1、湘潭大學畢業論文題 目：塑性層埋弧焊藥芯焊絲的研究學 院： 機械工程學院 專 業： 材料成型及控制工程 學 號： 2009501029 姓 名： 吳 慧 劍 指導教師： 龔 建 勛 完成日期： 2013-5-30 湘 潭 大 學畢業論文（設計）任務書論文（設計）題目：塑性層埋弧焊藥芯焊絲的研究 學號： 2009501029 姓名： 吳慧劍 專業： 材料成型及控制工程 指導教師： 龔建勛 系主任： 肖逸峰 一、主要內容及基本要求主要內容： 設計一種埋弧焊藥芯焊絲，通過改變通過基礎配方中中C錳鐵的百分含量制做出幾根金屬粉型藥芯焊絲，采用埋弧堆焊方法制備奧氏體堆焊合金，仔細觀察對比焊接過程中的電弧穩

2、定性、飛濺量、煙塵量、殘渣量、焊縫成形、氣孔等工藝現象。并對堆焊合金進行硬度測試試驗、金相觀察試驗、磨粒磨損試驗，系統的研究藥芯中中C錳鐵對焊接工藝性能、堆焊合金硬度、耐磨性及顯微組織的影響，為設計配方時中C錳鐵的加入量提供理論依據。 基本要求： 1、 埋弧堆焊合金無氣孔等缺陷； 2、 翻譯相關外文文獻一篇（英文內容不少于三頁）。 二、重點研究的問題 1、中C錳鐵含量對藥芯焊絲埋弧堆焊堆焊合金耐磨性的影響 2、堆焊合金的顯微組織、硬度及耐磨性 三、進度安排序號各階段完成的內容 完成時間1收集資料，閱讀文獻 2013.02.252013.03.102撰寫文獻綜述，擬定試驗方案2013.03.10

3、2013.03.213初步試驗并分析總結2013.03.212013.04.204完善試驗方法和方案2013.04.202013.05.095總結試驗數據并分析，撰寫論文2013.05.092013.05.126寫出正式稿2013.05.122013.05.257答辯2013.05.318四、應收集的資料及主要參考文獻 1張文鉞.焊接冶金學（基本原理）M,北京:機械工業出版社（第一版),1999 2田志凌,潘川,梁東圖.藥芯焊絲M.北京:冶金工業出版社,1999 3陳華輝,邢建東,李衛.耐磨材料應用手冊M.北京:機械工業出版社,2006 4李建民.磨損金屬學M.北京冶金工業出版社 1990:2

4、17-243 5李家浚,李詩卓.材料磨損原理及其耐磨性M.北京:清華大學出版社,1990 6尹士科.焊接材料實用基礎知識M.北京:化學工業出版社,2004.8-12 7候增壽,盧光熙,金屬學原理,上海科學技術出版社(第二版),上海,1990 湘 潭 大 學畢業論文（設計）評閱表學號 2009501029 姓名 吳慧劍 專業 材料成型及控制工程（焊接） 畢業論文（設計）題目： 中C錳鐵對藥芯焊絲埋堆焊合金耐磨性的影響 評價項目評 價 內 容選題1.是否符合培養目標，體現學科、專業特點和教學計劃的基本要求，達到綜合訓練的目的；2.難度、份量是否適當；3.是否與生產、科研、社會等實際相結合。能力1.

5、是否有查閱文獻、綜合歸納資料的能力；2.是否有綜合運用知識的能力；3.是否具備研究方案的設計能力、研究方法和手段的運用能力；4.是否具備一定的外文與計算機應用能力；5.工科是否有經濟分析能力。論文（設計）質量1.立論是否正確，論述是否充分，結構是否嚴謹合理；實驗是否正確，設計、計算、分析處理是否科學；技術用語是否準確，符號是否統一，圖表圖紙是否完備、整潔、正確，引文是否規范；2.文字是否通順，有無觀點提煉，綜合概括能力如何；3.有無理論價值或實際應用價值，有無創新之處。 綜 合 評 價評閱人： 2013 年 5 月 31 日湘 潭 大 學畢業論文（設計）鑒定意見 學號： 2009501029

6、姓名： 吳慧劍 專業： 材料成型及控制工程（焊接）畢業論文（設計說明書） 30 頁 圖 表 14 張論文（設計）題目： 塑性層埋弧焊藥芯焊絲的研究 內容提要：設計一種埋弧焊藥芯焊絲，通過改變基礎配方中的中碳錳鐵的百分含量做出幾根金屬粉藥芯焊絲，采用埋弧堆焊的方法制備奧氏體堆焊合金，并觀察堆焊過程的焊接工藝性能，并對堆焊合金層進行硬度測試實驗、金相觀察實驗、磨粒磨損實驗，來研究中碳錳鐵對焊接工藝性能，堆焊合金的硬度、耐磨性和金相組織的影響，通過實驗檢驗大學所學知識，并為設計配方時中碳錳鐵的加入提供依據。結果表面：中碳錳鐵對堆焊層奧氏體的形成有顯著影響，由于采用埋弧焊，焊縫成形美觀，氣孔較少。但是

7、煙塵較多。脫渣性隨著中碳錳鐵的增多而變差。此外堆焊合金的硬度隨著中碳錳鐵的增多而下降，奧氏體組織所占的數量及體積也隨奧氏體增多而增多。導教師評語指指導教師： 2012 年 5 月 30 日答辯簡要情況及評語答辯小組組長： 2012 年 5 月 31 日答辯委員會意見答辯委員會主任： 2012 年 6 月 1 日30目 錄摘 要1Abstract21.1 概論31.2、埋弧堆焊的原理及特點31.3、藥芯焊絲41.5 、奧氏體61.6、論文的主題及要求7第二章 實驗材料、設備及成分設計82.1 實驗材料82.2 實驗設備82.3 實驗的目的82.4 藥芯焊絲配方設計83.1 配粉113.2 藥芯焊

8、絲軋制成型113.3 試板表面埋弧堆焊123.4 包粉率的測算123.5 堆焊合金硬度測試123.6 試樣切割133.7 金相試樣制備及觀察13第四章 實驗結果及分析154.1 藥芯焊絲包粉率154.2 硬度分析154.3 耐磨性分析164.4 工藝性能比較174.5 金相圖分析18第五章 總結與展望215.1 總結215.2 展望21摘 要 在Q235A基體采用埋弧焊方法制備了高錳堆焊合金。采用光學顯微鏡和硬度測試等手段研究中錳對其顯微組織及性能影響。試驗結果表明，隨著藥芯焊絲中碳錳鐵含量增加，堆焊合金硬度先增加后減小，這是由于沿晶碳化物和奧氏體基體數量增加疊加結果。關鍵詞：中C錳鐵；埋弧堆

9、焊；奧氏體；藥芯焊絲；耐磨性Abstract In the substrate of Q235A was prepared using the submerged arc welding of high manganese alloys. Using optical microscopy and hardness tester or other means to study the effect of microstructure and properties by manganese to the high manganese alloys. Test results show that w

10、ith the increase of mid-carbon ferromanganese in flux-cored, the surfacing alloy hardness which it first increases and then decreases, which is due to intergranular carbides and austenite matrix to increase the number of superimposed results.Key words：mid-carbon ferromanganese；submerged-arc welding；

11、austenite；flux-cored wire；abrasive resistance 第一章 文獻綜述1.1 概論 藥芯焊絲是由薄鋼帶卷成圓形鋼管或異形鋼管的同時，填滿一定成分的藥粉后經拉制而成的一種焊絲1。藥芯焊絲也稱管狀焊絲或粉芯焊絲，是本世紀50年代發展起來的高效焊接材料。分為自保護和氣保護兩大類具有生產效率高，焊接質量好，焊接成本低等優點。它繼承了手工電焊條的成分可調性的有點，又克服了手工焊不能實現連續、自動焊接的缺點2。焊接工藝性能包括：電弧穩定性、飛濺、脫渣性、焊縫成形等。藥芯焊絲工藝性能好，不僅可以提高工作效率，還可以改善工作環境。因此對藥芯焊絲工藝性能的研究具有重大的意義

12、。藥芯焊絲的焊接工藝性能主要取決于藥芯的成分，組成藥芯的各種物質通過其粒度和百分含量的變化對工藝性能產生不同的影響。通過控制變量研究某種成分的影響，是科研實驗中最常用的一種。本課題將通過控制配方中中C錳鐵的變化，致力于研究中C錳鐵對藥芯焊絲埋弧焊工藝性能的影響3。1.2、埋弧堆焊的原理及特點堆焊是一個普遍使用的方法來改善表面性質的工具，獲得均勻的合金表面的 焊接，以期提高硬度和耐磨性的目的無延展性和韌性的重大損失基材。是在金屬表面熔敷一層特殊金屬層,修補已磨損和腐蝕破壞的零件,是為了增大或恢復焊件尺寸，或使焊件表面獲得具有特殊性能的熔敷金屬而進行的焊接。這種簡捷而又行之有效的方法,在我國應用十

13、分廣泛。堆焊是最有用和最經濟的方法，以改善嚴重磨損條件提交給組件的性能之一的方法4。 根據堆焊時熔池是否可見，堆焊可分為明弧堆焊和埋弧堆焊。其中埋弧堆焊是在焊接開始前在焊接線上堆積顆粒狀焊劑，以自動方式向焊劑中送進焊絲，在焊劑覆蓋狀態下引燃電弧進行熔化焊接。焊劑受到電弧的加熱而熔化、分解，對焊接區起到保護作用5。 埋弧焊采用的焊劑因制造方法的不同而分為熔煉焊劑和粘結焊劑，焊劑的功能和成分類似于焊條電弧焊中的藥皮。由于焊劑是分散的，從利用上考慮，只適用于平焊及橫焊位置焊接，這是埋弧焊的一個不足點。然而，由于電弧被焊劑覆蓋著，電弧光受到焊劑的遮擋，煙塵及飛濺也較少。此外，由于焊接以自動焊方式進行，

14、能夠利用大電流進行焊接，這是埋弧焊所具有的優點。埋弧自動焊的主要優點是： （1）生產率高 埋弧焊的焊絲伸出長度（從導電嘴末端到電弧端部的焊絲長度）遠較手工電弧焊的焊條短，一般在50mm左右，而且是光焊絲，不會因提高電流而造成焊條藥皮發紅問題，即可使用較大的電流（比手工焊大510倍），因此，熔深大，生產率較高。對于20mm以下的對接焊可以不開坡口，不留間隙，這就減少了填充金屬的數量。 （2）焊縫質量高 對焊接熔池保護較完善，焊縫金屬中雜質較少，只要焊接工藝選擇恰當，較易獲得穩定高質量的焊縫。 （3）勞動條件好 除了減輕手工操作的勞動強度外，電弧弧光埋在焊劑層下，沒有弧光輻射，勞動條件較好。 埋弧

15、自動焊至今仍然是工業生產中最常用的一種焊接方法。適于批量較大，較厚較長的直線及較大直徑的環形焊縫的焊接。廣泛應用于化工容器、鍋爐、造船、橋梁等金屬結構的制造6。 這種方法也有不足之處，如不及手工焊靈活，一般只適合于水平位置或傾斜度不大的焊縫；工件邊緣準備和裝配質量要求較高、費工時；由于是埋弧操作，看不到熔池和焊縫形成過程，因此，必須嚴格控制焊接規范。1.3、藥芯焊絲藥芯焊絲是一種新型焊接材料，它具有實芯焊絲和普通電焊條無可比擬的優點。正是由于它代表了新型自動和半自動焊接材料發展的趨勢和方向，所以藥芯焊絲已經在造船、重型機械、鋼結構、壓力容器和石油管道等行業得到廣泛應用。根據資料介紹：日本從19

16、85年至今其焊條占整個焊材的比例從45%下降到20%；而藥芯焊絲所占比例已達到近30%。在美國焊條比例下降到不足40%，藥芯焊絲則接近40%；西歐各國焊條約占30%，藥芯焊絲約占20%2。藥芯焊絲作為高科技材料科學的結晶，它的出現和發展適應了焊接生產向高效率、低成本、高質量自動化和智能化方向發展的趨勢。藥芯焊絲與手工焊條和氬弧焊絲相比有明顯的優勢，主要是把斷續的焊接過程變為連續的生產方式，從而減少了焊接接頭的數目，提高了焊縫質量，也提高了生產效率，節約了能源7。 藥芯焊絲也稱為管狀焊絲，可以通過調整藥芯添加物的種類和比例，很方便地設計 品種是實心焊絲無法冶煉和軋制的。藥芯焊絲又分為有縫和無縫藥

17、芯焊絲，無縫藥芯焊絲的成品絲可進行鍍銅處理，焊絲保管過程中的防潮性能以及焊接過程中的導電性均優于有縫藥芯焊絲8。藥芯焊絲的制造過程控制非常嚴謹，由于熔填金屬來自鋼片皮材及焊劑所含的成份，制造前尺寸與化學成份均需詳細核對以確保品質。由于焊材內部空間受到限制，焊劑顆粒的大小愈顯得重要，顆粒間形成類似鳥巢般結合在一起，焊劑成份元素不均勻。絕大部分的藥芯焊絲均由一扁平金屬薄片長條逐段經過滾卷成U型斷面，粒狀焊劑填充于U型金屬槽中然后再經最后的密封滾卷步驟，將焊劑緊緊的滾壓在管形焊絲內卷成管形的焊絲再經過一連串拉絲動作成為最后需要的絲徑，此拉絲的動作也可以使填充的焊劑均勻的固定在焊絲皮材內9。 藥芯焊絲

18、之所以發展如此迅速主要因為它有以下優點：1）對各種鋼材的焊接，適應性強 調整焊劑的成分和比例極為方便和容易，可以提供所要求的焊縫化學成分；2）工藝性能好，燭縫成形美觀 采用氣渣聯合保護，獲得良好成形。加入穩弧劑使電弧穩定，熔滴過渡均勻；3）熔敷速度快，生產效率高 在相同焊接電流下藥芯焊絲的電流密度大，熔化速度快，其熔敷率約為85%-90%,生產率比焊條電弧焊高約3-5倍；4）可用較大焊接電流進行全位置焊接（埋弧焊不適用此點）。 藥芯焊絲也有不足例如：1）焊絲制造過程復雜；2）焊接時，送絲較實心焊絲困難；3）焊絲外表容易銹蝕，粉劑易吸潮，因此對藥芯焊絲保存一管理的要求更為嚴格。需要在以后的發展中

19、改進10。1.4 、耐磨性 磨損是零部件失效的一種基本類型。通常意義上來講，磨損是指零部件幾何尺寸（體積）變小。 零部件失去原有設計所規定的功能稱為失效。失效包括完全喪失原定功能；功能降低和有嚴重損傷或隱患，繼續使用會失去可靠性及安全性和安全性。磨損是摩擦的結果，長期以來，人們對摩擦的研究較多，對摩擦的理解和理論研究也較透徹，而對磨損的理解和研究還遠遠不夠。磨損雖然是普遍存在的現象，但其成因和表現形式是非常復雜的，人們可以從不同的角度對它進行分類，故磨損的分類方法很多。其中根掂磨損的破壞機理進行分類有利于對磨損現象的正確理解和深入地研究，即將磨損分為:磨料磨損、粘著磨損、疲勞磨損、沖蝕磨損、腐

20、蝕磨損及微動磨損等11。 其中磨料磨損占全部磨損的50%。磨料磨損機制是物體表面與硬質顆粒或硬質凸出物（包括硬金屬）相互摩擦引起表面材料損失的現象。磨料磨損機理是屬于磨料的機械作用，這種機械作用在很大程度上與磨料的性質、形狀及尺寸大小，固定的程度以及載荷作用下磨料與被磨材料表面的機械性能有關。磨料磨損的機理主要是:顯微切削,即硬磨粒像刀具一樣對零件表面進行極其微小的切削,形成切屑;磨粒較圓或與零件表面的相對角度不合適時，只對表面進行犁溝，把表面材料堆向兩旁和前沿，經反復塑性變形表面材料發生斷裂剝落；脆性斷裂，脆性材料的磨損一般屬于這種情況。影響磨料磨損的因素有零件材料的內部因素和磨粒等的外部因

21、素。內部因素中影響最大的是材料的硬度。一般地說，零件材料的硬度（正確地說是材料磨損后的表面硬度）越高，則耐磨性越高。本次實驗的堆焊合金主要組織是奧氏體，而奧氏體組織的硬度較低，所以耐磨性較低11。1.5 、奧氏體 奧氏體是碳溶于-Fe所形成的固溶體。碳原子位于-Fe八面體間隙的中心，即面心立方點陣晶胞的中心或棱邊的中點，假如每一個八面體間隙中心各容納一個碳原子，則碳在奧氏體中的最大溶解度應為20%（質量）。但實際上碳在-Fe中的最大溶解度僅為2.11%（質量）。這是因為-Fe八面體間隙的半徑僅0.052nm，小于碳原子的半徑0.077nm12。碳原子的溶入將使該八面體間隙發生膨脹而使周圍的八面

22、體間隙減小。因此不是所有的八面體中心均能容納入一個碳原子。碳原子的溶入使-Fe的點陣發生畸變，點陣參數增大。溶入的碳越多，奧氏體的點陣參數越大。碳原子在奧氏體中的分布是不均勻的，存在著濃度梯度。在合金鋼的奧氏體中，除碳原子外，溶于-Fe中的還有合金元素原子。碳、氮等間隙原子位于-Fe八面體間隙的中心，而錳、硅、鉻、鎳、鈷等合金元素的原子則置換部分鐵原子，處于面心立方點陣的結點位置13。 奧氏體是一般鋼在高溫下的組織，即當溫度在Ac1以上發生奧氏體轉變，鐵素體轉變為奧氏體組織，其存在有一定的溫度和成分范圍。有些淬火鋼能使部分奧氏體保留到室溫，這種奧氏體稱殘留奧氏體8。奧氏體是鋼中的高溫穩定相，但

23、若鋼中加入足夠量的能擴大相區的元素，則可使奧氏體在室溫成為穩定相。因此，奧氏體可以是鋼在使用時的一種組織狀態，以奧氏體狀態使用的鋼稱為奧氏體鋼。 在奧氏體的組織中，具有面心立方點陣的奧氏體的硬度和屈服強度均不高，碳的固溶也不能有效地提高其硬度和強度；因為面心立方點陣滑移系統多，奧氏體的塑性很好，易于變形，即加工成形性好；又因面心立方點陣是一種最密排的點陣結構，致密度高，所以奧氏體的比容最小；奧氏體中鐵原子的自擴散激活能大，擴散系數小，因此奧氏體鋼的熱強性好，可作為高溫用鋼；奧氏體具有順磁性，而奧氏體的轉變產物均為鐵磁性，所以奧氏體鋼又可作為無磁性鋼；奧氏體的線性膨脹系數大，因此奧氏體鋼也可用來

24、制作熱膨脹靈敏的儀表元件；奧氏體的導熱性能差，故奧氏體鋼加熱時，不宜采用過大的加入速度，以免因熱應力過大而引起工件變形，另外單相奧氏體具有良好的耐腐蝕性能（雙相奧氏體是在其固淬組織中鐵素體相與奧氏體相各占一半，一般最少相的含量也許要達到30%）14。 在合金鋼中除碳之外，其他合金元素也可溶于奧氏體中，并擴大或縮小奧氏體穩定區的溫度和成分范圍。例如，加入錳和鎳能將奧氏體臨界轉變溫度降至室溫以下，使鋼在室溫下保持奧氏體組織，即所謂奧氏體鋼（此次實驗通過加入Mn，使得奧氏體組織的轉變溫度將至室溫之下，得到奧氏體組織）15。 本次實驗是通過在藥芯焊絲的配方中加入大量的中碳錳鐵，使得堆焊合金中含有較多的

25、Mn，Mn在堆焊過程中與奧氏體相無限固溶，使得相擴大，a與相縮小，當Mn含量達到某一限量時，使得奧氏體組織轉變溫度降低至室溫。1.6、論文的主題及要求本課題主要研究中C錳鐵對埋弧堆焊合金耐磨性的影響，并對所取得的試樣進行磨損試驗，對試樣的金相圖進行分析。本文主要的技術指標及技術依據為：（1） 明弧堆焊合金無氣孔等缺陷；（2） 翻譯一篇外文文獻。 第二章 實驗材料、設備及成分設計2.1 實驗材料本實驗中藥芯焊絲的研制，外皮采用H08A鋼帶，所用的藥粉主要由微碳鉻鐵(70%Cr,3%C,其余Fe)、中碳錳鐵(80%Mn)、硅鐵(45%Si)、石墨（銀片狀）、鎂鋁粉、碳化鈦、還原鐵粉等組成。堆焊試樣

26、母材為Q235A鋼，金相腐蝕試劑為4硝酸酒精溶液。2.2 實驗設備YHZ-1型藥芯焊絲成型機及其附屬拉絲機、HR-150型洛氏硬度計、角磨平機、砂輪切割機、MZ-1000埋弧焊機、MLS-23型濕砂橡膠輪式磨損試驗機、DT150型光學天平、砂紙若干、M2型預磨機、PG2型拋光機、普通藥物天平、HFXA型金相顯微鏡。2.3 實驗的目的經過一系列的實驗，找到一個配方達到技術指標：明弧堆焊合金無氣孔等缺陷；焊接過程中煙塵較小、脫渣性良好。2.4 藥芯焊絲配方設計 目前，藥芯焊絲發展日新月異，根據實驗室材料和經濟、可行性等問題，同時滿足（1）無氣孔等缺陷;（2）焊接工程中煙塵小、脫渣性良好（3）獲得耐

27、腐蝕性能好的奧氏體等要求。本實驗在設計配方時加入較多的錳（40%），通過降低奧氏體轉變溫度，使得在常溫條件下得到奧氏體組織。同時為了保證堆焊層具有很高的耐蝕性，良好的冷加工性和良好的韌性、塑性、焊接性和無磁性，可加入細化晶粒的元素,以提高綜合力學性能,防止堆焊金屬在使用中的剝離,提高堆焊金屬塑性和韌性。還可向該合金系中加入各種合金粉末構成金屬粉型的藥芯焊絲，焊接時產渣量很少，可以不用去渣進行多層焊。根據各合金元素的作用設計堆焊合金的化學成分。另外,在保證基本性能的前提下,還應考慮經濟性。各種合金元素的選用：錳可以細化晶粒，降低產生裂紋的傾向，提高金屬的抗熱裂紋的能力。另外，錳對增加焊縫的屈服強

28、度和抗拉強度，增加沖擊韌性有一定的幫助。錳還有脫氧的作用。同時為了獲得奧氏體組織，需要加入較多的錳元素。Mn在堆焊過程中與奧氏體相無限固溶，使得相擴大，a與相縮小，當Mn含量達到某一限量時，使得奧氏體組織轉變溫度降低至室溫。（配方中錳是以中碳錳鐵的形式加入的，塑性層堆焊合金的主要組織為奧氏體，所以采用中錳作為變量，研究其耐磨性）為了獲得奧氏體組織還需控制C的含量，當C含量過多的時候，宏觀上堆焊層的塑性，韌性降低，甚至產生焊接裂紋。微觀上C含量過多容易生成的硬且脆的碳化物相數量過多且其形態為網狀樹枝狀時，破壞奧氏體的連續性，同時C含量過多容易產生CO使得焊縫出現氣孔。另外含碳量較多時，奧氏體在冷

29、卻時易發生分解形成（Cr，Fe）23C6，不能保持單相奧氏體狀態16。因此，在實驗中需要嚴格控制C的含量（如控制石墨的含量，采用微C鉻鐵來減少配方中C所占比例）。另外還控制了鉻的含量，因為鉻含量的增加，鐵素體含量增多，極大的限制了奧氏體的形成與發展，但是鉻有固溶強化作用，與其他合金元素形成固溶體，提高合金的抗氧化和耐腐蝕性能，鉻對脫渣和成型也有良好的影響17。所以需適當控制鉻鐵的含量,以達到所需要求。 配方中設計加入硅鐵，焊態焊縫金屬的平均硬度硅的增加而呈非線性增加，在添加硅和錳的焊縫金屬中，其抗拉強度主要與固溶強化、顯微組織和二次相顆粒尺寸有關。在含錳的焊縫中添加硅可發生下列變化：焊縫金屬中

30、含氧量減少，針狀鐵素體數量增加及其長寬比發生變化，二次相數量增多；同時硅可與其它合金元素形成低熔點共晶，改善熔池的流動性，有利于減小焊接氣孔，改善焊縫成型18。 鈦和氧的親和力很大，焊縫中鈦是以微小顆粒氧化物的形式（TiO）彌散分布于焊縫中，促使晶粒細化，提高堆焊層的韌性。由于鈦對氧的親和力大，還可以保護其他元素不被氧化。但是鈦與碳的親和力也較大，生成熱穩定性好的間隙相TiC，它具有很高的熔點且硬度是在MC系碳化物中為最高的，形成硬質相分布在奧氏體晶粒上，所以在控制碳含量的同時也需要考慮鈦的含量18。 鋁在鋼中的作用(1)用作煉鋼時的脫氧定氮劑，細化晶粒，抑制低碳鋼的時效，改善鋼在低溫時的韌性

31、，特別是降低了鋼的脆性轉變溫度；(2)提高鋼的抗氧化性能。近年來，常把鋁作為合金元素加入耐熱鋼中。(3)此外，鋁還能提高對硫化氫和V2O5的抗腐蝕性。同時鋁具有以下缺點：脫氧時如用鋁量過多，將促進鋼的石墨化傾向。當含鋁較高時其高溫強度和韌性較低。最后設計的藥粉配方具體成分：試樣石墨中C錳鐵微C鉻鐵硅鐵TiCAl-MgFe1#24020451282#25020451183#260204518（注：每組配方配置200g藥粉以滿足焊接和測包粉率的用量）實驗中以中C錳鐵作為變量，是因為錳作為影響堆焊合金奧氏體化的主要元素，以中C錳鐵作為變量可以更明顯的為三組實驗做比較。同時研究中C錳鐵對焊接工藝：脫渣

32、行，煙塵等影響。 藥芯焊絲是采用H08A鋼帶作為包裹藥粉的鋼帶，所以也需將鋼帶中的成分考慮進去：合金元素CMnSiSP百分比0.0120.220.11<0.011<0.008 根據上述資料和配方配制出藥芯焊絲，然后觀察焊接過程中的飛濺、煙塵等現象，以及堆焊合金組織的氣孔等缺陷、硬度等適當的改變合金元素的含量得到了幾種不同的配方如下表所示。編號項目1#2#3#中C錳鐵405060氣孔少量氣孔無無焊縫成型良好良好良好煙塵大量一般少量 由于采用埋弧焊作為焊接方法焊接的工藝性能較明弧堆焊好，氣孔少，焊縫成型美觀，不存在飛濺的問題，但是由于配方問題煙塵較多，在以后的研究中有待改進。（焊接工藝

33、的分析在第四章中有詳細分析） 第三章 實驗方法與過程3.1 配粉按照制定的配方稱取藥粉，總質量為200g。其中石墨為銀片狀的，應先將其磨細，中碳錳鐵有的成大塊狀或大顆粒也應先將其磨細然后和其它藥粉一起放入研缽中拌勻磨細，再經60目篩過濾，鐵粉中有被氧化的也需經60目篩過濾。最后將所有藥粉放入研缽磨細混合均勻。3個配方需配3次粉。3.2 藥芯焊絲軋制成型藥芯焊絲從制造方法上可以分為有縫藥芯焊絲和無縫藥芯焊絲兩種。其中，有縫藥芯焊絲因為制造成本低而獲得了廣泛應用，它的制造方法是用薄鋼帶通過成型軋棍加工成U型槽，填入藥粉軋成管狀，最終尺寸是由拔絲加工而成。目前藥芯焊絲的截面其形狀有很多種，其中管狀焊

34、絲（即O形焊絲）由于形狀簡單，易于加工生產，且具有價格低的優勢，是藥芯焊絲采用的主要截面形狀，因此我們所軋制的焊絲截面全部為O形截面3。本藥芯焊絲全部是在YHZ-1焊絲成型機上軋制而成。本設備采用軋-拔法生產工藝生產，藥芯焊絲的成型、上粉和合口工序在軋絲機上完成，而將減徑工序全部或大部分移至拉絲機上來完成。首先用藥物天平稱取藥粉配方，充分均勻混和、烘干，然后將粉末倒入軋絲機的料斗中，進行軋制。鋼帶采用規格為14mm×0.3mm的H08A鋼帶。為保證軋絲的順利進行，對材料、設備和工藝有一定的要求以免影響藥粉的均勻性及焊接質量。藥粉要充分研磨保證均勻性，顆粒度符合一定的標準。軋絲機的軋輥

35、應盡量處于同一條直線，成形軋輥側面應處于豎直面上，以免焊絲扭轉影響焊絲的平穩順利的軋制及藥粉的均勻性甚至焊絲裂開以至漏粉。焊絲軋制完后，應逐步減徑拉拔，達到所需要的直徑(由4.2mm3.2mm)，本實驗焊絲全部拉拔為直徑3.2mm。拉拔速度不能太快，應控制拉拔速度，本試驗拉拔速度為1.5r/min，應該避免出現拉斷、漏粉等問題。在拉拔過程中需注意拉絲模是否光滑，有無劃痕，雜質等，避免拉傷造成焊絲斷裂。焊絲軋拉后，應保證焊絲表面應光潔，成形規則，無毛刺、凹坑、劃痕、銹皮和油垢，也不應有其他對焊接性能或操作性能有不良影響的夾雜物。另外焊絲的兩端要封口，避免漏粉。3.3 試板表面埋弧堆焊選用Q235

36、A鋼作為實驗用焊接試板，試板尺寸為120mm×30mm×8mm。首先將焊接試板兩面用角磨機打磨光亮，去除表面氧化層和污銹。然后將藥芯焊絲裝入埋弧焊機的焊絲輪內，將工作臺清理干凈，試板置于工作臺上，四周用鋼板圍住以防止熔融金屬外流，同時可以保證形成電流回路，最后加入埋弧焊劑。調好焊接參數后，從試板一端焊起（注意仔細觀察焊接過程中電弧的穩定性、焊接煙塵量等工藝現象）。焊完第一道焊縫后，觀察焊縫成形情況和殘渣量。待第一道焊縫冷卻后去渣再在其上堆焊第二層（記錄脫渣性能），重復以上操作。最后觀察有無氣孔。所有焊接過程都是在相同的焊接參數下進行的：焊接電流為360420A，焊接電壓為3

37、5.6V，焊接速度為20m/h。3.4 包粉率的測算 包粉率即粉芯占整個焊絲重量百分比，為了避免出現失誤我們選用焊絲的中間部位（焊后剩下的藥芯焊絲部分），就可以減少藥粉流動等引起的失誤。用鉗子在藥芯焊絲中間剪下一段稱其重量，然后剝開焊絲外皮，除凈焊絲內藥粉，再稱其重量，最后得出的藥粉重量與焊絲重量的比即為焊絲包粉率。包粉率與焊絲直徑、藥粉成分和粒度等因素有關。包粉率對焊接工藝和焊縫質量都有影響，包粉率過小，藥粉將不能完全充滿焊絲，藥粉在焊絲內易發生流動，這樣會嚴重影響焊絲的內在質量及其使用性能；如果包粉率過大，則會給制造工藝帶來困難。在實驗過程中應引起注意。3.5 堆焊合金硬度測試將冷卻至室溫

38、的焊接試板焊縫的熔敷金屬進行宏觀硬度測試。為避免外因引起的實驗結果失真，須將表面的氧化層打磨掉。用HR-150型洛氏硬度計在焊縫中間部位均勻間隔測試常溫硬度，試板必須放平整，操作時試板不能有跳動。測試810個點，去除一個最高值和一個最低值(對于碰到的硬度特殊高點或低點不計)，測量點距離一般相距1mm左右，距離過大或過小都可能帶來誤差，取剩下幾個點的平均值。3.6 試樣切割 金相試樣尺寸為12mm×10 mm×25mm，耐磨試樣尺寸為57mm×25.5mm×6mm。3.7 金相試樣制備及觀察（1）首先在砂輪機上磨平焊道表面，四周倒角以避免磨金相砂子時對砂子

39、造成損傷。（2）用砂紙磨平，首先按120，240，360，400，500，600的順序在普通的水砂紙上進行粗磨，然后按W(50), W(40), W(28), W(20), W(14), W(10)的順序在金相砂紙上磨光。每個型號的砂紙，試樣首先要沿一個方向磨制，然后再轉90°進行磨制，直到上次磨制方向的磨痕消失為止。在磨制的時候需注意均勻用力，防止在某個方向上磨損過度，造成試樣上出現多個平面。（3）用拋光機拋光，直到表面沒有劃痕。（4）腐蝕表面，如果不是立即在拋光后腐蝕試樣，就必須再磨一次，去掉表面的氧化膜。把試樣浸入硝酸濃度為4%的酒精溶液2分鐘左右（奧氏體組織耐腐蝕性能較強，但

40、由于材料限制選擇硝酸酒精腐蝕）。用水沖洗干凈后，酒精擦洗表面并用吹風機吹干。（5）觀察金相并拍照記錄。3.8 耐磨試驗（1） 由于焊縫表面凹凸不平，為了能更加準確的測量其耐磨性，所以應先將試樣堆焊層磨平。將試樣放入試驗機MLS-23的專用夾具中，一定要裝緊。裝上試驗機的底蓋和外罩，旋緊螺絲。用臺秤稱量1.5Kg的石英砂放入罩內，用量筒盛1000 ml水放入罩內。蓋上玻璃罩，裝上選用的砝碼，放下砝碼，啟動電機。實驗機轉1000轉停掉電機。先打開試驗機的底蓋，將石英砂和水放出，取出外罩，清洗工作空間，取出試樣，試樣制備就完畢了。 其中試驗機ML-23的具體參數如下：施加正壓力（N）245橡膠輪轉速

41、（r/min）240橡膠輪直徑（mm）170橡膠輪轉向逆時針橡膠輪硬度（邵爾硬度）60砂、水重量（Kg）石英砂1.5、水1石英砂粒度（目）6040 （2）清洗試樣，再用電吹風吹干，在DT150型光學天平上稱量其初始質量E1；（3）重復步驟（1），在天平上稱量其最終質量E2，得出磨損量為E = E1-E2；（4）分別對1、2、3號試樣做上述三個步驟的處理，得到三個試樣的磨損量E1、E2、E3第四章 實驗結果及分析4.1 藥芯焊絲包粉率經測量的三組配方的焊絲得包粉率如下表所示：表 藥芯焊絲包粉量號碼總重(g)鋼帶重(g)粉重(g)包粉率1#7.513.953.5647%2#10.25.34.948

42、%3#13.276.247% 由此可見，本實驗中所測得的包粉率都較高，都達到47%，由于配方中含有較多密度較大的合金粉末：中C錳鐵、微C鉻鐵等。根據測量得到：隨著中C錳鐵的含量增加，藥芯焊絲的包粉率變化不大。原因在于在其他成分不變的情況下，用中C錳鐵代替了與其密度相差不大的還原鐵粉所造成的。包粉率不僅對焊接工藝有一定的影響，還對堆焊合金最終的化學成分有影響，從而影響組織的形態、宏觀硬度和耐磨性。本組實驗配方包粉率偏大，對在藥芯焊絲拉絲有些許影響（石墨較少以及高密度成分較多，造成藥粉的延展性能較差，在拉拔過程中容易出現斷絲的現象）。4.2 硬度分析用HR-150型洛氏硬度計在焊縫中間部位均勻間隔

43、測試常溫硬度，測試十個點，去除一個最高值和一個最低值(對于碰到的硬度特殊高點或低點不計)，取剩下八個點的平均值。三個試樣的硬度數據如下表所示。表 堆焊合金的宏觀硬度值(HRC)硬度值 (HRC)編號123 45678平均值1#3130242435252626272#2829282931302829293#252529232422252224由表可知三個試樣的硬度值都偏低，且隨著中C錳鐵百分含量的增加堆焊合金硬度先增加后減小。由于Mn是奧氏體形成元素，可與奧氏體無限互溶，使得奧氏體相擴大，在常溫下得到奧氏體組織，在奧氏體的組織中，具有面心立方點陣的奧氏體的硬度和屈服強度均不高，碳的固溶也不能有效

44、地提高其硬度和強度；因為面心立方點陣滑移系統多，奧氏體的塑性很好。4.3 耐磨性分析 金屬材料的硬度、強韌性及耐磨性等與其微觀組織有密切的關系。就堆焊而言，材料的耐磨性是磨損條件和材料性能的綜合反映，其耐磨性主要取決于硬質相的形態、分布、數量、大小、基體的性質、以及基體與硬質相的匹配關系。盡管如此，材料的耐磨性和硬度之間的關系并非一一對應，高硬度的堆焊金屬并不一定具有優良的耐磨性。 本試驗中對試樣進行了耐磨性試驗，試樣尺寸和實驗條件均相同。耐磨試驗的數據列于下表中，本實驗的試樣的硬度高，耐磨性也很好。相對耐磨性是指標準試樣的磨損量和實驗試樣磨損量的比值，這里將試樣一作為標準試樣，=標準試樣磨損

45、量/實驗試樣磨損量27 。表 堆焊合金的耐磨損性能試樣磨損前重量（g）磨損后重量（g）絕對失重量（g）硬度（HRC）1#140.9180140.77950.1385272#166.5096166.24040.2693293#169.0992168.82880.270424堆焊合金的耐磨性能受到配方中的合金元素的影響，此次實驗的堆焊合金由于主要由奧氏體組成，所以耐磨性能較差。配方中的錳為奧氏體化元素，使得奧氏體相擴大，同時配方中的C含量較低，使得鐵素體相和滲碳體相減小。最終得到奧氏體組織。而奧氏體組織的硬度較低，耐磨性較差。4.4 工藝性能比較實驗制備的堆焊藥芯焊絲在埋弧焊條件下的工藝性能列于下

46、表。工藝性能編號焊接電弧 煙塵焊縫成型氣孔脫渣性 1# 穩定 最多 美觀 無 易 2#穩定較多美觀無 一般 3# 穩定 較多 美觀 無 一般 電弧穩定性是指電弧保持穩定燃燒（不產生斷弧、飄移和磁偏吹等）的程度22。電弧穩定性直接影響焊接過程的連續性及焊接質量。3個配方制備的藥芯焊絲在焊接過程中電弧都很穩定，這說明中C錳鐵在埋弧焊條件下對藥芯焊絲的焊接電弧穩定性沒有明顯影響。焊接煙塵是由金屬及非金屬物質在過熱條件下產生的蒸汽經氧化和冷凝而形成的22。焊接煙塵主要取決于藥芯的成分。由于煙塵中常含有各種致毒物質，因而污染工作環境，危害焊工健康。為了保護焊工的身體健康，除了采用防塵通風等技術措施之外，

47、還應從根本上盡量減少發塵量、降低煙塵的毒性。焊接煙氣中的煙塵是一種十分復雜的物質，已在煙塵中發現的元素多達20種以上，其中含量最多的是Fe、Ca、Na等，其次是Si、Al、Mn、Ti、Cu等。焊接煙塵中的主要有害物質為Fe2O3、SiO2、MnO、HF等，本次實驗的發塵量都較大可能是配方中含有較多的中C錳鐵，其中錳在焊接過程被氧化形成MnO，其反應式為 Mn + O = MnO，從而造成大量煙塵的產生19。焊縫成形是指熔焊時焊接熔池中的液態金屬冷凝形成的焊縫的外觀。良好的焊縫成形要求表面光滑，焊縫的幾何形狀及尺寸正確。焊縫表面成形不僅影響美觀，更重要的是影響焊縫質量。影響焊縫成形的因素主要有：

48、熔渣凝固溫度，高溫熔渣的粘度、表面張力以及密度。由于采用的方法為埋弧焊，同時配方中使用較少的C，使得CO、CO2的產生較少，其氣體反應為 C + O = CO; C + O2 = CO2，所以焊縫成型較為美觀20。脫渣性是指焊后從焊縫表面清除渣殼的難易程度22。藥芯焊絲的脫渣性是衡量焊絲工藝性能的重要指標。脫渣困難不僅增加了焊工的勞動強度，降低了生產效率，同時由于清渣不凈而造成焊縫夾渣。因此，改善脫渣性對于降低焊縫夾渣的可能性，提高生產效率，減輕工人的勞動強度都有重要意義。影響脫渣性的因素有：熔渣的線膨脹系數、熔渣的氧化性和熔渣的松脆性，藥芯的化學成分決定了熔渣的脫渣性，因為藥芯的化學組成對熔

49、渣的微觀組織和熔渣的物化性質有較大的影響21。氣孔是一種焊接缺陷，同時也體現了焊接工藝性能的好壞。焊縫中產生氣孔的根本原因是由于高溫時金屬溶解了較多的氣體（如氫、氮）；另外，在進行冶金反應時又產生了相當多的氣體（如CO、H2O）。這些氣體在焊縫凝固過程中來不及逸出時就會產生氣孔。經過進一步研究查明，能形成氣孔的氣體不外乎兩類22：第一類：高溫時某些氣體溶解于熔池金屬中，當凝固和相變時，氣體的溶解度突然下降而來不及逸出殘留在焊縫內部的氣體，如氫和氮；第二類：由于冶金反應產生的不溶于金屬的氣體，如CO和H2O等。 埋弧焊產生氣孔的主要原因是氫，氫氣是由焊材、母材帶入電弧區的水分所造成的。但是電磁偏

50、吹、母材質量不好等也會造成氣孔，由于在焊前對Q235鋼板進行的打磨，清除了表面雜質，同時焊劑起到了很好的保護作用，防止空氣的氣體溶解，最后配方設計當中的C元素較少，產生的CO較少。在操作過程中，在做好第一層埋弧堆焊后，需要嚴格清理焊渣，可以防止在第二層堆焊時產生氣孔。4.5 金相圖分析采用金相顯微鏡對堆焊層金屬橫截面包括基體的組織進行分析。照片如圖所示： 上圖（a）的白色部分也奧氏體組織，由于加入了較多的Cr，其奧氏體組織為富鉻奧氏體。呈點狀分布的黑色胞狀組織為M23C6，其中M可能為Cr和Mn。同時由于C的存在黑色胞狀組織可能為碳化物。配方1#中加入的中C錳鐵最少，使得金相組織奧氏體化的效率較低，出現較多的碳化物使得1#試樣的耐磨性、硬度都較其他兩組高。 上圖（b）由于主要組織為奧氏體，其耐腐蝕性能較強，由于實驗條件限制采用的硝酸酒精腐蝕，造成腐蝕不夠充分。從圖中可看出：灰白色的組織為富鉻奧氏體，且呈胞狀，在晶界之間析出碳化物（滲碳體）。離界面較遠的黑色聚集物為M23C6。由于2#配方中的中C錳鐵增