謝衛(wèi)平， 王歡， 陳紀(jì)城， 劉仁培， 魏艷紅

(南京航空航天大學(xué)，江蘇 南京 211106)

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(guò)程中過(guò)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(guò)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(guò)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(guò)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(wèn)題。針對(duì)此類問(wèn)題，國(guó)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(guò)調(diào)整氣藥芯焊絲熔渣含量提高性能的研究較少。 國(guó)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(guò)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(guó)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?cè)到M分配比，僅改變藥芯中熔渣含量的前提下，通過(guò)大量工藝試驗(yàn)結(jié)合光學(xué)顯微鏡、SEM、力學(xué)性能等測(cè)試方法優(yōu)化RMD535藥芯焊絲中熔渣含量，為進(jìn)一步開(kāi)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(guò)程中存在一部分合金元素參與保護(hù)過(guò)程，因此采用氣—渣—合金元素聯(lián)合保護(hù)模式，通過(guò)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(guó)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(jiàn)表1。

表1 RMD535焊絲渣系成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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(guò)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。

圖1 電弧增材再制造成形設(shè)備

圖2 堆焊示意圖

試驗(yàn)采用水槽收集法來(lái)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(guò)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(guò)公式f=m3/(m2-m1)計(jì)算焊接飛濺率。

圖3 焊接飛濺收集裝置示意圖

在堆焊層表面鉆取金屬屑，通過(guò)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(cè)量堆焊層硬度，測(cè)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(cè)定焊縫金屬?zèng)_擊吸收能量，分別測(cè)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。

圖4 不同熔渣含量單道焊縫成形

圖5 不同熔渣含量電弧增材再制造實(shí)體成形

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(shì)，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(guò)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(guò)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(yáng)離子的靜電引力，陰離子團(tuán)與陽(yáng)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(guò)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(wú)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(guò)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(shì)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(zhǎng)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(guò)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。

圖6 熔渣含量對(duì)焊接飛濺的影響

經(jīng)上述單道和實(shí)體模具修復(fù)過(guò)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(guò)SPECTRO直讀光譜儀進(jìn)行化學(xué)成分分析見(jiàn)表2。

表2 堆焊熔敷金屬中的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)，%)

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(guò)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(guò)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(shì)。

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7 金相組織

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(wú)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(shuō)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(cè)試，如圖8所示。

圖8 熔渣含量對(duì)熔敷金屬性能的影響

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(zhǎng)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(guò)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(guò)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^(guò)多的熔渣對(duì)合金元素的保護(hù)作用趨近于飽和，過(guò)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(kāi)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(guò) 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(guò)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(guò)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(guò)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。