药芯焊丝生产工艺及设备的国内外进展

药芯焊丝生产工艺及设备的国内外进展

陈邦固　王秀文 刘继元　冯灵芝　陈洪霖

天津大学(300072) 天津市三英焊业有限责任公司

摘要 通过对国内外近几十年药芯焊丝生产工艺和设备专利资料的分析和对国内、外生产装备的考查调研,结合近十年来对药芯焊丝的研究、开发和生产实践,深刻认识到发展药芯焊丝产业是一项系统工程,仅就其纯技术问题而言又包括设备、工艺和配方三个互相联系的组成部分,设备和工艺对于药芯焊丝的品种和质量有至关重要的作用。

本文试图较系统地综述药芯焊丝生产工艺和设备的发展历史和现状,进而探讨我国药芯焊丝工艺和设备的发展前景。

关键词 药芯焊丝　设备　生产工艺　进展

药芯焊丝作为第四代焊接材料,以其生产效率高、焊接质

量好、综合成本低等无可比拟的技术和经济性,受到国内外焊

接界的极大关注。自80年代以来药芯焊丝在日本、美国和欧洲得到了很快地发展,尤其是日本从80年代初的年产几千吨,占焊材总量的1%左右,增至1995年的年产8161万吨,占焊材总量的24%以上,15年猛增了20多倍,早已超过手工焊条的产量,并有直追实芯焊丝之势。

我国在六、七十年代就有人进行过药芯焊丝的研究,但是工作时断时续,始终未能形成气候。进入90年代,由于冶金

、造船、石化等行业对药芯焊丝需求的增加,国内外药芯焊丝产业已开始启动。特别是以天津大学为技术依托的天津市三英焊业有限责任公司发展迅速,现已形成年产1500t以上的生产能力,1996年获国家级新产品称号并相继通过中、德、挪、英、日五国船级社3YS认证,产品已批量用于建造大型出口船舶和石化、冶金、煤炭、机械、电力等重点工程项目。在近三年内该公司还将迅速达到年产7200t药芯焊丝和7200t实芯焊丝的生产能力,成为国内优质焊材的骨干生产企业。

1　药芯焊丝制造工艺和装备的发展历史

药芯焊丝制造工艺过关并形成商品是50年代和60年代初,早在1912年伊萨公司(ESAB)的创建人奥斯卡 基尔伯格在他的专利中就已涉及药芯焊丝的概念,他写到“至于这个金属棒可以做成任何形状,甚至可以做成管状,其内部的物质需经良好的混合,以求得到适当化学成分的焊缝。”也就是说药芯焊丝的基本概念其实和手工焊条是同时提出的,只不过由于当时生产工艺不过关和手工焊条的发展将其湮没了几十年,直到50年代美国才推出商品化的药芯焊丝,但其后20年发展并不太快。80年代后由于细径药芯焊丝及其相应的制造工艺和装备的推出才使药芯焊丝真正重新崛起,并向手工焊条和实芯焊丝发起真正的挑战。

第一个涉及药芯焊丝的制造专利是1920年在美国发表的,它是先在一条钢带的一面上喷镀或涂敷一层焊剂,干燥后把钢带卷成圆管,粘有焊剂层的一面位于管内。另一份美国专

利公布了一种带芯丝的药芯焊丝制造方法,芯丝上压涂一层膏状药皮,就成了焊丝中的药芯。其制造原理如图1所示。

图1　带芯丝的药芯焊丝制造工艺 图2　加干药粉的药芯焊丝制造工艺

早期药芯焊丝的制造工艺显然受到焊条制造工艺的影响,许多专利都采用了膏状涂料,这给以后的干燥和防锈处理带来了难题。前西德专利519435则提出一种直接加入干药粉的方法,见图2所示。药粉恰好在钢带进入拔模进口处,松散分布在钢带的凹槽内,加药粉的速度与钢带的拉拔速度同步。

早期药芯焊丝的制造方法中还涉及各种复杂截面药芯焊丝,所提出的截面形状和成形方案五花八门,这些成形方案我国在70年代也有人进行过尝试。

关于无缝型药芯焊丝早期有人也进行过尝试。一份原东德专利即提到为防止药粉吸潮可将焊缝焊合,而另一份原西德专利则提出用无缝钢管制取有限长度药芯焊丝的方法:取一段适当长度的无缝钢管,管内填充各种形状的芯丝或芯片及适量的药芯,然后把管子两端封闭,用轧辊或模一道一道地轧细或拔细,直至最后要求的直径。其实这两个专利已经涉及到现代药芯焊丝制造中的一些最基本的要点。目前国内依然有人按此思路进行小批量试生产。

综合上述可以看出:早期药芯焊丝成形大多采用简单的“模拔”法,即将裹上药膏或药粉的U形钢带通过一个拉丝模,利用拉丝模孔壁的径向挤压力强迫成形;从加入膏状涂料过渡到直接加药粉;多为粗径复杂截面焊丝,主要是为克服电弧不集中,熔滴过渡特性差的缺点。

80年代后小直径药芯焊丝的出现,解决了药芯焊丝的熔滴过渡和全位置焊接问题,各种大直径复杂截面焊丝即已呈

淘汰之势,近年来世界各大著名焊材生产厂商的商品焊丝几乎全部是简单O 形截面,基本上看不到复杂截面的焊丝了。

早期药芯焊丝的工艺方案已为现代的制造工艺奠定了基础,一些重要的思想,例如关于无缝药芯焊丝的制造工艺方案,现在人们仍在继续和完善。

2　目前流行的各种药芯焊丝制造工艺和设备

目前世界各国用于制造药芯焊丝的工艺方案和设备多不胜数,已申请各种专利就有数十种以上,按照产品的结构可分为有缝和无缝型;按所使用原材料可分为冷轧带钢法、盘元法和钢管拔制法;根据成形工艺又可分模拔法、全连轧法和轧—拔法。其分类系统如下:

药芯焊丝

有缝型

冷轧带钢法连轧法

分体传动集中传动

横拔法

轧拔法被动式

分体传动式

集中传动式盘元法无缝型

在线焊合法钢管拔制法

现将一些工艺和设备介绍如下:

211　连轧法　是指药芯焊丝从钢带到成品焊丝的全部加工

过程都在一套连轧机上连续完成。其工艺过程见图3。

图3　连轧法工艺示意图

为了将焊丝减径至较细的成品尺寸所需轧辊组很多,通常水平轧辊组多达16架以上,同时还要配置大体相当数量的从动立辊组。轧辊组配置的多少取决于原料钢带尺寸和成品焊丝的尺寸。瑞士万莎公司的一台药芯焊丝连轧机共有17架主动水平轧辊组,采用悬臂式机架布置,便于操作和换轧辊。

国内某厂引进的英国Co rew er 公司药芯焊丝生产线也属连轧型机组,该机组设计出口速度6～9m s ,焊丝出口直径<116和210两种以上规格,该机每隔若干组轧辊设置了一组张力调节活套,用以调整各组机架之间的转速比和焊丝张力,该机组曾是国内最先进的生产线。

全连轧法生产工艺有如下特点:①药芯焊丝成形和减径完全在一台机组上完成,因此工艺简捷,设备紧凑,设备费用相对较少,占地面积小。②焊丝越细,轧制越困难,若不经拉拔工艺,很难直接轧至<

112mm 以下细径焊丝。③轧辊尺寸有限,生产效率不如轧—拔法工艺高。④轧辊对材质和加工精

度要求很高,本身又是易损件,因此备品、备件费用较高。

近年来国外已较少用连轧法生产结构钢和不锈钢用细径焊丝,但在粗径堆焊焊丝的生产中则使用较多。笔者在德国克拉都(Co rodu )工厂看到七条堆焊用药芯焊丝生产线,基本上采用全连轧法生产,其80%的产品大于<210mm 。据悉国内某厂使用美国W TC 公司生产的连轧机组生产堆焊焊丝。

212　轧—拔法

轧—拔法是将药芯焊丝的成形、加粉、合口工序仍放在轧丝机上来完成,而将减径工序的全部或大部分移至另一台拉丝机上来完成,即采用先轧后拉的工艺。图4为天津三英焊业公司采用的工艺简图。

图4　天津市三英焊业公司药芯焊丝生产线工艺示意图

图4可将轧丝和拉丝工序分开,也可合在一起,这样即可省去收、放机各一台,比利时的苏美工厂使用的就是此种轧—拔一体化机组,从钢带进入到拉拔出<112mm 焊丝一气呵成。但这样对电气控制、原料质量、操作水平要求更高,否则中间某一环节出现断丝,穿丝会更麻烦,耽误的时间更多。

采用轧—拔工艺的好处是:拉丝工艺比轧丝工艺更简单,生产速度更高,成本更低,焊丝表面质量也更好。近年来由于各类新型高速直线拉丝机、拉丝模、润滑剂的不断改进,使拉丝速度可达12～14m s,最快甚至可达25m s 。易损件拉丝

模又是标准件,有专业工厂可批量生产,价格大大低于轧辊,所以将焊丝的减径工序全部或大部分放在拉丝机上来完成是合理的。

轧丝机和拉丝机是轧—拔式生产线的两套关键设备,拉丝机属通用设备,轧丝机是药芯焊丝生产中的专用和核心设备,依照轧丝机的特点,又可将轧—拔式生产线分成三种:

(1)被动式轧机　该生产线中轧机的轧辊完全是被动的,

轧制过程完全靠作为动力的拉丝机来牵引。轧辊本身无动力驱动,由于被动轧辊之间转速可自动谐调不需要任何电气控制系统,所以比较简单。天津大学设计的第二代试验机就属于这种形式。图5为该装置的示意图:在拉丝机动力的牵引下12

mm 宽钢带连续通过几组水平和垂直轧辊组轧成U 型,通过

下粉漏斗加入药粉,再经过一对立辊和一对水平辊合成O 型,最后经一道拉丝模整形为<4mm 药芯焊丝坯管,可用拉丝卷筒收线。进一步的减径工作可移至另一拉丝机组上去完成,也可连续通过几个拉丝机拉伸至某一尺寸。该机组结构简单,造