耐磨堆焊用無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲及其冶金行為研究.pdf

1、無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲無(wú)需保護(hù)氣源、焊劑,焊后無(wú)渣,熔敷速度明顯高于普通的藥芯焊絲和實(shí)芯焊絲,這些優(yōu)點(diǎn)契合了大型設(shè)備如輥壓機(jī)對(duì)修復(fù)效率的內(nèi)在需求,為大型、超大型構(gòu)件的高效、自動(dòng)化堆焊修復(fù)提供了新的有效途徑。本文針對(duì)輥壓機(jī)輥面的磨損失效及堆焊修復(fù)現(xiàn)狀,提出并按照氣體-金屬聯(lián)合保護(hù)的思想,研制了一種環(huán)境友好型無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲。該焊絲焊接工藝性能較佳,堆焊層硬度在58~67 HRC范圍,耐磨性能優(yōu)良。在此基礎(chǔ)上,本文圍繞無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲工藝性

2、能和耐磨性能展開了系統(tǒng)的研究。
　　研究認(rèn)為,無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲的飛濺主要有四種類型:電弧斥力飛濺、電爆炸飛濺、氣體析出飛濺和蒸汽阻力飛濺。利用一次回歸正交設(shè)計(jì)試驗(yàn)方案,建立了藥芯組分硼鐵、錳粉、石墨、鋁鎂合金和硅鐵對(duì)飛濺組成的數(shù)學(xué)模型。并從表面張力、焊接電弧導(dǎo)電性、氣體析出、焊接反應(yīng)放熱程度等四個(gè)方面對(duì)無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲飛濺行為機(jī)理展開了系統(tǒng)的研究,認(rèn)為添加能夠降低熔滴表面張力、提高電弧導(dǎo)電性、減小氣體析出或焊接反應(yīng)放熱程度的藥

3、芯組分,有利于降低飛濺率。通過藥芯組分調(diào)整飛濺率最小僅0.57％。分析了無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲的環(huán)保特性。與目前常用的手工焊條或CO2氣體保護(hù)堆焊相比,它節(jié)約了大量的能耗,并減少排放。
　　依托自主搭建的高速攝影觀察平臺(tái)和電弧物理監(jiān)測(cè)系統(tǒng),在國(guó)內(nèi)外首次對(duì)無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡行為展開系統(tǒng)研究。發(fā)現(xiàn)無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲熔滴過渡過程中頻繁的熔渣飛濺,即“渣濺”這一特有的現(xiàn)象;認(rèn)為其熔渣與熔融金屬高溫下線膨脹系數(shù)相差大,熔渣本身的體積較小

4、,熔滴在過渡過程中自身快速旋轉(zhuǎn)的事實(shí),是形成““渣濺”的根本原因?！霸鼮R”的發(fā)生成功解釋了合金元素脫氧保護(hù)之后氧化產(chǎn)物的去向問題,它是導(dǎo)致焊后焊道表面沒有熔渣的基本原因。建立了“渣濺”的簡(jiǎn)單模型。提出了熔滴過渡的幾種形態(tài):排斥過渡、表面張力過渡、顆粒過渡和爆炸過渡。排斥過渡和表面張力過渡是無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲的主要過渡方式。并對(duì)其形成機(jī)理以及熔滴過渡形態(tài)對(duì)焊接電弧的影響進(jìn)行了研究,從焊接工藝參數(shù)和藥芯組分兩個(gè)方面探討熔滴過渡形態(tài)的調(diào)控方法

5、。
　　通過試驗(yàn)確立了無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲的基本合金系:Fe-Cr-B-C。分別調(diào)整藥芯組分中石墨、硼鐵含量,研究了C、B及B/C對(duì)Fe-Cr-B-C系堆焊合金凝固組織的影響規(guī)律。石墨促進(jìn)了堆焊層組織先析碳化物的形成,同時(shí)抑制了共晶碳化物的生長(zhǎng),并使得先析碳化物趨于垂直于母材表面生長(zhǎng)。隨著石墨含量的增加,洛氏硬度值逐漸增加;當(dāng)石墨含量超過6%后,硬度值增幅放緩。在具體Fe-Cr-C合金系下,不足5%的B添加量就可以使得組織中獲得90

6、%以上的碳化物。隨著硼鐵含量從0增加至12%,Fe-Cr-Ti-C合金組織中先析碳化物的直徑從9 um增加至20 um,同時(shí)碳化物體積分?jǐn)?shù)從14.10%增加至36.00%,合金硬度從55 HRC增加至65 HRC。在藥芯中硼鐵和石墨添加總量一定的條件下,隨著硼鐵的比重增加,硬質(zhì)相的尺寸趨于減小。
　　在Fe-Cr-B-C合金系的基礎(chǔ)上繼續(xù)添加含量變化范圍較寬的鈦鐵及鈮鐵,系統(tǒng)的研究了Ti和Nb對(duì)無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲堆焊合金組織和耐磨

7、性的影響,并揭示了堆焊合金的耐磨機(jī)制。鈦鐵的添加促進(jìn)堆焊層中高硬度TiC碳化物的形成。TiC可作為M7(C, B)3(M=Cr, Fe, Mn)碳化物的形核核心,并減少M(fèi)7(C, B)3碳化物的數(shù)量。由于形成TiC的過程中消耗了一定量的C,當(dāng)鈦鐵含量增至24%時(shí),堆焊合金組織由過共晶組織轉(zhuǎn)變?yōu)閬喒簿ЫM織。鈦鐵的添加使得合金具有更高的硬度和細(xì)化的組織,因而有利于改善堆焊合金的耐磨性能。當(dāng)鈦鐵添加量增加至24%時(shí),磨損量14.9 mg,達(dá)到

8、最小值。隨著藥芯中鈮鐵的添加,M7(C, B)3碳化物的數(shù)量逐漸減少,且NbC的數(shù)量增多。當(dāng)鈮鐵含量添加至18%時(shí),堆焊合金由過共晶轉(zhuǎn)變?yōu)楣簿ЫM織;當(dāng)鈮鐵含量繼續(xù)添加到24%時(shí),堆焊合金的組織繼續(xù)轉(zhuǎn)化為亞共晶組織。不加鈮時(shí)堆焊合金的硬度值為58.9 HRC,當(dāng)藥芯中鈮鐵含量增加至18%時(shí)堆焊合金的硬度值達(dá)到64.3 HRC。當(dāng)藥芯中鈮鐵添加量繼續(xù)增加至24%,堆焊合金的硬度值有所回落,為62.7 HRC。另一方面,藥芯中鈮鐵含量從0增加

9、至18%時(shí),磨損失重隨著藥芯中鈮鐵含量的增加而不斷減小;繼續(xù)增加鈮鐵含量至24%,磨損失重值不再有明顯變化。
　　隨著藥芯中鈦鐵或鈮鐵的添加,堆焊合金的組織出現(xiàn)了尺寸較小、硬度極高的MC(M=Ti/Nb)型碳化物,同時(shí)堆焊合金中先析M7(C, B)3碳化物的數(shù)量和尺寸均不斷減少,并且基體組織得到了Cr的固溶強(qiáng)化。這一成分和組織變化導(dǎo)致了堆焊合金磨損機(jī)理的變遷:由強(qiáng)化前的微裂紋機(jī)制轉(zhuǎn)變?yōu)榈玫絅b或Ti強(qiáng)化堆焊合金時(shí)的微切削和經(jīng)歷多次

10、塑形變形所導(dǎo)致的微犁耕機(jī)制。
　　利用有限元輔助設(shè)計(jì)了無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲輥壓機(jī)輥面堆焊制造工藝。在考慮焊接殘余應(yīng)力的情況底下,利用有限元方法展開對(duì)堆焊輥體工作應(yīng)力分布的模擬分析,結(jié)果表明在堆焊四層的情況下,較佳的堆焊工藝為:緩沖層堆焊3層(厚度為60 mm),耐磨層堆焊1層(厚度為20 mm)。此時(shí),輥壓機(jī)工作時(shí)的最大應(yīng)力值出現(xiàn)在距離堆焊表面約15 mm處,且為558 MPa。該結(jié)果為成功將無(wú)渣自保護(hù)藥芯焊絲應(yīng)用于輥壓機(jī)堆焊修復(fù)制