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藥芯焊絲的研究與實踐
欄目：業(yè)界資訊 發(fā)布時間：2021-04-07
前言
眾所周知，藥芯焊絲1954年起源于美國，是從20年代管狀焊條的基礎(chǔ)上發(fā)展起來的。由于藥芯焊絲具有電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形美觀、根據(jù)焊縫力學(xué)性能的需要調(diào)整藥芯配方，可以大批量制造和實際焊接中連續(xù)使用的優(yōu)越性。與實芯焊絲、手工焊條相比，生產(chǎn)效率高，焊工的操作環(huán)境得到改善，藥芯焊絲的綜合優(yōu)勢深受人們的歡迎。藥芯焊絲在國外得到迅速發(fā)展和廣泛應(yīng)用于各種金屬結(jié)構(gòu)。但因藥芯焊絲的制造技術(shù)難度大，國內(nèi)相關(guān)技術(shù)和水平落后，我國藥芯焊絲的發(fā)展經(jīng)歷了不平凡的歷程。結(jié)合近年來對藥芯焊絲研究與實踐中的問題，觀察國內(nèi)藥芯焊絲的發(fā)展情況和談?wù)勛髡邔λ幮竞附z發(fā)展的體會。
1 藥芯焊絲的發(fā)展基本情況
藥芯焊絲起源于50年代，發(fā)展于60－70年代，藥芯焊絲主要以粗直徑為主（f3.2mm、 f2.4mm)使用交流電源，氣體保護(hù)藥芯焊絲用于鋼管的焊接，自保護(hù)藥芯焊絲用于建筑結(jié)構(gòu)。80年代發(fā)展了細(xì)直徑藥芯焊絲（f1.2～1.6mm)使用直流電源，其中直徑為f1.2～1.6mm的全位置藥芯焊絲大量用于船舶的制造并得到飛速發(fā)展，大大提高了造船焊接的半自動化程度。在這期間開發(fā)了不銹鋼、低溫鋼、590N/mm2強(qiáng)度級別鋼種使用的多種藥芯焊絲，f1.2～1.6mm的細(xì)直徑自保護(hù)藥芯焊絲可以使用于鋼管樁的焊接。80年代后期以來，f1.2～1.6mm氣保護(hù)藥芯焊絲多品種的制造與使用范圍得到迅速推廣，在非造船行業(yè)使用和擴(kuò)大。隨后發(fā)展了金屬粉芯藥芯焊絲和無縫藥芯焊絲。目前藥芯焊絲已廣泛用于建筑、橋梁、化工、冶金、電力等制造與修復(fù)行業(yè)。
從藥芯焊絲的總產(chǎn)量與占焊接材料總產(chǎn)量比例來看，1983年美國藥芯焊絲的產(chǎn)量占焊接材料總產(chǎn)量的15％，藥芯焊絲的總產(chǎn)量為4.2萬噸左右，到1979年藥芯焊絲的年產(chǎn)量達(dá)到7.6萬噸[1]。現(xiàn)在美國藥芯焊絲占焊接材料總產(chǎn)量的比例為40％左右。1995年英國藥芯焊絲年產(chǎn)量首次超過電焊條。日本主要生產(chǎn)細(xì)直徑藥芯焊絲，1983年藥芯焊絲占焊接材料總產(chǎn)量的3.8％，1994年為焊接材料總產(chǎn)量的23％。在日本藥芯焊絲的生產(chǎn)比例逐年提高，而從1992年起實芯焊絲逐年下降，到1994年實芯焊絲的比例為42％。據(jù)最新資料報道，日本1997年藥芯焊絲生產(chǎn)總量近10萬噸，為焊接材料總產(chǎn)量的27％[2]。由此看來，日本是藥芯焊絲發(fā)展速度最快的國家。
2 藥芯焊絲的分類及主要渣系
藥芯焊絲按不同的情況有不同的分類方法。按保護(hù)情況可分為氣體保護(hù)（CO2、富Ar混合氣體）和自保護(hù)兩種。按焊絲直徑可分為細(xì)直徑（f2.0mm以下）和粗直徑（f2.0mm以上）等等。從藥芯焊絲的開發(fā)及應(yīng)用角度來看可作如下分類：
造渣型氣保護(hù)藥芯焊絲可分為CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼（全位置焊接）、高強(qiáng)度鋼、低溫鋼、耐熱鋼、耐候鋼（涂裝與非涂裝）、不銹鋼、耐磨堆焊。
造渣型氣保護(hù)藥芯焊絲可分為富Ar混合氣體保護(hù)藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼（全位置焊接）、高強(qiáng)度鋼、低溫鋼、耐磨堆焊。
金屬粉芯藥芯焊絲可分為CO2氣體保護(hù)藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、高強(qiáng)度鋼、耐磨堆焊。
金屬粉芯藥芯焊絲可分為富Ar混合氣體保護(hù)藥芯焊絲, 主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、、低溫鋼、不銹鋼、耐磨堆焊。
自保護(hù)藥芯焊絲主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼和耐磨堆焊。
總體看來藥芯焊絲主要分為自保護(hù)藥芯焊絲和氣保護(hù)藥芯焊絲，氣保護(hù)藥芯焊絲通常分為兩種渣系，即酸性和堿性（T1和T5）。酸性渣系藥芯焊絲工藝性能很好，可進(jìn)行全位置焊接，該類型渣系藥芯焊絲是造船工業(yè)最廣泛使用的典型高效焊接材料。堿性藥芯焊絲的焊縫金屬有較好的凈化作用，通過適當(dāng)?shù)呐浞秸{(diào)整可以獲得優(yōu)良的工藝性能，適合于平焊、平角焊位置。藥芯焊絲主要渣系特點介紹如下。
全位置藥芯焊絲藥粉填充系數(shù)為13～16％，主要選用TiO2含量為92％以上的金紅石，占藥粉重量的35～55％，鐵粉占藥粉重量的15～30％。另加適量的SiO2、 ZrO2 、Al2O3、MgO組成適當(dāng)?shù)娜墼m合于全位置焊接的基本條件，添加適量鋁粉、鋁鎂粉提高焊縫抗氣孔的能力，添加適量Si、Mn鐵合金獲得相應(yīng)的化學(xué)成分和力學(xué)性能。該渣系焊絲的主要特點，電弧穩(wěn)定、飛濺小、脫渣容易，細(xì)直徑藥芯焊絲適合全位置焊接。
堿性藥芯焊絲藥粉填充系數(shù)為24～28％，主要選用CaF、CaCO3、部分SiO2或另加適量TiO2為基本渣系。該渣系堿度高，氧化性小，脫S、P能力強(qiáng)，具有優(yōu)良的冶金性能。這樣的渣系為研制高韌性藥芯焊絲創(chuàng)造了條件，要求較好的工藝性能和焊縫具有優(yōu)良的低溫韌性，以用于重要鋼結(jié)構(gòu)的焊接。下面以YJ507TiB藥芯焊絲、14MnNbq橋梁鋼的焊接試驗為例，Ti、B微量元素對焊縫低溫韌性的影響。
3 藥芯焊絲焊縫的低溫韌性
新研制的YJ507TiB藥芯焊絲（北京寶鋼焊業(yè)有限公司生產(chǎn)）與進(jìn)口澳大利亞某焊接公司堿性藥芯焊絲SUPRE-COR5、酸性藥芯焊絲VERTI-COR 91K2進(jìn)行了熔敷金屬的對比試驗。采用國標(biāo)GB 100450-88 碳鋼藥芯焊絲標(biāo)準(zhǔn)，基材為14MnNbq，試板尺寸為500×150×24mm，藥芯焊絲熔敷金屬試驗坡口形狀及尺寸見圖1， 14MnNbq橋梁鋼試板坡口尺寸及型式見圖2 ， 焊接參數(shù)見表1，熔敷金屬的化學(xué)成分(％)見表2 ，藥芯焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能見表3 ，藥芯焊絲焊縫金屬的系列沖擊見表4 ，14MnNbq橋梁鋼縱向橫向焊接接頭三區(qū)的低溫韌性見表5。
14MnNbq橋梁鋼基材組織為鐵素體和珠光體，YJ507TiB焊縫金屬的焊縫組織出現(xiàn)大量的等軸鐵素體(經(jīng)后焊道熱處理)，24mm縱向?qū)幼詈蠛傅篮缚p組織為針狀鐵素體和細(xì)化后的先共析鐵素體。從表中的試驗數(shù)據(jù)來看，藥芯焊絲YJ507TiB熔敷金屬低溫韌性優(yōu)良AKV-40℃≥100J，焊接14MnNbq橋梁鋼焊接接頭(三區(qū))的低溫韌性AKV-40℃≥80J。
4 藥芯焊絲的制造技術(shù)
1992年與北京電焊條廠(現(xiàn)為北京寶鋼焊業(yè)有限公司)合作進(jìn)行了“Ti-B系鐵路鋼橋用高韌性藥芯焊絲的研究” 系統(tǒng)地研究了Si、Mn、Mo影響焊縫金屬強(qiáng)度元素對藥芯焊絲焊縫金屬強(qiáng)度和塑性的影響規(guī)律，利用Ni、Ti、B影響焊縫金屬低溫韌性元素研制了不同強(qiáng)度的高韌性藥芯焊絲YJ427TiB、YJ507TiB、YJ607TiB，不同強(qiáng)度的焊縫金屬低溫韌性達(dá)到
Akv-40℃≥70J。為開發(fā)生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼藥芯焊絲奠定了良好的基礎(chǔ)。
1996年起鐵道部科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所與石家莊市北方焊管設(shè)備研究所合作自行設(shè)計制造藥芯焊絲生產(chǎn)線。經(jīng)過兩年多來的實踐過程，逐步掌握了藥芯焊絲生產(chǎn)線的制造技術(shù)。以藥芯焊絲的主要設(shè)備成型機(jī)為例，經(jīng)歷三個階段的試驗。第一階段以焊管設(shè)備現(xiàn)有配件為基礎(chǔ)，根據(jù)國外藥芯焊絲生產(chǎn)線的設(shè)計思路，研制了第一臺成型機(jī)。為龍門式結(jié)構(gòu)，使用鋼帶規(guī)格0.7×12mm，加粉段鋼帶速度為40m/min。第二階段根據(jù)試驗的情況，將龍門式結(jié)構(gòu)改為懸臂結(jié)構(gòu)，方便了設(shè)備的操作。加粉段鋼帶速度提高到70m/min，研制了第二臺成型機(jī)。第三階段根據(jù)試驗的情況發(fā)現(xiàn)試驗的鋼帶較厚，減徑次數(shù)太多，不宜于生產(chǎn)細(xì)直徑藥芯焊絲（f1.2mm），選用厚度為0.4mm、0.5mm、0.6mm，寬度為8mm、10mm、12mm的鋼帶。采用單個電動機(jī)提供電力，速度集中與分散相結(jié)合的分配方式，軋輥等直徑，實現(xiàn)軋輥塔接成型等實用技術(shù)。大大簡化成型機(jī)結(jié)構(gòu)，降低制造成本。同時成型機(jī)加粉段鋼帶提高到左右。根據(jù)生產(chǎn)藥芯焊絲的不同品種制造不同的定型成型機(jī)，為第三臺成型機(jī)。同時研制了12頭減徑拉絲機(jī)機(jī)，采用速度反饋電路控制系統(tǒng)，可以使減徑機(jī)進(jìn)行4、８、12任意組合，根據(jù)生產(chǎn)的需要安排藥芯焊絲減徑工位，藥芯焊絲f1.2mm的出線速度達(dá)到400m/min以上，完成了樣機(jī)的制造。基本上解決了藥芯焊絲的制造技術(shù)和生產(chǎn)過程中易出現(xiàn)的各種問題。
5 藥芯焊絲發(fā)展的趨勢
自北京電焊條廠于1987年正式投產(chǎn)以來，藥芯焊絲開始批量制造，同時開發(fā)了近40個品種，為藥芯焊絲的推廣與應(yīng)用作出了大量的宣傳工作。國內(nèi)研究單位和高等院校也加入這行業(yè)，研究藥芯焊絲與生產(chǎn)的技術(shù)人員，整體素質(zhì)將超過傳統(tǒng)焊條和鍍銅焊絲的水平。藥芯焊絲的發(fā)展有一個經(jīng)驗積累時期，也有一個快速發(fā)展時期。如何迅速解決藥芯焊絲大規(guī)模生產(chǎn)的管理和焊絲的表面處理，是當(dāng)前不能忽視的問題。
對藥芯焊絲的研究與生產(chǎn)，作者認(rèn)為有以下幾個方面的發(fā)展趨勢。
① 國內(nèi)不少廠家引進(jìn)外國生產(chǎn)線，總數(shù)在13條以上。引進(jìn)設(shè)備的價格也相當(dāng)可觀，少則40萬美元，多達(dá)200萬美元。目前大部分不能正常生產(chǎn)或者產(chǎn)量很低，談不上規(guī)模經(jīng)濟(jì)效益。由于市場經(jīng)濟(jì)的競爭性和藥芯焊絲本身的吸引力，估計藥芯焊絲引進(jìn)生產(chǎn)線將達(dá)到30條左右。
② 藥芯焊絲市場尚待開發(fā)和培育。由于國內(nèi)焊條廠家的價格戰(zhàn)使得焊條的價格很低，不宜于藥芯焊絲的推廣。造船業(yè)的市場最大，但藥芯焊絲總需求量業(yè)很有限。發(fā)展藥芯焊絲品種，提高生產(chǎn)能力，保證產(chǎn)品質(zhì)量體系，是藥芯焊絲制造廠的唯一出路。
③ 加強(qiáng)藥芯焊絲技術(shù)交流，全國藥芯焊絲制造技術(shù)有待整體提高。否則難以與國外產(chǎn)品抗衡。
④ 藥芯焊絲被視為二十一世紀(jì)的焊接新材料，高技術(shù)產(chǎn)品。在國外一些國家，藥芯焊絲產(chǎn)量已經(jīng)超過焊條產(chǎn)量，代表著工藝自動化水平的進(jìn)一步提高。藥芯焊絲在我國將繼續(xù)發(fā)展下去，研究單位和高等院校的積極參和研究與生產(chǎn)的高素質(zhì)技術(shù)人員，將是我國藥芯焊絲快速發(fā)展的希望所在。
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