藥芯焊絲的研究與實踐

1、藥芯焊絲的研究與實踐        摘要 本文介紹了藥芯焊絲的發(fā)展歷程和藥芯焊絲的主要渣系，藥芯焊絲的分類與藥芯焊絲的發(fā)展前景。作者成功地進行了Ti 、B、Re等微量元素提高藥芯焊絲焊縫低溫韌性的研究，結(jié)合蕪湖長江大橋工程進行了14MnNbq橋梁鋼的焊接試驗。介紹了自行設(shè)計藥芯焊絲生產(chǎn)線與藥芯焊絲生產(chǎn)質(zhì)量之間的情況，因而本文對我國發(fā)展國產(chǎn)藥芯焊絲有一定的參考價值。 關(guān)鍵詞 藥芯焊絲 渣系 焊縫金屬 低溫韌性 制造技術(shù) 0 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

2、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6070年代，藥芯焊絲主要以粗直徑為主（3.2mm, 2.4mm)使用交流電源，氣體保

3、護藥芯焊絲用于鋼管的焊接，自保護藥芯焊絲用于建筑結(jié)構(gòu)。80年代發(fā)展了細直徑藥芯焊絲（1.21.6mm)使用直流電源，其中直徑為1.21.6mm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強度級別鋼種使用的多種藥芯焊絲，1.21.6mm的細直徑自保護藥芯焊絲可以使用于鋼管樁的焊接。80年代后期以來，1.21.6mm氣保護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

4、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)量達到7.6萬噸?，F(xiàn)在美國藥芯焊絲占焊接材料總產(chǎn)量的比例為40左右。美國生產(chǎn)粗直徑藥芯焊絲（2.0mm以上）比例較大，主要用于平焊和平角焊，用來焊接建筑機械、重型機械、鋼架、橋梁等。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)細直徑藥芯焊絲，1983年藥芯焊絲占焊接材料總產(chǎn)量的3.8，1988年為焊接材料總產(chǎn)量的13，1992年為焊接材料總產(chǎn)量的20，1994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，而實芯焊絲在1984年

5、生產(chǎn)量占焊接材料總生產(chǎn)量的32，逐步提高到1991年的50。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)總量在10萬噸左右，為焊接材料總產(chǎn)量的27。由此看來，日本是藥芯焊絲發(fā)展速度最快的國家。在中國藥芯焊絲的發(fā)展正處于原始的發(fā)展階段：大量引進外國生產(chǎn)線又得不到充分的應(yīng)用，希望提高生產(chǎn)能力和技術(shù)水平又不能相互交流，重視硬件投資又忽視軟件開發(fā)，同時受到資金不足的限制。目前我國藥芯焊絲與國外藥芯焊絲的發(fā)展相比，差距甚遠。我們就這樣不知不覺地進入了藥芯焊絲時代，加上技術(shù)>' target='_blank' c

6、lass='infotextkey'>經(jīng)濟落后，發(fā)展藥芯焊絲將付出巨大的代價。 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。按保護情況可分為氣體保護（CO2、富Ar混合氣體）和自保護兩種。按焊絲直徑可分為細直徑（2.0mm以下）和粗直徑（2.0mm以上）。按焊絲斷面可分為簡單斷面和復(fù)雜斷面。按使用電源可分為交流陡降特性電源和直流電源。按填充材料可分為造渣型藥芯焊絲（氧化鈦型、鈦鈣型、氟鈣型）和金屬粉芯藥芯焊絲。從藥芯焊絲的開發(fā)及應(yīng)用角度來看可作如下分類： 造渣型氣保護藥芯焊絲可分為CO2氣體保護藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、50公斤級低合金結(jié)構(gòu)鋼（全

7、位置焊接）、高強度鋼（6070公斤級）、低溫鋼（45、60沖擊韌性）、耐熱鋼（1.25Cr-0.5Mo系，2.25Cr-1Mo系）、耐候鋼（涂裝與非涂裝）、不銹鋼（焊接SUS304、304L、316、316L、317、317L、321、347、309S不銹鋼）、耐磨堆焊（Hv250、Hv350、Hv450、Hv600）。 造渣型氣保護藥芯焊絲可分為富Ar混合氣體保護藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、50公斤級低合金結(jié)構(gòu)鋼（全位置焊接）、高強度鋼（6070公斤級）、低溫鋼（45、60沖擊韌性）、耐磨堆焊（13Cr-2Ni系）。 金屬粉芯藥芯焊絲可分為CO2氣體保護藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、50公斤級

8、低合金結(jié)構(gòu)鋼、高強度鋼（60公斤級）、耐磨堆焊（高Cr-Fe系，Hv800）。 金屬粉芯藥芯焊絲可分為富Ar混合氣體保護藥芯焊絲, 主要品種用于碳鋼、50公斤級低合金結(jié)構(gòu)鋼、低溫鋼（60沖擊韌性）、不銹鋼（13Cr-5Ni系，13Cr-4Ni-Mo系，17Cr系）、耐磨堆焊（13Mn系、16Mn-16Cr系）。 自保護藥芯焊絲主要品種用于碳鋼、50公斤級低合金結(jié)構(gòu)鋼和耐磨堆焊。 總體看來藥芯焊絲主要分為自保護藥芯焊絲和氣保護藥芯焊絲，氣保護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

9、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1316，主要選用TiO2含量為92以上的金紅石，占藥粉重量的3555，鐵粉占藥粉重量的1530。另加適量的SiO2、 ZrO2 、Al2O3、MgO組成適當(dāng)?shù)娜墼?，適合于全位置焊接的基本條件，添加適量的含K、Na元素穩(wěn)弧劑提高電弧的穩(wěn)定性，最好是預(yù)先處理的燒結(jié)粉料。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，細直徑藥芯焊絲適

10、合全位置焊接。但熔渣本身氧化性較大，焊縫金屬的低溫韌性較低，一般用于碳鋼和某些低合金鋼的焊接。造船業(yè)大量采用這類藥芯焊絲，也是產(chǎn)量最大的品種。 堿性藥芯焊絲藥粉填充系數(shù)為2428，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，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。該類藥芯焊絲的開發(fā)前景良好，適合研制焊接不同強度級別、不同韌性要求的高強度鋼的藥芯焊絲。全位置堿性藥芯焊絲將拓寬新的焊接領(lǐng)域，擁有廣闊的開發(fā)前景。下面以YJ507TiB藥芯焊絲、1

11、4MnNbq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 在過去的藥芯焊絲研究中研究了合理的堿性渣系和Si-Mn-Ni-Ti-B、Si-Mn-Ni-Mo-Ti-B、Si-Mn-Ni-Al-Ti-B的合金系。對于14MnNbq橋梁鋼的屈服強度較低，不宜添加強化元素Mo，同時含稀土物質(zhì)的種類太多，不利于藥芯焊絲原材料>' target='_blank' class='infotextkey'>管理和使用。因此選擇堿性渣系和Si-Mn-Ni-Ti-B合金系作為研制高韌性藥芯焊絲YJ507TiB的基本思路，

12、實踐表明適當(dāng)選擇Ti、B元素的含量，可顯著提高焊縫金屬的低溫韌性。 新研制的YJ507TiB藥芯焊絲與進口澳大利亞西格威爾焊接公司堿性藥芯焊絲SUPRE-COR5、酸性藥芯焊絲VERTI-COR 91K2進行了熔敷金屬的對比試驗。采用國標GB 100450-88 碳鋼藥芯焊絲標準，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 ， 焊接規(guī)范見表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

13、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-40100J，焊接14MnNbq橋梁鋼焊接接頭(三區(qū))的低溫韌性AKV-4080J，其韌性指標不僅能滿足現(xiàn)代鐵路橋梁的低溫韌性指標要求，而且與14MnNbq橋梁鋼在低溫韌性方面具有很好匹配性。 圖1 藥芯焊絲熔敷金屬試驗坡口形狀及尺寸 圖2 14MnNbq橋梁鋼試板坡口尺寸及型式 表1 熔敷金屬試驗焊接

14、規(guī)范 焊絲直徑(mm) 電流(A) 電壓(V) 焊速(mm/min) 層溫() 1.6 240260 2628 150160 150170 表2 熔敷金屬的化學(xué)成分() 藥芯焊絲 C Si Mn S P Ni Ti B YJ507TiB 0.046 0.16 1.20 0.011 0.0089 0.73 0.02 0.0018 表3 藥芯焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能 藥芯焊絲 牌號 s (MPa) b (MPa) 5 () s/b 沖擊功 Akv (J) 30 40 YJ507TiB (中國) 450 535 29 0.84 140 158 155 / 151 127 115 136 / 126 S

15、UPRE-COR5 (澳) 385 535 29 0.72 41 46 40 47 40/ 43 VERTI-COR 91K2 (澳) 445 535 29 0.83 43 36 35 35 36/ 37 表4 藥芯焊絲焊縫金屬的系列沖擊 藥芯焊絲 牌號 沖擊功 Akv (J) 20 30 40 50 60 70 YJ507TiB 1.6mm 138 154 138 /143 125 108 139 /124 131 109 120 /120 81 82 55 /73 62 75 64 /67 49 24 57 /43 表5 14MnNbq橋梁鋼縱向橫向焊接接頭三區(qū)的低溫韌性 藥芯焊絲 牌號

16、軋向 沖擊功 Akv (J) 溫度 焊縫 熔合線 HAZ 0.5mm YJ507TiB 1.6mm 縱向?qū)?30 119 136 141/132 91 187 189/156 40 96 122 109/109 129 89 112/110 173 171 131/158 橫向?qū)?30 142 134 129/135 103 177 152/144 40 124 92 135/117 147 109 150/135 135 104 160/133 4 藥芯焊絲的制造技術(shù) 國內(nèi)藥芯焊絲生產(chǎn)設(shè)備起步于70年代，大都是以試驗為目的而制造的。以鐵道部科學(xué)研究院金屬及化學(xué)研究所為例，1979年開始組

17、建藥芯焊絲課題小組，1983年開始在山東威海創(chuàng)建藥芯焊絲工廠, 1984年生產(chǎn)的四種產(chǎn)品通過鐵道部部級鑒定，并獲鐵道部科技進步四等獎。主要生產(chǎn)結(jié)構(gòu)鋼藥芯焊絲、高錳鋼修復(fù)藥芯焊絲和列車車輪堆焊藥芯焊絲等品種。但由于設(shè)備生產(chǎn)能力較小，不能大批量生產(chǎn)以及其它原因，這項目沒有鞏固下來。進入90年代，結(jié)合橋梁的特點開始了焊接新材料的研究，采用焊條、藥芯焊絲、燒結(jié)焊劑等焊接材料過度合金元素的辦法研究了C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Al、Ti、B、Re等元素對焊縫金屬低溫韌性影響的研究。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

18、了Si、Mn、Mo影響焊縫金屬強度元素對藥芯焊絲焊縫金屬強度和塑性的影響規(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度的高韌性藥芯焊絲YJ427TiB、YJ507TiB、YJ607TiB，焊縫金屬的低溫韌性Akv-4070J。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)。 1995年起與焊管設(shè)備研究所自行設(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)。以藥芯焊絲成型機為例，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，研制了第一代成型機。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

19、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，研制了第二代成型機。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)細直徑藥芯焊絲（1.2mm），選用厚度為0.4mm、0.5mm，寬度為10mm、12mm、14mm的鋼帶。采用單個電動機提供電力，速度集中分配，軋輥等直徑，一對軋輥實現(xiàn)塔接成型等實用技術(shù)。大大簡化成型機結(jié)構(gòu)，降低制造成本。同時成型機加粉段鋼帶速度提高到100m/min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，為第三代成型機。同時研制了12頭減徑機，采用速度反饋電路控制系統(tǒng)，可以使減徑機進行2、4、6任意組合，根據(jù)生產(chǎn)的需要安排藥芯焊絲減徑工位。 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