趙鈺 楊國華 樊志勤 杜奇鋒 蔡衛(wèi) 劉紅軍 萬斌 楊曉東 趙凱
CO2氣體保護(hù)焊是20世紀(jì)50年代發(fā)展起來的一種高效焊接技術(shù),它以其獨(dú)特的優(yōu)勢,在工業(yè)發(fā)達(dá)國家制造業(yè)中得到廣泛的應(yīng)用。與其他焊接方法相比,它具有效率高、成本低、質(zhì)量好等特點(diǎn),已成為我國最主要的焊接工藝方法之一。但目前仍存在焊接飛濺大,焊縫成形差;鍍銅層易剝落,堵塞送絲軟管,不能正常送絲;焊絲防銹性能仍不理想;焊接煙塵中有毒物質(zhì)Cu含量高,制造過程中對環(huán)境污染大等問題。這些都嚴(yán)重制約了CO2氣體保護(hù)焊技術(shù)的進(jìn)一步發(fā)展。
特殊涂層焊絲是應(yīng)用納米技術(shù)和現(xiàn)代金屬間化合物膠體涂層技術(shù),對焊絲表面進(jìn)行新涂層處理,以代替鍍銅處理,涂層材料包含耐磨劑、活化劑、防銹劑和導(dǎo)電劑等成分的材質(zhì)。它與傳統(tǒng)鍍銅焊絲比較,具有電弧穩(wěn)定,飛濺小,成形美觀;涂層薄且附著力比鍍銅層更緊密,送絲穩(wěn)定;防銹能力強(qiáng);導(dǎo)電性能好;導(dǎo)電嘴磨損少;再引弧性能好;焊接時(shí)煙霧小;制造中對環(huán)境污染小,制造成本低,以及保管儲存時(shí)間較長等優(yōu)點(diǎn),被稱為環(huán)保型焊絲。
目前,日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家大力研制、開發(fā)、推廣應(yīng)用特殊涂層焊絲,特殊涂層焊絲已有迅速取代鍍銅焊絲之勢。其中日本特殊涂層焊絲發(fā)展較快,焊絲月產(chǎn)量已達(dá)千噸以上。伊薩焊材公司近年來生產(chǎn)的碳鋼和低合金高強(qiáng)鋼實(shí)芯焊絲(OK·AristoRod.12.50、OK·AristoRod.69、OK·AristoRod.89
焊絲等),大部分采用特殊涂層工藝方法。我國特殊涂層焊絲近年來也有一定發(fā)展,錦泰(JM-56Z、JM-58Z焊絲等)、中治(ZY50-6T焊絲等)、鐵錨(WH50-6、WH44-8Ⅱ焊絲等)、三英(ER50-6焊絲等)、猴王(ER50-6焊絲等)、鑫宇(GHS-50、GHS-60、GHS-70焊絲等)及山東恒遠(yuǎn)(ER50-6焊絲等)等焊接材料公司已研制開發(fā)出這種焊絲,并在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用,取得一定的技術(shù)、經(jīng)濟(jì)與社會效益。
根據(jù)有關(guān)資料介紹,2010年我國氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲年產(chǎn)量為128萬t,占其焊材總量的28.8%,主要以ER50-6鍍銅焊絲為主。目前,我公司焊接生產(chǎn)主要以氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲為主,大部分使用鍍銅焊絲,少量進(jìn)口碳鋼和低合金高強(qiáng)度焊絲為特殊涂層焊絲,焊絲年使用量為800~1000t。近年來,隨著國外合作產(chǎn)品和自制產(chǎn)品質(zhì)量的不斷提高(尤其是焊縫表面質(zhì)量),鍍銅焊絲存在的問題逐漸顯現(xiàn),嚴(yán)重制約著生產(chǎn)的發(fā)展與產(chǎn)品質(zhì)量的提高。
試驗(yàn)選用國產(chǎn)ER50-6鍍銅焊絲和特殊涂層焊絲(φ1.2mm),按GB/T8110-2008《氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼、低合金鋼焊絲》和TZL911-2014《常用氣體保護(hù)電弧焊用碳鋼焊絲》標(biāo)準(zhǔn),對兩種焊絲進(jìn)行了一系列試驗(yàn)研究。
(1)焊絲化學(xué)成分 依照GB/T8110-2008標(biāo)準(zhǔn),對兩種ER50-6實(shí)芯焊絲進(jìn)行化學(xué)成分分析。試驗(yàn)結(jié)果如表1所示。
由表1可見,兩種焊絲的化學(xué)成分基本相同,但由于鍍銅焊絲表面鍍了銅,則wCu=0.175%,而特殊涂層焊絲wCu=0.010%,比前者降低了一個(gè)數(shù)量級。結(jié)果使用特殊涂層焊絲,不僅有效改善了工人的勞動條件,而且焊絲熔敷金屬力學(xué)性能大幅度提高。
(2)焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗(yàn) 先對試板進(jìn)行焊接,焊后經(jīng)X射線探傷均達(dá)到一級焊縫標(biāo)準(zhǔn)。試驗(yàn)結(jié)果如表2所示。
由表2可知,鍍銅焊絲與特殊涂層焊絲熔敷金屬抗拉強(qiáng)度基本相當(dāng),而特殊涂層焊絲熔敷金屬的塑韌性明顯優(yōu)于鍍銅焊絲。由此可見,特殊涂層可用于重要結(jié)構(gòu)件的焊接。
(3)焊絲焊接工藝性能對比試驗(yàn) 采用新型涂層處理的特殊涂層焊絲,其目的主要是解決鍍銅焊絲存在的焊接工藝性能與環(huán)保問題,而焊接工藝性能是評定焊絲的重要技術(shù)指標(biāo)之一,對產(chǎn)品焊接質(zhì)量至關(guān)重要。焊絲的焊接參數(shù)如表3所示。
表1 焊絲化學(xué)成分分析(質(zhì)量分?jǐn)?shù)) (%)
表2 焊縫熔敷金屬力學(xué)性能
表3 焊接參數(shù)
試驗(yàn)結(jié)果分析:
第一,焊絲的送絲性能與電弧穩(wěn)定性。由于特殊涂層焊絲采用了特殊的表面處理和納米技術(shù),焊絲表面涂敷一層極薄的特殊物質(zhì),該物質(zhì)與焊絲結(jié)合緊密,不存在脫落現(xiàn)象,送絲穩(wěn)定性優(yōu)良。據(jù)相關(guān)資料介紹,特殊涂層焊絲熔滴的平均短路過渡時(shí)間比鍍銅焊絲短,短路頻率高及分布均勻,并且涂層含有活化劑和導(dǎo)電劑,從而確保了焊接電弧的穩(wěn)定性。使得焊絲的送絲性能與電弧穩(wěn)定性大幅度提高。而鍍銅焊絲經(jīng)過送絲輪時(shí)容易掉銅屑,堵塞導(dǎo)絲管,在實(shí)際生產(chǎn)中只得用壓縮空氣經(jīng)常吹導(dǎo)絲管,清除銅屑,以保證送絲的平穩(wěn)與電弧的穩(wěn)定性。
第二,焊接飛濺。試驗(yàn)表明,鍍銅焊絲飛濺量大,大顆粒飛濺較多,焊后清理工作量很大,而特殊涂層焊絲表面涂層由于含活性成分的活化劑,可有效改善電弧穩(wěn)定性,細(xì)化了焊絲前端的熔滴,飛濺產(chǎn)生量較少,因此該焊絲飛濺量相對較小,并且大顆粒飛濺明顯減少。
第三,焊縫成形。試驗(yàn)發(fā)現(xiàn),傳統(tǒng)鍍銅焊絲的焊縫成形凸起,余高過大,焊縫的魚鱗紋粗糙。而特殊涂層焊絲與之相比,焊縫波紋細(xì)密一致,成形美觀,焊縫兩側(cè)飛濺較少,有利于提高焊接接頭的力學(xué)性能。
第四,再引弧性能好。特殊涂層焊絲在焊接過程中,當(dāng)電弧切斷時(shí),發(fā)現(xiàn)焊絲前端不會產(chǎn)生大的球狀熔滴,熔滴的直徑較小,再引弧容易。
第五,焊接煙塵量。眾所周知,氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲在焊接過程中煙塵主要是由金屬蒸氣氧化產(chǎn)生的,而銅是鍍銅焊絲焊接中產(chǎn)生的有害元素。特殊涂層焊絲中銅含量比鍍銅焊絲大幅度下降,有利于保護(hù)焊工的身體健康。有資料介紹,特殊涂層焊絲的煙塵量比鍍銅焊絲下降約40%,銅煙塵量減少85%,錳煙塵量減少40%左右。
(4)焊絲防銹與導(dǎo)電性 一般焊絲鍍銅主要是為了防銹,便于保管儲存,增強(qiáng)導(dǎo)電性,減少焊絲的表面粗糙度,降低導(dǎo)電嘴的磨損率,從而改善送絲性能。焊絲抗銹性能是考核焊絲質(zhì)量很重要的一個(gè)指標(biāo),在實(shí)際生產(chǎn)中發(fā)現(xiàn),鍍銅焊絲的腐蝕一般是從鍍銅層下的鐵基表面先開始的,有的焊絲剛發(fā)到廠,表面就已生銹,有的存放一段時(shí)間后發(fā)現(xiàn)銹蝕,嚴(yán)重時(shí)焊絲經(jīng)過送絲輪時(shí),鍍銅層成片脫落,堵塞送絲軟管,從而影響正常送絲。國外鍍銅焊絲的鍍層結(jié)合力高,鍍層均勻,無銅堆積現(xiàn)象,如日本的KC-50、MG-50焊絲,該焊絲存放5年,鍍層表面完好無損。而特殊涂層焊絲的涂層表面附著力比鍍銅層更緊密,并且涂層物質(zhì)含有防銹劑、導(dǎo)電劑和耐磨劑,使焊絲具有更好的防銹與導(dǎo)電性能,并可有效降低導(dǎo)電嘴的磨損率,保管儲存時(shí)間較長。
(5)焊絲處理層化學(xué)成分分析 眾所周知,經(jīng)過涂層處理的焊絲,常規(guī)化學(xué)成分很難分析出涂層材料的化學(xué)成分,主要區(qū)別在Cu的含量上。試驗(yàn)表明鍍銅焊絲鍍層的wCu=0.175%,而特殊涂層焊絲的銅含量與所采用的焊絲盤條基本上一致,wCu=0.035%。
(6)焊絲表面處理層厚度的測試 對同樣牌號、規(guī)格的兩種焊絲,使用測厚儀測試焊絲的處理層厚度,鍍銅焊絲的鍍層厚度為0.23~0.25mm,而特殊涂層焊絲的涂層厚度為0.012~0.105mm,可見特殊涂層的涂層厚度比鍍銅焊絲的鍍銅層厚度小很多。
(7)導(dǎo)電嘴磨損試驗(yàn) 導(dǎo)電嘴的磨損率高,導(dǎo)電嘴磨損嚴(yán)重是特殊涂層焊絲十分棘手的問題之一。很長時(shí)間以來,特殊涂層焊絲導(dǎo)電嘴的磨損率遠(yuǎn)大于鍍銅焊絲,如剛推廣應(yīng)用特殊涂層焊絲時(shí),施焊一盤20kg實(shí)芯焊絲需要更換1~2個(gè)導(dǎo)電嘴,而特殊涂層焊絲則要更換3~5個(gè)導(dǎo)電嘴。近年來,隨著特殊涂層焊絲制造技術(shù)的日趨成熟(耐磨劑等性能的改善,表面粗糙度的降低等),使得特殊涂層焊絲的導(dǎo)電嘴磨損率顯著下降。
(8)焊接參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣,適用性好 選擇相同牌號和規(guī)格,同一廠家的特殊涂層和鍍銅焊絲,進(jìn)行焊接參數(shù)調(diào)整范圍試驗(yàn),結(jié)果發(fā)現(xiàn):特殊涂層焊絲在小電流(80A)和大電流(300A)的情況下施焊,焊絲送絲基本平穩(wěn),電弧穩(wěn)定,飛濺較小,焊縫成形良好,焊接工藝性能可滿足使用要求。而鍍銅焊絲則相反,表現(xiàn)不盡人意,由此可見,特殊涂層焊絲參數(shù)可調(diào)節(jié)性強(qiáng),適用性好。
(9)焊絲生產(chǎn)排放量 據(jù)資料介紹,生產(chǎn)5 000t鍍銅焊絲平均產(chǎn)生廢液約20 000t,而生產(chǎn)特殊涂層焊絲產(chǎn)生的廢液約3 000t,而且不含Cu、SO2等嚴(yán)重污染環(huán)境的物質(zhì)。
就技術(shù)經(jīng)濟(jì)角度而言,焊絲不僅要有優(yōu)良的性能,而且應(yīng)有合理的價(jià)格,它直接關(guān)系到生產(chǎn)制造成本。據(jù)有關(guān)專家預(yù)測,如果特殊涂層焊絲像鍍銅焊絲一樣達(dá)到工業(yè)化生產(chǎn),特殊涂層焊絲比鍍銅焊絲應(yīng)低100~200元。隨著特殊涂層焊絲質(zhì)量的不斷提高和產(chǎn)量的增加,特殊涂層焊絲會有一定的降價(jià)空間,而國產(chǎn)特殊涂層焊絲實(shí)現(xiàn)批量生產(chǎn)以降低成本。因此,要達(dá)到鍍銅焊絲的工業(yè)化水平,還應(yīng)在改進(jìn)涂層工藝,研究涂層材料和設(shè)備上下功夫。
通過上述系列試驗(yàn)研究,基本上了解并掌握了特殊涂層焊絲的特性及工藝特點(diǎn),并在實(shí)際生產(chǎn)中推廣應(yīng)用特殊涂層焊絲。例例如TZC750和TZC660履帶式起重機(jī)、TZL750全路面桁架臂起重機(jī)等工程機(jī)械,6 400t液壓復(fù)式起重機(jī)等石化工程吊裝設(shè)備,750t擠壓機(jī)和十一輥矯直機(jī)等軋鍛設(shè)備。在上述產(chǎn)品焊接結(jié)構(gòu)件焊接中,推廣應(yīng)用特殊涂層焊絲,生產(chǎn)實(shí)際表明,焊接結(jié)構(gòu)件完全滿足產(chǎn)品技術(shù)要求,取得令人滿意的結(jié)果。
但是,在特殊涂層焊絲推廣應(yīng)用中,我們發(fā)現(xiàn)國產(chǎn)焊絲質(zhì)量波動較大,同一生產(chǎn)廠家相同牌號的焊絲,一批焊絲反映好用,一批焊絲反映難用。主要表現(xiàn)在:一是生產(chǎn)廠家對焊絲表面涂層的表面粗糙度值控制不嚴(yán)以及耐磨劑性能波動等因素的作用,從而導(dǎo)致了導(dǎo)電嘴磨損率升高,造成了導(dǎo)電嘴磨損嚴(yán)重,更換頻繁,既增加了生產(chǎn)成本,又降低了生產(chǎn)效率。二是特殊涂層焊絲的導(dǎo)電劑性能不穩(wěn)定,使涂層的導(dǎo)電性下降,影響了電弧的穩(wěn)定性,出現(xiàn)陣發(fā)性送絲,造成焊縫成形差,飛濺大等焊接工藝性能問題。
試驗(yàn)與生產(chǎn)實(shí)際表明,特殊涂層焊絲的導(dǎo)電嘴磨損和涂層導(dǎo)電性問題,是制約我國特殊涂層焊絲在生產(chǎn)中推廣應(yīng)用的關(guān)鍵,應(yīng)投入一定的人力、物力加以解決,才能更好地適應(yīng)焊接生產(chǎn)要求,促進(jìn)我國環(huán)保型焊接材料的發(fā)展。
(1)特殊涂層焊絲與鍍銅焊絲相比,有害元素銅含量較低,焊絲在焊接和制造過程中產(chǎn)生的煙霧與廢液較少,勞動條件好,對環(huán)境污染小,屬環(huán)保型焊接材料。
(2)特殊涂層焊絲與傳統(tǒng)鍍銅焊絲比較,具有涂層薄,結(jié)合力高,防銹能力強(qiáng),導(dǎo)電嘴磨損小,制造成本低等特點(diǎn);焊接時(shí)具有工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、送絲均勻、電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形美觀、清理時(shí)間短及再引弧性能好等優(yōu)點(diǎn)。因此,隨著制造技術(shù)的不斷提高和質(zhì)量的日趨完善,特殊涂層焊絲將逐漸取代傳統(tǒng)鍍銅焊絲。
(3)在實(shí)際生產(chǎn)中,導(dǎo)電嘴磨損率高,涂層導(dǎo)電性低是特殊涂層焊絲普遍存在的技術(shù)問題,應(yīng)引起我們的高度重視,并盡快加以解決,以縮短我國特殊涂層焊絲與國際先進(jìn)水平的差距。
(4)特殊涂層焊絲熔敷金屬力學(xué)性能優(yōu)于鍍銅焊絲,可應(yīng)用于重要的結(jié)構(gòu)件的焊接。
(5)生產(chǎn)應(yīng)用表明,國產(chǎn)特殊涂層焊絲的質(zhì)量波動較大,不能較好地滿足使用要求,尚處在研制、開發(fā)、生產(chǎn)試用階段。今后還需投入一定力量,更好地研究、掌握特殊涂層焊絲的制造技術(shù),解決焊絲批量生產(chǎn)的質(zhì)量穩(wěn)定性問題,以適應(yīng)我國焊接生產(chǎn)發(fā)展的要求。