药芯焊丝作为一种高效焊接材料,已广泛应用于造船、海洋工程、桥梁、钢结构、工程机械、石油化工、能源装备和压力容器等领域。受到世界经济发展总体趋缓、国内经济发展进入新常态的影响,近几年国内焊材的总产量维持在445至475万吨之间,自2009年后药芯焊丝在焊材中所占比例基本稳定在9%~10%,产量波动在40万吨左右。 药芯焊丝生产的基本现状是产能过剩,低价恶性竞争激烈,部分企业产品质量下滑,影响了焊接结构的安全性。 近年来,我国的药芯焊丝尽管有了长足的发展,但与国外工业发达国家相比,无论是在品种、质量和数量方面,都存在一定的差距。虽然产品样本上列出了不少品种,但真正可批量上市、供货充分的品种不多。高强度结构钢、耐热钢、耐候钢、低温钢用药芯焊丝、金属粉型焊丝及自保护药芯焊丝等具有高效、专用特色的焊丝都有待大力发展。有些焊丝尽管已通过鉴定,并取得如船级社等认证机构的认证,但由于缺乏用户对产品的认知度及实际施工应用业绩,真正能用于工程施工的不多。 从总体看,产品结构单一、质量不稳、基础研究不足等因素,仍制约着国产药芯焊丝与国外知名品牌在高端市场的竞争力。 一些市场急需的高端产品国内尚不能生产,只能依赖进口,严重制约高端制造业的发展,因此药芯焊丝的产业结构调整和产品升级换代势在必行。 一、国外现有碳钢和低合金钢药芯焊丝的综合分析 通过埃森展览会上的产品介绍及国外著名焊材公司产品样本的分析,可以给我们以下几点启示: 1.产品系列化方面: TRI-MARK可提供的低合金钢药芯焊丝品种多达35种(包括低合金高强钢药芯焊丝17种、耐热钢药芯焊丝9种、低温钢药芯焊丝8种及耐候钢药芯焊丝1种),熔敷金属强度等级从500MPa到820MPa的焊丝产品,都可批量供应。TRI-MARK公司部分低合金钢药芯焊丝融敷金属化学成分及熔敷金属力学性能分别列于表1、表2;耐热钢药芯焊丝的牌号及型号见表3;LINCOLN公司耐热钢药芯焊丝性能简介见表4。这些药芯焊丝可满足工业生产领域各方面的需要,有力地推动了机械化、自动化焊接水平的提高,促进了工业制造水平和劳动生产率的提高。 2.保护气体类型方面: 在TRI-MARK公司的65种药芯焊丝中,使用100%CO2气作保护的有24种,使用Ar+ CO2混合气的有22种,既可使用100%CO2、也可使用Ar+ CO2等混合气的有8种,自保护的有4种。在金属粉芯焊丝使用的Ar+ CO2混合气中,有98Ar/2CO2,还有75Ar/25 CO2配比。TM-115焊丝在两种保护气体情况下,焊接所得的熔敷金属性能如表4所示。保护气体类型的选用,一方面要服从于焊缝性能的需要,另一方面也取决于对焊接工艺性能、焊接效率等因素的要求。 在满足焊接位置的要求上,不必一味地追求“全位置焊”,而是在兼顾“全位置焊”的同时,大力发展适于平焊和横焊的药芯焊丝,这样客观上就进一步发挥了药芯焊丝可以采用大电流、熔敷速度高的特点。 3.药芯焊丝的渣系方面: 在TRI-MARK的碳钢及低合金钢药芯焊丝中,碱性渣系品种比例不到10%。国外药芯焊丝生产企业,除液空集团的奥利康焊材(Oerlikon)等少数公司,以生产碱性渣系、表面镀铜的无缝药芯焊丝作为其特色产品外,其它如神钢、伊萨、及林肯等国外著名企业,碱性焊丝的品种近期内都在减少,在碳钢、低合金钢药芯焊丝中仅保留1~2种, 最近,合伯特(HOBART)公司推出了一种具有高碱性渣系的低合金高强钢药芯焊丝FabCO XTREME 120(AWS E121TG-GC H4),采用100%CO2保护气体。这种高碱性渣与普通市售碱性药芯焊丝不同,它在各种位置的操作与钛型渣(T1)很相似,具有良好的脱渣性和低的飞溅量。更为突出的是在宽的热输入及冷却速度范围内,熔敷金属有着高强度与高韧性的完美匹配。表5、表6分别列出了XTREME 120药芯焊丝、熔敷金属化学成分及力学性能。 神钢、林肯、液化空气集团和伊萨集团在近16~25年间,结构钢用气保护药芯焊丝中T-1型、T-5型产品数量的变化汇总于表7。 (1) 近25年间,国外知名的焊材集团的药芯焊丝产品数量都有了明显的增加, 其中T-1型焊丝的品种增加较多,而T-5型的品种数量变化不明显 ,有的公司增加,有的公司减少,还有的没有变化。 (2) T-1型药芯焊丝由于其工艺性能优良,力学性能也能够达到低碳钢和低合金钢结构的相应要求,发展很快,品种最多。 保护气体既有使用CO2保护的产品,也有使用富氩保护的产品,神钢产品中使用CO2保护的居多,而在欧美产品中两种保护气体使用量相当。 T-1型渣系药芯焊丝使用范围广,可用于低碳钢、低温钢、低合金高强钢等。 (3) T-5型碱性药芯焊丝在近16~25年间发展不大, 这种焊接材料的低温冲击韧性好,扩散氢含量低,抗裂性好,但是由于焊接工艺性能远不如T-1型焊丝,所以,神钢和液空集团都减少了碱性药芯焊丝的品种,只有伊萨集团增加了其品种的数量。 但是,目前国产药芯焊丝中,碱性渣系还占一定比例,这实际反映出我国药芯的研究与开发,还大都停留在焊条渣系的概念上:认为要确保焊缝韧性,就必须采用碱性渣系,而这却影响了药芯焊丝优良工艺性能的发挥。其实,从国外药芯焊丝发展的实践看,只要合理选配保护气体及熔敷金属的合金系统,钛型渣系同样可以得到高韧性的熔敷金属,而钛性渣系的优良工艺性能则是碱性渣系无法比拟的,这方面值得我们借鉴与探索。当然,渣系的研究和开发,需要做深入的理论研究并以配方实验为基础,我们应该下功夫开发出具有我国自主知识产权的药芯焊丝新品种。 4.大力推进金属粉型焊丝的开发: 金属粉型药芯焊丝与实心焊丝相接近, 产生很少的熔渣,最多可以连续施焊6~7道而不需清渣;同时它具有高的熔敷效率和低的飞溅量,是代替实心焊丝焊接厚板的首选焊材。 厚板焊接的质量要求很严格,需要通过超声波探伤试验(UT)来检测焊接缺陷。神钢已开发出具有良好UT性能的金属粉芯焊丝。当焊接中板时,可以选择适合于中板用的金属粉型药芯焊丝,这种焊丝成形更好,飞溅更少,可以连续施焊3~4道而不用清渣。 在TRI-MARK公司的56个药芯焊丝产品中,金属粉型焊丝有15种,约占30%左右。当然,对高强钢药芯焊丝而言,由于要通过焊丝过渡一些合金元素,以保证高的强度,这就需要在焊芯粉剂中加入大量的合金粉,这也促使较多的金属粉型焊丝推出。美国米勒公司新开发出的一种基于RMD(精确短路控制)技术的焊机,配合Metalloy 100等金属粉型焊丝用于管线钢焊接时,能够完成从打底到填充、盖面的所有管道焊接的工作,特别是Metalloy 80N1金属粉型药芯焊丝,由于其含氢量低于4ml/100g,取代了高扩散氢的纤维素焊条打底,使根焊效率提高3倍以上。 这种焊接技术已经被确定用于西气东输二线工程X80管线钢的焊接,并开始应用于海洋工程钢结构的根焊上。 如果钢板上涂有防锈漆,在电弧热的作用下,钢板上的底漆分解成H2、CO和金属蒸气,容易产生气孔。神钢已经开发了用于涂漆钢板焊接的金属粉型药芯焊丝,通过以下三个途径促进熔池中气体的浮起和逸出,防止在焊缝中形成气孔。 (a)降低焊缝金属的扩散氢含量;(b)适当降低熔渣的熔点和粘度,有利于熔池中气体的逸出;(c)减少造渣剂含量,随着造渣剂的减少,焊缝表面渣量减少,渣壳减薄,有利于气体逸出。 这种焊丝已广泛应用于造船、桥梁等行业。神钢的金属粉型药芯焊丝品种齐全,划分非常细致,其中又以490MPa级焊丝品种最多,且各具特色。在神钢的焊丝产品中,有15个490MPa强度等级的牌号,每种牌号对应的特征和使用条件各不相同,既有专门用于薄板、中板、厚板或涂漆板的焊丝,也有耐超声波探伤性能的焊丝,方便用户根据实际需要来选择最适合施工要求的产品。神钢生产的490MPa级金属粉型药芯焊丝汇总于表8。神钢除了490MPa级金属粉型药芯焊丝外,另有5类不同用途的金属粉型药芯焊丝,即耐大气/海水腐蚀钢、耐火钢、590~780高强度钢、低温钢和不锈钢用的金属粉芯焊丝,这些焊接材料的特征简介于表9。 金属粉型焊丝既有实心焊丝高的熔敷速度,又有药芯焊丝具备的良好的焊接工艺性能,飞溅小,烟尘量少,更适合于机械化、自动化焊接的发展需要。我国对金属粉型药芯焊丝的研究尚处于起步阶段,仅有 少数焊接材料生产厂家对这种材料进行了研究和生产。希望通过本文的介绍,有助于我国的焊接工作者重视这类有发展前途的焊接材料,开发出具有自主知识产权的金属粉型药芯焊丝,满足用户对新型焊接材料的使用要求。 5.适度开发无缝药芯焊丝: 无缝药芯焊丝与有缝药芯焊丝相比,具有下列优点:优良的对抗湿气的侵蚀能力;焊缝熔敷金属氢含量小于4ml/100g;即使在潮湿条件下存放后,也无需重新烘干;镀铜改善了焊丝的导电性能;焊丝不易变形,送丝顺畅(四轮送丝);无扭矩力,焊丝无扭曲;导丝管的磨损低。但是,无缝药芯焊丝也有不足之处,就是制造工艺较复杂,生产成本较高。因此,它只使用在对韧性有特别严格要求的结构,用量有限,不宜一哄而上。 STEIN公司可提供适合不同高强钢焊接所需的无缝药芯焊丝,这些药芯焊丝包括金属粉芯焊丝、金红石型或碱性药芯焊丝。金红石药芯焊丝主要用于屈服强度690MPa以下的结构钢焊接;对于更高屈服强度甚至达到1100MPa的钢材,主要选用金属粉芯焊丝;碱性焊丝主要用于韧性特别高的材料。无缝药芯焊丝已用于母材屈服强度690MPa、厚度达177mm的海上采油平台的桩腿焊接,也可用于X42~X120长输油、气管线钢的焊接。STEIN公司生产的部分无缝药芯焊丝性能分别列于表10、表11。 6.品种多样化: 以林肯等公司的自保护药芯焊丝为例,他们既有通用型的,可供各种钢结构焊接使用;也有立向下焊性能优良、专用于高强钢大口径管线焊接使用的。在供单道焊使用的药芯焊丝中,有焊薄板用的,也有适于焊渗铝钢用的NR-151和焊镀锌钢板用的NR-152。在用于焊接各种结构的焊丝中,有韧性或CTOD值高的焊丝NR-203系列,也有以熔敷效率高、熔深大见长的NR-311系列焊丝。在高强钢大口径管线用的自保护药芯焊丝中,既有用于根部焊道的NR-204-H,也有专用于填充及盖面的NR-207(H)、NR-208-H等焊丝。两者配套使用,更适于管线高效焊接的需要。 二、国外新型碳钢和低合金钢气保焊丝的开发动向 二十世纪后期以来,由于我国冶金设备和冶炼、轧制、热处理等冶金工艺的进步,特别是“纯洁化、微合金化和控轧控冷”等技术在各重点钢铁企业的推广,使各种用于钢结构焊接的钢材的焊接性更好,抗裂性能得到改善并可以采用大的热输入焊接。因而,在目前传统焊接技术框架内,全力追求自动化和高效化成了焊接技术发展的必然趋势。据专家预测, 到2020年,我国消费的焊接材料中,焊条所占比例可降至30%~35%,气保护实心焊丝可达35%~40%,药芯焊丝占14~17%,埋弧焊用焊丝和焊剂占11%~13%。 我国的焊材生产,除了适应焊接自动化和高效焊接的潮流而进行产品结构调整外,还必须认真学习、借鉴国外发展高效焊材的经验,加大新型气保焊用焊丝的开发力度。 下面简要介绍国外新型碳钢、低合金钢焊丝的相关开发动向。在药芯焊丝方面,“宽电流幅度”、“低烟尘低飞溅“、”快速焊“的发展方向值得重视。 从日本对使用焊接材料的各个领域所进行的调查看,对焊接工艺各方面的要求所占的比例分别为:降低飞溅占22.6%,降低烟尘占18.5%,改善抗气孔性占12.6%,改善脱渣性占13.0%,改善焊道形状占10.0%,提高熔化率占8.2%,机器人焊接的应用占12.6%等。为了满足这些方面的要求,他们进行了大量的研发工作,先后开发出了各种新型药芯焊丝。 在MAG焊接用药芯焊丝的开发与应用方面成效更显著,其核心产品是“全位置用氧化钛型药芯焊丝”,因为它具有“效率高”、“工艺性能优良”等特点,深受好评,在造船、桥梁等领域迅速普及。近年来,具有实心焊丝特征的“少熔渣”的金属粉型药芯焊丝在各行业中的普及也令人注目,已开发了抗气孔性能好的“角焊用金属粉型药芯焊丝”,为减少气孔的形成,抑制形成气孔的气体(H2、CO等)或使气泡便于浮起、逸出,宜尽量减少其熔渣数量另外,为了实现角焊的高速化,与抗气孔性好的专用金属粉型药芯焊丝相配合,采用了“双丝单熔池CO2焊接法”,通过单熔池化,熔池的凝固速度降低,使成为气孔源的气泡便于浮起和逸出,避免了气孔的形成,从而使高速焊接(约200cm/min)成为现实。 从“改善环境”考虑,大幅度降低焊接烟尘量及飞溅量的“低烟尘、低飞溅药芯焊丝”正在逐步开发并得以实用化。这种焊丝依靠稳弧剂的调整和降低焊丝含碳量,实现了低烟尘和低飞溅,目前各国已开发的各种碳钢及低合金钢焊丝简介如下。 (1)低烟尘低飞溅药芯焊丝 近年来各工业部门对改善工作环境给予了很大关注,各焊接现场正在考虑摆脱脏、累和危险的工作条件。为了满足这些商业需求,开发出了新型药芯焊丝,它在保留原有焊接工艺特性的同时,大幅度地降低了烟尘和飞溅的产生。新焊丝的发尘量比原焊丝减少了30%~35%,这对改善工作环境很有成效。其飞溅量也较原焊丝降低了35%~40%,这有效地减少了附着在焊枪喷嘴上的飞溅,为实现机器人化和自动化焊接解决了一大难题。在技术措施上主要是增加焊丝中钛的含量,降低焊丝中碳的含量,这对减少发尘量是有作用的。试验发现,带钢含碳量从0.08%降到0.01%,可使烟尘发生量减少25%。另外,增加药芯中低电离电位的碱性金属钾、钠等,有利于降低电弧温度,提高电弧稳定性,它对降尘和减少飞溅都有重要作用。如日本神钢开发成功的DW-Z(二氧化钛型)及MX-Z(金属粉型)系列药芯焊丝(见表12),其烟尘和飞溅量分别比原来DW及MX系列焊丝要低30%和35%左右。法国SAF公司也开发了牌号上加“Green”(绿色)的低发尘量药芯焊丝,如SAFDUAL GREEN 101,烟尘和飞溅量可降低30~50%。ESAB公司等外国著名焊材公司都有类似的低发尘量药芯焊丝产品。最近,美国HOBART公司开发了用于船舱内通风不良、狭窄空间焊接的烟尘中含Mn量极低的Element低锰药芯焊丝系列,有利于改善作业环境和焊工的健康。该焊丝的熔敷金属性能示于表13。 (2)抗气孔性好的药芯焊丝 在造船、桥梁等产品建造时,经常在坡口表面涂底漆涂层,以防在施工期间锈蚀。当采用药芯焊丝在这些部位焊接时,往往在填角焊缝中产生气孔或凹坑等,特别是在高焊接速度条件下更容易产生。在底漆涂层钢板上焊接时,底漆因电弧高温而分解产生低沸点金属蒸气或氢气、CO等,而这些气体扩散到熔融金属中且来不及逸出时,必然导致产生气孔。为了解决这一问题,增加药芯中氟化物的含量和减少造渣剂的数量都是有效的。氟化物的增加可以降低电弧气氛中氢的分压,抑制氢在熔融金属中的溶解;而造渣剂的减少,可有效地使已形成的气泡逸出到大气之中,故即使采用较高的焊接速度也可以有效地避免气孔的产生。神钢已开发出多种对无机锌底漆涂层及其它涂层钢板具有出优异的耐气孔性的药芯焊丝,如MX-Z210、DW-300、MX-A200焊丝等。当焊接速度更高时,可采用MX-200H高速角焊专用焊丝的双丝单熔池焊接技术,这种双丝焊接方法可有效降低熔池的凝固速度,使生成气孔的气体有条件释放出来。 (3)厚板用高焊透性药芯焊丝 过去焊接建筑钢架等厚板结构时,主要采用实心焊丝,而现在则逐步采用金属粉型药芯焊丝。和实心焊丝相比,它的优点是熔敷率高和飞溅减少,不足之处是焊透性较差,超声波探伤时合格率下降,故需要研制厚板用超声波探伤合格率高的金属粉型药芯焊丝。为了提高焊透性,增加药芯中氟化物的含量是有明显作用的,随着氟化物的增多,电弧吹力增大,从而产生更大的焊透深度。另外,在窄坡口和低焊速下焊接时,容易出现熔合不良现象,这可通过增加脱氧剂的量来提高熔化金属的粘度,使熔池相对稳定,改善坡口边缘的熔合性。采用上列措施开发出的药芯焊丝,在任何焊速下都能得到良好的焊透性,达到了同级实心焊丝的超声波探伤试验合格率,其焊透深度较改进前增加了1.5mm~2.0mm。 (4)立焊和仰焊性能更优良的药芯焊丝 立焊或仰焊时,容易因熔化金属烧穿而形成不良焊道形状,故这种焊接只有采用低电流进行。为了防止在高电流条件下引起熔化金属烧穿,通过增加熔渣量来加大熔化金属的抗力,再通过提高熔化金属和熔渣的粘度来确保焊道形状和稳定。增加脱氧剂可降低熔化金属的含氧量及增加其粘度;提高造渣剂中氧化铝的含量则可提高熔渣粘度和凝固点,从而增强熔化金属的表面张力。上述措施都能使焊接电流提高后不产生烧穿,改进了药芯焊丝的立焊和仰焊性能,熔敷率大约增加20%~30%,且由热变形引起的间隙允许范围也加宽。如神钢DW-100V药芯焊丝,可以在高电流下进行全位置的焊接,适用间隙范围大,1.2mm焊丝在立向上位置,280A焊接,适用的根部间隙可达6mm。这些特性的获得,为药芯焊丝在自动化焊接和机器人焊接等领域的应用奠定了基础,在半自动化焊接中也得到了高度评价。 (5)低温韧性良好的药芯焊丝 为深入了解钛和硼提高低温韧性的作用,将钛和硼的韧化机理简单介绍如下: 钛与氧有很强的亲和力。它参与先期脱氧来降低电弧气氛的氧化势,有利于降低焊缝金属中的含氧量。脱氧产物TiO2进入焊接熔渣,按照分配定律使少量的TiO2进入熔池之中。 如果它的量合适,将会起到针状铁素体形核核心的作用,使焊缝组织和韧性得到改善;但是,过多的量或过少的量都起不到这种有利作用。如果高温下有Ti原子溶解到熔滴之中,进入熔池之后它还能够与游离的N相结合,起到固氮作用。钛的韧化作用在于它的氧化物具有晶内形核作用,在焊缝中生成针状铁素体,使晶粒细化,从而提高焊缝金属韧性。 采用自保护药芯焊丝时,药芯中的铝含量高,在铝的保护下硼不发生氧化,而溶入焊缝金属,这时B可以与N形成BN,把游离的N固定,起到固氮效果,消除游离N引起的时效脆化。 硼的主