金属粉芯管丝焊条制造工艺的改进

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摘要：金属粉芯管丝焊条是一种常见的焊接材料，其性能与包裹在其中的粉末的性能关系密切。本文针对生产中遇到的影响金属粉芯管丝焊条焊接质量的粉末氧含量高和粉末偏析的问题，介绍了一种采用密封式水雾化法，制作中间合金粉材料来取代目前普遍采用的机械混粉法制作的粉末材料的方法。用密封式水雾化方法制作的中间合金粉末的氧含量低，粒度分布合理，用它制作的金属粉芯管丝焊条的质量有了明显的提高，很好地解决了粉末氧含量高和粉末偏析的问题。

1.前言
    金属粉芯管丝焊条，在工业上得到广泛应用。它具有生产效率高，其堆焊的涂敷率可达到每小时八至十公斤，手工堆焊约为每小时一至三公斤，气焊约为每小时一至四公斤。金属粉芯管丝焊条的合金成份调整容易，能适应中、小批量的生产，方便灵活，成本也低。与热喷涂工艺相比，金属粉芯管丝堆焊的涂层厚度不受限制，其结合强度与电焊相仿。而且其材料的利用率高达百分之九十七，远高于一般手工电焊条堆焊的百分之五十五至六十五的水平。金属粉芯管丝焊条制造简便，能制造出实芯堆焊丝不能制造的高合金、高硬度焊材。目前国内外已有用于低碳钢、高速钢二氧化碳气体保护焊的金属粉芯管丝焊条及用于轧辊、破碎机埋弧焊的金属粉芯管丝焊条，对这些金属粉芯管丝焊条的熔敷金属的化学成分及力学性能均无特别高的要求 ，所以近年来应用的范围在不断扩大。
2.金属粉芯管丝焊条的制作工艺及存在的问题
    金属粉芯管丝焊条通常采用钢带卷制成焊管，定径后通过震动加粉，将所需的预先配制好的粉末添加到焊管中，再经轧制、退火，校直、切断，最后包装入库。 金属粉芯管丝焊条的性能，是由包覆在焊管中的粉末决定的。早期的金属粉芯管丝焊条，因为用户的要求不高，采用将各种粉末简单地混在一起，就可制作出能满足需的焊条了。现在情况发生了变化，用户的要求越来越高，所以迫使生产者寻找和采纳新的生产工艺。 金属粉芯管丝焊条，由于其用途不同，选用的粉芯材料的成分也各异，材料的粒度大小和粘稠度也不一样。不同种类的金属粉芯管丝焊条，其单位长度内粉芯材料的需要量不同，粉芯材料的颗粒大小和粘稠度也不一至。在金属粉芯管丝焊条的制作中，有二个问题对焊接的质量有着很大的影响，一个是粉末在焊条中的偏析问题，另一个是加入的金属粉末的含氧量较高对焊缝质量的不利影响的问题。产生这些问题的原因是，现有的金属粉芯管丝焊条生产厂家，大多采用的机械混粉法，按照焊条所需要的成份，将不同的粉末称量好后，放在混粉机中混合后制作金属粉芯管丝焊条。在混合相当均匀的理想的状态下，管丝内的粉末的成份，以粉末颗粒大小的间隔发生着变化，当粉末间的比重相差很大时，就会发生粉末偏析而无法达到理想的混合状态，结果是有的微区中某一成份的粉末的数量高于设定值，有的则无法达到设定值，焊接时焊缝的成份因此而发生变化，无法达到整条焊缝的成份均匀一致，影响了焊缝的质量。
3.制作工艺的改进
    下面是几种金属粉芯管丝焊条的成份范围，钢带为H08A，焊丝填充量为 0.5-0.56 其粉芯的成份变化范围为：
配比一：粒状钨钴合金 50-60 铁 30-45 碳 0.15-0.2 铬2.8-3.2 镍 1.2-1.6 锰 0.6-0.8 硅 0.1-0.25 硼 0.15-0.2 余为铁粉
配比二： 银片石墨 0.5-3 硼铁
5-10
中碳锰铁 6-10
镍粉
3-8
铝粉
1-3
钼铁
8-14
钒钒铁 10-15
钛铁
10-15
钛铁
5-10 高碳铬铁
10-15 余为还原铁粉
配比三厂：镍39-78 钴 0-26
铌
0-2.65
钼
0-18
钛
0.2-6
铝0.03-3.5
稀土 0-2
硼
0.02-0.5
锆
0-0.5
铜0.01-0.5
余为铁粉  
    为了获得理想的金相组织和优异的机械性能，在制作金属粉芯管丝焊条时，往往加入各种合金元素。在上面的例子中，就有比重较小的铝粉、硼粉、比重很大的钨钴合金，以及镍、铬、钼等，由于加入的粉末的比重各不相同，有时相差还很大，而且粒度也不一致，所以在混合的过程中，往往无法将粉末混合均匀，那些比重大的粉例如钨粉，易沉积在筒体的下部，一些比重小的粉则会浮在粉体的上部。经过混粉，粗看粉末混合的很好，其实如果在粉体的不同部位抽取粉样进行检测分析的话，可以明显看出粉末的混合是不均匀的。除了在混粉时不易将粉混合均匀，混合好以后的粉在放置和运输的过程中，粉体也会因为受到震动产生偏析。最后，在灌粉拉丝封装时，偏析的影响仍然存在。当采用这种方式混制的粉制作成金属粉芯管丝焊条后，由于粉末偏析，焊缝的成份会在一定的范围内波动，影响焊接的质量。针对这一问题，有的厂家采取了一定的措失对配粉这道工序进行改进，他们采用水雾化法将要加入的粉末制作成中间合金粉末，尽量减小粉末间的比重差，并控制加入时的粉末的粒度分布，通过预先将要加入到金属粉芯管丝焊条中的粉末做成中间合金粉末，有效地解决了粉末因为比重不同造成的偏析问题。但除了偏析问题外，粉末还有一个松装比的问题，当加入金属粉芯管丝焊条中的金属粉末制作成了中间合金粉末以后，粉末的粒度的分布情况不一样了，松装比也改变了，从生产工艺来讲，这样势必影响到金属粉芯管丝焊条的填充率，为此，对中间合金粉末再进行处理，通过处理来改变粉末的粒度的分布，从而改变金属粉末的松装比。改变中间合金松装比的方法是很多的，常用的一种方法是采用球磨的方法，它是将粉体置于球磨机中球磨，经过球磨，一些原来聚合在一起的粉体被分散开来，有的则破裂成更小的粉末粒子，通过球磨，可接近预定的松装比。
    金属粉芯管丝焊条中所用到的金属粉末，有的在熔炼雾化时是很容易氧化的，例如金属铬、金属钼等，当将氧含量高的金属粉置于金属粉芯管丝焊条中作为芯粉的话，对焊缝的质量的影响是不利的。为了抵消金属粉芯管丝焊条中粉末氧含量高带来的负面影响，相应地要加入一些脱氧剂，增加焊接时的脱氧造渣的功能，如果不采取这一措施，就要在中间合金粉末的制作方法上动脑筋了。
    众所周知，采用水雾化方法制作金属粉末，在我国已有很长的时间了，该工艺是一种成熟的工艺，国内采用该工艺制作金属粉末的企业很多。水雾化法分为畅开式和密封式。畅开式的雾化设备制作简单，投资小，金属熔炉、高压水泵加上雾化装置就是它的基本配置 。它适用于制作那些对金属粉末的氧含量要求不高的金属粉，如硅铁粉、用于制作铜金粉(俗称金粉)原料粉的铜合金粉末，和那些不易氧化的金属粉，如镍基热喷涂用合金粉。对于那些易氧化，或对金属粉末的氧含量有一定的要求的金属粉末，只有采用密封式的水雾化的方法来制作才行。如不锈钢粉，用于热喷涂的钴基合金粉末等。


无论是采用畅开式还是密封式的雾化装置，水雾化法制作金属粉末的工艺都是差不多的，其工艺流程如下：
    首先按合金粉末的成份要求，配制好原材料，启动熔炼炉，将配制好的原材料在熔炼炉中熔化，并在雾化之前造渣和脱氧，雾化前金属液静置五分钟，让液体中的气体能逸出，随后开始雾化。为了增加细粉的数量，金属液可过热一百至一百五十度，并适当提高雾化的压力。金属粉末中细粉的数量与雾化时采用的水的压力，金属液的过热度，金属液本身的表面张力，金属液流的直径以及雾化喷嘴的几何尺寸有关。
   雾化时，金属液首先被倒入中间包，中间包位于雾化装置的顶部，包的底部开有小孔，孔内安装有耐热的漏嘴，用于控制金属液流的大小。在中间包的下面，是雾化喷嘴，喷嘴上一般开有一圈小孔，雾化时小孔中有高压水喷出，与经漏嘴来的金属液相遇，交换能量，结果金属液被迅速雾化成小液滴，并凝结成细小的金属粉末。
    在雾化的过程中，金属液的表面积迅速增大了成千上万倍，新增的表面积的表面活性非常高，与周围环境中的氧等的反应趋势加强，如果在雾化时，采用的是畅开式的雾化方式，要雾化的金属液如果又是易氧化的，则制得的金属粉末一般均会氧化变色。为防止易氧化的金属在雾化时氧化，一个简单易行的办法是，在雾化时，隔绝大气与液态雾化金属的接触，让雾化在无氧或少氧的环境中进行。实现这一方法的水雾化设备称为密封式水雾化装置。
    密封式水雾化装置，主要是在雾化主体设备上采用了一些特殊的技术措施，使得雾化时，雾化装置内的气体中的氧含量很少，基本处于无氧或低真空的状态，这就确保了雾化时，金属液不会受到雾化环境中氧的影响，用这种设备制作出来的金属粉末，其氧的含量相当低。例如，不锈钢粉是一种易于氧化的合金粉末，被应用于粉末冶金、注射成型、高温有机物的过滤等，如果采用畅开式制作的话，得到的是表面发黄或黑色的金属粉，而采用密封式生产的不锈钢粉，表面呈银白色光泽，氧含量很低。
通过采用密封式水雾化制粉装置制作中间合金粉末，某厂的金属粉芯管丝焊条在生产中所遇到的两个问题得到了很好的解决，所生产的金属粉芯管丝焊条的质量比以前有了很大的提高，受到了用户的好评。

[ 本帖最后由 dfangman 于 2008-7-20 11:22 编辑 ]