无渣自保护药芯焊丝无需保护气源、焊剂，焊后无渣，熔敷速度明显高于普通的药芯焊丝和实芯焊丝，这些优点契合了大型设备如辊压机对修复效率的内在需求，为大型、超大型构件的高效、自动化堆焊修复提供了新的有效途径。本文针对辊压机辊面的磨损失效及堆焊修复现状，提出并按照气体-金属联合保护的思想，研制了一种环境友好型无渣自保护药芯焊丝。该焊丝焊接工艺性能较佳，堆焊层硬度在58～67HRC范围，耐磨性能优良。在此基础上，本文围绕无渣自保护药芯焊丝工艺性能和耐磨性能展开了系统的研究。研究认为，无渣自保护药芯焊丝的飞溅主要有四种类型：电弧斥力飞溅、电爆炸飞溅、气体析出飞溅和蒸汽阻力飞溅。利用一次回归正交设计试验方案，建立了药芯组分硼铁、锰粉、石墨、铝镁合金和硅铁对飞溅组成的数学模型。并从表面张力、焊接电弧导电性、气体析出、焊接反应放热程度等四个方面对无渣自保护药芯焊丝飞溅行为机理展开了系统的研究，认为添加能够降低熔滴表面张力、提高电弧导电性、减小气体析出或焊接反应放热程度的药芯组分，有利于降低飞溅率。通过药芯组分调整飞溅率最小仅0.57%。分析了无渣自保护药芯焊丝的环保特性。与目前常用的手工焊条或CO2气体保护堆焊相比，它节约了大量的能耗，并减少排放。依托自主搭建的高速摄影观察平台和电弧物理监测系统，在国内外首次对无渣自保护药芯焊丝熔滴过渡行为展开系统研究。发现无渣自保护药芯焊丝熔滴过渡过程中频繁的熔渣飞溅，即“渣溅”这一特有的现象；认为其熔渣与熔融金属高温下线膨胀系数相差大，熔渣本身的体积较小，熔滴在过渡过程中自身快速旋转的事实，是形成““渣溅”的根本原因。“渣溅”的发生成功解释了合金元素脱氧保护之后氧化产物的去向问题，它是导致焊后焊道表面没有熔渣的基本原因。建立了“渣溅”的简单模型。提出了熔滴过渡的几种形态：排斥过渡、表面张力过渡、颗粒过渡和爆炸过渡。排斥过渡和表面张力过渡是无渣自保护药芯焊丝的主要过渡方式。并对其形成机理以及熔滴过渡形态对焊接电弧的影响进行了研究，从焊接工艺参数和药芯组分两个方面探讨熔滴过渡形态的调控方法。通过试验确立了无渣自保护药芯焊丝的基本合金系：Fe-Cr-B-C。分别调整药芯组分中石墨、硼铁含量，研究了C、B及B/C对Fe-Cr-B-C系堆焊合金凝固组织的影响规律。石墨促进了堆焊层组织先析碳化物的形成，同时抑制了共晶碳化物的生长，并使得先析碳化物趋于垂直于母材表面生长。随着石墨含量的增加，洛氏硬度值逐渐增加；当石墨含量超过6%后，硬度值增幅放缓。在具体Fe-Cr-C合金系下，不足5%的B添加量就可以使得组织中获得90%以上的碳化物。随着硼铁含量从0增加至12%，Fe-Cr-Ti-C合金组织中先析碳化物的直径从9um增加至20um，同时碳化物体积分数从14.10%增加至36.00%，合金硬度从55HRC增加至65HRC。在药芯中硼铁和石墨添加总量一定的条件下，随着硼铁的比重增加，硬质相的尺寸趋于减小。在Fe-Cr-B-C合金系的基础上继续添加含量变化范围较宽的钛铁及铌铁，系统的研究了Ti和Nb对无渣自保护药芯焊丝堆焊合金组织和耐磨性的影响，并揭示了堆焊合金的耐磨机制。钛铁的添加促进堆焊层中高硬度TiC碳化物的形成。TiC可作为M7(C, B)3(M=Cr, Fe, Mn)碳化物的形核核心，并减少M7(C, B)3碳化物的数量。由于形成TiC的过程中消耗了一定量的C，当钛铁含量增至24%时，堆焊合金组织由过共晶组织转变为亚共晶组织。钛铁的添加使得合金具有更高的硬度和细化的组织，因而有利于改善堆焊合金的耐磨性能。当钛铁添加量增加至24%时，磨损量14.9mg，达到最小值。随着药芯中铌铁的添加，M7(C, B)3碳化物的数量逐渐减少，且NbC的数量增多。当铌铁含量添加至18%时，堆焊合金由过共晶转变为共晶组织；当铌铁含量继续添加到24%时，堆焊合金的组织继续转化为亚共晶组织。不加铌时堆焊合金的硬度值为58.9HRC，当药芯中铌铁含量增加至18%时堆焊合金的硬度值达到64.3HRC。当药芯中铌铁添加量继续增加至24%，堆焊合金的硬度值有所回落，为62.7HRC。另一方面，药芯中铌铁含量从0增加至18%时，磨损失重随着药芯中铌铁含量的增加而不断减小；继续增加铌铁含量至24%，磨损失重值不再有明显变化。随着药芯中钛铁或铌铁的添加，堆焊合金的组织出现了尺寸较小、硬度极高的MC (M=Ti/Nb)型碳化物，同时堆焊合金中先析M7(C, B)3碳化物的数量和尺寸均不断减少，并且基体组织得到了Cr的固溶强化。这一成分和组织变化导致了堆焊合金磨损机理的变迁：由强化前的微裂纹机制转变为得到Nb或Ti强化堆焊合金时的微切削和经历多次塑形变形所导致的微犁耕机制。利用有限元辅助设计了无渣自保护药芯焊丝辊压机辊面堆焊制造工艺。在考虑焊接残余应力的情况底下，利用有限元方法展开对堆焊辊体工作应力分布的模拟分析，结果表明在堆焊四层的情况下，较佳的堆焊工艺为：缓冲层堆焊3层(厚度为60mm)，耐磨层堆焊1层(厚度为20mm)。此时，辊压机工作时的最大应力值出现在距离堆焊表面约15mm处，且为558MPa。该结果为成功将无渣自保护药芯焊丝应用于辊压机堆焊修复制造打下了良好的基础。