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CN107771111A - 混合电渣熔覆 - Google Patents

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CN107771111A CN201580081120.1A CN201580081120A CN107771111A CN 107771111 A CN107771111 A CN 107771111A CN 201580081120 A CN201580081120 A CN 201580081120A CN 107771111 A CN107771111 A CN 107771111A
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Abstract

本发明涉及一种混合电渣熔覆方法，包括：提供有待熔覆的工件(6)；将带状电极(4)引导到所述工件(6)的表面上；使用电渣熔覆将所述带状电极(4)熔覆到所述工件(6)的所述表面上；将用于控制熔覆层的化学组分的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)引导到所述带状电极(4)的熔池(9)中。本发明进一步涉及混合电渣熔覆系统和焊丝。

Description

混合电渣熔覆
技术领域
本发明涉及电渣熔覆。更具体地，本发明涉及混合电渣熔覆系统、方法和耗材。再更特别地，本发明涉及分别根据权利要求1、8和13的前序部分的混合电渣熔覆方法、金属芯混合电渣熔覆焊丝和混合电渣熔覆系统，并且涉及所述金属芯混合电渣熔覆焊丝的使用。
现有技术
熔覆是一种完善的覆层焊接技术，其在金属装置的表面上提供一层合金钢，尤其用于磨损和腐蚀保护。例如，压力容器在高压和高温下暴露于腐蚀性介质，并且通常需要熔覆层。应用保护性熔覆层的其他示例性装置包括反应器、热交换器和分离器。
熔覆层必须满足特定的要求，这取决于所述装置的预期用途。典型地，沉积的堆焊层的等级是由设计所述装置的工程公司来规定的。一些实例是：镍基合金400、600、625、825等，以及不锈钢SS 308L、316L、317L、347、双相不锈钢、超级双相不锈钢等。等级要求不同；例如，当在碳钢或低合金钢中熔覆镍基合金625时，低Fe含量<5wt％是主要要求，并且当在碳钢或低合金钢上例如熔覆不锈钢SS347时，根据应用而需要不同的不锈钢化学成分。
实际上，达到所需的等级和化学成分是具有挑战性的，因为将会发生典型的非合金的或低合金的基础金属稀释所沉积的合金材料。这使其目前价格昂贵或有时甚至不可能以快速过程提供所需的化学成分。
当前现有技术包括许多熔覆技术。
埋弧带极熔覆工艺使用电弧，并且通常需要几层来达到特定的要求，例如参见“连铸辊的埋弧带极熔覆(Submerged-arc strip cladding of continuous castingrollers)[...]”，Svetsaren，第1期，2001，第17至19页。
电渣工艺已经采用带状电极和药芯焊丝(“电渣工艺的改进打开了表面堆焊的可能性[Modification of the electroslag process opens up possibilities withregard to weld surfacing]”，焊接与切割杂志[Welding and Cutting]5(2006)第4期，第215-220页)，然而，是为了耐磨堆焊，而不是为了耐腐蚀熔覆的目的，并且耐磨堆焊层中的化学组分与典型的用于耐腐蚀熔覆的堆焊层的等级不相容。耐磨堆焊是用于机械耐磨的硬化表面材料堆焊层的方法。这主要用于水泥、采矿和钢铁行业。
存在其他工艺，然而，所有已知的工艺都未能提供可靠地满足了典型的堆焊层等级要求和/或所希望的不锈钢化学成分的快速且优选的单道次熔覆层沉积。
发明内容
因此，本发明的目的是提供允许在所希望的熔覆层化学成分方面满足高堆焊层等级的单层熔覆层快速沉积的一种混合电渣熔覆方法、一种金属芯混合电渣熔覆焊丝、所述金属芯混合电渣熔覆焊丝的一种用途以及一种混合电渣熔覆系统。
此目的是分别根据权利要求1、8、12和13的特征来解决的。
因此，本发明提供了混合电渣熔覆，即具有带状电极和合金金属芯焊丝两者的无弧熔覆，其允许非常快速的(典型地>27cm/min)熔覆优选的具有所希望的厚度(典型地是4.5-5.5mm)的单层熔覆层，并且符合典型的堆焊层等级化学要求(例如，对于镍基合金625，Fe<5wt％)。
本发明提供了一种混合电渣熔覆方法，包括：提供有待熔覆的工件；将带状电极引导到所述工件的表面上；使用电渣熔覆将所述带状电极熔覆到所述工件的所述表面上；并且将用于控制熔覆层的化学组分的金属芯混合熔覆焊丝引导到所述带状电极的熔池中。
在无弧熔覆工艺中使用金属芯焊丝允许精确控制熔覆化学成分，具有快速的熔覆速度，约为25cm/min，优选在其之上，更优选地对于镍合金约为27cm/min、对于不锈钢合金约为33cm/min，其熔覆层厚度约为5mm，优选地在4.5mm与5.5mm之间的范围内。
当熔覆镍基工件时，可以选择带状电极和金属芯混合电渣熔覆焊丝两者来控制熔覆层的化学组分。
当熔覆不锈钢基工件时，本发明允许对于不同的钢级使用相同的熔覆带材，并且只需要根据所希望的熔覆层化学成分来改变金属芯混合电渣熔覆焊丝。
对于镍和不锈钢两者，只有一种焊剂可以用于所有不锈钢等级，并且只有一种焊剂可以用于所有镍合金等级。
因此，本发明的方法不仅提供精确控制熔覆层化学成分的快速熔覆，而且通过减少需要提供的不同耗材的数量而额外使复杂性最小化。
熔覆参数可以由控制器来控制，优选为可编程逻辑控制器(PLC)，具有可靠的过程稳定性。现有技术的熔覆技术通常不使用这类控制器。控制器可以连接至传感器并且控制以下参数中的至少一个参数：金属芯混合电渣熔覆焊丝的伸出长度，带状电极的给送速度，金属芯混合电渣熔覆焊丝的给送速度。
使用可编程逻辑控制器允许对熔覆层化学成分进行非常精确的控制。因此，作为示例，本发明提供的是，如果检测到带状电极的给送速度的变化，则自动改变金属芯混合电渣熔覆焊丝的给送速度。例如，如果带状电极的给送暂时减慢，则控制器将自动减慢金属芯混合电渣熔覆焊丝的给送速度，以确保在整个过程中具有相同的化学组分。因此，控制器的创造性使用的结果是如所选择的精确的带材和金属芯焊丝的沉积比率，并且确保最终熔覆层化学成分的均一性和均匀性。
控制器的使用进一步确保了对Strike Start(开始伸出)、和/或Welding Crater(焊接熔坑)和/或其Slope(坡度)条件的预选焊接参数的精确控制。也可以通过控制器来提供电子伸出控制。
优选地对金属芯混合熔覆焊丝进行加热，以便控制沉积速率。加热控制优选地使用控制器来实现。
更具体地，在镍基方面，本发明提供了一种金属芯混合熔覆焊丝，其具有Ni-Cr镍基护套以及所述Ni-Cr镍基护套内的金属粉末焊剂，其中，如下文表格中所指出的，焊丝具有焊丝625、焊丝600、焊丝825或焊丝400的组分。
在不锈钢底座方面，本发明提供了不锈钢基护套以及所述不锈钢基护套内的金属粉末焊剂，其中，如下文表格中所指出的，所述焊丝具有焊丝308L、焊丝347、焊丝316L或焊丝317L的组分。
所述元素或所有元素中的至少一种元素的上限可以比相应表格中规定的值低5％、10％或20％。所述元素或所有元素中的至少一种元素的下限可以比相应表格中规定的值高5％、10％或20％。
金属芯混合熔覆焊丝被用于与带状电极一起进行碳/低合金黑钢的电渣熔覆，并且优选地是电渣粉末焊剂。在本发明的不锈钢方面，带状电极和焊剂可以具有普通组分，因为熔覆层的化学成分是由焊丝来控制的。不需要为特定工艺、基材或所希望的堆焊层等级提供不同的带状电极或焊剂。
本发明进一步提供了一种熔覆系统，所述熔覆系统包括熔覆头和熔覆电源，所述熔覆头将带状电极引导到有待用带状电极熔覆的工件的表面上，所述熔覆电源为带状电极提供电力以用于无弧沉积到工件的表面上，所述熔覆头将金属芯混合熔覆焊丝引导到带状电极的熔池中，所述系统进一步优选地包括用于在带状电极上沉积焊剂的焊剂给送器。熔覆系统是混合型的，这是在于它将金属芯混合熔覆焊丝沉积到带状电极的熔池中以用于控制熔覆层的化学成分。
熔覆系统可以包括用于加热所述金属芯混合电渣熔覆焊丝的热丝电源和/或控制器，所述控制器优选地是可编程逻辑控制器，用于控制以下参数中的至少一个参数：根据所希望的沉积速率控制金属芯混合电渣熔覆焊丝的热量，所述带材和/或所述金属芯混合电渣熔覆焊丝的伸出长度，所述带状电极的给送速度，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝的给送速度。
优选地，熔覆系统包括用于对金属芯混合熔覆焊丝进行加热的热丝电源、以及用于根据所希望的沉积速率控制金属芯混合熔覆焊丝的热量的控制器。
熔覆系统可以额外包括与带状电极相邻的磁体转向装置，所述磁体转向装置用于使熔池磁性转向。
带状电极和/或金属芯混合电渣熔覆焊丝与工件的表面之间的角度可以是可调整的。
所述熔覆头将两个、三个或更多个邻近的金属芯混合熔覆焊丝引导到所述熔池中。焊丝优选地是完全相同的或者至少是直径相等的并且间隔开使得它们覆盖带状电极的宽度。
在随后的说明书、附图和权利要求书中给出了本发明的另外的特征和实施例。
附图说明
图1展示了混合熔覆系统。
图2以(a)3D视图、(b)左视图、(c)正视图、(d)右视图、(e)后视图和(f)图2(a)的圈出区域的放大细节示出了熔覆头。
图3(a)、(b)、(c)以沿着图1的箭头11A的视图示出了具有一根、两根和四根金属芯混合熔覆焊丝的实施例。
具体实施方式
更详细地讨论了本发明的系统、方法和焊丝的实施例。
系统
图1展示了熔覆系统1，所述熔覆系统具有焊剂给送器2和熔覆头3，所述熔覆头将由熔覆电源5供电的带状电极4引导到工件6的表面上、并且将由热丝电源8加热的金属芯混合熔覆焊丝7引导到带状电极4的熔池9中。
通过无弧电渣工艺将被焊剂10覆盖的带状电极4沉积到工件6的表面上而用于对工件6进行熔覆，同时熔覆头3沿着工件6沿箭头11的方向移动。带状电极4和工件6的表面两者都熔化并形成熔池9，所述熔池在一段时间之后凝固。在凝固之前，将金属芯混合熔覆焊丝7给送到熔池9中。焊丝7熔化并与熔池9混合，从而控制所得到的熔覆层12的化学组分。
优选地提供了控制器13，所述控制器用于根据所希望的沉积速率控制金属芯混合熔覆焊丝7的热量、熔覆头3的移动以及熔覆电源5。控制器13可以通过电线连接经由网络和/或无线地连接至电源5、8和焊头3以及带材和焊丝给送器(未描绘出)。
焊剂供给器2优选地附接至熔覆头3并且填充有用于电渣熔覆的焊剂，参见示出了具有两个金属芯混合熔覆焊丝7的实施例的图2。
在优选实施例中，熔覆头3被适配成将带状电极4大致竖直地引导到工件6的表面上，具体地参见图2(d)，并且将金属芯混合熔覆焊丝7在箭头11运动的下游引导到熔池中。
可以提供磁性转向装置14来用于使熔池磁性转向，所述磁性转向装置在此包括与带状电极4的各侧相邻的两个转向磁体15。这样允许精确控制熔池，具体地是宽度。
可以在熔覆头上提供机构16来用于调整带状电极4、金属芯混合熔覆焊丝7和/或工件6的表面之间的角度，具体地参见图2(d)。
带材焊丝给送器17和金属芯混合熔覆焊丝给送器18优选地附接在熔覆头上或提供在熔覆头附近。
焊丝7优选地定位在带状电极的中心，参见图3(a)。可以使用多于一根的焊丝7，参见图3(b)、3(c)。如果使用更多的焊丝7，则它们优选地是完全相同的。然而，它们可以具有不同的组分和/或直径。理想地，焊丝7在带状电极4的整个宽度上等间距地间隔开，以便确保熔覆层12的均匀组成，然而，它们也可以按不同的距离间隔开，例如，靠近边缘，参见图3(c)，或者如图2(c)所示的是居中的。
焊丝
在本发明的基于不锈钢的方面，使用以下金属芯混合电渣熔覆焊丝(所有数字均为wt％，bal＝余量)：
焊丝308L
焊丝347
焊丝316L
焊丝317L
在本发明的基于镍的方面，使用以下金属芯混合电渣熔覆焊丝(所有数字均为wt％)：
焊丝625
C Mn Si S P Cr Ni Mo Nb Cu Al Ti Fe
最小值 0 0 0 0 0 22.0 50 8.0 3.5 0 0 0 0
最大值 0.05 0.50 0.50 0.015 0.015 27.0 余量 14.0 6.5 0.50 0.50 0.50 2.0
所有其他元素<0.50％
焊丝600
C Mn Si S P Cr Ni Nb Cu Ti Fe
最小值 0 2.0 0 0 0 21.0 67 2.0 0 0.2 0
最大值 0.05 5.0 0.50 0.015 0.020 26.0 余量 5.0 0.50 0.8 3.0
所有其他元素<0.50％
焊丝825
C Mn Si S P Cr Ni Mo Cu Al Ti Fe
最小值 0 0 0 0 0 24.0 46 2.0 1.0 0 0,8 0
最大值 0.05 1.0 0.50 0.015 0.020 27.0 52 14.0 4.0 0.20 1.6 余量
所有其他元素<0.50％
焊丝400
C Mn Si S P Ni Cu Al Ti Fe
最小值 0 0 0 0 0 62.0 28.0 0 0 0
最大值 0.15 4.0 1.2 0.015 0.020 68.0 36.0 0.75 1.2 2.5
所有其他元素<0.50％
方法
按照以下方法来操作熔覆系统。首先，提供待熔覆的工件。然后，将带状电极引导到工件的表面上。采用电渣熔覆将带状电极熔覆到工件的表面上，同时将金属芯混合熔覆焊丝加热并引导到带状电极的熔池中。
当对镍基工件进行熔覆时，使用带状电极与金属芯混合电渣熔覆焊丝的组合来获得所希望的熔覆层的最终化学成分。当对不锈钢基工件进行熔覆时，可以针对不同的工件组分使用标准带状电极，并且只会改变金属芯混合电渣熔覆焊丝以实现所希望的熔覆组分。在前面的部分中指定了优选的焊丝组分。
优选进行以下的组合：
优选的焊剂A是Al2O3+CaF2>73wt％的电渣高速焊剂，没有任何预期的金属添加物。其他焊剂组成也可以起作用，但是性能差。带材优选地是标准带材。
优选的焊剂B是Al2O3+CaF2>81wt％的电渣高速焊剂，没有任何预期的金属添加物。其他焊剂组成也可以起作用，但是性能差。钢带优选地是典型的18Cr-8Ni带材。
熔覆头3的移动速度优选地对于Ni合金约为27cm/min、并且对于不锈钢合金约为33cm/min，并且熔覆层厚度优选地约为5mm。
优选实施方式
上面已经描述了本发明的多种不同的实施例和各个方面。它们可以以任何方式进行组合。在优选实施例中，本发明提供了一种熔覆头，其中带状电极基本上竖直地给送到工件上，并且金属芯混合焊丝以相对于所述带状电极可调整的角度给送，如图2所指示的。在优选实施例中将磁性转向装置提供为PLC控制器，被配置成控制带材和/或(一根/多根)金属芯混合电渣焊丝的伸出长度以及(该/这些)金属芯混合电渣焊丝和带状电极的给送速度以及提供给(该/这些)金属芯混合电渣焊丝的热量。在优选实施例中，单层熔覆层被根据所需等级以高速且均一和一致的熔覆化学成分沉积在工件上。
另外的实施方案
尽管以上已经描述了本发明的少数几个实施例，但应当理解可以进行很多修改而不背离本发明的精神和范围。所有此类修改旨在包括在将仅由以下权利要求限定的本发明的范围内。
参考标记
1 混合电渣熔覆系统
2 焊剂给送器
3 熔覆头
4 带状电极
5 熔覆电源
6 工件
7 金属芯混合电渣熔覆焊丝
8 热丝电源
9 焊接熔池
10 焊剂
11 箭头
12 熔覆层
13 控制器
14 磁性转向装置
15 转向磁体
16 金属芯焊丝给送机构
17 带状焊丝给送器
18 金属芯混合电渣熔覆焊丝给送器

Claims (17)

1.一种混合电渣熔覆方法，包括：
提供有待熔覆的工件(6)；
将带状电极(4)引导到所述工件(6)的表面上；
使用电渣熔覆将所述带状电极(4)熔覆到所述工件(6)的所述表面上；
其特征为
将用于控制熔覆层的化学组分的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)引导到所述带状电极(4)的熔池(9)中。
2.根据权利要求1所述的方法，其特征为使用需要镍熔覆的工件(6)并选择用于控制熔覆层的所述化学组分的带状电极(4)与金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的组合，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)优选地具有根据权利要求8至12之一所述的组分。
3.根据权利要求1所述的方法，其特征为针对要求不同的熔覆层组分的不锈钢熔覆层的第一和第二工件(6)使用具有给定化学组分的带状电极(4)，并且为控制所述第一工件(6)的熔覆层的化学组分选择第一金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)并且为控制所述第二工件(6)的熔覆层的化学组分选择第二金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)，所述第一金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)具有的化学组分与所述第二金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的化学组分不同。
4.根据权利要求1至3之一所述的方法，其特征为针对第一和第二工件(6)使用具有给定组分的焊剂，所述第一工件(6)具有的化学组分与所述第二工件(6)的化学组分不同。
5.根据权利要求1至4之一所述的方法，其特征为使用控制器—特别是可编程逻辑控制器—和传感器来控制以下参数中的至少一个参数：所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的伸出长度，所述带状电极(4)的给送速度，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的给送速度。
6.根据权利要求5所述的方法，其特征为如果检测到所述带状电极(4)的给送速度的变化，则改变所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的给送速度。
7.根据权利要求1至6之一所述的方法，其中，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)被加热。
8.用于前述权利要求之一的方法的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)，其特征为Ni-Cr镍基护套以及所述Ni-Cr镍基护套内的金属粉末焊剂，其中，所述焊丝具有焊丝625、焊丝600、焊丝825或焊丝400的组分。
9.用于前述权利要求之一的方法的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)，其特征为不锈钢基护套以及所述不锈钢基护套内的金属粉末焊剂，其中，所述焊丝具有焊丝308L、焊丝347、焊丝316L或焊丝317L的组分。
10.根据权利要求8或9所述的金属芯混合电渣焊丝(7)，其中，所述元素或所有元素中的至少一种元素的上限比相应表格中所规定的值低5％、10％或20％。
11.根据权利要求8至10之一所述的金属芯混合电渣焊丝(7)，其中，所述元素或所有元素中的至少一种元素的下限比相应表格中所规定的值高5％、10％或20％。
12.根据权利要求8至11之一所述的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)用于对镍基工件(6)或不锈钢工件(6)进行混合电渣熔覆的用途。
13.一种混合电渣熔覆系统(1)，所述混合电渣熔覆系统包括熔覆头(3)和熔覆电源(5)，所述熔覆头(3)将带状电极(4)引导到有待用所述带状电极(4)熔覆的工件(6)的表面上，所述熔覆电源(5)为所述带状电极(4)提供电力以用于无弧沉积到所述工件(6)的所述表面上，其特征在于所述熔覆头(3)被配置成将根据前述权利要求之一所述的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)引导到所述带状电极(4)的熔池(9)中，所述系统(1)优选地进一步包括焊剂给送器(2)，所述焊剂给送器用于将焊剂(10)沉积在所述带状电极(4)上和/或邻近。
14.如权利要求13所述的熔覆系统，包括用于加热所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的热丝电源(8)和/或控制器(13)，所述控制器优选地是可编程逻辑控制器，用于控制以下参数中的至少一个参数：根据所希望的沉积速率控制所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的热量，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)和/或所述带状电极(4)的伸出长度，所述带状电极(4)的给送速度，所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)的给送速度。
15.根据权利要求13或14所述的熔覆系统，包括与所述带状电极(4)相邻的转向磁体(15)，所述转向磁体用于使所述熔池(9)磁性转向。
16.根据权利要求13至15中任一项所述的熔覆系统，其中，所述带状电极(4)和/或所述金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)和/或所述工件(6)的表面之间的角度是可调整的。
17.根据权利要求13至16中任一项所述的熔覆系统，其中，所述熔覆头(3)将两个、三个或更多个邻近的金属芯混合电渣熔覆焊丝(7)引导到所述熔池(9)中。
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