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药芯焊丝电孤焊

2014-9-17 13:35:44      点击:

1概述

药芯焊丝是继焊条、实芯焊丝之后广泛应用的又一类焊接材料,它是由金属外皮和芯部药粉两部分构成的。使用药芯焊丝作为填充金属的各种电弧焊方法统称为药芯焊丝电弧焊。通常用英文简称FCAWFlux-Cored Arc Welding)表示。有三种焊接形式:一种是焊接过程中使用外加保护气体(一般是纯CO2CO2+Ar)的焊接,称药芯焊丝气体保护焊,它与普通熔化极气体保护焊基本相同;另外一种是不用外加保护气体,只依靠焊丝内部的药芯燃烧与分解产生的气体和渣作保护的焊接,称自保护电弧焊,自保护电弧焊与焊条电弧焊相似,不同的是使用盘状的焊丝,连续不断地送到电弧中;第三种是用于埋弧焊,与焊剂配合使用。

药芯焊丝是继焊条、实芯焊丝之后广泛应用的又一类焊接材料,它是由金属外皮和芯部药粉两部分构成的。使用药芯焊丝作为填充金属的各种电弧焊方法统称为药芯焊丝电弧焊。通常用英文简称FCAWFlux-Cored Arc Welding)表示。

1.1药芯焊丝的发展

药芯焊丝最早出现在20世纪20年代的美国和德国。但真正大量应用于工业生产是在50年代,特别是6070年代以后,随着细直径(φ2.0mm以下)全位置药芯焊丝的出现,药芯焊丝进入高速发展阶段。近几年发达国家药芯焊丝的用量约占焊接材料总量的20%~30%,且仍处在稳步上升阶段。焊条、实芯焊丝、药芯焊丝3大类焊接材料中,焊条年消耗量呈逐年下降趋势,实芯焊丝年消耗量进入平稳发展阶段,而药芯焊丝无论是在品种、规格还是在用量等各方面仍具有很大的发展空间。

我国在60年代开始有关药芯焊丝的相关技术以及制造设备的研究。80年代初,国内一些重大工程项目开始大量使用药芯焊丝(几乎全部为国外产品),对药芯焊丝的推广使用起到了推动作用。80年代中期,我国开始引进药芯焊丝生产线以及产品配方,90年代初期,国产药芯焊丝生产线也具备了批量生产的能力。近年来,国内药芯焊丝年消耗量接近万吨,占焊接材料总量的1%左右。但国产药芯焊丝年产量仅2000t左右,不足焊材总产量的0.3%。国产药芯焊丝无论是在品种还是产量都不能满足国内目前市场的需求。然而从近几年国产药芯焊丝的发展趋势可以看出,国产药芯焊丝及其相关技术已经成熟,今后几年我国的药芯焊丝技术及应用也将进入高速发展阶段。

总之,药芯焊丝以其明显的技术和经济方面的优势将逐步成为焊接材料的主导产品,是21世纪最具发展前景的高技术焊接材料。

1.2药芯焊丝的分类

药芯焊丝目前尚无统一的分类方法,一般公认的分类方法如下:

l)按横截面形状分 药芯焊丝的横截面形状可分为简单O形截面和复杂截面两大类(见图l)。

O形截面的药芯焊丝又分为有缝和无缝药芯焊丝。有缝O形截面药芯焊丝又有对接O形和搭接O形之分。药芯焊丝直径在2.0 mm以下的细丝多采用简单O形截面,且以有 O形为主。此类焊丝截面形状简单,易于加工,生产成本低,因而具有价格优势。无缝药芯焊丝制造工艺复杂,设备投入大,生产成本高;但无缝药芯焊丝成品丝可进行镀铜处理,焊丝保管过程中的防潮性能以及焊接过程中的导电性均优于有缝药芯焊丝。细直径的药芯焊丝主要用于结构件的焊接。

药芯焊丝截面形状示意图

复杂截面主要有:T形、E形、梅花形和双层形等截面形状。复杂截面形状主要应用于直径在2.0mm以上的粗丝。采用复杂截面形状的药芯焊丝,因金属外皮进入到焊丝芯部,一方面对于改善熔滴过渡、减少飞溅、提高电弧稳定性是有利的;另一方面焊丝的挺度较O形截面药芯焊丝好,在送丝轮压力作用下焊丝截面形状的变化较O形截面小,对于提高焊接过程中送丝稳定性是有利的。复杂截面形状在提高药芯焊丝焊接过程稳定性方面的优势,粗直径的药芯焊丝显得尤为突出。随着药芯焊丝直径减小,焊接过程中电流密度的增加,药芯焊丝截面形状对焊接过程稳定性的影响将减小。焊丝越细,截面形状在影响焊接过程稳定性诸多因素中所占比重越小。粗直径药芯焊丝全位置焊接适应性较差,多用于平焊、平角焊。特别是φ3.0mm以上的粗丝主要应用于堆焊方面。

2)按保护方式分 根据焊接过程中外加的保护方式,药芯焊丝可分为气体保护焊用、埋弧焊用药芯焊丝及自保护药芯焊丝。

气体保护焊用药芯焊丝根据保护气体的种类可细分为:CO2气体保护焊、熔化极惰性气体保护焊、混合气体保护以及钨极氩弧焊用药芯焊丝。与实心焊丝气体保护焊的主要区别是所用的焊丝构造不同。药芯焊丝是在焊丝内部装有焊剂或金属粉末状混合物,焊接时(见下图),在电弧热的作用下熔化状态的芯料、焊丝金属、母材金属盒保护气体相互之间发生冶金作用,同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池,对熔化金属构成又一层保护。所以实质上这是一种气渣联合保护的焊接方法。其中CO2气体保护焊药芯焊丝主要用于结构件的焊接制造,其用量大大超过其他种类气体保护焊用药芯焊丝。由于不同种类的保护气体在焊接冶金反应过程中的表现行为是不同的,为此药芯焊丝在粉芯中所采用的冶金处理方式以及程度也不是相同的。因此,尽管被焊金属相同,不同种类气体保护焊用药芯焊丝原则上讲是不能相互代用的。

药芯焊丝气体保护焊示意图

埋弧焊用药芯焊丝主要应用于表面堆焊。由于药芯焊丝制造工艺较实芯焊丝复杂、生产成本较高,因此普通结构除特殊需求外一般不采用药芯焊丝埋弧焊。但对于高强钢药芯焊丝与实芯焊丝生产成本较接近,合金含量较高的药芯焊丝生产成本甚至低于实芯焊丝,而某些成分的材料要制成实芯丝是十分困难的。埋弧焊用药芯焊丝多数情况下不需要配合选用专用焊剂,普通熔炼焊剂(例:HJ431HJ260)可满足一般使用要求。焊接金属中合金元素的过渡、化学成分的调整可方便地通过调整粉芯配方来实现。另一方面,尽管成分上无特殊要求,但药芯焊丝也可小批量生产供货(几百公斤甚至几十公斤)。药芯焊丝的上述优点在表面堆焊应用中显得十分突出。

自保护药芯焊丝是在焊接过程中不需要外加保护气或焊剂的一类焊丝(见图3)。通过焊丝芯部药粉中造渣剂、造气剂在电弧高温作用下产生的气、渣对熔滴和熔池进行保护。与气保护药芯焊丝比较其突出的特点是在施焊过程中该类焊丝有较强的抗风能力,特别适合于远离中心城市、交通运输较困难的野外工程。因此在石油、建筑、冶金等行业得到广泛应用。但由于造气剂、造渣剂包敷在金属外皮内部,所产生的气、渣对熔滴(特别是焊丝端部的熔滴)的保护效果较差,焊缝金属的韧性稍差。随着科学技术的不断进步,特别是近几年高韧性自保护药芯焊丝的出现,对于一般结构甚至一些较为重要的结构,自保护药芯焊丝已完全可以满足结构对焊接材料的要求。另外,该类焊丝在焊接过程中会产生大量的烟尘,一般不适用于室内施焊,户外应用时也应注意通风。

自保护药芯焊丝焊接示意图

3)按金属外皮所用材料分 药芯焊丝金属外皮所用材料有:低碳钢、不锈钢以及镍。

低碳钢其加工性能优良,是药芯焊丝首选外皮材料。目前药芯焊丝产品中大部分都采用低碳钢外皮。即便是不锈钢系列药芯焊丝,某些产品也选用低碳钢外皮,通过粉芯加入铬、镍等合金元素,经焊接过程中的冶金反应最后形成不锈钢焊缝。

由于受加粉系数(单位重量焊丝中药粉所占比例)的制约,生产合金含量较高的药芯焊丝时采用低碳钢外皮制造难度很大。对于高合金钢以及合金,是几乎不能实现用低碳钢外皮制成其药芯焊丝的。对于铬镍含量较高的高合金钢,可采用不锈钢作为外皮材料制造药芯焊丝。而对于镍基合金,可采用纯镍作为外皮材料制造药芯焊丝。当然,用后两种材料制造药芯焊丝时对生产设备也有不同的要求。

除上述3种材料外,在焊接以外其他用途中,也有采用其他外皮材料制造粉芯丝。例如选用铝及铝合金作为外皮制造喷涂用粉芯丝。

4)按芯部药粉类型分 药芯焊丝可分为有渣型和无渣型。无渣型又称为金属粉芯焊丝,主要用于埋弧焊,高速CO2气体保护焊药芯焊丝也多为金属粉型。有渣型药芯焊丝按熔渣的碱度分为酸性渣和碱性渣两类。目前用量较大的CO2气体保护焊药芯焊丝多为钛型(酸性)渣系,自保护药芯焊丝多采用高氟化物〔弱碱性〕渣系。

应当指出,酸、碱性渣系药芯焊丝熔敷金属含氢量的差别远小于酸、碱性焊条,酸性渣系药芯焊丝熔敷金属含氢量可以达到低氢型(碱性)焊条标推(<8mL/100g)。钛型渣系药芯焊丝熔敦金属不仅含氢量可以达到低氢,而且其力学性能也可以达到高韧性。近年来,国内外某些重要焊接结构(如球罐)工程中,就选用钛型渣系CO2气体保护焊药芯焊丝作为焊接材料。当然碱性渣系药芯焊丝在熔敷金属含氢量方面仍占有一定的优势,可以达到超低氢焊条的水平( <3mL100g),但其在焊接工艺性能方面仍与钛型渣系药芯焊丝有较大的差距。由于药芯焊丝与焊条的加工工艺差别较大,粉芯与焊条药皮配方设计、原材料的选择也有很大差别,因此建立在焊条熔渣理论基础上的某些经验不能简单地套用在药芯焊丝的选择原则中。

5)按用途分 药芯焊丝按被焊钢种可分为:

低碳、低合金钢用药芯焊丝

低合金高强钢用药芯焊丝

低温钢用药芯焊丝

耐热钢用药芯焊丝

不锈钢用药芯焊丝

镍及镍合金用药芯焊丝

药芯焊丝按被焊结构类型可分为:

一般结构用药芯焊丝

船用药芯焊丝

锅炉、压力容器用药芯焊丝

硬面堆焊用药芯焊丝

药芯焊丝按焊接方法可分为:

CO2气体保护焊用药芯焊丝

TIG焊用药芯焊丝

MIG焊、混合气体保护焊用药芯焊丝

自保护焊药芯焊丝

热喷涂用粉芯线材


1.3药芯焊丝的特点

药芯焊丝是在结合焊条的优良工艺性能和实芯焊丝的高效率自动焊的基础上产生的一类新型焊接材料。较为公认的优点如下:

l)焊接工艺性能好 在电弧高温作用下,芯部各种物质产生造气、造渣以及一系列冶金反应,对熔滴过渡形态、熔渣表面张力等物理性能产生影响,明显地改善了焊接工艺性能。即使采用CO2气体保护焊,也可实现熔滴的喷射过渡,可做到无飞溅和全位置焊接。且焊道成型美观。

2)熔敷速度快、生产效率高 药芯焊丝可进行连续地自动、半自动焊接。焊接时,电流通过很薄的金属外皮,其电流密度较高,熔化速度快。熔敷速度明显高于焊条,并略高于实芯焊丝(见图4)。生产效率约为焊条电弧焊的34倍。

药芯焊丝、实心焊丝和焊条电弧焊的焊接速度比较

3)合金系统调整方便 药芯焊丝可以通过金属外皮和药芯两种途径调整熔敷金属的化学成分。特别是通过改变药芯焊丝中的填充成分,可获得各种不同渣系、合金系的药芯焊丝以满足各种需求。该优点对于低合金高强度钢焊接的优势是实芯焊丝无法比拟的。

4)能耗低 在电弧焊过程中,连续地生产使得焊机空载损耗大为减少;较大的电流密度,增加了电阻热,提高了热源利用率。这两者使药芯焊丝能源有效利用率提高,可节能20%~30%。

5)综合成本低 焊接生产的总成本应由焊接材料、辅助材料、人工费用、能源消耗、生产效率、熔敷金属表面填充量等多项指标综合构成。焊接相同厚度(中厚板以上)的钢板,单位长度焊缝其综合成本药芯焊丝明显低于焊条,且略低于实芯焊丝。使用药芯焊丝经济效益是非常显著的。

总之,药芯焊丝是一种高效节能的新型焊接材料。但也有其不足,主要如下:

l)制造设备复杂 无论用何种工艺生产药芯焊丝,其设备的复杂程度,在加工精度、控制精度、设备高技术含量、操作人员素质等多方面的要求,均高于另两类焊接材料的生产设备。药芯焊丝的生产设备的一次性投入费用高。

2)制造工艺技术要求高 药芯焊丝生产工艺的复杂程度,远大于焊条和实芯焊丝的生产。合格的药芯焊丝产品除了精良的制造设备、优良的内在质量的药粉配方技术,另一关键则在于制造工艺。目前,国内许多药芯焊丝制造厂家的产品质量、批量上的差距,其原因还是在制造工艺方面尚不过关。

3)成品丝的防潮保管 除了无缝药芯焊丝外表面可镀铜外,药芯焊丝在防潮保管方面比另两类焊材要求高。从防潮性能方面药芯焊丝不如镀铜实芯焊丝抗潮性好。从受潮后通过烘干,恢复其性能方面分析,药芯焊丝不如焊条,受潮较重的药芯焊丝,或是无法烘干(塑料盘),或是烘干效果不理想,基本上不能使用。在防潮保管问题上,一方面生产厂商在药芯焊丝包装上要给予充分重视,采取相应的技术措施;另一方面建议使用单位不要长期大量保存药芯焊丝。目前现有的常规防潮包装可保证药芯焊丝在半年至一年内基本符合出厂时的技术要求。因此使用单位应根据生产实际情况组织进货,减少库存。

2.药芯焊丝气体保护焊的焊接操作

药芯焊丝气体保护焊和实心焊丝的气体保护焊基本相似。半自动焊时,焊枪所处的位置(或焊丝角度)及其运动,均有手工操作

下图给出了对接焊缝和标准角焊缝在平焊和横焊位置是,焊枪的一般操作位置(角度)。也分前倾焊法和后倾焊法,前者可获得较大的熔深和稍高的焊缝凸起,可用于厚板焊接;后倾焊法对焊接薄板有利,因熔深浅,热输入小,钴焊接变形小,余高不大。在焊接标准角焊缝时,焊丝指向略偏向水平板可获得相等焊角尺寸的焊缝,且防止凹陷。

药芯焊丝气体保护电弧焊对缝和角缝平焊与横焊焊枪的位置

立焊位置如下图所示。

药芯焊丝气体保护电弧焊立焊位置操作要领

有立向上焊合立向下焊两种焊法。立向下焊法通常用于薄板焊接,因其热输入小。细直径酸性药芯焊丝(全位置型)经常用于立焊,因它具有良好的射流过渡性能。

药芯焊丝CO2焊接碳钢的典型工艺参数(保护气体流量为17L/min

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