我 國 自 保 護 耐 磨 堆 焊 藥 芯 焊 絲 的 研 究 現 狀
賈 華，李 萌
( 大連海洋大學 應用技術學院，遼寧 大連 116300)
摘要: 自保護藥芯焊絲在耐磨堆焊方面具有突出優勢，不僅能夠制造新零件，還可以修復舊零件，并且具有生產效率高和生產成本低的特點，廣泛應用于工業制造的各個領域。文中首先分析自保護藥芯焊絲的優點，并對自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的發展概況進行評述; 再從藥芯焊絲渣系成分對焊接工藝性能的影響與合金元素對堆焊合金耐磨性的影響兩個方面分析我國自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的研究現狀; 最后對我國自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的應用及其發展趨勢進行展望。
關鍵詞: 自保護; 耐磨堆焊; 藥芯焊絲; 研究現狀
金屬材料應用領域存在著十分嚴重的磨損現象， 并且磨損形式較為復雜。大量試驗研究表明，在各 類磨損中磨粒磨損所占的比例最大，約為磨損總量 的 50%［1］，是制約我國工業尤其是重工業快速發展的原因之一。堆焊技術能夠實現堆焊層與母材之間 的冶金結合，不僅能使母材獲得特殊的性能，還能 對破損零件進行修復，其在各行業中發揮著舉足輕 重的作用［2］。
堆焊技術的快速發展促使堆焊材料的消耗量也隨之增加。藥芯焊絲是由鋼帶包裹藥粉組成，又稱粉芯焊絲或管狀焊絲，是繼焊條和實心焊絲之后的第四代焊接材料［3］。它具有焊條和實心焊絲共同的優點［4－6］: 焊接生產效率高，能夠實現自動或半自動化生產; 焊縫截面大，可減小坡口角度，節省熔敷金屬; 向焊縫金屬過渡合金元素，對焊縫有明顯的冶金作用; 通過改變焊絲藥芯中合金元素的種類和配比，還能實現焊接工藝性能和熔敷金屬綜合力學性能之間的最佳匹配［7］。可見，藥芯焊絲在焊接生產中具有較強大的生命力，是一種很有發展前途的新型焊接材料，對于耐磨堆焊產業的發展也具有重要的意義。
1 自保護藥芯焊絲的優點
藥芯焊絲可分為氣體保護藥芯焊絲和自保護藥芯焊絲 2 種［7－8］。在焊接過程中，自保護藥芯焊絲無需外加保護氣體，而是靠其自身藥粉發生的冶金反應保護熔池，焊接原理如圖 1 所示。
圖 1 自保護藥芯焊絲焊接原理
自保護藥芯焊絲除了具有藥芯焊絲的特點外， 還具有以下優點［9－12］: 不需要外加保護氣源，減小 了焊槍的自身質量，簡化了結構，更便于操作; 具有優良的抗風能力，通常能在四級風的條件下順利 施焊; 對裝配尺寸要求不高; 優良的抗銹能力; 焊接工藝性能好，引弧可靠，自保護效果好，電弧燃 燒穩定，焊縫成形美觀; 工藝適應性強，與普通焊絲相比，自保護藥芯焊絲可以適用于各種焊接位置， 而且單面焊雙面成形良好，焊接質量易于保證; 與焊條電弧焊相比，自保護藥芯焊絲的許用焊接電流大,熔敷效率高。
自保護藥芯焊絲按保護方式不同可分為有渣和無渣 2 種［12］。其中，無渣自保護藥芯焊絲為金屬粉芯藥芯焊絲，幾乎不添加礦物粉，從而能更大限度地增加合金粉的填充率，對于提高堆焊層硬度和耐磨性也有了更大的空間和潛力。無渣自保護藥芯焊絲焊接時只產生極少量的熔渣，焊后不需要清渣就能連續施焊，不僅熔敷效率高，還能最大限度地降低生產成本。而有渣自保護藥芯焊絲通常采用 “渣－氣聯合保護或渣－金屬聯合保護” 的方式。在整個焊接過程中，熔渣不僅能夠隔離空氣，而且還具有 脫氧固氮的作用，這對實現自保護效果有很大幫助。雖然有渣自保護效果要明顯優于無渣自保護的情況， 但是有渣自保護藥芯焊絲焊后需要清渣，不能連續 焊接，所以焊接生產率低，焊接成本相對較高。
2 我國自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的發展概況
在 20 世紀 80 年代，我國才開始發展自保護藥芯焊絲［12－13］。學者們先后在天津大橋集團、天津大 學、北京鋼鐵研究總院、北京工業大學和天津金橋集團等單位開展自保護藥芯焊絲的研發工作［13－14］，這為我國自保護藥芯焊絲的發展打開了嶄新局面。但在這個時期，我國的自主研發能力及對引進技術 的消化能力還十分薄弱，再加上相關焊材的生產企 業參與度不高，導致我國自保護藥芯焊絲還處于實 驗室研究階段。發展到 90 年代，隨著世界各國陸續開展自保護藥芯焊絲的研究工作，我國也開始高度 重視［15－16］。但與其他國家相比，我國自保護藥芯焊 絲在品種、力學性能穩定性、生產設備以及自主研 發能力等方面還存在不小差距。進入 21 世紀，自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的優勢得以凸顯。國家投入了 大量人力、物力和財力，促使部分高校和科研院所 開展相關研究工作，使我國自保護耐磨堆焊藥芯焊 絲技術得到了快速發展，并取得了較大的成績。
3 我國自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的研究現狀
3. 1 自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的渣系成分
實現藥芯焊絲自保護機制的基礎主要是渣系成分。因它不僅能隔絕空氣、減少空氣中的氧和氮與熔敷金屬的接觸，還能脫氧、固氮、去除硫和磷等雜質，保證焊縫純凈不受污染。在焊縫表面形成的熔渣覆蓋層還能保證焊縫具有一定的形狀，這對改善焊接工藝性和提高堆焊合金的耐磨性具有重要的意義，學者們在這方面也開展了廣泛研究。許立寶［17］研制的全位置自保護耐磨堆焊藥芯焊 絲由氟化物 ( BaF2 ，CaF2 ，LiF 中的 2 種或 3 種組合) 、碳酸鹽 ( Li2 CO3 和 CaCO3 中的 1 種或 2 種組合) 、氧化物 ( Fe2 O3 ，MgO，ZrO2 ，TiO2 中的 2 種或 3 種組合) 和脫氧固氮元素 ( Al，Mg，Si，Mn， ＲE) 組成渣系成分，能夠實現自保護和全位置堆焊。通過 “渣－ 氣－ 合金元素聯合保護” 實現自保護，通過減小電弧長度、調整熔渣物理性能使焊絲 適應全位置堆焊。調整藥芯配方中的渣系成分，從 焊道產生氣孔和熔渣覆蓋情況對其焊接工藝性能進 行評價。研究結果表明，藥粉中添加 w ( 氟化物) 45% ～ 55%和 w( 碳酸鹽) 4% ～ 8% 時，造渣和造氣保護效果良好。氟化物中的 BaF2 適應短電弧燃燒，對全位置堆焊有利; 藥粉中添加 w ( Al) 8% ～ 10% 和w( 稀土) 4% ～ 6% 時，能夠顯著脫氧固氮; 藥粉中MgO 和 ZrO2 等高熔點氧化物含量在 4% ～ 5% 時，對改善熔渣的物理性能更有利，能夠增強焊絲的全位 置堆焊適應性。汪虎［10］為了使堆焊自保護藥芯焊絲 獲得良好的焊接工藝性能，在分析耐磨堆焊材料特 點，熔滴過渡形式、焊接電弧穩定性、熔渣覆蓋性 和脫渣性的基礎上，最終確定了自保護耐磨堆焊藥 芯焊絲的渣系組分。當渣系成分中 w ( 石墨) 5% ～ 6%，w( Al 粉 ) 10%，w ( MgO) 8% 和 w ( CaF2 ) 30% 時，其焊接工藝性較好。劉大雙［18］設計了一種無渣 自保護耐磨堆焊藥芯焊絲。相對于傳統的熔渣型焊 絲而言，它是一種不添加任何 ( 或僅添加極少量) 礦物粉，而添加 95% 以上金屬粉的藥芯組分，焊后焊道上微渣或無渣，自保護效果主要依靠脫氧保護 和造氣保護來實現。由于藥芯中沒有添加造渣劑， 僅僅是 Al，Mg，Mn，B 和 Ti 元素等氧化產物組成的熔渣，總量較少，分布在各個階段析出，且頻繁地飛濺出去。而少量氧化物形成的硼硅酸鹽復合化 合物，在熔池的強烈攪拌作用下上浮至液體金屬表 面形成一層極薄的均勻保護膜，能夠阻止空氣的侵 入。這層保護膜極薄且與焊縫金屬直接連為一體， 所以焊后不需要清渣，從而能夠進行連續焊接。
3. 2 合金元素對堆焊層耐磨性的影響
根據合金體系的化學成分不同，自保護耐磨堆焊藥芯焊絲可以分為鐵基合金系統、鈷基合金系統和鎳基合金系統等［19］。在這些合金系統中，鐵基堆 焊合金價格低廉，通過添加合金元素可以形成不同的品種，性能變化范圍較為廣泛，而且能夠實現韌度和耐磨性的良好匹配，可以滿足許多不同工況的要求［20］。Fe－Cr－C 系堆焊合金因其耐磨性好和價格低廉的突出優點，是當前磨損工況下最為廣泛應用的一種堆焊合金，主要應用在受磨損零件的制造和修復中［21］。在 Fe－Cr－C 系自保護耐磨堆焊藥芯焊絲中通過添加不同比例的高碳鉻鐵，就可以使堆焊合金獲得亞共晶或過共晶成分，并且在堆焊合金中有初生和共晶M C 型碳化物生成［22］。隨著M C 型碳化物的增多，堆焊合金的硬度增加，耐磨性也不斷提高。但是， 當 M7 C3 型碳化物的體積分數超過35%時，在堆焊合金硬度增加同時其開裂傾向也不斷增大，所以提高堆焊合金的耐磨性不能單純依靠M C 型碳化物［23－24］。
為進一步提高 Fe－ Cr－ C 系堆焊合金的耐磨性，眾多研究者對自保護耐磨堆焊藥芯焊絲進行了深入研究，發現在其藥粉中適當加入 V，Ti，Mo，W，B 和 Nb 等合金元素，通過多元微量的合金化方式，能夠改善堆焊合金的韌性，并且堆焊合金的硬度和耐磨性明顯增加［25－28］。叢相州等人［29］研制了 2 種多元合金強化型高鉻鑄鐵自保護耐磨堆焊藥芯焊絲。其藥芯焊絲采用金屬粉芯、多元合金強化型高鉻鑄鐵合金系以及造氣－ 合金元素自保護機制，焊接工藝性能優良。在多種合金元素的綜合作用下，堆焊層顯微組織發生明顯改變。馬氏體和少量奧氏體基體組織與垂直于磨損面呈細桿狀的初生碳化物和呈粒狀共晶碳化物實現強韌性良好匹配， 堆焊層宏觀硬度為 HＲC61 ～ HＲC63，可以抵抗不同應力等級的磨粒磨損。王清 寶等人［30］研究了Nb 和Mo 對高碳自保護藥芯焊絲熔敷性能的影響，觀察 Nb 和 Mo 在金相組織中存在的形態，分析了 2 種元素的強化機理，以及硬度和耐磨性存在差異的原因。結果表明: 隨著 Nb 和 Mo 含量的增多，Nb 和 Mo 的初生碳化物數量增多，熔敷金屬硬度和耐磨性均提高。但是，在熔敷金屬中， Nb 僅生成初生 NbC，沉淀強化熔敷金屬，強化效果明顯; Mo 不僅生成初生 Mo2 C，而且還固溶強化初生 Cr7 C3 和基體，通過沉淀和固溶 2 種形式強化熔敷金屬，但強化效果不明顯。李達等人［31］研制了一 種自保護高鉻鑄鐵型藥芯焊絲，研究對象選擇 Fe－ Cr－C－V 系合金，對其堆焊金屬組織與性能進行了分析。結果表明: 堆焊合金顯微組織主要為馬氏體+ 殘余奧氏體+M7 C3 型碳化物。其中表面為多邊形具有六方棱柱結構，并且垂直于母材向堆焊層表面生 長的 M7 C3 初生型碳化物是堆焊合金中的主要強化相，大幅度提高了堆焊層平均硬度，為 HＲC63。在藥芯焊絲中加入了適量的 Mo 鐵和 V 鐵，一部分 Mo 和 V 元素在堆焊合金中形成了 Mo2 C 和 V2 C 碳化物， 起到彌散強化作用; 剩余部分的 Mo 和 V 元素固溶在基體組織中，起到固溶強化作用。在彌散強化和 固溶強化共同作用下，堆焊合金的耐磨性大幅度提 高。另外，在藥芯焊絲中加入適量的稀土氧化物后， 堆焊金屬相對耐磨性為 Q235 鋼的 14 倍左右。
3. 3 外加硬質相顆粒對耐磨性的影響
外加硬質相顆粒對于提高堆焊合金硬度和耐磨性是非常有效的方法。常用外加硬質相顆粒主要是 各種高熔點、高硬度、并與基體組織潤濕性良好的 碳化物、氮化物、硼化物和氧化陶瓷硬質相顆粒等。尉法兵等人［32］在 Fe－Cr－C 系藥芯焊絲中加入不同含量 TiB2 粉末，制備 TiB2 強化高硬度高耐磨堆焊自保護藥芯焊絲，并對其堆焊合金的顯微組織和性 能進行了研究。結果表明: TiB2 的加入，使得堆焊合金中初生碳化物增多，同時生成了大量的 TiC － TiB2 顆粒，并且彌散分布在初生碳化物和基體上，其堆焊合金具有更高的硬度和更好的耐磨性。
通過上述分析可見，我國在自保護耐磨堆焊藥 芯焊絲渣系成分對焊接工藝性能的影響與合金元素 對堆焊合金耐磨性的影響方面都進行了相對深入與 廣泛的研究，而且都取得了一定的成果，為實現焊 接工藝性能與力學性能的良好相匹配提供了保障。這些成果的取得都強有力地推動了我國自保護耐磨 堆焊藥芯焊絲的發展。
4 自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的應用與展望
為了延長機械零件或生產設備的使用壽命，利 用耐磨堆焊技術進行制造或再生性修復，不僅可以 降低維護成本，還能極大地減少報廢帶來的浪費， 對企業來說這也是提高其經濟效益的一條重要途徑［33］。耐磨堆焊技術的快速發展，促使高熔敷效率、低稀釋和操作簡便的自保護耐磨堆焊藥芯焊絲在各行各業中的需求量逐漸增加。其應用主要集中在鋼鐵冶金、電力、礦山、化工、水利、建材、煤炭、核電、軍工和機械制造等行業［33－34］，如鋼廠軋輥及連鑄輥、火電廠磨煤輥及磨盤、水泥廠水泥立磨及磨盤，以及閥門廠的各類閥門等方面。
目前，很多單位都對自保護耐磨堆焊藥芯焊絲 開展了不同程度的研究，但只有很少的成果轉化成 了產品，導致其應用也受到限制。另外，再加上堆 焊技術沒有現成的國家標準，致使每個單位的工藝、設備以及工況復雜程度也參差不齊［35］，所以對自保護耐磨堆焊藥芯焊絲的焊接工藝性能和力學性能的 要求也各不相同，導致其在批量化生產方面與堆焊 焊條還存在一定的差距。為推動我國制造和再制造 工業的快速發展，還應加速自保護耐磨堆焊藥芯焊 絲的科研和生產發展。
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