Cu基-药芯焊丝及该焊丝用于低碳钢表面改性的方法与流程

本发明属于金属材料焊接技术领域，具体涉及一种cu基-药芯焊丝，还涉及一种采用该焊丝用于低碳钢表面改性的方法。

背景技术：

随着科技的进步，单一材料已无法满足工程的应用。为了使金属材料能够极大限度地发挥出它所具备的性能，往往会把具有不同性能的材料进行组合，再利用特定的技术手段，制备成复合金属材料。海洋上的大型船舶，由于长期在海水下腐蚀，外壳钢基体中容易产生海水腐蚀，导致船舶底板开裂报废，严重降低了船舶的服役时间。因此，为了提高钢基体表面的耐腐蚀性能，造船时常常在重要的钢基体表面添加一层铜合金，用来改善某些船壳钢材的耐蚀性能。目前，所使用的材料表面改性方法，受其设备规模的限制，无法大批量生产，采用电弧表面熔覆技术可以极大程度上提高生产效率，降低成本。另外，药芯焊丝相比于实心焊丝其成分灵活、易控，在铜基药芯焊丝中添加定量的sn、zn元素，能够有效的提高基体的耐腐蚀性能，具有非常广阔的应用前景。

技术实现要素：

本发明的目的是提供一种cu基-药芯焊丝，通过添加sn、zn、ni等主要元素，可以提高基体表面抵抗变形的能力和耐腐蚀性，从而充分发挥低碳钢零件多功能化的性能。

本发明的另一个目的是提供一种采用cu基-药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，该方法解决了低碳钢表面改性的问题，基于电弧熔覆技术，可以快速制得表面改性的熔覆层，从而使得钢制零件满足在特定领域中服役条件。

本发明所采用的技术方案是，一种cu基-药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：ni粉：20％～35％，sn粉：10％～15％，zn粉：1％～2％，pb粉：8％～15％，ag粉：2％～6％，si粉：1％～4％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。

本发明的特征还在于，

焊皮为纯铜带，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％。

本发明所采用的另一种技术方案是，一种采用cu基-药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按质量百分比分别称取：ni粉：20％～35％，sn粉：10％～15％，zn粉：1％～2％，pb粉：8％～15％，ag粉：2％～6％，si粉：1％～4％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；

将上述称取好的金属粉末作为药芯，以纯铜带作为焊皮，通过焊丝成型机制成所需的焊丝；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，晾干，放入箱式炉中进行预热；

步骤3：将步骤1制备得到的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干；

步骤4：利用熔化极气体保护焊技术，在低碳钢表面进行单层多道焊接，直至铺满低碳钢板；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，满足工件表面粗糙度要求。

本发明的特征还在于，

步骤1制备得到的药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％，焊皮为纯铜带。

步骤2中，低碳钢基板为：q345钢板。

步骤2中，超声波清洗时间为：20min～30min，预热温度为：300℃～400℃。

步骤3中，药芯焊丝的烘干温度为：40℃～60℃。

步骤4中，焊接工艺参数为：焊接电流：220a～250a、焊接电压：22v～26v、焊接速度：0.1mm/min～0.4mm/min，摆幅宽度：2mm～2.2mm、摆弧频率：4-4.4、保护气体：99.9％ar；步骤4中，导电嘴焊丝伸出长度为：8mm～12mm；搭接率为：35％～50％。

步骤5中，真空炉升温至：340℃～400℃，保温时间：2-3小时，炉冷。

步骤6中，得到的改性后的低碳钢表面粗糙度为：ra1.8～ra6.4。

本发明的有益效果是：

(1)本发明的cu基-药芯焊丝能够改善低碳钢表面的耐磨性、耐腐蚀性和导电、导热性，充分发挥低碳钢零件多功能化的性能。

(2)本发明的cu基-药芯焊丝中的金属ni能够改善cu和fe之间的融合性，以提高熔合界面的结合能力，焊丝中的金属zn、sn、pb能提高熔覆金属的耐磨性和耐腐蚀性。

(3)本发明的表面改性方法是利用电弧堆焊，成形效率高，操作简单，且熔覆后表层金属的致密度高，制造成本低，适合工业化批量生产。

(4)本发明的制备方法中的焊后热处理，可以细化熔覆金属内部的晶粒尺寸，消除焊接后残余应力，避免造成焊后开裂等缺陷。

附图说明

图1是本发明实施例3中熔覆金属结合界面的微观形貌图；

图2是本发明实施例3中熔覆金属内部的微观形貌图。

具体实施方式

下面结合附图和具体实施方式对本发明进行详细说明。

本发明提供一种cu基-药芯焊丝，包括药芯和焊皮，其中药芯按质量百分比由以下组分组成：ni粉：20％～35％，sn粉：10％～15％，zn粉：1％～2％，pb粉：8％～15％，ag粉：2％～6％，si粉：1％～4％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％。

其中：

1)ni元素可以与cu元素、fe元素形成无限固溶体并且还可以提高熔覆层的韧性；

2)sn、zn和pb等元素由于其化学性质活泼，极易生成氧化膜，提高基体的耐腐蚀性；

3)ag元素能够极大程度上改善cu的润湿性，提高铜在钢表面的铺展性，增强熔覆层的力学性能；

4)si元素主要作为脱氧剂，可以与钢中的feo结合形成密度小的硅酸盐焊渣，而被除去。还可以提升熔覆层的硬度。

焊皮为纯铜带，药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％。

本发明还提供一种采用上述cu基-药芯焊丝用于低碳钢表面改性的方法，具体按照以下步骤实施：

步骤1：按质量百分比分别称取：ni粉：20％～35％，sn粉：10％～15％，zn粉：1％～2％，pb粉：8％～15％，ag粉：2％～6％，si粉：1％～4％，cu粉：余量，以上组分质量百分比之和为100％；

将上述称取好的金属粉末作为药芯，以纯铜带作为焊皮，通过焊丝成型机制成所需的焊丝，具体为：将称取后的上述金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温，然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；

步骤1制备得到的药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％-25wt％，焊皮为纯铜带，尺寸规格为：宽×厚＝7mm×0.3mm；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，晾干，放入箱式炉中进行预热；

步骤2中，超声波清洗时间为：20min～30min，预热温度为：300℃～400℃；

步骤2中，低碳钢基板为：q345钢板，其尺寸规格为：长×宽×高＝50mm×50mm×10mm；

步骤3：将步骤1制备得到的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干；

步骤3中，药芯焊丝的烘干温度为：40℃～60℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径，在低碳钢表面进行单层多道焊接，直至铺满低碳钢板；

步骤4中，焊接工艺参数为：焊接电流：220a～250a、焊接电压：22v～26v、焊接速度：0.1mm/min～0.4mm/min，摆幅宽度：2mm～2.2mm、摆弧频率：4-4.4、保护气体：99.9％ar；步骤4中，导电嘴焊丝伸出长度为：8mm～12mm；搭接率为：35％～50％；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理；

步骤5中，真空炉升温至：340℃～400℃，保温时间：2-3小时，炉冷；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，满足工件表面粗糙度要求；

步骤6中，得到的改性后的低碳钢表面粗糙度为：ra1.8～ra6.4。

实施例1

步骤1：首先按ni粉：35％，sn粉：15％，zn粉：2％，pb粉：15％，ag粉：6％，si粉：4％，cu粉：23％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％。

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间：20min，晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度：300℃；

步骤3：将研制的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为：40℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径。在低碳钢表面进行单层多道焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流：220a、焊接电压：22v、焊接速度：0.1mm/min，摆幅宽度：2mm、摆弧频率：4、保护气体：99.9％ar，搭接率为：35％，最终直至铺满低碳钢板表面；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理，在340℃的温度中保温时间2小时，然后随炉冷却；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，工件表面粗糙度：ra6.4。

用实施例1方法所制备出的熔覆金属零件，经力学性能检测，该零件的力学性能为：表面硬度：190hv0.1，抗拉强度：246.28mpa，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，熔覆金属无裂纹及夹渣等缺陷。

实施例2

步骤1：首先按ni粉：30％，sn粉：13％，zn粉：2％，pb粉：13％，ag粉：4％，si粉：3％，cu粉：35％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为25wt％；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间：22min，晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度：320℃；

步骤3：将研制的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为：45℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径。在低碳钢表面进行单层多道焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流：230a、焊接电压：23v、焊接速度：0.2mm/min，摆幅宽度：2.1mm、摆弧频率：4.2、保护气体：99.9％ar，搭接率为：40％，最终直至铺满低碳钢板表面；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理，在360℃的温度中保温时间2.2小时，然后随炉冷却；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，工件表面粗糙度：ra6.4。

用实施例2方法所制备出的熔覆金属零件，经力学性能检测，该零件的力学性能为：表面硬度：201.517hv0.1，抗拉强度：220.69mpa，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，熔覆金属无裂纹及夹渣等缺陷。

实施例3

步骤1：首先按ni粉：28％，sn粉：12％，zn粉：2％，pb粉：12％，ag粉：5％，si粉：3％，cu粉：38％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为23wt％；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间：24min，晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度：350℃；

步骤3：将研制的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为：50℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径，在低碳钢表面进行单层多道焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流：240a、焊接电压：24v、焊接速度：0.25mm/min，摆幅宽度：2.2mm、摆弧频率：4.3、保护气体：99.9％ar，搭接率为：45％，最终直至铺满低碳钢板表面；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理，在380℃的温度中保温时间2.5小时，然后随炉冷却；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，工件表面粗糙度：ra3.2。

用实施例3方法所制备出的熔覆金属零件，经力学性能检测，该零件的力学性能为：表面硬度：218.42hv0.1，抗拉强度：266.81mpa，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，熔覆金属无裂纹及夹渣等缺陷。

如图1-2所示，可以看出铜基药芯焊丝熔覆后与低碳钢基体存在明显的过渡区域，并且发生了cu、fe元素间的互扩散行为，呈现出良好的冶金结合。

实施例4

步骤1：首先按ni粉：26％，sn粉：11％，zn粉：1％，pb粉：10％，ag粉：4％，si粉：2％，cu粉：46％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间：28min，晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度：380℃；

步骤3：将研制的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为：55℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径。在低碳钢表面进行单层多道焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流：245a、焊接电压：25v、焊接速度：0.35mm/min，摆幅宽度：2mm、摆弧频率：4.4、保护气体：99.9％ar，搭接率为：48％，最终直至铺满低碳钢板表面；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理，在390℃的温度中保温时间2.8小时，然后随炉冷却；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，工件表面粗糙度：ra3.2。

用实施例4方法所制备出的熔覆金属零件，经力学性能检测，该零件的力学性能为：表面硬度：192.48hv0.1，抗拉强度：249.14mpa，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，熔覆金属无裂纹及夹渣等缺陷。

实施例5

步骤1：首先按ni粉：20％，sn粉：10％，zn粉：1％，pb粉：8％，ag粉：2％，si粉：1％，cu粉：58％，称取质量百分比之和为100％的金属粉末。将称取后的金属粉末放到自动混粉机中混合，混合后放置于真空环式炉中加热至200℃，保温。然后将纯铜带放置于拉丝机上，把混合好的金属粉末填充至铜带内，经过拉拔工序，最终减径至1.2mm，待用；药芯焊丝中药芯粉末的填充率为22wt％；

步骤2：将低碳钢基板的表面机械清理，并放置盛有无水乙醇的超声震动仪中清洗，清洗时间：30min，晾干，放入箱式炉中进行预热，预热温度：400℃；

步骤3：将研制的药芯焊丝无水乙醇擦拭，并放入烘干箱中进行烘干，烘干温度为：60℃；

步骤4：利用熔化极气体保护焊(gmaw)技术，通过离线软件编程，规划路径。在低碳钢表面进行单层多道焊接，其焊接工艺参数为：焊接电流：250a、焊接电压：26v、焊接速度：0.4mm/min，摆幅宽度：2.2mm、摆弧频率：4.4、保护气体：99.9％ar，搭接率为：50％，最终直至铺满低碳钢板表面；

步骤5：将堆焊后的钢板放入真空炉中进行热处理，在400℃的温度中保温时间3小时，然后随炉冷却；

步骤6：将热处理后钢板的表面进行磨削，工件表面粗糙度：ra1.6。

用实施例5方法所制备出的熔覆金属零件，经力学性能检测，该零件的力学性能为：表面硬度：172.59hv0.1，抗拉强度：220.61mpa，并且焊接过程中飞溅小，焊缝成型性好，熔覆金属无裂纹及夹渣等缺陷。

本发明所研制的cu基-金属型药芯焊丝能够改善低碳钢表面的耐磨性、耐腐蚀性和导电、导热性，充分发挥低碳钢零件多功能化的性能并且焊丝制备工艺简单，能够批量化生产。药芯焊丝中的金属ni能够改善cu和fe之间的融合性，以提高熔合界面的结合能力，焊丝中的金属zn、sn、pb能提高熔覆金属的耐磨性和耐腐蚀性。同时采用电弧堆焊形式进行表面改性，成形效率高，操作简单，且熔覆后表层金属的致密度高，制造成本低，适合工业化批量生产。