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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)展和廣泛應用于各種金屬結(jié)構(gòu)。但因藥芯焊絲的制造技術難度大，國內(nèi)相關技術和水平落后，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)展情況和談談作者對藥芯焊絲發(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（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強度級別鋼種使用的多種藥芯焊絲，f1.2～1.6mm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，f1.2～1.6mm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（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、低合金結(jié)構(gòu)鋼（全位置焊接）、高強度鋼、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、低合金結(jié)構(gòu)鋼（全位置焊接）、高強度鋼、低溫鋼、耐磨堆焊。
金屬粉芯藥芯焊絲可分為CO2氣體保護藥芯焊絲，主要品種用于碳鋼、低合金結(jié)構(gòu)鋼、高強度鋼、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料。堿性藥芯焊絲的焊縫金屬有較好的凈化作用，通過適當?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?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鐵合金獲得相應的化學成分和力學性能。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，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 ， 焊接參數(shù)見表1，熔敷金屬的化學成分(％)見表2 ，藥芯焊絲熔敷金屬的力學性能見表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
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，不同強度的焊縫金屬低溫韌性達到
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。
1996年起鐵道部科學研究院金屬及化學研究所與石家莊市北方焊管設備研究所合作自行設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。以藥芯焊絲的主要設備成型機為例，經(jīng)歷三個階段的試驗。第一階段以焊管設備現(xiàn)有配件為基礎，根據(jù)國外藥芯焊絲生產(chǎn)線的設計思路，研制了第一臺成型機。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。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（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。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，為第三臺成型機。同時研制了12頭減徑拉絲機機，采用速度反饋電路控制系統(tǒng)，可以使減徑機進行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的出線速度達到400m/min以上，完成了樣機的制造。基本上解決了藥芯焊絲的制造技術和生產(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，是當前不能忽視的問題。
對藥芯焊絲的研究與生產(chǎn)，作者認為有以下幾個方面的發(fā)展趨勢。
① 國內(nèi)不少廠家引進外國生產(chǎn)線，總數(shù)在13條以上。引進設備的價格也相當可觀，少則40萬美元，多達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)濟效益。由于市場經(jīng)濟的競爭性和藥芯焊絲本身的吸引力，估計藥芯焊絲引進生產(chǎn)線將達到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 加強藥芯焊絲技術交流，全國藥芯焊絲制造技術有待整體提高。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的焊接新材料，高技術產(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)技術人員，將是我國藥芯焊絲快速發(fā)展的希望所在。
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