MAG焊的工艺性能及焊丝的研发与应用

cored wires）CO2 焊接实质为气 - 渣联合保护，药 芯焊丝中药芯的成分和手工电弧焊焊条药皮的成
别予以介绍。
分相似，有稳弧剂、造渣剂、脱氧剂及渗合金剂等，
3. 1 无镀铜实芯焊丝的开发与应用研究
其作用和焊条药皮相同［2］。药芯焊丝中的药芯，
日本在进入 21 世纪后，对 MAG 焊及 CO2 焊 所用实芯焊丝的研究集中在无镀铜焊丝的开发、 应用及基础研究方面［12 - 13］。研究开发单位为日 本著名的焊接材料生产商———神户制钢与住友金 属工 业 股 份 有 限 公 司，现 均 能 为 用 户 供 应 系 列 MAG 焊及 CO2 焊用无镀铜实芯焊丝产品［14 - 16］。 焊丝镀铜的主要目的在于利于导电嘴馈电、防锈 并确保制 造 过 程 中 的 线 材 延 伸 性［14］。 传 统 镀 铜 实芯焊丝有两大缺点：一是在采用电化学方法镀 铜过程中，产生有害的废液且消耗电能，不利于环 保［14］；二是焊接时，铜屑残留于导丝管中，增加送 丝阻力，恶化送丝性能［11，14］。
（2）成型差 短路过渡 CO2 焊接工艺的又一 明显缺点是成型差。具体表现在：焊道凸起（ 余 高超标）且 狭 窄，熔 深 浅 而 不 适 于 中、厚 板，有 时 伴有未熔合［4］或咬边现象（ 如角焊缝）。由于短 路过渡的能量分配具有如下特点，即在短路过渡
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焊管
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的一个周期中，短路电流的能量在短路期间大部 分传输给焊丝的伸出部分，对熔深没有贡献，只有 在燃弧期间，电弧的大部分热量才输入工件，并形 成一定的 熔 深［1］，所 以，焊 缝 成 型 差 的 原 因 在 于 周期性的短路过程降低了电弧对母材的热输入， 即燃弧能量偏低，母材熔化不足，使熔滴过渡后对 熔池的润湿及铺展程度不理想。
第 29 卷第 1 期
张贵锋等：CO2 焊和 MAG 焊的工艺性能及焊丝的研发与应用
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低，质量的改进，纯 CO2 气体 + 药芯焊丝工艺的 应用将 越 来 越 多。有 条 件 时，应 积 极 使 用 脉 冲
嘴馈电稳定%焊丝熔化稳定%熔滴过渡规则。熔 滴细小的原因在于无镀铜后，氧易侵入熔滴，使熔
2001 年和 2002 年日本焊接材料的产量统计情况 （ TIG 焊丝及其它除外）［12 - 13］，可见药芯焊丝的产
量已远远大于焊条与埋弧焊焊丝的产量，约占焊
材总量的 1 / 3，仅次于实芯焊丝的产量。故在此
对药芯焊丝予以适当介绍。
表 1 日本 2001 ～ 2002 年焊接材料产量统计 × 104 t
采用 Ar + CO2 混合气体焊接碳钢和低合金
钢，不仅工艺效果好（ 飞溅比采用纯 CO2 焊少得 多并改善 焊 缝 成 型 ），而 且 可 以 提 高 焊 缝 金 属 的 冲击韧性。因此，尽管 MAG 焊成本较纯 CO2 焊 高，但在中、厚板及重要结构对焊缝质量要求（ 如 韧性、外观等）较高的情况下，应用趋于普遍。 2. 2 MAG 焊工艺的应用
CO2 焊接工艺的突出优点是气体成本低（ 如 西安地区，CO2 气体市售价约为 20 元 / 瓶，而氩气 的市售价约为 90 元 / 瓶），并尤为适于薄件的焊 接（ 因为采用短路过渡降低了电弧对母材的热输 入），其次，具 有 一 般 熔 化 极 气 体 保 护 焊 的 优 点， 诸如生产效率高、明弧、无渣、节能等，此外，抗锈 能力强，焊缝含氢量低［1 - 2］。
年度 2001 2002
总量 31. 9 29. 6
实芯焊丝 12. 5 11. 8
药芯焊丝 9. 5 Байду номын сангаас. 9
焊条 5. 7 5. 2
埋弧焊丝 4. 2 3. 7
下［14］：在接触 电 阻 与 馈 电 特 性 方 面，传 统 镀 铜 实 芯焊 丝 的 接 触 电 阻 在 不 同 区 域 或 很 低、或 较 高
1. 3 CO2 焊接工艺的缺点 （1）飞溅多 短路过渡时产生飞溅的主要原
因在于：①在冶金反应方面，熔滴和熔池内的碳在 高温下被氧化生成 CO 气体，随温度升高。若液 体金属内部的 CO 外逸受阻，则气体急剧膨胀将 引起大量的细颗粒金属飞溅［2］；②在熔滴刚与熔 池接触形成短路的初期，由于此时的电磁收缩力 阻碍熔滴过渡［3 - 5］，再加之局部短路接触处较大 电流密度的迅速加热作用，使熔滴在力和热的共 同作用下产生飞溅；③在短路末期液桥缩颈处破 断的前夕，极大的瞬间电流密度的热效应将导致 飞溅（ 此时的电磁收缩力有利于液桥断开并促进 熔滴过渡 ）；④ 电 弧 再 引 燃 时，使 周 围 气 体 膨 胀， 从而冲击熔池，也会产生飞溅［1，5 - 6］。高速摄影表 明，大 部 分 飞 溅 发 生 在 短 路 末 期 液 桥 破 断 的 瞬 间［3］。
经特殊表面处理的无镀铜实芯焊丝在馈电性 能、送丝阻力、电弧稳定性、减少飞溅与烟尘方面 均优 于 传 统 镀 铜 实 芯 焊 丝，其 相 关 原 因 简 介 如
为 人 们 提 供 了 一 条 除 焊 丝 外，可 人 为 干 预、调 控
CO2 焊过程中冶金反应的新的可行途径，通过调 控药芯焊丝的成分，使 CO2 焊工艺得以优化并扩 大了 CO2 焊 工 艺 的 应 用 范 围。 日 本 工 业 标 准 （ JIS）将药芯焊丝的药芯类型分为 4 种：TiO2 系 （ R）、碱系（ B）、金属系（ M）及其它系［17］。表 1 为
由于 MAG 焊比纯 CO2 焊具有能减少飞溅、 提高冲击韧性、改善成型的显著优点，故在可靠性 要求高的行业或领域，MAG 焊的应用呈现出愈来 愈多的趋势。下面列举管线钢及汽车行业的几个 应用实例来说明上述工艺方面的发展变化。
文献［ 9 ］介 绍，在 我 国 国 家 级 重 点 工 程 西 气 东输的熔化极（ 实芯焊丝）全自动焊工艺中，共采 用了两种工艺。对 Ф1 016 mm × 14. 6 mm 规格，开 X 型坡口，焊接工艺为内焊机根焊 + 外焊机填充、 盖面，所 有 焊 道 均 采 用（ Ar + CO2 ）组 成 的 富 氩 MAG 焊，根焊、填充、盖面时的 Ar 气含量分别为： 80% 、40% 、70% 。对 Ф1 016 mm × 17. 5 mm 规格， 开 V 型坡口，焊接工艺为 STT 半自动焊机外根焊 + 外焊机填充、盖面，其中除打底根焊用 STT 电 源 + 纯 CO2 焊工艺外，其余焊道均采用 MAG 焊， 气体配比同上。
MAG 电源，以进一步提高焊速，改善过渡［11］。
滴表面张力减小；飞溅小的原因在于导电嘴馈电
稳定；烟尘小的原因在于熔滴过渡规则性好且熔
3 日本焊丝的开发与应用进展
滴细小使金属蒸气的喷出量减小。
3. 2 一种特殊药芯焊丝的开发与应用研究
自 1999 年至 2001 年短短的三年间，日本在
这种特殊的焊丝为焊后去应力回火钢材用无
由于实芯焊丝 + CO2 焊有焊接飞溅多、焊缝 成型差等难于克服的缺点，西方国家不大提倡用 实芯焊丝 + CO2 焊，尤其在中、厚板构件和重要结 构件的焊接中，甚至禁用实芯焊丝 + CO2 焊，而大 量采用的是 Ar + CO2 或 Ar + CO2 + O2 三元系混 合气体保护焊（ MAG）。
采用 Ar + CO2 混合气体焊接能改变纯 CO2 焊接电弧形态，使电弧扩张，弧根上移，并将因此 而改变熔滴的过渡形式。如 80% Ar + 20% CO2 的混合气体电弧焊中熔滴过渡形式为射滴过 渡［8］，已非纯 CO2 焊接情况下的短路过渡。这种 电弧形态与熔滴过渡形式的改变十分有利于减小 飞溅和改善焊缝成型。另一方面，在 Ar 气中加入 CO2 及 O2 会使保护气体具有氧化性，但混合气体 中含氧量相对纯 CO2 保护焊要低，从而提高了焊 缝金属的冲击韧性。
综上所述，对薄板及要求不高的构件可用纯 CO2 焊；对中、厚板及对焊缝质量要求（ 如韧性、外 观等）较高的重要构件，推荐采用以下两种工艺： 一是纯 CO2 气体 + 药芯焊丝；二是 Ar + CO2 组成 的富氩混合气体 + 实芯焊丝。这两种组合既满足 较高要求，又较为经济。实际制定工艺时，应根据 对焊接接头的性能要求、焊丝与保护气体的供货 条件、经济性等多种因素，经试验后进一步优选。 目前的应用文献报道中，以（80% Ar + 20% CO2 ） 的富氩混合气体 + 实芯焊丝配比情况较多（ 与药 芯焊丝相比无须清渣）。随着药芯焊丝价格的降
日本 NKK（ 日本钢管公司）的研究人员［10］在 管线钢环缝的全位置焊接中采用的工艺也为单面 MAG 焊工艺，其气体配比为 Ar: CO2 = 1 : 1。这种 配比在用短路过渡进行立焊和仰焊时，有利于控 制熔池［1］。
日本丰田 汽 车 公 司 的 研 究 人 员［11］为 提 高 焊 接质量和焊接速度，采用了脉冲富氩 MAG 焊工 艺，混合气体的配比为 80% Ar + 20% CO2 。 2. 3 推荐工艺
1 CO2 焊接工艺及其优缺点
1. 1 CO2 焊接工艺 CO2 气体保护焊是 20 世纪 50 年代初期发展
起来的一种熔化极气体保护焊方法［1 - 2］。典型的 CO2 焊接工艺可概括为：实芯细焊丝配等速送丝 系统与平外特性电源、焊丝须含有脱氧剂（ 如硅、 锰联合脱氧等，以减少飞溅、CO 气孔和焊缝含氧 量）、直流反接、短路过渡。应用场合为薄件碳钢 或薄件低合金钢的焊接。从调节原理方面讲，通 过调节送丝速度来调节焊接电流，通过调节电源 外特性调节电弧电压，也可采取一元化调节方式。 1. 2 CO2 焊接工艺的优点
焊丝研究开发与应用方面有三项研究相继获得日 再热裂纹全位置药芯焊丝。
本溶接学会的奖励，它们分别是：无镀铜实芯焊丝 的开发与应用研究、焊后去应力回火钢材用无裂
药芯焊丝电弧焊（ FCAW：flux cored arc welding）最初报道于 1960 年［7］。药芯焊丝（ FCW：flux
纹（ 再热裂纹）全位置药芯焊丝的开发与应用研 究、低相变温度焊丝的开发与应用研究。下面分
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CO2 焊和 MAG 焊的工艺性能及 焊丝的研发与应用
张贵锋，张建勋，裴 怡
（ 西安交通大学 焊接研究所，西安 710049）
摘 要：通过 CO2 气体保护焊和混合气体保护焊（ MAG）工艺性能的对比，强调 MAG 焊在减 少熔滴过渡过程中的飞溅、改善焊缝成型、提高焊缝金属冲击韧性方面优于 CO2 焊接工艺。 列举了 MAG 焊在重要构件如管线钢管等焊接方面的应用实例，提出：对薄板及要求不高的构 件可采用纯 CO2 焊；对中、厚板及对焊缝质量要求（ 如韧性、外观等）较高的重要构件，推荐采 用纯 CO2 气体 + 药芯焊丝或富氩（ Ar + CO2 ）混合气体 + 实芯焊丝两种工艺；有条件的情况下 应积极使用脉冲 MAG 电源，以进一步提高焊速，改善过渡。同时重点介绍了日本近年关于焊 丝开发（ 无镀铜实芯焊丝、焊后去应力回火钢材用无再热裂纹全位置药芯焊丝、低相变温度焊 丝）与应用方面的研究成果。 关键词：CO2 焊；MAG 焊；无镀铜实芯焊丝；全位置药芯焊丝；低相变温度（LTT）焊丝 中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1001- 3938（2006）01 - 0011- 05
（3）焊缝冲击韧性差 CO2 是一种较重的气 体，所 以 能 很 好 地 覆 盖 焊 接 区，但 在 燃 弧 区 约 有 7. 5% 的 CO2 分解为 CO 和 O2［7］。电弧气氛具有 较强的氧化性，这将增加焊缝金属的含氧量而使 焊缝冲击韧性变差。
2 MAG 焊接工艺研究与应用
可以概括地说，MAG 焊接工艺的研究是围绕 着如何改进上述三项 CO2 焊接工艺的缺点进行 的，所 采 取 的 途 径 无 非 是 从 焊 接 电 源、焊 接 材 料 （ 特指焊丝）、焊接工艺（ 特指气体配比）入手。例 如，为减少飞溅可采取三项措施：一是采用动特性 好的波控电源，如表面张力过渡控制电源，也可采 用脉冲电源等；二是采用药芯焊丝；三是采用混合 气体。本文将分别介绍焊接工艺、焊接材料、焊接 电源三方面国内外的研究与应用进展。 2. 1 CO2 焊工艺与 MAG 焊工艺的比较