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藥芯焊絲的研究與實踐
欄目：業界資訊 發布時間：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展起來的。由于藥芯焊絲具有電弧穩定、飛濺小、成形美觀、根據焊縫力學性能的需要調整藥芯配方，可以大批量制造和實際焊接中連續使用的優越性。與實芯焊絲、手工焊條相比，生產效率高，焊工的操作環境得到改善，藥芯焊絲的綜合優勢深受人們的歡迎。藥芯焊絲在國外得到迅速發展和廣泛應用于各種金屬結構。但因藥芯焊絲的制造技術難度大，國內相關技術和水平落后，我國藥芯焊絲的發展經歷了不平凡的歷程。結合近年來對藥芯焊絲研究與實踐中的問題，觀察國內藥芯焊絲的發展情況和談談作者對藥芯焊絲發展的體會。
1 藥芯焊絲的發展基本情況
藥芯焊絲起源于50年代，發展于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構。80年代發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展，大大提高了造船焊接的半自動化程度。在這期間開發了不銹鋼、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，在非造船行業使用和擴大。隨后發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。
從藥芯焊絲的總產量與占焊接材料總產量比例來看，1983年美國藥芯焊絲的產量占焊接材料總產量的15％，藥芯焊絲的總產量為4.2萬噸左右，到1979年藥芯焊絲的年產量達到7.6萬噸[1]。現在美國藥芯焊絲占焊接材料總產量的比例為40％左右。1995年英國藥芯焊絲年產量首次超過電焊條。日本主要生產細直徑藥芯焊絲，1983年藥芯焊絲占焊接材料總產量的3.8％，1994年為焊接材料總產量的23％。在日本藥芯焊絲的生產比例逐年提高，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％。據最新資料報道，日本1997年藥芯焊絲生產總量近10萬噸，為焊接材料總產量的27％[2]。由此看來，日本是藥芯焊絲發展速度最快的國家。
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、低合金結構鋼（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、低合金結構鋼（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、低合金結構鋼、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、低合金結構鋼、、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、低合金結構鋼和耐磨堆焊。
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，通過適當的配方調整可以獲得優良的工藝性能，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組成適當的熔渣，適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，具有優良的冶金性能。這樣的渣系為研制高韌性藥芯焊絲創造了條件，要求較好的工藝性能和焊縫具有優良的低溫韌性，以用于重要鋼結構的焊接。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（北京寶鋼焊業有限公司生產）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大量的等軸鐵素體(經后焊道熱處理)，24mm縱向對接最后焊道焊縫組織為針狀鐵素體和細化后的先共析鐵素體。從表中的試驗數據來看，藥芯焊絲YJ507TiB熔敷金屬低溫韌性優良AKV-40℃≥100J，焊接14MnNbq橋梁鋼焊接接頭(三區)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(現為北京寶鋼焊業有限公司)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。為開發生產結構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線。經過兩年多來的實踐過程，逐步掌握了藥芯焊絲生產線的制造技術。以藥芯焊絲的主要設備成型機為例，經歷三個階段的試驗。第一階段以焊管設備現有配件為基礎，根據國外藥芯焊絲生產線的設計思路，研制了第一臺成型機。為龍門式結構，使用鋼帶規格0.7×12mm，加粉段鋼帶速度為40m/min。第二階段根據試驗的情況，將龍門式結構改為懸臂結構，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。第三階段根據試驗的情況發現試驗的鋼帶較厚，減徑次數太多，不宜于生產細直徑藥芯焊絲（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合的分配方式，軋輥等直徑，實現軋輥塔接成型等實用技術。大大簡化成型機結構，降低制造成本。同時成型機加粉段鋼帶提高到左右。根據生產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，可以使減徑機進行4、８、12任意組合，根據生產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?；旧辖鉀Q了藥芯焊絲的制造技術和生產過程中易出現的各種問題。
5 藥芯焊絲發展的趨勢
自北京電焊條廠于1987年正式投產以來，藥芯焊絲開始批量制造，同時開發了近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。國內研究單位和高等院校也加入這行業，研究藥芯焊絲與生產的技術人員，整體素質將超過傳統焊條和鍍銅焊絲的水平。藥芯焊絲的發展有一個經驗積累時期，也有一個快速發展時期。如何迅速解決藥芯焊絲大規模生產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，作者認為有以下幾個方面的發展趨勢。
① 國內不少廠家引進外國生產線，總數在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或者產量很低，談不上規模經濟效益。由于市場經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線將達到30條左右。
② 藥芯焊絲市場尚待開發和培育。由于國內焊條廠家的價格戰使得焊條的價格很低，不宜于藥芯焊絲的推廣。造船業的市場最大，但藥芯焊絲總需求量業很有限。發展藥芯焊絲品種，提高生產能力，保證產品質量體系，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，高技術產品。在國外一些國家，藥芯焊絲產量已經超過焊條產量，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發展下去，研究單位和高等院校的積極參和研究與生產的高素質技術人員，將是我國藥芯焊絲快速發展的希望所在。
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