自保护药芯焊丝研究的现状

摘要: 介绍了自保护药芯焊丝的特点, 并指出加快自保护药芯焊丝研制的重要性和紧迫性. 阐述了国内外对自保护药芯焊丝焊缝气孔产生机理、焊缝脱渣以及各种微量元素对自保护药芯焊丝熔敷金属性能影响的研究现状.
关键词: 自保护药芯焊丝; 焊缝; 微量元素; 性能

0　引　　言
    自保护药芯焊丝代表了当今世界焊接材料发展的方向. 由于自保护药芯焊丝能实现现场焊接以及焊接自动化生产的双重目的, 国内外将其作为一种高效而且适合室外作业的新型焊接材料在不同位置, 不同强度级别钢材的焊接领域中广泛应用. 目前已应用于造船、化工、冶金建筑和机械制造工业部门, 以及钻井平台、石油管线、集装箱
焊接领域等[ 1 ].
1　自保护药芯焊丝研究的意义
    自保护药芯焊丝具有高效、优质、节能等特点, 自上世纪80 年代起在发达国家广泛应用, 但在我国的推广使用却较为缓慢. 究其原因是我国没有自己的国产自保护药芯焊丝产品, 要从日本、德国、美国进口, 价格昂贵, 因此推广受限. 在一些发达国家, 自保护药芯焊丝电弧焊正在成为一种重要的焊接方法. 到1990 年美国药芯焊丝已经占
焊接材料总量的21. 1% , 其中自保护药芯焊丝占5%. 日本自保护药芯焊丝占3% [ 2 ]. 在前苏联及IIW 成员国, 自保护药芯焊丝的应用也非常广泛.药芯焊丝与实芯焊丝的区别在于: 前者管内部有药芯. 药芯所起的作用和焊条药皮相似, 如:稳弧, 改善操作性能, 起保护作用; 添加合金成分,改善接头的力学性能. 因此药芯焊丝具备许多优点: (1) 生产效率高, 可以连续自动和半自动生产; (2) 熔敷速度高; (3) 焊缝截面大, 可以减少坡口角度, 节省熔敷金属; (4) 对焊缝有明显的冶金改善效果, 焊丝的工艺性能、力学性能好. 可以说药芯焊丝集焊条和实芯焊丝的优点于一身, 这是它迅猛发展的主要原因.自保护药芯焊丝除了具有药芯焊丝的特点外, 还具有以下优点: (1) 不需要外加保护气源,减少了焊枪的重量, 简化了结构, 更便于操作; (2)具有优良的抗风能力, 通常能在四级风的条件下顺利施焊; (3) 对装配尺寸要求不高; (4) 优良的抗锈能力; (5) 焊接工艺性能好, 引弧可靠, 自保护效果好, 电弧燃烧稳定, 焊缝成型美观; (6) 工艺适应性强, 与普通焊丝相比, 自保护药芯焊丝可以适用于各种焊接位置, 而且单面焊双面成型良好, 焊接质量易于保证; (7) 生产效率高, 与手工焊相比自保护药芯焊丝的许用I 焊大, 熔敷效率高. 如30 mm 厚的工件, 用NR 232. 直径1. 7 mm自保护药芯焊丝施焊, 仅需4 层即可以焊满, 而用E4303 直径4. 0 mm 焊条焊接, 至少要6～ 7 层才能完成.自保护药芯焊丝的生产率比手工焊条提高3～ 5 倍. 节省丢弃的焊条金属约12% , 节省电能40% , 可缩短施工周期[ 3～ 5 ]. 由此可见加速研制国产化的自保护药芯焊丝具有十分重要的意义.

2　自保护焊丝研究的现状及问题
    目前国内自保护药芯焊丝的研制遇到一些问题. 相对于气体保护药芯焊丝而言, 自保护焊丝熔敷金属的冲击韧性较低; 飞溅较大; 焊接烟尘较多, 另外焊缝气孔也是很棘手的问题之一. 国内有些研究单位的焊接材料专家在此方面做了大量的研究工作并取得了可喜的成果, 但对自保护药芯焊丝的研究的力度还尚欠缺, 对自保护焊丝在研制中遇到的有些问题还缺乏本质上的了解, 极大地影响了该焊丝在国内的开发和应用, 所以目前国内尚没有真正用于生产的自保护药芯焊丝.
3　自保护药芯焊丝研究的主要内容及方向
3. 1　自保护药芯焊丝熔化及熔滴过渡特性
    自保护药芯焊丝的熔化和熔滴过渡特性是反映焊丝工艺性能的重要指标. 焊接时,O 型截面的熔滴首先在金属外皮的个别部位形成、长大和过渡. 而后在金属外皮的其他部位重复上述过程. 结果是熔滴沿外皮的圆周期性地改变其位置, 不断地向熔池中过渡. 由于电弧在外侧燃烧, 导致药芯的熔化滞后于金属外皮, 有可能使药芯从金属外皮中突出形成锥型尖端. 这种状况不利于熔滴和药芯进行冶金反应, 还会使药芯成块脱落到熔池中. 采用复杂截面(如双层、多层折叠式等) 的药芯焊丝, 可在焊丝端部的截面内提供引弧点, 焊丝的溶化比较均匀, 但是制造工艺复杂, 成本高. 因为药芯焊丝的电流密度比实芯焊丝大, 药芯焊丝的熔化速度比实芯焊丝快. 因此在决定熔滴过渡受力时, 电弧力的作用明显增强. 熔滴尺寸通常是焊丝直径的0. 1～ 2 倍. 这取决于药芯的组成、焊丝截面形状、焊接工艺参数、焊接电源特性等因素.
表1 为渣系和截面形状对自保护药芯焊丝熔滴的影响.

表1　渣系和截面形状对自保护药芯焊丝熔滴尺寸的影响
焊丝直径öm m 熔滴尺寸ömm 渣系产地药芯焊丝截面形状
3. 0 1. 2～ 2. 0 CaF2   2CaCO 3 德国单折
3. 2 0. 2～ 1. 0 CaF2   2A l 日本双折
3. 2 0. 1～ 0. 8 CaF2   2A l 日本双折
2. 0 0. 5～ 1. 2 CaF2   2T iO 美国O 形
2. 8 1. 5～ 2. 0 CaF2   2T iO 22CaO 美国O 形

    由表1 可以看出, 截面形状越简单(O 形) , 熔滴尺寸越大. 药芯组成不同熔滴尺寸也不相同. 当焊接电流在I = 300～ 700 A 时, 钛型焊丝具有最小的熔滴尺寸(d = 1.25～ 1. 75 mm ) ; 铁粉型焊丝的熔滴尺寸次之(d = 1. 8～ 2. 3 mm ) ; 含有强脱氧剂CaF22CaCO 3 的焊丝熔滴尺寸最大(d = 2. 1～2. 4 mm ).
3. 2　自保护药芯焊丝焊缝气孔的形成原因及影响因素
    自保护药芯焊丝的研制首先遇到的问题也是最难解决的问题之一就是气孔, 气孔的敏感性很强, 并且用常规的方法很难控制. 魏琪等人对氧、氮、氢对自保护药芯焊丝焊缝气孔的影响进行了大量的研究工作, 发现焊丝熔敷金属中氧、氮、氢含量的多少对焊缝气孔的产生有重要的影响[ 6 ].为了确定自保护药芯焊丝焊缝气孔敏感性与熔敷
金属中氧、氮含量的关系, 在研究中进行了大量熔敷金属氧、氮含量的测试工作. 研究结果如下.
1) 自保护药芯焊丝熔敷金属中氧、氮含量越高, 焊缝气孔敏感性越强. 自保护药芯焊丝焊缝的气孔是由氧和氮引起的, 氧对气孔的产生具有加剧作用, 严格控制电弧气氛的氧化势, 最大限度地降低熔敷金属的氧含量, 是降低焊缝气孔敏感性的关键, 稀土和铝有极强的脱氧、脱氮和降低焊缝气孔敏感性的作用[ 7 ]. T i 含量较高的焊缝中, 非
金属夹杂物中具有较高T i 含量和较低A l 含量,从夹杂物线扫描结果可以看出; 夹杂物的外围包围着富T i 相, ES2Soun i[ 8 ] 证实这种富T i 相为T iN. 由于T i 可以与N 生成T iN 降低了N 的活度, 从而达到了降低焊缝气孔敏感性的目的.
2) 为了确定自保护药芯焊丝焊接时气孔的产生是否与扩散氢的含量有关, 采用排液法测定了若干焊丝的扩散氢含量, 研究结果表明扩散氢含量不是影响自保护药芯焊丝焊缝气孔的主要原因.
3) 研究发现自保护药芯焊丝焊缝所出现的气孔类型比较复杂, 可能是CO 和N 2 的混合气孔. 或既有CO 气孔和N 2 气孔, 又有CO 和N 2 的混合气孔.
3. 3　自保护药芯焊丝焊缝脱渣性的研究

    脱渣性是焊接材料工艺性能的重要指标之一, 改善脱渣性对于降低焊缝夹渣的可能性, 提高生产效率, 减轻工人的劳动强度都有重要意义. 自保护药芯焊丝因其具有高效、抗风的优点. 适合于野外作业的特点, 已经在工程实践中得到应用, 但是该产品坡口内脱渣困难的缺陷是客观存在的[ 9 ]. 张智等人根据对氟钙钛型自保护焊丝基础
配方的分析, 重点考察药芯中萤石, 金红石, 大理石, 铝镁合金和氧化镁对焊缝脱渣性的影响. 采用一次回归正交设计安排实验, 根据考察的因子数和交互作用项个数选定L 8 (27 ) 正交表, 研究表明:

1) 在药芯中适当增加A l2M g 合金含量, 一方面提高了药芯的脱氧能力, 减少了焊缝表面FeO 含量, 另一方面增加了渣的松脆度, 都有提高焊缝脱渣的作用. 因此, 药芯中脱氧剂铝镁合金是影响焊缝脱渣性的主要因素, 提高其合金含量将有助于钙钛型自保护药芯焊丝焊缝的脱渣.

2) 熔渣成分的碱度, 焊缝的脱渣性也是有很大影响的. 但是碱度与脱渣率之间为非线性关系.
3) 研究发现在渣中提高M gO 的比例, 降低CaO 的含量, 增大M gT iO 2 比例, 可以出现M gT iO 2的1 600 ℃共晶点, 减少粘渣物, 显著改善焊缝的脱渣性. 通过调整药芯中铝镁合金和金红石的比例, 使熔渣中M gO、T iO 2 控制在0. 3%～ 0. 37%的范围内, 将提高熔渣的透气性和松脆
度, 焊缝脱渣能力强.
3. 4　各种微量元素对自保护药芯焊丝熔敷金属性能的影响
    一般的自保护药芯焊丝的药芯中都加入了A l,A l2M g 等脱氧、固氮元素, 以降低熔敷金属的气孔敏感性, 但是却造成了熔敷金属的韧性值的降低, 使之无法应用到需要较高韧性的场合, 所以自保护药芯焊丝熔敷金属的韧性是该焊丝研制首要解决的问题. 试验了几种高BaF2 的渣系自保护药芯焊丝[ 10 ] , 试验研究证明:
1) 在高BaF2 的渣系中, 在T i 含量基本不变的情况下, 随B 含量的增加, 熔敷金属的韧性快速下降. 这说明B 含量过高, 会降低熔敷金属的韧性; B 含量较低时, 熔敷金属的韧性值得以增加. 但是当B 含量过低时, 韧性也不理想, 因此在T i 含量不变时, B 含量有一个最佳值. 微量元素T i,B 是改善高BaF2 渣系自保护药芯焊丝熔敷金属韧性的重要途径之一;
2) 药芯配方中的T i,B 加入量应适当配合,用B 来抑制先共析铁素体, 使之在较低温度下发生C2A相变, 用T i 来得到大量的相变核心, 使相变温度降低, 得到以针状铁素体为主的组织, 从而改善了熔敷金属的韧性;
3) 获得较高韧性时的T i,B 加入量较少, 且其适应范围较窄, 故应严格地限制, 同时T i,B 之间的比例要适当, 只有T i,B 含量适当时, 才有利于韧性的提高;
4) 铝有非常强的脱氧、脱氮作用, 随自保护药芯焊丝药芯中铝粉含量的增加, 熔敷金属中氧含量、氮含量和气孔敏感性明显下降;
5) 铝的残留量过多会使熔敷金属的韧性明显下降, 其影响机理主要有两个方面: 一是先共析铁素体的大量增加, 晶粒严重粗大; 二是形成大量的非金属夹渣物(主要是A lN ) 对金属的基体产生割裂作用;
6) 用含铝刚带作自保护药芯焊丝的外皮, 可改善焊丝的保护效果, 减少焊缝气孔的敏感性; 使熔敷金属中残留铝含量降低, 为改善熔敷金属的综合机械性能提供了有利条件[ 11 ].
    粟卓新等人有如下观点: (1) 自保护药芯焊丝高铝系熔敷金属的韧性可以通过添加微量B,Re 得以改善; (2) 研究结果表明高铝系熔敷金属的韧性和夹杂物特征参数关系较大而和夹杂物的化学成分关系较少, 尺寸在0. 4～ 0. 5 Lm 的夹杂物对韧性有利; (3) 高铝系熔敷金属韧化机理是:适量微量元素硼、稀土使熔敷金属获得特征参数适当的A l2O 3 这类夹杂物,A l2O 3 可以通过降低针状铁素体形核的能垒, 提高奥氏体中位错密度来诱发针状铁素体的形核, 起到传统M n2Si 系中T i2B 系韧化作用[ 2 ].
    胡强等人通过大量的试验得出结论: (1) 自保护药芯焊丝中加入稀土元素或稀土合金可降低熔敷金属中的含氧量及气孔敏感性, 但对熔敷金属中的含氮量影响则不明显; (2) 适量的稀土元素可以改善焊缝金属组织的形态, 细化晶粒.
4　结束语
    从目前自保护药芯焊丝的研究现状来看, 自保护药芯焊丝熔滴的过渡形式、熔敷金属成分的控制、韧性的提高及保护机理等问题尚未搞清楚.例如熔敷金属中各种合金元素含量在什么范围可以使熔敷金属的韧性最好; 自保护焊丝的成分、熔敷金属的成分、金相组织、力学性能之间的关系.气、渣、合金元素三种保护形式哪一种更好, 如何
控制和改善熔滴的过渡形式都没有涉及到. 因此以下四个方向应该是今后研究的重点.
1) 自保护药芯焊丝的气、渣、合金元素联合保护机理及控制.
2) 不同渣系、不同焊丝截面的药芯焊丝熔滴过渡规律及对焊接工艺性能的影响.
3) 熔渣的高温物化性质、结构对脱渣性能的影响.
4) 合金元素含量对熔敷金属各种力学性能的影响.