本发明涉及一种等离子-电弧堆焊使用的药芯焊丝，特别涉及一种适用于易变形工件的高质量堆焊的药芯焊丝。
背景技术：
与堆焊技术的国际发展前沿相比较，我国在堆焊基础理论方面（如堆焊合金的设计、堆焊缺陷的形成机理等）与工业发达国家差距不大，但堆焊材料和设备的工业发展水平与发达国家存在较大差距，我国堆焊材料方面的突出特点是“焊条多焊丝少、熔炼焊剂多烧结焊剂少、实心焊丝多药芯焊丝少”，而堆焊设备方面的现状则是“改装设备多专用设备少、机械化设备多智能化设备少”，因此，无论是堆焊材料的品种和质量，还是堆焊设备的自动化、智能化水平等方面均亟待发展和提高，其中国内堆焊药芯焊丝制备的堆焊修复层在硬度、耐磨性、抗腐蚀性、脱渣性等方面都存在不足，堆焊层的使用寿命相对国外产品较低。而国外堆焊药芯焊丝产品虽然性能优良，但价格较高，造成企业维护成本过高。因此，亟待发展具有高技术含量的堆焊药芯焊丝开发技术，提升我国堆焊修复技术。
等离子-电弧是一种复合热源焊接工艺，是将等离子电弧焊和熔化极惰性气体保护焊（mig）相结合的方法。焊接过程中，在等离子弧和mig电弧的作用下，焊丝加热并熔化，形成金属熔滴，进入熔池。等离子弧为负极，mig电弧为正极，电流通过两个电极产生电磁力，电磁力牵引着等离子弧向焊接熔池前方移动，且等离子弧在高速焊接过程中可保持在焊枪轴线。通常情况下，等离子-mig焊接过程中轴向送进的焊丝和mig电弧都被等离子气包围。由于复合焊枪结构的独特性，干伸长大，而且压缩后的等离子弧中心温度很高加热，因此焊丝熔化速度快。等离子弧不仅起到加热焊丝的作用，等离子-mig焊接中熔化极的焊丝底端、熔滴与mig电弧也都包围在炽热的等离子弧内部，熔滴过渡受力、熔化极电流走向等都受等离子弧影响发生了很大变化。等离子弧焊接的稳定性、热量和温度都高于一般电弧，因此具有较大的熔透力、较快的焊接速度、较窄的热影响区域和较小的工件变形。熔化极氩弧焊的电弧是明弧，焊接过程参数稳定，易于检测和控制。两者的结合需要通过药芯焊丝成分的合理设计，保证在等离子-mig复合堆焊条件下焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定，气孔少、晶粒小等。
综合来看，目前现有技术均未有提及适合于等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝。研究开发适合等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝，需减少等离子较强熔透力对堆焊工件母材的不利影响，且如何保持电弧在干伸长过大及快速焊接过程中的稳定性的问题。若能将两者匹配结合，基于等离子-电弧复合堆焊优质高效的优点，必将推动其在关键零部件修复领域的大规模应用。
技术实现要素：
本发明的目的是提供一种焊丝熔化速度快、无飞溅、焊接过程稳定，气孔少、晶粒小的针对等离子-电弧堆焊用的药芯焊丝。本发明的药芯焊丝能解决等离子-电弧的匹配问题，适合对热输入敏感工件的高质量堆焊修复。
本发明的等离子-电弧堆焊药芯焊丝由钢带和药芯组成，其特征在于药芯化学成分及质量百分含量为：稳弧剂10~12%；造渣剂15~21%；锰铁0.3~1.5%；硅铁0.1~0.6%；钛铁0.1~0.3%；铝镁粉0.2~0.5%；碳化铬铁6~12%；其余为铁粉，药芯填充率为22~32%。
其中所述的稳弧剂为钾长石与氧化铷的混合物，质量比为1:1，与普通堆焊药芯焊丝相比，等离子-电弧复合堆焊的药芯焊丝干伸长要长，且在等离子弧的作用下焊丝的熔化速度进一步加快，这就需要更容易电离的氧化铷作为稳弧添加剂，与传统的钾长石共同作用稳定等离子-电弧的复合熔池。
所述的造渣剂为二氧化锗与二氧化钛的混合物，质量比为2:1，与普通药芯焊丝中使用的金红石型造渣剂不同，基于等离子-电弧复合熔滴的复杂表面张力，在本发明中加入具有表面活化作用的二氧化锗，能显著降低熔滴表面张力系数，促进熔滴以稳定形态过渡至焊缝，进一步稳定等离子-电弧复合堆焊过程。在二氧化锗与二氧化钛联合作用下，能在等离子-电弧堆焊过程中形成表面均匀覆盖的锗钛酸盐熔渣。此外，二氧化锗在电弧高温作用下还能与焊缝金属中的氢反应，有效降低焊缝金属中氢含量，提高堆焊层冲击韧性。
其中锰铁、硅铁、钛铁为联合脱氧剂，能最大程度保护焊缝金属，减少其含氧量，三者联合作用还能生成tio2-mno2-sio2脱氧产物，浮出熔池表面，提高熔渣脱渣性。此外，钛铁、铝镁粉还能在等离子-电弧作用下形成稳定的tin、aln，减少产生气孔的产生。碳化铬铁能在堆焊层中引入c和cr，用于提高堆焊层硬度和耐磨性。
本发明提供的药芯焊丝具有以下有益效果：1）通过添加氧化铷和钾长石为稳弧剂，确保在等离子-电弧作用下能迅速电离，稳定熔池；2）二氧化锗造渣剂的添加，能显著降低熔滴表面张力系数，促进熔滴以稳定形态过渡至焊缝，进一步稳定等离子-电弧堆焊过程；3）通过添加联合脱氧剂、脱氮及二氧化锗高温下的除氢作用，能减少熔池中氮、氧、氢含量，保证焊缝金属组织气孔少、晶粒小，冲击韧性高。本发明的药芯焊丝能解决等离子-电弧的匹配问题，适合对热输入敏感工件的高质量堆焊修复。
具体实施方式
根据具体堆焊母材的不同，分别按照表1中成分将氧化铷、钾长石球磨混合30min后制成稳弧剂，将二氧化锗和二氧化钛球磨混合30min后制成造渣剂，各组分粒度范围控制在150~200目，按照表1其他组分制备药芯粉末，表2为药芯粉末的牌号。经120℃烘干处理后，混合均匀并按照22~32%的填充率加至以冷轧钢带为外皮的焊丝中，经过焊丝成型机封口成型为直径5.0mm的粗丝，再经过粗拉及精拉机的多道拉拔工序后，制备得到直径为1.6m的成品焊丝。
表1药芯焊丝组分及质量百分含量（%）
表2药芯粉末的牌号
本实验采用gcr5钢板作为堆焊母材，试板尺寸为150×200×25mm。堆焊材料选用直径φ1.6mm药芯焊丝。保护气体选用100%ar，气流量控制在16l/min。堆焊过程中，等离子电流为130~150a，弧焊电流为225~260a，焊接电压为20~30v，焊接速度为22m/min，干伸长20mm，堆焊层厚度约15mm。堆焊前需要对焊接试板进行打磨处理，除去表面的油污及铁锈，焊前不进行预热处理，焊后缓慢空冷为焊态试样，不经焊后热处理进行性能检测。焊后试板利用铣床表面铣出一个平面，加工量为3mm左右。沿焊接方向，在距起弧位置约20mm处开始取样，依次截取冲击试样、弯曲试样、耐磨试样。低温冲击试样尺寸为10×10×55mm，v型缺口，弯曲试样尺寸为5×5×35mm，磨损试样尺寸为20×20×10mm，要求无夹渣、气孔等缺陷。堆焊层的性能测试结果如表3所示，药芯焊丝工艺性能及堆焊层晶粒尺寸结果如表4所示。
表3力学性能及耐磨性测试结果
表4药芯焊丝工艺性能及晶粒尺寸结果