本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝及其制备方法。
背景技术：
由于自保护药芯焊丝具有操作简便，无需外加保护气体，熔敷效率高的优点，其在大型耐磨部件的现场修复方面，具有得天独厚的优势，具有广泛的应用前景。然而，自保护药芯焊丝在焊接过程中只能依靠药芯组分来实现脱氧、固氮、造气等功能，以实现对熔融金属的保护。而诸多的脱氧剂，往往在某一个高温时间段内更易发生脱氧反应，从而迅速被大量消耗，从而无法保证在整个焊接温度变化区间范围均有发生脱氧反应，特别是在焊接后期熔池阶段的脱氧效果。这就导致当前自保护堆焊药芯焊丝容易出现气孔、飞溅大、焊缝成形差等难题，工艺性能尚存进一步提升的空间。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝，本发明的另一目的是提供该药芯焊丝的制备方法。
技术方案：为实现上述目的，本发明采用以下技术方案：
本发明的含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于低碳钢带中，所述药芯包含如下质量百分数的组分：62～75wt％的高碳铬铁，10％～25％的脱氧剂，余量为铁粉，其中，所述脱氧剂为石墨、纤维素粉末、铝镁合金及硅锰合金所组成的机械混合物，所述石墨、纤维素粉末、铝镁合金及硅锰合金分别由至少两种不同粒度组成，其中至少一种粒度为较粗粒度，如40目、50目、60目、70目、80目等，一种为较细粒度，如160目、170目、180目、200目、250目、300目等，所述药芯占焊丝质量的52～56wt％。
进一步地，所述不同粒度的石墨由60目石墨和200目石墨以组合的方式加入，所述60目石墨的加入量相当于药芯质量的1～3wt％，所述200目石墨的加入量相当于所述药芯质量的1.5～2.5wt％。
进一步地，所述不同粒度的纤维素粉末由60目纤维素粉末和200目纤维素粉末以组合的方式加入，所述60目纤维素粉末的加入量相当于药芯质量的1～2.5wt％，所述200目纤维素粉末的加入量相当于所述药芯质量的0.5～1wt％。
进一步地，所述不同粒度的铝镁合金由60目铝镁合金和200目铝镁合金以组合的方式加入，所述60目铝镁合金和200目铝镁合金的加入量均相当于所述药芯质量的1～3wt％。
进一步地，所述不同粒度的硅锰合金由60目硅锰合金和200目硅锰合金以组合的方式加入，所述60目硅锰合金和200目硅锰合金的加入量均相当于所述药芯质量的2～5wt％。
进一步地，所述药芯中的高碳铬铁及铁粉组分的粒径均等于80目。
进一步地，所述的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
进一步地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
进一步地，所述焊丝的直径为2.8mm、3.2mm、3.5mm、3.8mm和4.2mm中的任意一种。
本发明进一步提出上述含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝的制备方法，其特征在于：包括如下步骤：
(1)利用成型轧辊将低碳钢带轧成U形，然后通过送粉装置将药芯的粉末按照焊丝总重的52～56wt％加入到U形槽中；
(2)将U形槽合口，使药芯包裹其中，通过拉丝模，逐道拉拔、减径，最后使其直径达到2.8～4.2mm，得到最终产品。
在上述药芯中各组分主要作用如下：
高碳铬铁：形成Cr7C3，Cr23C6，Cr3C等铬的碳化物；并向基体组织中过渡C。
石墨：脱氧，造气(CO)，降低气孔敏感性；提供C元素。
纤维素：脱氧，造气，增强自保护效果。
铝镁合金：脱氧，固氮(从空气中侵入焊接金属中的N)，增强自保护效果。
硅锰合金：脱氧，增强自保护效果；过渡合金元素Mn及元素Si。
由上述技术方案和药芯中各组分的作用简述可以明了，本发明由于同时在药芯中添加不同粒度的脱氧剂，具体地包括不同粒度的石墨、纤维素、铝镁合金及硅锰合金。在整个焊接过程中，既有温度极高的熔滴阶段，又有温度稍低的熔池阶段，无论哪个阶段都需要有效避免空气污染才能得到合格的焊接熔敷金属，通过前期大量的工艺试验发现，通过不同粒度的上述药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果，这是因为不同粒度的粉末具有不同的氧化活性。
通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中添加极细的200目石墨、纤维素、铝镁合金及硅锰合金，利用其在焊接升温阶段进行有效的先期脱氧，同时在药芯中添加较粗的60目石墨、纤维素、铝镁合金及硅锰合金，使之保留在熔滴高温阶段及熔池阶段，也能够进行有效的脱氧造气，特别是能够保证焊接后期熔池阶段的脱氧效果，从而保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能及焊接金属表面成形，应注意的是，其他不同粗细粒度的组合，只要是能够实现该技术效果的，也落入本发明的构思。
有益效果：与现有技术相比，本发明具有以下优点：
(1)本发明通过成分粒度控制化学冶金反应活性的新思路，在药芯中分别组合添加极细的200目和较粗的60目石墨、纤维素、铝镁合金及硅锰合金，有效保证在整个焊丝受热、熔化、形成熔滴、熔滴过渡、形成熔池并开始凝固的焊接冶金全程均具备良好的自保护效果，从而实现了本焊丝在没有添加任何矿物粉造渣剂的情况下，仍然能够具备良好的焊接工艺性能。
(2)本发明的药芯焊丝无气孔、飞溅小、焊道成形良好，合金均匀化程度高，堆焊层表面硬度均匀，不同焊丝平均硬度在60～65HRC范围。耐磨性为Q235的20～35倍。
(3)本发明提供的制备方法简单可重复，所制备的焊丝在使用时焊道表面基本无渣，多层焊无需清渣，焊丝制造成本低廉。
具体实施方式
下面结合实施例对本发明进一步解释说明。因理解的是，下述实施例是为了更好的解释本发明，而不构成对本发明保护范围的限定。其中，下列各实施例中所使用的高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的铝镁合金含铝量为47～53wt％，其余为镁；所述的硅锰合金含硅量为47～53wt％，其余为锰。
实施例1
一种含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：75g的80目高碳铬铁，10g的不同粒度脱氧剂，15g的80目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的石墨、纤维素粉末、铝镁合金及硅锰合金所组成的机械混合物，具体为：1g的60目石墨，1.5g的200目石墨，1g的60目纤维素粉末、0.5g的200目纤维素粉末，1g的60目铝镁合金、1g的200目铝镁合金，2g的60目硅锰合金、2g的200目硅锰合金。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为56％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例2
一种含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：62g的80目高碳铬铁，25g的不同粒度脱氧剂，13g的80目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的石墨、纤维素粉末、铝镁合金及硅锰合金所组成的机械混合物，具体为：3g的60目石墨，2.5g的200目石墨，2.5g的60目纤维素粉末、1g的200目纤维素粉末，3g的60目铝镁合金、3g的200目铝镁合金，5g的60目硅锰合金、5g的200目硅锰合金。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为52％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
实施例3
一种含有不同粒度脱氧剂的低成本自保护药芯焊丝，包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：包括低碳钢带和药芯，药芯填充于钢带中，药芯成分按以下质量进行配制：68g的80目高碳铬铁，17.8g的不同粒度脱氧剂，14.2g的80目铁粉。其中，脱氧剂为不同粒度的石墨、纤维素粉末、铝镁合金及硅锰合金所组成的机械混合物，具体为：2g的60目石墨，2g的200目石墨，2g的60目纤维素粉末、0.8g的200目纤维素粉末，2g的60目铝镁合金、2g的200目铝镁合金，4g的60目硅锰合金、3g的200目硅锰合金。将所取各种粉末置入混粉机内，混合40分钟，然后把混合粉末加入U形的21×0.5mm的H08A碳钢钢带槽中，填充率为54％。再将U形槽合口，使药粉包裹其中。接着使其分别通过直径为4.2mm、3.8mm、3.5mm、3.2mm、2.8mm的拉丝模中的一种或多种，逐道拉拔、减径，最后获得直径为2.8～4.2mm的产品。焊接电流为280～420A，焊接电压为30～42V，焊接速度为0.4m/min，层间温度控制在150～250℃，堆焊3层。堆焊层成形、硬度及耐磨性见表1。
表1所列硬度采用HR-150A洛氏硬度计，荷载150Kg，对每一个测试样取5点硬度，计算平均硬度值。磨损实验采用MLS-225型湿式橡胶轮磨损试验机。
将每个实施例的堆焊层切五个尺寸为57×25×6mm磨损试样。磨损实验参数如下：橡胶轮直径：178mm，橡胶轮转速：240转/分，橡胶轮硬度：70(邵尔硬度)，载荷：10Kg，橡胶轮转数：预磨1000转，正式试验转1000转，磨料：40～70目的石英砂。堆焊金属的耐磨性能以正式磨损的失重量来衡量。在每次实验前、后将试样置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，待干后称重记录。实验用Q235钢作为对比样，对比件失重量与测量件失重量之比作为堆焊样的相对耐磨性ε。
表1各实施例堆焊金属硬度与耐磨性
以上实施例只是对本发明的技术构思起到说明示例作用，并不能以此限制本发明的保护范围，本领域技术人员在不脱离本发明技术方案的精神和范围内，进行修改和等同替换，均应落在本发明的保护范围之内。