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药芯焊丝的研究与实践
栏目：业界资讯 发布时间：2021-04-07
前言
众所周知，药芯焊丝1954年起源于美国，是从20年代管状焊条的基础上发展起来的。由于药芯焊丝具有电弧稳定、飞溅小、成形美观、根据焊缝力学性能的需要调整药芯配方，可以大批量制造和实际焊接中连续使用的优越性。与实芯焊丝、手工焊条相比，生产效率高，焊工的操作环境得到改善，药芯焊丝的综合优势深受人们的欢迎。药芯焊丝在国外得到迅速发展和广泛应用于各种金属结构。但因药芯焊丝的制造技术难度大，国内相关技术和水平落后，我国药芯焊丝的发展经历了不平凡的历程。结合近年来对药芯焊丝研究与实践中的问题，观察国内药芯焊丝的发展情况和谈谈作者对药芯焊丝发展的体会。
1 药芯焊丝的发展基本情况
药芯焊丝起源于50年代，发展于60－70年代，药芯焊丝主要以粗直径为主（f3.2mm、 f2.4mm)使用交流电源，气体保护药芯焊丝用于钢管的焊接，自保护药芯焊丝用于建筑结构。80年代发展了细直径药芯焊丝（f1.2～1.6mm)使用直流电源，其中直径为f1.2～1.6mm的全位置药芯焊丝大量用于船舶的制造并得到飞速发展，大大提高了造船焊接的半自动化程度。在这期间开发了不锈钢、低温钢、590N/mm2强度级别钢种使用的多种药芯焊丝，f1.2～1.6mm的细直径自保护药芯焊丝可以使用于钢管桩的焊接。80年代后期以来，f1.2～1.6mm气保护药芯焊丝多品种的制造与使用范围得到迅速推广，在非造船行业使用和扩大。随后发展了金属粉芯药芯焊丝和无缝药芯焊丝。目前药芯焊丝已广泛用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力等制造与修复行业。
从药芯焊丝的总产量与占焊接材料总产量比例来看，1983年美国药芯焊丝的产量占焊接材料总产量的15％，药芯焊丝的总产量为4.2万吨左右，到1979年药芯焊丝的年产量达到7.6万吨[1]。现在美国药芯焊丝占焊接材料总产量的比例为40％左右。1995年英国药芯焊丝年产量首次超过电焊条。日本主要生产细直径药芯焊丝，1983年药芯焊丝占焊接材料总产量的3.8％，1994年为焊接材料总产量的23％。在日本药芯焊丝的生产比例逐年提高，而从1992年起实芯焊丝逐年下降，到1994年实芯焊丝的比例为42％。据最新资料报道，日本1997年药芯焊丝生产总量近10万吨，为焊接材料总产量的27％[2]。由此看来，日本是药芯焊丝发展速度最快的国家。
2 药芯焊丝的分类及主要渣系
药芯焊丝按不同的情况有不同的分类方法。按保护情况可分为气体保护（CO2、富Ar混合气体）和自保护两种。按焊丝直径可分为细直径（f2.0mm以下）和粗直径（f2.0mm以上）等等。从药芯焊丝的开发及应用角度来看可作如下分类：
造渣型气保护药芯焊丝可分为CO2气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、低合金结构钢（全位置焊接）、高强度钢、低温钢、耐热钢、耐候钢（涂装与非涂装）、不锈钢、耐磨堆焊。
造渣型气保护药芯焊丝可分为富Ar混合气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、低合金结构钢（全位置焊接）、高强度钢、低温钢、耐磨堆焊。
金属粉芯药芯焊丝可分为CO2气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、低合金结构钢、高强度钢、耐磨堆焊。
金属粉芯药芯焊丝可分为富Ar混合气体保护药芯焊丝, 主要品种用于碳钢、低合金结构钢、、低温钢、不锈钢、耐磨堆焊。
自保护药芯焊丝主要品种用于碳钢、低合金结构钢和耐磨堆焊。
总体看来药芯焊丝主要分为自保护药芯焊丝和气保护药芯焊丝，气保护药芯焊丝通常分为两种渣系，即酸性和碱性（T1和T5）。酸性渣系药芯焊丝工艺性能很好，可进行全位置焊接，该类型渣系药芯焊丝是造船工业最广泛使用的典型高效焊接材料。碱性药芯焊丝的焊缝金属有较好的净化作用，通过适当的配方调整可以获得优良的工艺性能，适合于平焊、平角焊位置。药芯焊丝主要渣系特点介绍如下。
全位置药芯焊丝药粉填充系数为13～16％，主要选用TiO2含量为92％以上的金红石，占药粉重量的35～55％，铁粉占药粉重量的15～30％。另加适量的SiO2、 ZrO2 、Al2O3、MgO组成适当的熔渣，适合于全位置焊接的基本条件，添加适量铝粉、铝镁粉提高焊缝抗气孔的能力，添加适量Si、Mn铁合金获得相应的化学成分和力学性能。该渣系焊丝的主要特点，电弧稳定、飞溅小、脱渣容易，细直径药芯焊丝适合全位置焊接。
碱性药芯焊丝药粉填充系数为24～28％，主要选用CaF、CaCO3、部分SiO2或另加适量TiO2为基本渣系。该渣系碱度高，氧化性小，脱S、P能力强，具有优良的冶金性能。这样的渣系为研制高韧性药芯焊丝创造了条件，要求较好的工艺性能和焊缝具有优良的低温韧性，以用于重要钢结构的焊接。下面以YJ507TiB药芯焊丝、14MnNbq桥梁钢的焊接试验为例，Ti、B微量元素对焊缝低温韧性的影响。
3 药芯焊丝焊缝的低温韧性
新研制的YJ507TiB药芯焊丝（北京宝钢焊业有限公司生产）与进口澳大利亚某焊接公司碱性药芯焊丝SUPRE-COR5、酸性药芯焊丝VERTI-COR 91K2进行了熔敷金属的对比试验。采用国标GB 100450-88 碳钢药芯焊丝标准，基材为14MnNbq，试板尺寸为500×150×24mm，药芯焊丝熔敷金属试验坡口形状及尺寸见图1， 14MnNbq桥梁钢试板坡口尺寸及型式见图2 ， 焊接参数见表1，熔敷金属的化学成分(％)见表2 ，药芯焊丝熔敷金属的力学性能见表3 ，药芯焊丝焊缝金属的系列冲击见表4 ，14MnNbq桥梁钢纵向横向焊接接头三区的低温韧性见表5。
14MnNbq桥梁钢基材组织为铁素体和珠光体，YJ507TiB焊缝金属的焊缝组织出现大量的等轴铁素体(经后焊道热处理)，24mm纵向对接最后焊道焊缝组织为针状铁素体和细化后的先共析铁素体。从表中的试验数据来看，药芯焊丝YJ507TiB熔敷金属低温韧性优良AKV-40℃≥100J，焊接14MnNbq桥梁钢焊接接头(三区)的低温韧性AKV-40℃≥80J。
4 药芯焊丝的制造技术
1992年与北京电焊条厂(现为北京宝钢焊业有限公司)合作进行了“Ti-B系铁路钢桥用高韧性药芯焊丝的研究” 系统地研究了Si、Mn、Mo影响焊缝金属强度元素对药芯焊丝焊缝金属强度和塑性的影响规律，利用Ni、Ti、B影响焊缝金属低温韧性元素研制了不同强度的高韧性药芯焊丝YJ427TiB、YJ507TiB、YJ607TiB，不同强度的焊缝金属低温韧性达到
Akv-40℃≥70J。为开发生产结构钢药芯焊丝奠定了良好的基础。
1996年起铁道部科学研究院金属及化学研究所与石家庄市北方焊管设备研究所合作自行设计制造药芯焊丝生产线。经过两年多来的实践过程，逐步掌握了药芯焊丝生产线的制造技术。以药芯焊丝的主要设备成型机为例，经历三个阶段的试验。第一阶段以焊管设备现有配件为基础，根据国外药芯焊丝生产线的设计思路，研制了第一台成型机。为龙门式结构，使用钢带规格0.7×12mm，加粉段钢带速度为40m/min。第二阶段根据试验的情况，将龙门式结构改为悬臂结构，方便了设备的操作。加粉段钢带速度提高到70m/min，研制了第二台成型机。第三阶段根据试验的情况发现试验的钢带较厚，减径次数太多，不宜于生产细直径药芯焊丝（f1.2mm），选用厚度为0.4mm、0.5mm、0.6mm，宽度为8mm、10mm、12mm的钢带。采用单个电动机提供电力，速度集中与分散相结合的分配方式，轧辊等直径，实现轧辊塔接成型等实用技术。大大简化成型机结构，降低制造成本。同时成型机加粉段钢带提高到左右。根据生产药芯焊丝的不同品种制造不同的定型成型机，为第三台成型机。同时研制了12头减径拉丝机机，采用速度反馈电路控制系统，可以使减径机进行4、８、12任意组合，根据生产的需要安排药芯焊丝减径工位，药芯焊丝f1.2mm的出线速度达到400m/min以上，完成了样机的制造。基本上解决了药芯焊丝的制造技术和生产过程中易出现的各种问题。
5 药芯焊丝发展的趋势
自北京电焊条厂于1987年正式投产以来，药芯焊丝开始批量制造，同时开发了近40个品种，为药芯焊丝的推广与应用作出了大量的宣传工作。国内研究单位和高等院校也加入这行业，研究药芯焊丝与生产的技术人员，整体素质将超过传统焊条和镀铜焊丝的水平。药芯焊丝的发展有一个经验积累时期，也有一个快速发展时期。如何迅速解决药芯焊丝大规模生产的管理和焊丝的表面处理，是当前不能忽视的问题。
对药芯焊丝的研究与生产，作者认为有以下几个方面的发展趋势。
① 国内不少厂家引进外国生产线，总数在13条以上。引进设备的价格也相当可观，少则40万美元，多达200万美元。目前大部分不能正常生产或者产量很低，谈不上规模经济效益。由于市场经济的竞争性和药芯焊丝本身的吸引力，估计药芯焊丝引进生产线将达到30条左右。
② 药芯焊丝市场尚待开发和培育。由于国内焊条厂家的价格战使得焊条的价格很低，不宜于药芯焊丝的推广。造船业的市场最大，但药芯焊丝总需求量业很有限。发展药芯焊丝品种，提高生产能力，保证产品质量体系，是药芯焊丝制造厂的唯一出路。
③ 加强药芯焊丝技术交流，全国药芯焊丝制造技术有待整体提高。否则难以与国外产品抗衡。
④ 药芯焊丝被视为二十一世纪的焊接新材料，高技术产品。在国外一些国家，药芯焊丝产量已经超过焊条产量，代表着工艺自动化水平的进一步提高。药芯焊丝在我国将继续发展下去，研究单位和高等院校的积极参和研究与生产的高素质技术人员，将是我国药芯焊丝快速发展的希望所在。
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