本发明属于材料加工工程中的焊接领域，具体地涉及一种添加多粒度药芯成分的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。在实际焊接过程中，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。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。现有技术通常是在药芯中添加脱氧剂实现脱氧的效果，且每个脱氧剂多选用一种粒度。由于不同粒度的粉末具有不同的“氧化活性”，通过尝试选择添加多元粒度药芯组分可以明显改善焊丝的自保护效果。目前，尚未见通过控制成分粒度改善焊丝自保护效果的技术披露。
技术实现要素：
发明目的：针对现有技术中存在的缺陷，本发明提供一种添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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：
本发明的添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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：60～75wt％的高碳铬铁，0.5～2wt％的60目石墨、1～2wt％的100目石墨、0.5～2.5wt％的200目石墨，0.5～1wt％的60目硼铁、1～1.5wt％的100目硼铁、0.5～1wt％的200目硼铁，0.5～1.5wt％的60目纤维素粉末、1～2.5wt％的100目纤维素粉末、0.5～1wt％的200目纤维素粉末，0.5～2wt％的60目铝镁合金、1～2wt％的100目铝镁合金、1～2wt％的200目铝镁合金，1～3wt％的60目硅锰合金、2～4wt％的100目硅锰合金、1～2wt％的200目硅锰合金，余量为铁粉，其中，药芯占焊丝总重的51-55wt％。
优选地，所述药芯中的高碳铬铁和铁粉的粒度均为100目。
优选地，所述高碳铬铁含碳量为9.0～9.5wt％，含铬量为62～72wt％，其余为铁；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，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。
优选地，所述低碳钢带厚度×宽度为0.5×21mm。
优选地，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自保护药芯焊丝的制备方法，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51～55wt％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。
硼铁：脱氧并改善熔池流动性。
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。
同时在药芯中添加三种不同粒度的药芯成分，具体地包括三种不同粒度的石墨、硼铁、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，课题组通过前期大量的工艺试验发现，通过三种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方法，在药芯中添加极细的200目石墨、硼铁、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100目石墨、硼铁、纤维素、铝镁合金及硅锰合金，使之在熔滴过渡阶段发挥作用，同时在药芯中添加更粗的60目石墨、硼铁、纤维素、铝镁合金及硅锰合金，使之部分保留在后续高温及熔池阶段，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。
有益效果：
(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三种不同目数的石墨、硼铁、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30倍左右。
(3)本发明提供的制备方法简单可重复。
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；所述的硼铁含硼量为19～25wt％，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
一种添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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：60g的100目高碳铬铁，2g的60目石墨、1g的100目石墨、1.5g的200目石墨，1g的60目硼铁、1g的100目硼铁、0.5g的200目硼铁，1.5g的60目纤维素粉末、1g的100目纤维素粉末、1g的200目纤维素粉末，1.5g的60目铝镁合金、2g的100目铝镁合金、1g的200目铝镁合金，1g的60目硅锰合金、3g的100目硅锰合金、1g的200目硅锰合金，余量为20g的100目铁粉。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51％。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
一种添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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：65g的100目高碳铬铁，1.5g的60目石墨、2g的100目石墨、2.5g的200目石墨，0.6g的60目硼铁、1.4g的100目硼铁、1g的200目硼铁，1g的60目纤维素粉末、2.5g的100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100目铝镁合金、1.5g的200目铝镁合金，2g的60目硅锰合金、4g的100目硅锰合金、1.5g的200目硅锰合金，余量为11g的100目铁粉。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
一种添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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：70g的100目高碳铬铁，1g的60目石墨、1g的100目石墨、1g的200目石墨，0.5g的60目硼铁、1.5g的100目硼铁、0.5g的200目硼铁，1g的60目纤维素粉末、2g的100目纤维素粉末、0.8g的200目纤维素粉末，2g的60目铝镁合金、1.5g的100目铝镁合金、1g的200目铝镁合金，3g的60目硅锰合金、2g的100目硅锰合金、2g的200目硅锰合金，余量为9.2g的100目铁粉。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53％。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4
一种添加多粒度药芯成分的自保护药芯焊丝，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100目高碳铬铁，0.5g的60目石墨、1.5g的100目石墨、0.5g的200目石墨，0.5g的60目硼铁、1g的100目硼铁、0.8g的200目硼铁，0.5g的60目纤维素粉末、1.5g的100目纤维素粉末、0.5g的200目纤维素粉末，0.5g的60目铝镁合金、1g的100目铝镁合金、2g的200目铝镁合金，2g的60目硅锰合金、3g的100目硅锰合金、1g的200目硅锰合金，余量为8.2g的100目铁粉。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55％。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。