堆焊药芯焊丝及其应用01
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堆焊药芯焊丝及其应用
（培训材料 01）
山东德运焊业有限公司 技术部
2008年10月 1 堆焊药芯焊丝及其应用
药芯焊丝虽然已有六十多年的历史，但广泛应用还是近十几年的事，其主要原因在于它的制造工艺及其焊丝内填充药粉不成熟和不完善。直到二十世纪90年代后，人们才逐渐掌握了各种药芯焊丝的配粉和制造技术，其应用才蓬勃发展起来。
近年来，我国药芯焊丝的发展和应用也越来越受到重视，除加强国内研制开发外，还与国外合作，引进了国外的先进设备和技术，开始大力推广和应用。
众所周知，堆焊是硬面领域的一个重要分支，也是焊接领域中的一个重要分支，其物理本质、冶金过程和热过程的基本规律与一般焊接没有区别。
堆焊技术可用于零件的修复和制造，能增加零件表面的耐磨、耐热、耐蚀等性能，其产品是一种复合零件，其效果既能提高零件的使用寿命，又能大量减少贵金属的消耗，经济效益和社会效益都非常显著。
采用药芯焊丝堆焊制作堆焊层，与其他硬面工艺相比，有非常明显的优点：
1、与合金粉末热喷涂（焊）相比，药芯焊丝堆焊层厚度不受限制，而粉末涂层厚度一般不超过5mm；其堆焊层的结合强度与一般焊接相当（＞750MPa），而粉末涂层结合强度有20~250Mpa。
2、用药芯焊丝堆焊其焊材利用率为97%，而手工电焊条堆焊材料的利用率为55%~65%，热喷涂（焊）合金粉末的材料利用率50~80%。
3、用药芯焊丝能制造出实心焊丝不能制造的高合金、高硬度材料。
4、用药芯焊丝比实心焊丝更容易调整成分，能适应中、小批量生产，方便灵活，制造成本也低。
5、药芯焊丝堆焊速度为8~12kg/h，而手工电焊堆焊速率为1~3kg/h，气焊堆焊速率为1~4kg/h。堆焊不但速度快，而且堆焊层表面比较平整，操作方便，容易掌握。
以上是药芯焊丝堆焊的优点，在制作大面积硬面时，更显突出。
堆焊药芯焊丝的制造方法有两种：一种是用低碳钢或不锈钢镍、钴带材，经多辊连轧机轧成U型，将预配置好的合金粉末（如合金成分、粒度分布、一定的比重和流动性等）填充进去，在连续轧制封闭开口形成有缝药芯焊丝。这种药芯焊丝的接缝是靠机械咬合的，咬合的形式有各种各样，典型的有两种：对接和搭接。这三种药芯焊丝的断面基本为O型，适宜用来制造填充率较高的堆焊药芯焊丝。药芯焊丝的另一种制造方法是采用振动装置，将具有一定技术条件的粉末，如化学成分、粒度分别、松装密度、流动性等，经特殊混料工艺混合后，经烧结处理后填充到一卷直径稍大的管子中，经拉拔工艺形成无缝药芯焊丝。无缝药芯焊丝与有缝药芯焊丝比较有如下优点：
1、填充完全密封在管子内，不受外界大气、水分的影响； 2 2、同心度好，较大改善了药芯焊丝的导电性和电弧稳定性；
3、表面光洁和实心焊丝一样，有利于进丝，不容易磨损导电嘴；
4、焊丝不易因弯曲而导致沿长轴开裂，有利于搬运和使用；
5、表面可以镀铜，防锈保护，有利于长期储存。
无缝药芯焊丝虽然具有上述优点，但因其制造成本太高，售价高，很少被使用。
堆焊药芯焊丝的直径一般在Φ1.2mm~Φ4.8mm之间，根据堆焊工件的尺寸、焊机功率大小以及堆焊层的要求等选择药芯焊丝的直径。在堆焊过程中管皮和芯部装填的铁合金或金属粉末，将合金化为堆焊合金层。这种合金化（或称渗合金）方式，过渡系数高，堆焊层成分均匀，堆焊合金成分范围大，是其他任何堆焊渗合金方法不可比拟的。
常用堆焊药芯焊丝分为埋弧焊丝、气保护焊丝和自保护焊丝（或称明弧焊丝）三种类型。前者通过焊丝芯中铁合金（或金属）来调整堆焊金属合金的成分，焊接时依靠焊剂造渣来保护堆焊熔池，从而得到高质量的堆焊合金层。而自保护焊丝的焊芯组成成分除铁合金外，还含有一定的稳弧剂、脱氧剂、造渣剂和造气剂，故堆焊时不需另加保护气体和焊剂，具有方便灵活的优点。
埋弧焊用焊剂按其化学成分可分为两类：即酸性焊剂和碱性焊剂。为了使堆焊层的质量达到理想的要求，使用与焊丝匹配的焊剂十分重要。碱度[B1]的概念是用来描述判别一种焊剂酸碱度的。现有大量配方，普通的一种配方如下：
222%CaO+%MgO+%MnO+%FeO+%NaO+1/2%CaF[B1]=%SiO+%TiO
碱度较高（大于1）的焊剂称为碱性焊剂，碱度较低（小于1）的焊剂称为酸性焊剂。酸性焊剂对堆焊层化学成分和氧含量影响较大（焊剂中的MnO、FeO含量增加，堆焊层中的Mn和[O]含量快速上升），而碱性焊剂的影响小得多。如使用的焊剂与该种药芯焊丝所匹配的焊剂不相同，会使堆焊出来的焊层不理想，其原因是焊丝的化学成分已考虑到匹配焊剂的作用。然而也有人采用通过焊剂未完成堆焊层渗合金的目的。因此，不同厂家生产的埋弧焊丝都有或推荐使用某种匹配焊剂，以保证堆焊层的性能。但也有用户自己配置焊剂的，以达到某些性能的特殊要求。
另外，还有两种熔化极氩弧焊药芯焊丝MIG和钨极氩弧焊TIG，目前因为应用还较少，这里不做专门介绍。
上述几种药芯焊丝制造厂家在产品牌号上都标有区别的符号。如美国的药芯焊丝牌号阿拉伯字尾部标C（或不标英文字母）——埋弧焊药芯焊丝：标O（或D）——明弧焊药芯焊丝；标G（或E）——熔化极氩弧焊药芯焊丝，标D——钨极氩弧焊药芯焊丝。表1中药芯焊丝牌号体现了这种标法。
堆焊药芯焊丝按堆焊层合金结构可分为均匀相和非均匀相（即弥散硬化型）两类。 3 均匀相类药芯焊丝按材质分，有铁基、镍基和钴基三种。由于镍基和钴基材料价格昂贵，很少应用在大面积堆焊，故这类焊丝牌号也很少，大量用的是铁基药芯焊丝。铁基药芯焊丝基本上分为马氏体合金钢、马氏体不锈钢、奥氏体锰钢和高铬铸铁等四个材料系列。
非均匀相类为碳化钨药芯焊丝，由较软的韧性好的材料（如低碳钢）做管子，内充填铸造碳化钨粉粒（球形）或烧结碳化钨粉粒（不规则类）以及其他保护性填料制成，在堆焊过程中管子材料成为堆焊层的基体，碳化钨粉粒直接进入堆焊层成为弥散硬化相。碳化钨药芯焊丝按工艺又分为三种：即药芯焊丝用于明弧焊；把药芯焊丝切断，两端封口成为裸管棒用于氧乙炔气堆焊；以及在裸管棒外涂一层药皮成为电焊条，用于手工电焊堆焊。
药芯焊丝堆焊最大的难题是防止堆焊层的开裂。因为堆焊药芯焊丝大多数是高碳合金马氏体材料，这些材料在堆焊过程中，焊道被急速加热，又迅速被周围基体急速吸热冷却，而发生马氏体相变产生相变应力。同时，堆焊中大量的热释放出来，焊道与周围基体之间的温差，产生体积聚变引起热应力。在这两种应力的影响下，堆焊层就很容易发生变形和开裂。如何防止堆焊层的开裂，在堆焊中严格控制预热温度和层间温度以及堆焊后热处理是关键。
由上述可见，堆焊预热温度的确定，应选择在使用材料的马氏体相变温度以上，即马氏体开始相变温度Ms点以上。[Ms0F]主要决定于该材料的碳含量及合金元素含量，为计算方便，可用下面经验公式：
0[MsF]1020630(%)72(%n)63(%)36(%)36(%)31(%)18(%)18(%)9(%)27(%)54(%)CMSiVCrNiCuMoWCoAl
堆焊件的预热温度确定，除了考虑堆焊材料的相变温度以外，还应考虑下列因素的影响进行修正：
1、工件的质量大小和形状复杂程度，影响工件的热容量和散热快慢；
2、工件本身温度，如焊前进行退火处理及表面进行焊前修复等；
3、环境温度和传热条件；
4、堆焊工艺和速度；
5、基体材料的含碳量及合金元素含量，含量越高，预热温度相应提高。用下面公式把合金元素折成等价含碳量：
Ceq%=C%+Mn%/6+(Cr%+Mo%+V%)/5 +(Si%+Ni%+Cu%)/15
经验表明，等价含碳量：
Ceq%≤0.4%时，不需预热；
Ceq%＝0.4%~0.6%时，一般需预热；
Ceq%≥0.6%时，必须预热并要焊后热处理。 4 堆焊开始后，焊道层间温度应保持在比预热温度略低，但相差不超过500F（10℃），如预热温度6750（357℃），则焊道间温度不应低于6250F（329℃）。
工件堆焊后的后处理和缓冷同样重要，其目的是为消除堆焊层在堆焊时产生的各种残余应力。
轧辊堆焊时堆焊应用中最重要的和数量最大的工件，关于预热温度，含碳量高的轧辊预热温度也高，当含碳量Ceq≥0.9%以上，预热温度要求6600F（349℃）以上，这样高的温度操作工人难以忍受，必须在操作台上采用隔热防护措施。另外，高含碳量的轧辊除采用较高预热温度以外，还应堆焊过渡层，即在堆焊硬面层和基体之间加一层含碳量低的金属层，否则在堆焊中或使用时容易开裂。
近十几年来，我国堆焊药芯焊丝材料发展迅猛，制造厂家像雨后春笋般地建立起来，尤其是中美合资司太立有限公司，安泰科技有限公司，山东德运焊业有限公司，石家庄瑞达焊业有限公司的建立，不但全套引进先进的药芯焊丝制造设备，还引进了全套药芯焊丝工艺技术和配方，使我国这项技术达到或接近国际水平。Stoody公司和德运焊业有限公司常用牌号、材料性能、堆焊层特性和用途列表1。
表1 德运焊业有限公司常用堆焊药芯焊丝性能、堆焊层特性和用途
种类及牌号 材料性能 堆焊层特性 用途
低合金结构钢
DY-YD250(Q)
DY-YD14(M) 硬度HRC24~34，合金元素总含量＜3%，韧性高 易机加工，不开裂，堆焊层厚度无限制 修补表面缺陷，过渡层（或称打底层），矿山车轮、轴、键轮、导轮等
中合金结构钢
DY-YD350(Q)
DY-YD350(M) 硬度HRC33~48，合金元素总含量6~8%，韧性好，耐中等金属间磨损 可机加工，不开裂，堆焊层厚度＜12mm 矿山辊子、拖拽轮、起重机轮、链轮、传送器、吊车轮子等金属间磨损
低合金结构钢
DY-YD224A(M)
DY-YD224D(M) 硬度HRC45~54，W、V、Mo强化，中等韧性，较高硬度，高耐冷热疲劳 可机加工，严控堆焊热制度，防开裂，堆焊层厚度＜12mm 各种热轧辊、支承辊、夹送辊、导卫辊、校直辊等高温高负荷金属间磨损件
马氏体不锈钢
DY-YD420(M)
DY-YD423(M) 硬度HRC50左右，Cr＞12%，韧性较好，耐蚀、耐磨、耐冲击、耐冷热疲劳 可机加工，不开裂，堆焊层厚度＜12mm 低、中负荷热轧辊、轴类、起重机轮、高炉料钟密封面以及连铸辊等
奥氏体锰钢
DY-YD58(Q)
DY-YD59(Q) 硬度HRC44~53（冷作），Mn＞13%，高韧性、抗冲击性，耐中等磨粒磨损 可机加工，不开裂，无磁性，加工硬化，堆焊层厚度无限制 破碎机辊、锤、颚板、铁铲、挖掘机零件以及各种锰钢零件的焊接连接等
高铬铸铁
DY-YD911(M) 硬度HRC52~57，Cr＞25%，C＞2.5%，抗不可机加工，易裂（不影响使用），手工焊限高耐磨磨粒磨损和不受强烈冲击件，如破
