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一种最经济又流行的获得高级合金的方法......

2019-03-04 10:46   森昂机电

    一种最经济又流行的获得高级合金的方法......
    01
    一、概述
    在许多工业应用中,工程师们寻找一种即能承受力学载荷,又可抗磨损或耐腐蚀的材料,实际上仅一种材料不能满足所有要求,而需要采用两种甚至更多种材料。这个原理适用的例子很多,如纤维加固塑料,感光胶片等。在化学反应容器的材料选择中,容器必须能承受压力,同时又不能被内部接触的介质腐蚀等;不锈钢可以满足以上要求,但使用不锈钢制作整个容器显然成本太高。因此,选择价格便宜的低合金钢用来承受容器内部的压力,同时较薄的一层不锈钢合金用来抵抗内部介质的腐蚀。
    一种最经济及流行的运用更高级合金的方法是带极堆焊。将焊带(典型60mm带宽)堆焊到母材上。通过这种方式,焊带与母材一块熔融。两种材料混合凝固在一起,最终获得了一个性能均匀的与母材有良好结合的堆焊层。
    到目前为止,带极堆焊有两种焊接方法可以进行:埋弧焊(SAW)及电渣焊(ESW)。
    02
    二、带极堆焊的回顾
    1.带极与丝极的比较
    带极堆焊的原理与丝极堆焊基本相同。最主要的区别在于使用宽带极取代了丝极。同时,增加一套带极堆焊机头,机头通过拓宽导电嘴宽度来保证连续的焊带进给并提供有效的工作电流。
    带极相对丝极的主要的优势可以归纳为:
    •非常均匀的焊道熔深
    •更低的母材稀释率水平,允许以更少的堆焊层达到化学成分及性能要求
    •更高的熔敷效率,意味着更高的生产率
    •均匀的熔敷金属的化学成分
    •因为堆焊层没有集中的凝固线,所以堆焊层具有更小的裂纹敏感性
    •非常平滑的堆焊层表面,可减少堆焊焊道数量及搭接数量
    •高的可重复生产力
    当准备将丝极转换成带极时,其它的关键点也必须考虑进去:
    •将丝极转换成带极所需要的低的投资成本
    •采用带极也可以堆焊非常广泛的合金金属类型
    •将丝极的焊工转换为带极堆焊焊工所需的培训非常之少
    带极相对丝极,较少的一些不足如下:
    •更高的焊接热输入
    •工件的尺寸有限制(母材的厚度限制或者母材的内径要求)
    •要求增加电源容量(更高的电流)。然而,如果仅仅焊接10mm,20mm或30mm带宽的焊带时可能就没有此要求。
    现在,大部分上诉的不足已经不再是障碍。
    2.埋弧带极堆焊与电渣带极堆焊的比较
    图1为埋弧带极堆焊原理图:焊带通过电弧进给到熔池中,电弧所产生的热用来熔融焊带、焊剂及母材。数控等离子切割机在熔池上方熔融的焊剂形成一个保护渣壳。图2为电渣带极堆焊原理图,非常类似于埋弧带极堆焊。但不需要电弧,焊带就进给到熔池中。而且,焊剂也形成了保护渣壳。与埋弧带极堆焊的渣壳不同,电渣带极堆焊的渣壳在液态时是可导电的。凝固状的渣壳焦耳效应提供该焊接方法所必需的热量。而仅当电渣带极堆焊起始时,电弧会出现。因为只要产生了足够的具备电导性的渣壳,同时渣壳的电阻比电弧的电阻更小,那么电弧就会消失。在电渣带极堆焊中,焊剂仅仅供给在焊带的前方。在焊带的后面,可以看见敞开熔池,并可看见红外线。电渣带极堆焊的基本原理可以归纳如下:
    •特殊焊剂
    •单侧焊剂供给
    •没有电弧,没有紫外线产生
    •敞开式焊接熔池允许焊道排出杂质、气体
    •相对埋弧焊,更低的焊道熔深及更小的母材稀释率水平
    •在连续的焊接热输入情况下,电渣焊的熔敷效率几乎两倍于埋弧焊
    •相对埋弧焊,更低的焊剂消耗
    表1为埋弧带极堆焊与电渣带极堆焊的比较。其中可以很明显地看到电渣带极堆焊的电流比埋弧焊的要高很多。因此,由电磁力(劳伦力)所带来的电磁负面影响也要多很多。这样一来,推荐采用苏铎铠公司开发的磁控装置(见图3),这套磁控装置可以尽量抵消堆焊行进过程中自动产生的电磁场从而改善焊道外观成型及搭接处质量。
    于电渣带极堆焊采用较高的电流,因此所产生的电磁力(劳伦力)不能被忽略,该力会影响焊道的成型并会导致焊道边界出现咬边(见图4)。磁控装置可以产生相同性质但方向相反的磁场,这样的话可以尽量抵消电磁力所带来的不利影响。
    3.带极堆焊的工艺参数
    (1)焊接电流和电流密度为获取最佳的操作工艺性能,埋弧带极堆焊及电渣带极堆焊均采用直流反接(DCEP)的电流极性。如采用直流正接,将导致更浅的熔深及更厚的堆焊层,则提升在焊道搭接处出现焊接缺陷的风险。同时,直流正接极性将导致更高的飞溅从而影响熔合。
    对于埋弧带极堆焊,标准的电流密度(每个焊带单位上的电流通量)应为20~25A/mm2,同时对于电渣带极堆焊,标准的电流密度应该为40~45A/mm2。对于埋弧带极堆焊及电渣带极堆焊时采用60mm带宽焊带情况下,标准的工作电流分别为750A及1250A。必须指出的是电流密度和焊接电流是两个相对独立的参数。如其它工艺参数保持不变,为保证连续的焊道,数控等离子切割机采用大电流时必须采用高速焊。显然这个高速也不是没有极限,因为太高的电流和焊接速度会增加稀释率和飞溅水平。同时也会影响焊道的成型。对于60mm带宽焊带,极限电流为2000A,极限电流密度为67A/mm2。
    (2)工作电压对于埋弧带极堆焊和电渣带极堆焊来说,很重要的一点是要保证尽可能连续的电压,一般来说:允许最大的电压波动为±1V。电压的合理选择取决于带极堆焊中所采用的焊剂。过高的电压将导致突然的飞溅及不稳定的熔合。同时过低的电压将增加短路的风险,而短路的话焊带将连在母材上。非常关键的一点是工作电压应为在机头导电嘴与工件间的实测值,因为伏特表上所显示的数值可能没有考虑到电缆线上的电压损失。
    (3)堆焊速度堆焊速度和焊接电流同时发生作用,这个参数对堆焊层的尺寸,熔深,稀释率及焊接热输入都有相当关键的影响。对于电渣带极堆焊,焊接速度介于15~25cm/min之间,同时采用普通的电流密度(40A/mm2),不采用更进一步的特定的焊接工艺来矫正,这个焊接参数可以堆出3~5.5mm厚的焊道,因此可以运用到电渣带极堆焊工业应用中。当堆焊层低于3mm时,稀释率的水平将显著增加,同时焊道成型将变差,还可能出现咬边并增加飞溅。而当堆焊层厚度高于5.5mm时,将很难在搭接处保证良好的熔合并更难脱渣。
    (4)焊接热输入在计算焊接热输入时,涉及三个通常的焊接参数。对于带极堆焊工艺,计算焊接热输入的公式有一个微小的修正。因为相对带极堆焊焊接热输入扩展到更宽的表面上,因此增补了一个修正因素到分母中,即熔敷焊道的宽度。修正后的公式如下:
    带极堆焊计算焊接热输入的修正公式可以与其他堆焊方法比较。例如,表2中显示了丝极与带极的比较。对于电渣带极堆焊焊接方法,考虑到开放的熔池,表面热辐射会损失一些热输入,则实际的焊接热输入比上述公司计算后显示的要小一些。
    (5)干伸长度干伸长度表示导电嘴与焊带端部之间的长度。埋弧带极堆焊的干伸长度一般介于20~35mm之间,同时电渣带极堆焊的干伸长度介于25mm到40mm之间。一般这个因素的影响比较小:即增加干伸长度时,稀释率会轻微下降,同时熔敷效率会轻微增加。表3显示了干伸长度与埋弧带极堆焊和电渣带极堆焊的关系。在工业应用中,为避免虚焊及未熔合建议保证最低5~6%的稀释率。
    (6)焊剂覆盖厚度典型情况下,焊剂覆盖厚度比带极的干伸长度要高大约5mm。在埋弧带极堆焊过程中,如果焊剂覆盖厚度过低,电弧会变得不稳定同时飞溅情况增加。如果焊剂覆盖厚度过高,焊剂会压在熔池上,给焊道留下印记,同时会增加焊剂消耗量,并抑制了熔池排气从而导致气孔产生。
    (7)焊接位置焊接位置上所允许变动的空间很小,因为焊接位置对于稀释率水平及焊道的尺寸起着相当关键的影响。另外尽管允许最大不超过3°坡度的向上和向下堆焊,但平焊无疑还是最好的位置选择。当对一个有弧形的表面进行带极堆焊时,如图5所示:必须保证熔池在弧形的中间。因此,焊带必须安装在离弧形的中轴线相隔一段距离的位置上,这个距离一般称为中心距离。
    到目前为止,已可以对外径超过100mm的辊子外部进行带极堆焊。当然为了这个特殊运用对焊接方法以及焊带尺寸等其他要素都会有要求。如果不能进行横向带极堆焊的话,可以纵向堆焊,不过从经济的角度来看,纵向带极堆焊由于不能连续堆,生产率肯定要低很多。对于筒体内部的带极堆焊应用,所能允许堆焊筒体的最小的的内径取决于您采用的机头型号。到目前为止,内径超过220mm都可以采用带极来堆焊内壁。详见表4,里面有三种机头所能堆焊的最小内径尺寸。而苏铎铠公司目前正在研发一种可以在内径分别为100mm及150mm的圆筒内堆焊的机头。

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