一种强韧型自保护药芯焊丝及其制备方法与流程

本发明涉及药芯焊丝领域，具体涉及一种强韧型自保护药芯焊丝及其制备方法。

背景技术：

1、随着焊接自动化的普及，常用焊材中焊条的比例逐渐下降，药芯焊丝的比例逐年增长，自保护药芯焊丝凭借其便利性和高效率，可以在无外加保护气的条件下形成合格的焊接接头，被用于低合金结构钢、超高强钢、耐磨堆焊等领域的焊接。然而，传统的自保护药芯焊丝在焊接过程中存在一些问题，如焊接效率低、焊缝质量不稳定的缺陷，此外，一些高强度钢的焊接结构对焊缝金属的韧性要求较高，而现有技术下的药芯焊丝往往难以同时满足高强度和高韧性的需求。为了解决这些问题，本发明提出了一种强韧型自保护药芯焊丝及其制备方法，旨在提高焊接效率、改善焊缝质量，并增强焊丝的强韧性具有重要的实际意义。

技术实现思路

1、为了克服上述的技术问题，本发明的目的在于提供一种强韧型自保护药芯焊丝及其制备方法，解决了现有的自保护药芯焊丝往往难以同时满足高强度和高韧性的需求的问题。

2、本发明的目的可以通过以下技术方案实现：

3、一种强韧型自保护药芯焊丝，包括焊丝粉；

4、其中，所述焊丝粉包括以下重量份组分：

5、铁粉27-33份、镍粉22-28份、铬粉11-17份、多基团改性碳纤维7-19份、金红石5-11份、钼粉4-8份、大理石3-7份以及二氧化钛1-5份；

6、其中，所述多基团改性碳纤维由以下步骤制备得到：

7、步骤s1：将碳纤维加入至无水乙醇中，之后在超声功率为300-350w的条件下超声分散8-10h，之后真空抽滤，将滤饼加入至安装有温度计、搅拌器的三口烧瓶中，之后加入氢氧化钠溶液并在温度为60-65℃，搅拌速率为400-500r/min的条件下搅拌反应1-1.5h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤饼用蒸馏水洗涤2-3次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为90-95℃的条件下干燥2-3h，得到预处理碳纤维；

8、步骤s2：将预处理碳纤维、葡萄糖以及去离子水加入至安装有温度计、搅拌器的三口烧瓶中，之后在温度为35-40℃，搅拌速率为400-500r/min的条件下搅拌反应10-15h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤饼放置于真空干燥箱中，在温度为90-95℃的条件下干燥10-12h，得到浸泡碳纤维；

9、步骤s3：将浸泡碳纤维、硅粉、硝酸镍粉末以及氯化铁粉末混合均匀，之后加入至石墨坩埚中，之后放置于管式炉中，通入氩气保护，并在温度为1400-1500℃的条件下烧结1-1.5h，之后随炉冷却，之后加入至蒸馏水中，之后在超声功率为300-350w的条件下超声分散20-30min，之后真空抽滤，将滤饼放置于真空干燥箱中，在温度为80-85℃的条件下干燥4-5h，得到碳化硅包覆碳纤维；

10、步骤s4：将碳化硅包覆碳纤维、硅烷偶联剂kh-560以及乙醇溶液加入至安装有温度计、搅拌器以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-500r/min的条件下搅拌反应20-30min，之后加入并升温至回流的条件下继续搅拌反应3-5h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤饼用蒸馏水洗涤3-5次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为60-65℃的条件下干燥3-5h，得到有机硅改性碳纤维；

11、步骤s5：将有机硅改性碳纤维、苄基三乙基氯化铵、柠檬酸以及去离子水加入至安装有温度计、搅拌器以及回流冷凝管的三口烧瓶中，在温度为25-30℃，搅拌速率为400-500r/min的条件下搅拌反应20-30min，之后加入并升温至回流的条件下继续搅拌反应6-8h，反应结束后将反应产物冷却至室温，之后真空抽滤，将滤饼用蒸馏水洗涤3-5次，之后放置于真空干燥箱中，在温度为40-45℃的条件下干燥5-6h，得到多基团改性碳纤维。

12、作为本发明进一步的方案：步骤s1中的所述碳纤维、无水乙醇以及氢氧化钠溶液的用量比为5g：60-65ml：60-65ml。

13、作为本发明进一步的方案：步骤s1中的所述碳纤维的长度为3mm、直径为5μm，所述氢氧化钠溶液的质量分数为10-15%。

14、作为本发明进一步的方案：步骤s2中的所述预处理碳纤维、葡萄糖以及去离子水的用量比为2g：9-12g：50-55ml。

15、作为本发明进一步的方案：步骤s3中的所述浸泡碳纤维、硅粉、硝酸镍粉末以及氯化铁粉末的用量比为2g：6.5-7g：0.5-0.6g：0.5-0.6g。

16、作为本发明进一步的方案：步骤s4中的所述碳化硅包覆碳纤维、硅烷偶联剂kh-560以及乙醇溶液的用量比为2g：1.3-3.9g：50-55ml。

17、作为本发明进一步的方案：步骤s4中的所述乙醇溶液的体积分数为85-90%。

18、作为本发明进一步的方案：步骤s5中的所述有机硅改性碳纤维、苄基三乙基氯化铵、柠檬酸以及去离子水的用量比为5g：0.3-0.9g：2.5-4.9g：70-80ml。

19、作为本发明进一步的方案：一种强韧型自保护药芯焊丝的制备方法，包括以下步骤：

20、步骤一：将铁粉、镍粉、铬粉、多基团改性碳纤维、金红石、钼粉、大理石以及二氧化钛混合均匀，得到混合药粉；

21、步骤二：将混合药粉、无水乙醇按照质量比1：6-8加入至球磨机中，在球磨速率为400-500r/min的条件下球磨3-5h，得到球磨浆料，将球磨浆料喷雾干燥，得到焊丝粉；

22、步骤三：将宽度为10mm，厚度0.3mm的低碳钢钢带进行轧制，轧弯形成“u”型，得到u型钢带；

23、步骤四：将焊丝粉按照填充率为25-30%填充至u型钢带中，之后闭合封口，经过拉拔减径，直至直径为1.2mm，得到该强韧型自保护药芯焊丝。

24、本发明的有益效果：

25、本发明的一种强韧型自保护药芯焊丝及其制备方法，通过将铁粉、镍粉、铬粉、多基团改性碳纤维、金红石、钼粉、大理石以及二氧化钛混合均匀，得到混合药粉，通过将混合药粉、无水乙醇加入至球磨机中球磨，得到球磨浆料，将球磨浆料喷雾干燥，得到焊丝粉，通过将低碳钢钢带进行轧制，得到u型钢带，通过将焊丝粉填充至u型钢带中，之后闭合封口，经过拉拔减径，得到该强韧型自保护药芯焊丝；该制备方法中通过优化药芯组合物的配方和制备工艺，并向配方中添加多基团改性碳纤维，使得该药芯焊丝具有优异的强韧性和自保护性能，能够满足各种焊接需求；该药芯焊丝具有良好的焊接工艺性，能够减少气孔和夹渣等缺陷的产生，提高焊缝的质量稳定性；该药芯焊丝适用于各种金属材料的焊接，如碳钢、低合金钢、不锈钢等，具有广阔的应用前景。

26、制备该药芯焊丝的过程中首先制备了一种多基团改性碳纤维，首先依次利用无水乙醇、氢氧化钠溶液对碳纤维进行处理，有效除去其表面杂质，得到预处理碳纤维，之后将预处理碳纤维浸泡于葡萄糖溶液中，使其表面粘附葡萄糖，得到浸泡碳纤维，之后利用将浸泡碳纤维、硅粉、硝酸镍粉末以及氯化铁粉末混合后烧结，以葡萄糖为碳源、以硅粉为硅源、以硝酸镍以及氯化铁为催化剂制备出碳化硅包覆于碳纤维上，形成复合结构，得到碳化硅包覆碳纤维，之后利用硅烷偶联剂kh-560对碳化硅包覆碳纤维进行处理，硅烷偶联剂kh-560上的硅氧烷水解形成硅醇，之后脱水缩合并接枝到碳化硅包覆碳纤维表面上，同时引入环氧基，得到有机硅改性碳纤维，之后利用柠檬酸对有机硅改性碳纤维进行处理，有机硅改性碳纤维上的环氧基与柠檬酸上的羧基与羟基均能反应，从而在碳纤维表面上引入大量的羧基和羟基，得到多基团改性碳纤维；碳纤维具有良好的力学性能，将其加入至药芯焊丝中后可以作为增韧相，使得基体受到外界冲击时，增韧相可以吸收大部分的能量，提高了焊缝的韧性，而且碳纤维具有良好的导电性和导热性，可以改善焊丝的送丝性能和焊接电弧的稳定性，这有助于实现更平稳、更可靠的焊接过程，减少焊接缺陷和提高焊接质量；碳化硅是一种高硬度、高耐磨的材料，将其添加到药芯焊丝中，可以增加焊缝的硬度和耐磨性；因此，碳纤维和碳化硅的复合结构添加到药芯焊丝中可以增强焊缝在高温下的稳定性和抗热裂性能，提高焊缝的抗拉强度、屈服强度和冲击韧性等力学性能，这使得焊缝能够承受更大的载荷和冲击，提高焊接结构的整体性能，而且经过有机硅改性后增加碳纤维和碳化硅的复合结构表面的活性官能团，使其便于进一步引入大量的羧基和羟基，从而可以使得在球磨过程中，能够将其他焊丝粉组分进行包裹，使表面达到饱和状态，避免其团聚成团，促进球磨效果，使得焊丝粉得到充分细化，进而增强各组分之间的结合强度，而且在焊接过程中碳化硅就会与焊接产生的氧化亚铁所氧化，即发生如下反应：sic+3（fe0）→3fe+si02+ c0，同时，碳化硅中的游离碳在高温下也参加脱氧反应：c+fe0→fe+c0，经研究表明，氧含量的增加会导致熔敷金属组织晶粒尺寸增大，粒状贝氏体含量增加，夹杂物尺寸增大、含量增加，熔敷金属的冲击韧性明显降低，而添加碳化硅后会降低feo含量，随着feo含量的减少，焊接熔敷金属中的氧含量不断减少，使得焊缝韧性得以改善。