自保护药芯焊丝研究的现状

第26卷　第6期2002年12月

武汉理工大学学报(交通科学

与工程版

)

Jou rnal of W uhan U n iversity of T echno logy

(T ran spo rtati on Science&Engineering)

V o l.26　N o.6

D ec.2002

自保护药芯焊丝研究的现状

①

　温家伶　王　强　陈明清 程　林　吕奎清　叶元国(武汉理工大学材料科学与工程学院　武汉　430063)　(国营武汉船用机械厂　武汉　430084)

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

中图法分类号:T G422.3

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II W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30mm厚的工件,用N R232.直径1.7mm 自保护药芯焊丝施焊,仅需4层即可以焊满,而用E4303直径4.0mm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.

①收稿日期:20020828

温家伶:男,47岁,副教授,主要研究领域为新型焊接材料、焊接材料设计专家系统、材料的表面改性

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 mm熔滴尺寸 mm渣 系产地药芯焊丝截面形状

3.01.2～2.0CaF22CaCO3德国单折

3.20.2～1.0CaF22A l日本双折

3.20.1～0.8CaF22A l日本双折

2.00.5～1.2CaF22T i O美国O形

2.81.5～2.0CaF22T i O22CaO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=300～700A时,钛型焊丝具有最小的熔滴尺寸(d=1.25～1.75mm);铁粉型焊丝的熔滴尺寸次之(d=1.8～2.3mm);含有强脱氧剂CaF22CaCO3的焊丝熔滴尺寸最大(d=2.1～

2.4mm).

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 i N.由于T i可以与N生成T i N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N2的混合气孔.或既有CO气孔和N2气孔,又有CO和N2的

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