熔渣含量對(duì)微渣氣保護(hù)藥芯焊絲性能的影響

謝衛(wèi)平 王歡 陳紀(jì)城 劉仁培 魏艷紅

摘要： 文中基于國產(chǎn)模具電弧增材再制造藥芯焊絲（RMD535），對(duì)其熔渣含量進(jìn)行優(yōu)化，并借助工藝試驗(yàn)、金相顯微鏡、SEM等測試方法，研制出一種工藝性能和力學(xué)性能良好的微渣氣保護(hù)藥芯焊絲。結(jié)果表明，隨著熔渣含量增加，藥芯焊絲的工藝性能逐漸變好，硬度和韌性逐漸增加，但當(dāng)熔渣含量超過15%時(shí)，模具修復(fù)再制造過程中出現(xiàn)大面積的黑渣，不利于微渣的實(shí)現(xiàn);而當(dāng)熔渣含量為 15%時(shí)，藥芯焊絲的工藝性能良好，焊后熔渣自動(dòng)脫落，基本能滿足電弧增材再制造的要求，該堆焊層組織主要由細(xì)小的針狀鐵素體和先共析鐵素體組成，熔敷金屬硬度值和沖擊吸收能量分別為29.1 HRC，31.6 J。在合金含量有限的條件下，熔渣一方面保護(hù)焊接過程，另一方面對(duì)針狀鐵素體的形成造成影響。

關(guān)鍵詞： 微渣氣保護(hù)藥芯焊絲; 模具電弧增材再制造; 工藝性能; 針狀鐵素體

中圖分類號(hào)： TG 422.3

Abstract： In this paper， based on the domestic mold arc additive remanufacturing fluxcored wire （RMD535）， the slag content is optimized， and with the aid of process test， metallographic microscope， SEM and other test methods， a microslag gasprotected fluxcored wire with excellent process and mechanical properties is developed. The results show that with the increase of slag content， the process performance of fluxcored wire is gradually getting better and the hardness and toughness of deposited metal increase. However， when the slag content exceeds 15%， a large area of black slag appears during mold repair and remanufacturing， which is not conducive to the realization of microslag. When the slag content is 15%， the process performance of the fluxcored wire is excellent， and the slag could fall off automatically after welding， which can basically meet the requirements of arc additive remanufacturing. The microstructure is mainly composed of fine acicular ferrite and proeutectoid ferrite.The hardness value and impact absorption energy of deposited metal are 29.1 HRC and 31.6 J respectively. Under the condition of limited alloy content， slag can not only protect the welding process， but also affect the formation of acicular ferrite.

Key words： microslag gasprotected fluxcored wire; mold arc additive remanufacturing; process performance; acicular ferrite

0 前言

藥芯焊絲具有熔敷速度快、成分易調(diào)節(jié)靈活性高、環(huán)境污染小等優(yōu)點(diǎn)，廣泛運(yùn)用于航空、航天、軌道交通等模具修復(fù)領(lǐng)域中。模具修復(fù)用焊絲一般是依靠焊接冶金過程中過渡足夠的合金元素，強(qiáng)化基體組織，達(dá)到滿足所需性能的目的，因此保證熔敷金屬中是否有足夠合金元素是成功研制模具修復(fù)用藥芯焊絲的關(guān)鍵。提高合金元素過渡系數(shù)、增大藥芯中合金粉末的添加量、增加填充率是提高熔敷金屬合金元素含量的常用三大方法[1]。由于微渣氣保護(hù)藥芯焊絲藥芯中大部分是金屬粉，只有少量渣系成分，且外加保護(hù)氣體，減少了渣系中造氣劑，從而極大程度上增加了合金粉末的裝填量和填充率，為調(diào)整焊絲成分滿足各種所需性能提供了廣闊的空間。

隨著3D打印技術(shù)的發(fā)展和機(jī)器人的逐步使用，現(xiàn)有藥芯焊絲熔渣含量較高，一方面需要中斷焊接過程進(jìn)行焊接道層之間清渣，顯著地降低了工作效率，難以滿足機(jī)器人連續(xù)電弧增材再制造的需求，另一方面容易造成焊后夾渣，對(duì)后續(xù)多層多道焊接過程造成影響，成為影響質(zhì)量的隱患，因此在保證性能的基礎(chǔ)上，如何使焊材滿足連續(xù)電弧增材再制造的要求已成為迫在眉睫的問題。針對(duì)此類問題，國內(nèi)外研究學(xué)者主要集中于：①脫渣性方面，從渣殼微觀組織結(jié)構(gòu) [2-3]或調(diào)整熔渣成分角度如 CaF2[4]， CaCO3[5]， TiO2/SiO2[6]以實(shí)現(xiàn)焊后熔渣能自動(dòng)脫落;②性能方面，從熔敷金屬微觀組織結(jié)構(gòu)出發(fā)調(diào)整焊絲合金系[7-8]或者改變組織中夾雜物形貌、尺寸大小[9-10]以實(shí)現(xiàn)焊后堆焊層獲得優(yōu)異的性能，而通過調(diào)整氣藥芯焊絲熔渣含量提高性能的研究較少。 國產(chǎn)模具電弧增材再制造藥芯焊絲（RMD535）工藝性能和力學(xué)性能良好，但是其熔渣含量過高，焊后需及時(shí)清理才能進(jìn)行下一次焊接，自動(dòng)化程度低，極大限制了其在智能制造領(lǐng)域的發(fā)展，因此文中以國產(chǎn)模具電弧增材再制造藥芯焊絲（RMD535）為原始體系，在不改變渣系組分配比，僅改變藥芯中熔渣含量的前提下，通過大量工藝試驗(yàn)結(jié)合光學(xué)顯微鏡、SEM、力學(xué)性能等測試方法優(yōu)化RMD535藥芯焊絲中熔渣含量，為進(jìn)一步開發(fā)自動(dòng)化程度高兼?zhèn)鋬?yōu)良力學(xué)性能的藥芯焊絲打下基礎(chǔ)。

1 試驗(yàn)方法

1.1 微渣氣保護(hù)藥芯焊絲成分設(shè)計(jì)

微渣是指焊絲中熔渣含量低于20%，焊后焊縫表面僅出現(xiàn)微量熔渣或噴氣后熔渣能自動(dòng)脫落?，F(xiàn)代化模具修復(fù)領(lǐng)域中，手工堆焊技術(shù)逐漸被電弧增材再制造技術(shù)取代，適用于電弧增材再制造技術(shù)的焊材需要滿足焊后熔渣自動(dòng)脫落，這就對(duì)傳統(tǒng)氣保護(hù)藥芯焊絲提出了更高的要求，同時(shí)如果直接減少焊絲中渣系含量以實(shí)現(xiàn)焊后微渣，就會(huì)破壞原有焊接反應(yīng)區(qū)氣—渣聯(lián)合保護(hù)模式，影響焊絲的各項(xiàng)性能。考慮到在實(shí)際焊接過程中存在一部分合金元素參與保護(hù)過程，因此采用氣—渣—合金元素聯(lián)合保護(hù)模式，通過增加合金元素含量以彌補(bǔ)渣保護(hù)的不足的設(shè)計(jì)思路，不僅理論上可行，而且其成功研制將極大推動(dòng)藥芯焊絲的發(fā)展，豐富焊材種類。綜合考慮熔敷金屬保護(hù)效果和自動(dòng)化的實(shí)現(xiàn)，試驗(yàn)采用H08E鋼帶（12 mm×0.5 mm），將國產(chǎn)模具電弧增材再制造藥芯焊絲（RMD535）渣系成分包在藥芯中，在不改變藥芯焊絲渣系組分基礎(chǔ)上，分別改變?nèi)墼浚?%，10%，15%，20%，并編號(hào)1～4號(hào)，制成四種直徑為1.6 mm，填充率為24%，截面形狀為搭接的氣保護(hù)藥芯焊絲。RMD535藥芯焊絲渣系基礎(chǔ)配方見表1。

1.2 試樣制備與性能表征

采用自主搭建的電弧增材制造成形設(shè)備，包括Fronius數(shù)字化焊機(jī)及KR5R1400機(jī)器人，其成形設(shè)備如圖1所示。在200 mm×100 mm ×25 mm的Q235試板上進(jìn)行堆焊，焊接電流為330～350 A，電壓為29～32 V，焊接速度為6 mm/s，保護(hù)氣體為20%CO2+80%Ar。連續(xù)堆焊四層，第一層5道，隨后各層每道次數(shù)逐次遞減，其堆焊過程如圖2所示。層間溫度控制在150 ℃以下，堆焊厚度大于12 mm制取試樣。

試驗(yàn)采用水槽收集法來計(jì)算飛濺率，具體裝置如圖3所示。在水槽中放置一個(gè)墊塊，然后把尺寸為150 mm×15 mm×15 mm的焊接基板放在墊塊上，稱其質(zhì)量m1;選定任意一種試驗(yàn)焊絲分別在工件上進(jìn)行堆焊，焊接過程中產(chǎn)生的飛濺落入水槽，凝固成顆粒。焊后稱量工件質(zhì)量m2，并收集水槽中的飛濺顆粒，烘干，稱其質(zhì)量m3，最后通過公式f=m3/（m2-m1）計(jì)算焊接飛濺率。

在堆焊層表面鉆取金屬屑，通過SPECTRO直讀光譜儀對(duì)其進(jìn)行化學(xué)成分分析。焊縫熔渣的覆蓋性試驗(yàn)主要由焊工技師依據(jù)焊后焊縫成形和熔渣覆蓋的效果評(píng)定，評(píng)定結(jié)果按照差（覆蓋不全或出現(xiàn)抱團(tuán)）、一般（覆蓋不均勻）、良好（熔渣覆蓋均勻，焊縫成形較好）三個(gè)等級(jí)打分記錄。

采用HR-150A型硬度計(jì)進(jìn)行宏觀硬度試驗(yàn)測量堆焊層硬度，測試試樣不同區(qū)域的8個(gè)點(diǎn)硬度，去掉一個(gè)最高點(diǎn)和一個(gè)最低點(diǎn)，剩下6個(gè)點(diǎn)取平均值。采用XJL-300B型落槌沖擊試驗(yàn)機(jī)測定焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量，分別測試三個(gè)同種試樣，取其平均值即堆焊金屬?zèng)_擊吸收能量。

2 試驗(yàn)結(jié)果與討論

2.1 熔渣含量對(duì)焊縫成形的影響

經(jīng)氣槍吹后，不同熔渣含量對(duì)單道焊縫成形覆蓋情況和電弧增材再制造實(shí)體成形的影響結(jié)果，分別如如圖4和圖5所示。當(dāng)改變焊絲中渣系含量時(shí)，以Fe粉作為平衡量，保持配方總含量不變。

觀察單道焊縫成形可知，隨著焊絲熔渣含量增加，焊縫形貌逐漸變均勻、壓坑減少，整體成形逐漸改善，從1號(hào)焊絲焊縫表面出現(xiàn)壓坑、成形性差、熔寬粗細(xì)不均勻變?yōu)?號(hào)焊絲焊縫表面波紋均勻，焊縫一致性好，經(jīng)氣槍吹后4種焊絲熔渣均能自動(dòng)脫落，僅在焊縫兩側(cè)邊緣有零星的熔渣。焊縫的實(shí)際覆蓋情況也呈逐漸變好的趨勢，其中4號(hào)焊絲覆蓋性最好（圖4a～4d）。綜合考慮焊絲的單道焊縫成形，熔渣含量15%和20%均能滿足使用要求。由于原始渣系配方為酸性渣系，其中含有較多的金紅石（TiO2），TiO2具有穩(wěn)弧、調(diào)整熔渣物理性能，改善焊縫成形的作用，因此隨著原始渣系含量增加，一方面增加熔渣酸性成分，提高了熔渣流動(dòng)性，工藝性能逐漸變好，另一方面過渡到焊縫的有益合金元素逐漸增加，如Al，Mn，Si，Ti[11-14]。在焊接過程中，這些合金元素起脫氧的作用，放出熱量，加快焊絲熔化，提高熔渣的流動(dòng)性，降低焊縫氣孔敏感性，使波紋細(xì)致，同時(shí)生成SiO2，TiO2提高渣的酸度和降低粘度。文獻(xiàn)[15]指出經(jīng)脫氧后生成的SiO2，在熔渣中形成綜合矩較小的陰離子，導(dǎo)致陰離子結(jié)構(gòu)復(fù)雜變化，這種體積變大的陰離子團(tuán)減小了對(duì)陽離子的靜電引力，陰離子團(tuán)與陽離子的結(jié)合力較弱，易被排擠到熔渣的表面層中，因而降低了熔渣的表面張力，增加了流動(dòng)性。

在此基礎(chǔ)上采用3號(hào)和4號(hào)焊絲對(duì)實(shí)體模具進(jìn)行電弧增材再制造修復(fù)（圖5）。結(jié)果表明，3號(hào)焊絲在模具電弧增材再制造過程中，熔渣能夠自動(dòng)脫落，實(shí)現(xiàn)焊后微渣，對(duì)后續(xù)多層多道焊基本無影響，能夠滿足電弧增材再制造技術(shù)對(duì)焊材的要求;而4號(hào)焊絲熔渣含量高，經(jīng)氣槍吹后仍有大量“黑渣”殘留在焊縫表面，焊后需進(jìn)行敲渣，否則會(huì)對(duì)后續(xù)多層多道造成影響，成為影響產(chǎn)品質(zhì)量的隱患。2.2 熔渣含量對(duì)焊接飛濺的影響

通過飛濺收集試驗(yàn)獲得了飛濺率隨藥芯焊絲中熔渣含量變化趨勢圖。

由圖6可知，隨著焊絲中熔渣含量增加，焊接飛濺逐漸減小，當(dāng)渣系含量為20%時(shí)，飛濺率最低僅為6.2%。這主要是因?yàn)樵荚到M分中含有大量的穩(wěn)弧劑如鉀長石等，因其含有大量電離電位較低的Na，K等元素，在電弧燃燒的過程中，容易發(fā)生電離，起到很好的穩(wěn)弧效果，同時(shí)基礎(chǔ)RMD535藥芯焊絲含有較多的金紅石（主要成分TiO2），其除了作為造渣劑的主要成分外，還起穩(wěn)弧的作用。但當(dāng)穩(wěn)弧劑含量增加到一定時(shí)，電弧已相對(duì)比較穩(wěn)定，保護(hù)效果也充分，繼續(xù)加穩(wěn)弧劑含量對(duì)電弧穩(wěn)定性的影響逐漸減弱，因此表現(xiàn)為焊接飛濺降低的幅度趨于平緩。

經(jīng)上述單道和實(shí)體模具修復(fù)過程中的焊縫成形、焊縫飛濺工藝性能分析，得出當(dāng)焊絲中渣系含量為15%時(shí)，焊絲具有最優(yōu)的工藝性能，電弧穩(wěn)定、焊接飛濺少、焊縫成形美觀，基本能實(shí)現(xiàn)焊后微渣，能夠滿足電弧增材再制造焊材的要求。

2.3 熔渣含量對(duì)堆焊層顯微組織的影響

在四種堆焊試樣表面鉆取金屬屑，通過SPECTRO直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析見表2。

隨著焊絲熔渣含量增加，熔敷金屬中的不同合金元素均有所增加，S，P等雜質(zhì)元素含量減少。在焊接冶金過程中，隨著焊絲中熔渣含量的增加，渣保護(hù)效果更加明顯，熔渣在熔滴反應(yīng)區(qū)能夠更好的包裹熔滴，保護(hù)熔滴的過渡，避免有益合金元素?zé)龘p;在熔池反應(yīng)區(qū)，足量的熔渣覆蓋熔池表面，一方面保護(hù)熔池減少元素?zé)龘p、氧化;另一方面起凈化熔池的作用，因此總體上提高焊絲熔渣含量，熔敷金屬中不同合金元素含量均呈現(xiàn)增加的趨勢。

考慮1號(hào)焊絲焊接工藝性能差及4號(hào)焊絲清渣困難，不符合微渣氣保護(hù)藥芯焊絲設(shè)計(jì)理念，因此在金屬試板上堆焊四層后僅制取2號(hào)和3號(hào)焊道蓋面的金相試樣（試樣經(jīng)磨制拋光后，用鹽酸苦味酸酒精溶液腐蝕），在Neophot21顯微鏡上進(jìn)行金相組織分析，如圖7所示。

圖中2號(hào)和3號(hào)熔敷金屬組織主要由針狀鐵素體（AF）和先共析鐵素體（PF）組成（側(cè)板條鐵素體和貝氏體組織比較細(xì)小，金相圖中無法辨識(shí)）（圖5）。對(duì)比2號(hào)焊絲（熔渣含量10%），3號(hào)焊絲（熔渣含量15%）組織中針狀鐵素體數(shù)量更多、尺寸更加細(xì)小，先共析鐵素體更少，說明一定含量的熔渣具有細(xì)化熔敷金屬組織的能力。

2.4 堆焊層力學(xué)性能

在金屬試板Q235上堆焊四層后分別制取焊道蓋面的試驗(yàn)試樣并進(jìn)行硬度和沖擊性能測試，如圖8所示。

由圖8可知，隨著熔渣含量增加，熔敷金屬硬度和沖擊性能均不斷增加，其中沖擊吸收能量增長幅度先增后降，在熔渣含量為15%時(shí)，硬度值為30.21 HRC，沖擊吸收能量為32.25 J。焊絲中熔渣含量增加使得焊絲的工藝性能得到提升，焊接反應(yīng)區(qū)保護(hù)效果加強(qiáng)，一方面焊接過程中不易產(chǎn)生氣孔等缺陷，改善了熔渣表面的物化性能，提升了焊縫整體性能;另一方面更多的有益合金元素過渡到熔敷金屬中，這些合金元素顯著地提高碳當(dāng)量，而碳當(dāng)量的大小與硬度值緊密相關(guān)。但是當(dāng)熔渣含量增加一定程度時(shí)，其熔敷金屬硬度變化不明顯，這主要是因?yàn)檫^多的熔渣對(duì)合金元素的保護(hù)作用趨近于飽和，過渡到熔敷金屬中的合金元素已不明顯增加，因此其硬度變化幅度先增加后逐漸降低。綜上所述，當(dāng)焊絲中渣系含量為15%時(shí)，焊絲工藝性能優(yōu)良，基本能實(shí)現(xiàn)焊后微渣，滿足電弧增材再制造技術(shù)對(duì)焊材需求，同時(shí)兼?zhèn)鋬?yōu)良的力學(xué)性能，硬度為30.21 HRC，沖擊吸收能量為32.25 J。

3 結(jié)論

文中針對(duì)模具電弧增材再制造需求，開展了熔渣含量對(duì)氣體保護(hù)藥芯焊絲保護(hù)效果、堆焊層組織和性能影響規(guī)律的研究，研制了一種模具電弧增材再制造專用微渣藥芯焊絲，得出如下結(jié)論：

（1）隨著熔渣含量增加（低于 15%），藥芯焊絲的工藝性能逐漸變好，飛濺減少、焊縫成形更美觀，焊后基本能實(shí)現(xiàn)微渣;當(dāng)熔渣含量超過 15%，氣保護(hù)藥芯焊絲的工藝性能和力學(xué)性能雖然仍存在一定程度的改善和提高，但在實(shí)體模具電弧增材再制造過程中焊縫表面出現(xiàn)大面積的黑渣，不利于微渣的實(shí)現(xiàn);而熔渣含量為 15% 時(shí)，氣保護(hù)藥芯焊絲的工藝性能良好，飛濺少、焊縫成形美觀，焊后熔渣自動(dòng)脫落，基本能滿足電弧增材再制造焊材的要求。

（2）隨著熔渣含量增加，熔敷金屬組織更加細(xì)化，硬度和韌性值均不斷增加，但增加幅度先增后減少且當(dāng)熔渣含量為 15% 時(shí)，該堆焊層組織由針狀鐵素體、少量的先共析鐵素體組成，熔敷金屬硬度值為 29.1 HRC、沖擊吸收能量為 31.6 J。

（3）在合金含量有限的條件下，渣系含量一方面保護(hù)焊接過程，另一方面對(duì)針狀鐵素體的形成造成影響，進(jìn)而影響堆焊層力學(xué)性能。隨著熔渣含量增加，更多有益合金元素（Al， Mn， Ti等）過渡到堆焊層中，抑制先共析鐵素體析出促進(jìn)針狀鐵素體形成，進(jìn)而提高了熔敷金屬的力學(xué)性能。

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