的研究工作及取得的研 究成果。尽我所知，除了文中特别加以标注和致谢的地方外，论文中不包含其他 人已经发表或撰写过的研究成果，也不包含为获得北京工业大学或其它教育机构 的学位或证书而使用过的材料。与我一同工作的同志对本研究所做的任何贡献均 已在论文中作了明确的说明并表示了谢意。 签名：毖日期：! z ：呈 关于论文使用授权的说明 本人完全了解北京工业大学有关保留、使用学位论文的规定，即：学校有权 保留送交论文的复印件，允许论文被查阅和借阅；学校可以公布论文的全部或部 分内容，可以采用影印、缩印或其他复制手段保存论文。 ( 保密的论文在解密后应遵守此规定) 第1 章绪论 第1 章绪论 1 1 课题背景 自保护金属芯焊丝代表了当今世界焊接材料的发展方向以及近年来国际焊 接材料发展的新趋势。它即具有自保护药芯焊丝优质、高效、节能的特点，又 体现了金属芯焊丝特有的渣量少，自动化焊接程度高的优点1 卅。 表1 - 1 金属芯焊丝与其它焊丝的比较 t a b l e l 1 c o m p a r s i o no f m e t a l c o r e dw i r ea n do t h e rt y p eo f w i r e 自保护金属芯堆焊是近年来在欧洲出现的并迅猛发展的一种新型表面工程 技术。自保护药芯焊丝堆焊无须保护气体，无须焊剂，操作简便，采用平特性 电源，可自( 半) 动焊接。但由于自保护堆焊药芯焊丝及堆焊工艺研究的难度较 大，是焊接领域的高新技术，目前国际上也只有少数国家能掌握全套技术。与 目前常用的埋弧堆焊、手工堆焊相比其特点为： ( 1 ) 清洁：自保护药芯焊丝堆焊是一种清洁的表面强化技术，自保护药 北京工业大学工学硕士学位论文 芯焊丝的药粉经过处理，使焊接过程中放出的有害烟尘减少；该方法无须外加 保护气体和焊剂，因而工作环境清洁，焊枪结构简化，可方便地在焊枪上方增 加集中排尘装置，使得焊接工作环境得以较大改善。这是其它焊接方法所不能 比拟的。 ( 2 ) 高效：在自保护药芯焊丝电弧焊中，电弧在钢皮上燃烧，导电面积 相对于实芯焊丝和焊条小，电流密度增大，熔敷速度加快，通常自保护药芯焊 丝熔敷速度比实芯焊丝和手工焊高出3 0 。 ( 3 ) 低成本；自保护药芯焊丝堆焊可节省约2 0 熔敷金属。此外自保护 药芯焊丝堆焊无须焊剂和气体，减少辅助材料的费用，并具有较低的稀释率。 因此自保护药芯焊丝堆焊是目前堆焊方法中最经济、最方便的绿色焊接技 术，也是2 l 世纪再制造工程中最有前景的表面强化技术之一。 我国再制造市场十分广阔，本课题研制的自保护金属芯焊丝是一种适用于 高应力磨粒磨损、粘着磨损的通用型堆焊焊丝。主要用于发电厂磨煤辊、水泥 厂磨盘、钢厂轧辊等工业部门承受中低温的高应力磨损零件的修复和再制造。 磨煤辊堆焊的特点是堆焊的面积大，堆焊层多，每支辊堆焊的熔敷金属至少需 要3 0 0 公斤，多者8 0 0 1 0 0 0 公斤。因此对焊接技术的清洁、高效、低成本、 自动化提出越来越高的要求。我国发电厂磨煤机修复和再制造市场十分广阔。 已装机运行或即将投产的进口、国产大型机组电站累积磨煤机已达4 0 0 余套， 按磨辊平均寿命8 0 0 0 小时计算，年需磨煤辊1 2 0 0 只，需磨煤辊自保护堆焊药 芯焊丝1 5 0 0 吨。钢厂轧辊修复和再制造更具有广泛的市场前景。据了解全国 一年用于钢厂各类轧辊修复和再制造的焊材不少于五万吨，按其中5 可用本 课题研制的焊丝替换，即达2 5 0 0 吨。 因此本课题的实施一方面可以掌握具有自主知识产权的自保护金属芯焊丝 堆焊成套技术，有望在电力、冶金等行业形成新的产业，培育出新的经济增长 点，推动我国金属芯堆焊焊丝产业的发展：一方面对自保护金属芯焊丝的焊接 烟尘进行研究，包括定量测试和成份分析，研究药芯组分对发尘量的影响，为 今后环境协调型焊接材料的发展积累经验。 第1 章绪论 1 2 自保护金属芯焊丝国内外研究进展 1 2 1 国外自保护金属芯焊丝的研究进展 6 0 年代是自保护药芯焊丝的的初始发展阶段，主要是追求稳定的、良好 的工艺性能和无缺陷的焊缝。7 0 年代，则开始追求接头的力学性能。8 0 年代 可以说进入了全盛发展阶段，已经出现了一些工艺性能和力学性能都较令人满 意的产品，如美国l i n c l o n 公司的n i 也1 1 ( n d 、n r 2 3 2 ，日本新日铁公司 s a n 5 5 a ，前苏联- a h 3 等。同时对自保护焊丝烟尘大的问题也正在解 决，如日本研制的d 1 系列和n 5 5 s 药芯焊丝的发尘量都明显下降。 日本研究和应用金属芯药芯焊丝的时间较早，1 9 8 6 年就开始了初步应 用。近年来已开发出多种类型的金属芯焊丝，如厚板专用、薄板专用以及角焊 专用的焊丝。低碳钢和4 9 0 m p 级高强钢用金属芯焊丝中，角焊用焊丝可以有 效地控制和防止船舶、桥梁等行业中涂漆钢板焊接压痕及气孔。近年来日莽已 经开发出满足造船自动化需要的焊接材料，造船业焊接的大部分是角焊，以开 发出应用于横角焊自动化的金属芯药芯焊丝并得到广泛应用。桥梁、钢结构制 造等领域的金属芯焊丝占所用焊材中焊丝比例的2 0 。随着今后工业发展的 需要，日本希望加强全位置金属芯药芯焊丝及同级产品的研发。 ， 美国的霍伯特和林肯两大公司已经开发出多种系列的金属芯焊丝，霍伯特 公司的t d - - m a r k 系列中的m e t a l l o y 7 0 用于美国2 0 世纪6 0 年代太空发射塔改 建工程中可以减少5 0 的费用。此外韩国现代焊接有限公司的 s u p e r c o r e d 7 0 n s ，也广泛应用于造船、机器和桥梁建设的自动焊接或机器人作 业中。瑞典的伊萨开发的一种金属芯焊丝c o r e w e l du l r a ，与标准的e 7 0 c 一 6 m 相比，冲击吸收功提高4 0 ，烟尘率降低了至少3 0 。在2 0 0 0 年美国焊 接协会主办的展览会上，e s a b 公司展出了它的新产品一不锈钢用a r c a l o 、系 列金属芯焊w ，包括4 0 9 t i ，4 0 9 n b ，4 3 9 ，4 1 0 和4 1 0 n i m o ，1 8 c r c b 以及低 碳钢型的3 0 8 ，3 0 9 ，3 1 6 和3 1 7 ，直径系列从1 2 2 4m m 。公司声称这类焊w 的熔敷效率可达9 4 一9 6 0 7 0 ，造渣率与实芯焊丝相类似。 近年来国外对自保护药芯焊丝的的研究，主要集中在采用热力学和动力学 北京工业大学工学硕士学位论文 计算，预测焊缝微观组织及夹杂物的形成，并在预测的基础上进行调整，使焊 缝金属获得令人满意的力学性能。 m a q u i n t a n a ，j m c l a n e ，s s b a b u ad a v i d 5 同等研究了自保护药 芯焊丝焊缝中夹杂物形成的热力学计算。通过求吉布斯自由能的最小值，可以 确定f e - a 1 二相系统随温度和成分变化的稳定平衡点，在1 2 0 0 ，a 1 含量为 0 7 5 时，奥氏体的自由能达到最小值，即达到稳定状态；而在同一温度，m 含量为1 时，5 铁索体达到稳定。 j c f j o r g e l e g s o u z a , j g a r e b e u o 7 等人研究了c 、c r 对焊缝金属显 微组织和韧性的影响。随c r 含量增加，焊缝金属硬度增加。对于给定的c r 含 量，随c 含量的增加，焊缝金属的韧性下降，这是由于奥氏体，马氏体增大。 当c f 增加时，焊缝金属的韧性也是下降的。显微组织和韧性的关系取决于奥 氏体马氏体。 1 2 2 国内自保护金属芯焊丝的研究进展 我国虽然对药芯焊丝的研制起步较早，但直到1 9 8 8 年北京焊条厂引进英 国c o r e i r e 公司药芯焊丝生产线及相应的配方后，国内市场才出现了批量供应 的药芯焊丝。自保护药芯焊丝的研制单位不少，但仍存在不适宜全位置焊接以 及冲击韧性偏低等问题。总之工艺性能和力学性能不够稳定。 国内在金属芯药芯焊丝的开发方向己取得了重要进展。目前，天津市三英 焊业有限公司已开发出了一种性能与日本m x 2 0 0 性能相当的产品 s q j 5 0 m x ，其抗气孔( 压痕) 性能及工艺、力学性能优良，已通过了英国劳埃德 船级社和挪威船级社的认证。 1 3 焊接烟尘发生机理 一般认为焊接烟尘是焊接材料在电弧区蒸发出来的焊接冶金反应物远离电 弧区后凝结而成的气溶胶态物质。蒸汽在电弧附近先通过均质形核或者异质形 核方式凝结成一次粒子，随着温度的降低一次粒子再以熔合或者聚集的形式结 合成二次粒子，最后形成烟尘嗍，然后以湍流扩散的方式扩散出去【9 】。 第1 章绪论 1 4 焊接烟尘的影响因素 焊接烟尘的影响因素在国内外的研究都很活跃，主要集中在两个方面：一 个是焊接材料，关键是焊缝填充材料的成分和保护气体；一个是焊接工艺：焊 接规范、焊接方法、焊工操作水平等。 1 4 1 焊接材料因素 焊条的发尘率主要取决于药皮成分，药皮中各成分含量及相互匹配对发尘 率有很大的影响。低氢焊条( j 5 0 7 ) 药皮中影响发尘率的主要成分是萤石和水 玻璃，其反应产物产生的烟尘占总烟尘量的5 0 以上，正好相当于低氢焊条 比非低氢焊条多出来的量；所有含k 、n a 成分的物质，如云母、长石和苏打 等均增大发尘量；硅钙合金和镁粉有降尘作用。在焊条中各种氟化物对焊接材 料发尘率的影响顺序是：l i f n a f r e f 3 m g f 2 c a f 2 n a 2 s i f 6 无氟( r e f 3 是 金属间络合物) ；目前对于j 5 0 7 中萤石的最佳加入量说法不一。陈剑虹认为是 1 4 较好，严永祥等人认为9 较好，徐天福等认为低氢焊条药皮中只要含有 少量的萤石( 2 ) 就会使发尘量增加【1 0 】。把药皮物质按其产生烟尘的情况分 为三类：物质本身产生烟尘低的其组成焊条的烟尘也低，如金红石；物质本身 产生烟尘高其组成焊条时烟尘不一定高，如菱苦土；另外一类物质就是力瞳入后 可以降低材料的发尘率【1 i 】。也有资料【1 2 1 认为碱性焊条中引用硅灰石( 一种天 然偏硅酸钙矿物c a s i 0 3 ，其中的c a o 和s i 0 2 接近1 ：1 ，具有直线膨胀系数 小，结晶相变温度窄等物理性质) ，同时尽量把熔渣调到中性，可以降低焊条 烟尘和毒性。 实芯丝的发尘率受含碳量影响，降低含碳量则降低发尘率，m n 、s i 、a 1 的含量太低也会使发尘率增加”】。小林实等1 4 1 通过试验认为二氧化碳保护药 芯焊丝的发尘量同焊丝所用的钢带的含碳量成正比，如将钢带含炭量从通常的 o 0 8 降到0 0 4 5 以下( 最好o 0 2 ) 可以使发尘量减少3 0 左右，基本上 与实心焊丝发尘率相同，对于药芯焊丝如果降低钢皮和润滑剂里的含碳量可以 大幅度的降低发尘率。a n t h o n yt z i m m c r , p r a t i mb i s w a s 【”】在研究氩弧焊焊接 北京工业大学工学顾士学位论文 系统产生的气溶胶时发现：母材的性质对于气溶胶颗粒的尺寸分布以及焊接烟 尘的化学结构有着显著的影响。 保护气体方面，一般认为随着保护气体的氧化性增强，焊丝的发尘率会增 加【1 6 1 。 在降低焊接烟尘的毒性方面，j h d e n n i s 等人1 刀在对含有1 0 铬的金属 芯药芯焊丝加入活泼金属的研究中发现，加入l 的锌比与加入1 的镁和加 入l 铝相比，烟尘中六价铬含量要低，试验中还发现加入l 的锌在1 8 v 焊 接电压焊接，可以大幅度的减少烟尘中六价铬含量和烟尘总量。 1 4 2 工艺因素 工艺因素对焊条发尘率的影响，主要是焊接规范。不论是焊条还是焊丝， 焊接时选用的极性不同发尘率不用；热输入增加发尘率也不同程度的增大。能 量的输入不但影响发尘率，而且还影响烟尘和生成气体的成分和结构，它们之 间的关系十分复杂。 。 影响焊丝发尘率的因素有：熔滴过渡方式、电弧形态、保护气体组分、焊 接飞溅等。在气体金属保护焊中，通常认为有两种熔滴过渡方式：颗粒过渡和 喷射过渡。颗粒过渡导致较高的发尘率，喷射过渡可以适当的降低发尘率。保 护气体的氧化性增加，焊丝的发尘率也会增加；增加保护气体的氧化性会增加 飞溅，飞溅也可以提高焊丝发尘率埔】，最近的研究表明药芯焊丝的焊接烟尘 中，收集到的烟尘中细微飞溅约占烟尘总重量的3 0 ，且属于可吸入物范围 之内【1 9 1 。 在焊接烟尘发尘率的经验数学模拟方面，j o h nh d e n n i s 等人嗍曾经以焊 接电流、送送速度、焊丝成分等因素为基础建立了预测烟尘的检验公式。x i n h 等【2 1 1 对于d c e p 和d c e n 实心焊丝和d c e p 金属芯焊丝的发尘率用单位千瓦 时的发尘量( f f r = g k w h ) 表示。 第1 章绪论 1 5 研究目标和及研究任务 1 5 1 课题来源 本课题属于北京市自然科学基金项目。 名称：环境协调型自保护药芯焊丝堆焊技术 本文承担该课题的“自保护金属芯堆焊焊丝的研究”部分 1 5 2 研究目标及研究任务 本课题从焊接材料方面进行研究，主要研究目标如下： ( 1 ) 研发出一种满足使用要求的自保护金属芯堆焊焊丝。 ( 2 ) 研究药芯组分对焊丝焊接工艺性能以及堆焊层组织性能的影响。 ( 3 ) 对此种焊丝的焊接发尘率进行计算，对烟尘的化学成分以及物相进 行分析。 第2 章自保护金属芯堆焊焊丝研究 第2 章自保护金属芯堆焊焊丝研究 2 1 合金系的选择 焊接材料的设计是一个涉及到多因子试验设计的问题，各因子之间存在着 复杂的交互作用和非线性效应，到耳前为止，对一些元素作用的机理仍不清 楚。 目前，国内外己经开发应用的堆焊修复合金系统有：c r - b w - m o - n b v ， c r - m o w - v - n b t ，c r - w - m o - n b - r e ，f e - c r - m o - b ，c r - m o v ，c r - w - v ，c r - m o v - t i b ，c r - m o m n - v ，c r - w 二n i m s i ，c r - m o w 二v ，c r - m o - v - s i ，n i c r - b s i ，n i c r - b s i - w ，c r - m o - n i - v ，c r - b - w - v ，m n - c r - m o w v ，n i c r - w - s i ，f e - c r - m o b ，c r - m o - v - b ，c r - m o v r i b ，c r - n i m o - w - c o 等 2 h 2 6 1 。以上 列举的合金系统中，镍基和钻基合金抗金属间磨损性能以及抗氧化性优越，但 是堆焊修复的成本太高，往往倾向于选择经济合理、性能较好的铁基合金。 从国内外高硬度堆焊材料的研究状况来看，高硬度堆焊材料多采用高铬铸 铁型合金系统，采用该合金系统虽然能获得很高的硬度，但由于堆敷金属中高 的碳含量易使堆焊层产生裂纹，对于只要求高硬度而对裂纹要求不严格的场 合，该合金系统可以满足使用要求。 着眼于满足实际要求及堆焊层h r c 5 8 6 2 的硬度要求，本焊丝采用了c c r - m n s i 铁基合金系，铁基堆焊合金性能变化广泛，韧性和耐磨性配合好， 能满足不同的需要，而且价格低廉，应用广泛。采用该合金系，堆焊层硬度和 耐磨性可随含c 量增加而增加。堆焊层组织晶粒随含c 量和晶界覆盖面积的 增加而变得细小。c r 是铁素体元素，随含c r 量增加，可限制奥氏体晶粒粗大 化，当含c 量足够时，形成c r 7 c 3 ，导致晶界覆盖面积增大，堆焊层的耐磨性 能也随之提高。m n 具有较强的固溶强化作用、良好的脱氧和脱硫作用以及可 提高淬硬性；当m n 的含量大于1 3 时，提高抗磨性、产生回火脆性。s i 具有 强烈的固溶强化作用，增加淬硬性和回火稳定性，提高耐热性和耐蚀性。s i m _ n 联合使用还可用来脱氧。m o 、v 能细化晶粒，改善韧性，提高硬度和耐磨 性。 北京工业大学工学硕士学位论文 2 2 设计原理与方案 金属粉型药芯焊丝中粉芯的合金元素成分及含量直接关系到焊丝的轧制、 成形性能、焊接工艺性能、以及堆焊层金属性能的优劣。这种焊丝作为一种新 研制的焊接材料，采用埋弧自动堆焊，配方中没有加入任何矿石粉，它的粉芯 配方中加入的碳和多种合金元素首先必须保证堆焊层金属具有相变控制钢的 性能以达到设计要求。 对于焊接材料研制来说，其配方的设计开发较多的沿用经验尝试和正交设 计等传统方法。但焊接过程是一个极为复杂的物理化学过程，焊接区内各种物 质之间相互作用因素诸多，因而目前所存在的一些数学模型在焊接材料的设 计中应用范围都存在着较大的局限性。尽管合金元素的计算结果与实际所需加 入的合金含量之间有较大的出入，但其计算结果在一定程度上却能反映出实际 的结果，从而大致预测焊缝熔敷金属的化学成分和金相组织，再经过合金元素 的取舍使所预测的成分和组织与所设计的成分和组织相同。这样可以极大地减 少试验次数，使试验效率大大提高。故本焊丝在研制的过程中采用“以调试为 主，计算为辅”的原则，根据相关方法及通过有关强化相的基础研究，结合 “平衡碳”原则根据相关资料确定目标化学成分，计算确定药芯合金用量，再 经过实践调整、优化所需加入的铁合金的含量，将实际结果与理论相结合，最 终确定药芯焊丝中各合金成分的加入量。 本研究通过查阅大量相关文献，并经过自身的反复试验，最后确定焊缝熔 敷金属的目标化学成分如表2 1 。 表2 1 合金成分的设计依据( ) t a b l e 2 1f o u n d a t i o no fa l l o yc o m p o s i t i o nd e s i g i 0 1 2 2 2 1 粉芯中合金成分的初步计算 在配制焊丝粉芯的时候，合金成分的设计依据见表2 1 ，其中包括c 、 c r 、m n 、s i ，这些合金元素主要由粉芯和钢带所提供。根据焊接冶金理论，研 第2 章自保护金属芯堆焊焊丝研究 制焊丝的粉芯的几种主要的原材料的配比可用下面的公式进行计算： a - ( x - c n ) ( c 0 & n ) ( 2 - 1 ) 其中：a 为粉芯配方中该种原材料的加入量； x 为熔敷金属中该元素的所需含量； c 为该种元素在钢皮中的含量； c 。为该种原材料中该元素的含量； k 为研制焊丝的加粉重量系数； r t 为该元素经历从粉芯至熔敷金属的冶金过程的过渡系数。 由于各合金元素与氧和氮的亲和力大小不同，其过渡系数也有差异，二氧 化碳的气保护焊中，合金元素的烧损比较的严重，因此合金元素的损失较多， 参考焊接冶金理论所提供的数据，选取了几种合金元素的过渡系数为： i ic = 0 2 0 ，l l 。= o 9 8 ，n 。= o 7 5 ，t i 。= o 8 2 ，即可得到研制焊丝的粉芯成分表2 - 2 。 表2 - 2 理论上药芯中加入合金粉含量( ) t a b l e 2 2c o n t e n to f m e t a lp o w d e ro i lt h e o r y c r 3 c 2 m ns i f e 7 0 - 8 5 4 - 6 1 , - - 3 在钢带的选择上采用的是h 0 8 a 冷轧钢带，规格1 4 m m x 0 3 m m 。 焊丝在制各过程中采用的各参数见表2 - 3 。 表2 - 3 焊丝制备过程中的参数 t a b l e 2 - 3a p a r e a t e no f m a n u f a c t i n gp r o c e s s 蔗 2 2 2 石墨对飞溅的影响 焊接飞溅量大小是焊接材料工艺性能的一项重要指标。飞溅不仅污染工件 而且增加了焊工的劳动强度。飞溅量的大小直接影响到生产率、熔敷效率及焊 接质量。根据表2 - 2 中的基础配方制得的焊丝主要有以下不足：飞溅大、渣覆 北京3 1 - 业大学工学硕士学位论文 盖不好、脱渣性差、有粘渣、崩渣现象，焊缝表面有氧化现象。因此，要通过 对焊丝药芯配方的研究和调整来解决这些问题。结合本课题初期试验可以发现 石墨含量对本焊丝的飞溅影响较大。 2 2 2 1 试验方法为了计算的方便，配药粉时每个配方以5 0 0 克为单位，药粉 过8 0 目的筛子。所以试验结果中提到的各药粉的加入量可认为是其在药芯中 所占的重量百分比w t 。试验时，将一块2 0 0 x 1 0 0 1 0 m m 的试板置于试验台 上，为防止飞溅丢失，用导电铜罩将其罩住，在铜罩内施焊。工艺参数为；电 压3 0 v ，电流4 0 0 a ，用自制焊丝在试板上施焊一道长1 5 0 r a m 的焊缝，焊接速 度为3 5 0 r a m r a i n 。焊后收集铜罩内试验台上的飞溅金属颗粒，称其重量，按 下式计算飞溅率： 飞溅率= 蔫x 1 0 0 c 2 - 2 ， 为考察石墨对焊接飞溅的影响，固定药芯中其余成分的含量，使石墨在药 芯中的质量百分比含量逐步增加，观察其变化。药芯组分配比见表2 - 4 。 表2 - 4 药芯成分配比表 t a b l e 2 - 4c o m p o s i t i o no f w i r e 2 2 2 2 试验结果按上表制成的六组不同的焊丝，在同一焊接工艺条件下进行 焊接实验，观察结果见表2 5 。表2 5 出了石墨含量对电弧稳定性、焊缝成 形、飞溅焊接工艺性能的影响。 第2 章自保护金属芯堆焊焊丝研究 表2 - 5 药芯中石墨含量对焊丝工艺性能的影响 t a b l e2 - 5i n f l u e n c eo f g r a p h i t ec o n t e n to nt h eo p e r a t i n gp r o p e r t i e s uz 石墨含量( 帕 图2 - 1 石墨含量对飞溅率的影响 f i g 2 1e f f e c to f g r a p h i t ee n n t e n to ns p a t t e rr a t e 2 2 2 3 分析与讨论试验过程中发现：石墨的加入，一方面补充了焊缝中的含 碳量，另一方面提高了焊丝的电弧稳定性，焊接过程中飞溅显著降低。当焊丝 中的石墨含量在1 - 3 之间变化时，飞溅量随着石墨含量的增加而减少。当焊 丝中的石墨含量达到3 时，此时飞溅量最低，焊缝成形良好。随着石墨含量 的进一步增加，焊缝成形变差，飞溅变大，焊缝表面产生麻点和飞灰。同时含 碳量过高，导致硬度升高，加大了熟裂纹开裂倾向。图2 1 可以看出当焊丝中 石墨含量为3 时，焊接过程中产生的飞溅最少 适量的石墨加入降低了药芯中合金元素的相对含量，降低了熔滴的熔点， 北京工业大学工学硕士学位论文 加快了熔滴过渡的频率，减小了熔滴的尺寸；石墨的加入，使药芯中碳的质量 分数增加，导致焊接过程中生成的c o 含量增加，使c o 气体动力增加。c o 进入熔滴，使熔漓开始变形，最终和大熔滴分离，形成二次熔滴，并以一定的 速度落入熔池，也有利于熔滴细化。另一方面在高温焊接过程中，c 较其它元 素更容易氧化，除一部分作为合金元素进入熔敷金属，另一部分形成还原性气 氛，保护了熔化金属，减少了合金元素的烧损，也降低了熔滴在弧柱前端形成 电爆炸飞溅的几率2 7 1 。但是当加入的石墨过量时，导致气体含量过高，在焊 接过程中增大了c o 气体溢出时，液态熔池因爆炸产生飞溅的纪律，飞溅增加 f 2 8 j 。 2 3 本章小结 研制一种自保护金属芯堆焊焊丝，选用c c r - m n - s i - m o v 铁基合金系 统。当粉芯中的石墨含量达到3 时，可以明显地降低飞溅，提高熔敷效率； 随着石墨含量继续增加，焊缝成形变差，飞溅增大，表面开始出现飞灰和麻 点。 第3 章焊丝组织性能研究及对比试验 第3 章焊丝组织性能研究及对比试验 3 1 试验设备与方法 3 1 1 焊丝的生产设备及工艺流程 本研究所采用的焊丝制造工艺是连续轧制工艺。试验用药芯焊丝的制备采 用本校f c w m s o 多功能粉芯线材成型机，昆明重工有限公司生产，具体的制作 过程包括： 1 合金及矿物粉的配制：将粉料按配方设计的比例称出并混合均匀，然后 放入轧丝机的送粉器中。 2 丝材的轧制成型：金属带经过几道轧辊的轧制后成槽形，将合金粉送入 金属槽内，再经过几道轧辊的轧制后钢带逐步闭合成圆形。轧制过程见图3 一 l 。 3 拔丝：轧制成型的丝材，在拔丝机上使其分别通过直径为：4 2 r a m 、 3 6 m m 、3 3 眦、3 1 5 r a m 、2 9 5 m m 、2 s m m 的拉丝模，逐道拉拔、减径，最后 直径达到2 8 m m 。 一一v 一一 裁带轧带 加粉拔丝 图3 - 1 焊丝的制作过程 f 嘻3 1m a n u f a c u x r ep r o c e s so f w i r e 3 1 2 焊接工艺参数 。用z d e - 6 3 0 型多功能焊机对焊丝进行焊接。参照国标应选择厚度为2 5 r a m 以上的厚板进行堆焊实验。堆焊的方法见图3 2 ，母材为普通的碳钢。 图3 - 2 堆焊示意图 f i g 3 - 2s k e t c hm a po f h a r d 咖 一1 5 一 北京工业大学硕士学位论文 为了能够准确的反映堆焊层的合金成分，在堆焊过程中要求连续堆焊的层 数 1 3 ，以确保堆焊层中的母材含量尽量为零，盼保证母材对焊缝的稀释率为最 小，对于直径为2 8 m m 的焊丝，其焊接工艺参数见表3 1 。层问温度保持在 1 0 0 2 0 0 0 c 。 表3 - i 堆焊工艺参致 t a b l e 3 1a p p a t m n e t e r so f h a r d f a c i n g 3 1 3 硬度试验 对堆焊完的板材进行切割，并对试件表层进行打磨，使焊件的上下表面处 于平行状态，用洛氏硬度机( 型号为：h r - 1 5 0 a ) ，载荷为1 5 0 k g ，对堆焊层打 硬度，最后得到该焊丝堆焊层的平均洛氏硬度值。 显微硬度实验条件：载荷1 0 0 9 ，加载时间1 5 秒； 实验过程：在要测定的组织中( 主要观察各试样显微组织中自色组织和黑 色组织及和黑白相问组织) ，取五点打显微硬度，其中任何两点的距离大于三倍 的压痕，取五点的平均值。 3 1 4 金相组织分析 取1 0 m i n x1 0 m i n x5 m m 制成金相试样，先磨后抛，最后进行浸蚀。由于 堆焊层组织中含有大量的碳、铬等元素，耐腐蚀性好。故采用腐蚀性强的三氯 化铁盐酸溶液，浸蚀的堆焊层组织清晰。侵蚀时间大约一分钟。主要使用到的 仪器有m - 2 金相试样预磨机，p 2 金相试样抛光机，型号为4 x i 的显微镜。 浸蚀液的配制：三氯化铁5 9盐酸5 0 m l蒸馏水1 0 0 m l 试样浸蚀好后，用日本的p i v i eo l y m p u st o k y o 金相显微镜，并配合相 机，选取典型的内部显微组织，合适的放大倍数( 1 0 0 x 、5 0 0 x ) ，拍摄成金相 照片。对自保护堆焊药芯焊丝的焊缝进行金相分析，观察其微观组织，通过对 微观结构的观察，可以对堆焊层的耐磨机制作深入的研究和说明 3 1 5 耐磨试验 用m l s 2 2 5 型湿式橡胶轮磨粒磨损试验机进行磨损实验，图3 3 磨损试验 第3 苹焊丝组织性能研究及对比试验 机原理图。在堆焊层中取六个5 7 x 2 5 x s m m 磨损式样，磨损实验时，实验参数 如下：橡胶轮转速：2 4 0 转分，橡胶轮直径：1 7 8 m m ，橡胶轮硬度：6 0 ( 邵尔 硬度) ，载荷：1 0 k g ，磨损时间：2 5 0 s ，橡胶轮转数：约1 0 0 0 转，磨料：4 0 7 0 目的石英砂。材料的耐磨性能用磨损的失重量来衡量。在实验前、后，将试 件放入盛有丙酮溶液的烧杯中，在超声波清洗仪中清洗3 5 分钟，实验时用 q 2 3 5 钢作为对比，对比件失重量与测量件失重量之比作为该试样的相对耐磨 性。 图3 - 3 磨损试验机原理图 f i g 3 - 3s k e t c hm a po f w e a r 锻m a c h i n e 3 1 6 汉诺威分析仪的测试方法 德国汉诺威大学研制的弧焊质量分析仪( a n 弧焊分析仪) 是一个快速的数据 获取与处理系统。使用该测试仪对焊接时的电弧电压、焊接电流瞬间值以每秒 数十万次的速度实时采样，并经过其内部的测试分析软件对这些瞬时值进行初 次统计分析，自动生成电弧电压概率密度分布图，焊接电流概率密度分布图 ( p d d 图) ，短路时间频率n c r l ) 分布图，燃弧时间频率n c t 2 ) 分布图，周期时 间频率n ( ，r c ) 分布图( c f d 图) ，还能得到平均值、标准偏、变异系数等一次统 计值【2 9 】。 图3 - 4 为汉诺威分析仪原理图。系统硬件主要由微机系统、保护电路、 北京工业大学硕士学位论文 j i i e 皇墨詈e 皇曼量詈曼曼曼鼍邕鼍量置暑皇量舅皇一 5 0 0 h m 的端电阻r 、带分压器的低通滤波器l p f 、a d d c 电流传感器及1 2 位 的a d 转换器组成。 图3 4 汉诺威分析仪原理图 f i g 3 - 4s k e t c hm a po f h a n o v e r a n a l y s t 3 1 7 其它表征手段 ( 1 ) x 射线衍射分析 实验主要采用日本理学d m a x 3 c 型x 射线衍射仪( c uk c t ，电压3 5 v ，电 源3 0 m a ，2 0 = 2 0 8 0 4 ，波长o 1 5 4 0 5 9 m n ) 测量粉末样品的x 射线衍射图样， 从而确定样品的相组成及相结构。 ( 2 ) 扫描电镜( s e m ) 观察 将试样进行喷金处理，然后在环境扫描f e iq u a n t a2 0 0 型扫描电子显微镜 进行断口形貌的高倍观察。并借助该设备配备的e d s 进行局部区域的点、线、 面的成份分析。 3 2 试验结果 3 2 1 堆焊层金属化学成分 自保护堆焊药芯焊丝的成分见表3 - 2 。 表3 - 2 熔敷金属化学成分( ) t a b l e 3 2c h e m i c a lc o m p o s i t i o no f d e p o s i t e dm e t a l ( ) 第3 章焊