SAW高速焊接焊絲和焊劑國產化替代的開發研究

周長海

(美建建筑系統(中國)有限公司，上海 201103)

0 前言

美建建筑系統(中國)有限公司(前身為上海美建鋼結構有限公司)是生產焊接H形鋼的專業鋼結構公司，采用自動化的進口焊接流水線。該流水線采用雙頭雙絲臥式埋弧焊方式，主要優點是焊接速度快、焊接熔深大、焊接熱影響區小，非常適合輕型結構件的焊接，可以焊接厚度3 mm的鋼板、焊角3 mm的角焊縫，且焊后變形小。該流水線原先的埋弧焊工藝采用EM13K+LINCOLN781焊劑進行組合，由于采用該工藝的焊材需要進口，費用昂貴，采購和物流周期長，易出現供貨跟不上生產節奏的情況。為了保證正常的生產，啟動了國產化焊材的研究和開發，努力開拓出一條適合該焊接流水線高速焊接特性的新型工藝。

通過反復的對比試驗，從理化分析、機械性能、金相分析、工藝性能多方面展開，開發出了適合公司流水線特性的新工藝，并通過焊接工藝的不斷演變，由原先的EM13K+LINCOLN781焊劑先過渡到EM13K+XUN988焊劑(與LINCOLN781很接近的國產焊劑)再過渡到ER50－6+XUN988焊劑，均取得成功后，最后發展并定型為ER50－6+SJ101焊接新工藝，獲得了成功。

1 氣保焊絲+埋弧焊劑進行埋弧焊的理論可能以及困難

ER50－6+SJ101組合是否可行?事實上，焊接新工藝的開發還存在技術的難度。

(1)ER50－6是氣保焊焊絲，焊接過程中沒有外加劑參加冶金熔池反應;EM13K是渣保護焊絲，焊劑要參加冶金熔池反應，而獲得新的金屬，兩種焊絲的工作原理不相同。用ER50－6代替EM13K是一個未知的焊接領域，有一定的技術難度。

(2)SJ101和LINCOLN781/988焊劑的組成成分也存在差異，兩種焊劑的互換上缺乏足夠的理論依據。

(3)焊接接頭性能的研究需要大量的試驗來驗證。

建筑結構用鋼材材質常規為碳素鋼和低合金高強度鋼即Q235/Q345，埋弧焊用埋弧焊絲與埋弧焊焊劑、氣體保護焊用氣體保護焊焊絲與氣體，這都是相匹配的，考慮到進口線高速焊的特性打破常規國產化替代將面臨著困難和挑戰。

弧焊電源與電弧構成供電、用電系統是供求關系。為了保證焊接電弧能穩定燃燒和焊接參數的穩定，系統必須有一個穩定的工作點。而穩定工作點的條件為:(1)電源的外特性曲線Uy=f(Iy)與電弧靜特性曲線Uf=f(If)必須相交，這時供求平衡即Uy=Uf。(2)相交點的穩定系數Kw=(Kf－Ky)＞0，即電弧靜特性曲線在相交點的斜率Kf必須大于電源外特性曲線在此點的斜率Ky。如圖1所示，A點不能滿足此條件，一旦出現瞬間干擾，電弧不是熄滅就是移到B點燃燒，故不是穩定工作點;而B點滿足Kw＞0條件，外界干擾從出現到消失，電弧均能隨之恢復到B點燃燒，故是穩定工作點。

圖1 電源－電弧系統工作狀態

根據上述電源－電弧系統穩定工作條件，如果電弧靜特性曲線工作部分的斜率Kf＜0，則弧焊電源的外特性曲線必須是下降的;如果電弧靜特性工作部分的斜率Kf＞0，則電源外特性可以是上升的，也可以是平的。對于細絲埋弧焊以及熔化極氣體保護焊的電弧特性是上升特性即電流密度大，隨著電流增加電弧電壓也隨之上升。因此，熔化極氣體保護焊弧焊電源的外特性形狀和細絲(直徑小于3 mm)埋弧焊弧焊電源的外特性形狀均為平特性，如圖2所示，而用外特性代替特性具有理論上的可能。

圖2 平特性曲線

焊劑與焊絲的不同組合，可獲得不同性能或不同化學成分的熔敷金屬。選配焊劑時，除考慮鋼種外，還要考慮產品的各項焊接技術要求和焊接工藝等因素。因為不同類型焊劑的工藝性能、抗裂性能和抗氣孔性能有較大差別。在焊接Q345高強度低合金鋼時就應該選配堿度較高的焊劑。SJ101屬于堿度較高焊劑，可以配合焊絲使用。

另外在選用焊接材料時必須遵循以下原則:

(1)保證焊接接頭的使用性能，即保證焊縫金屬和焊接熱影響區具有良好的力學性能和綜合性能。

(2)保證焊縫金屬具有一定的致密性，即沒有氣孔、夾渣，或氣孔、夾渣的數量、尺寸、形狀不超過允許標準。

(3)能防止在焊接接頭內產生冷裂紋和熱裂紋，即對冷裂、熱裂不敏感。

(4)焊縫金屬具有符合要求的熱強性、耐熱性、耐蝕性、耐磨性等，不產生脆性組織，盡可能降低或消除熔合區脆性。

(5)焊縫金屬組織具有穩定性，其物理性能要與兩母材相適應。

(6)工藝性良好，即具有良好的操作性能，并有一定的生產效率。

研究工作從分析焊材入手，EM13K與ER50－6焊絲的熔敷金屬力學性能和Q345B力學性能對比如表1、表2所示。由表可知，兩種焊絲熔敷金屬的力學性能相近并都與母材匹配。綜上分析，采用ER50－6氣保焊絲代替EM13K埋弧焊絲與埋弧焊劑配合使用焊接有理論可能。

表1 EM13K與ER50－6焊絲的熔敷金屬力學性能

表2 Q345B力學性能

2 ER50－6+SJ101組合的埋弧焊與采用傳統材料的埋弧焊性能對比［1－4］

攻關做了大量的試驗并進行了相關焊接工藝評定，渡過了三個關鍵階段:第一階段——EM13K+LINCOLN781配偶;第二階段——EM13K+XUN－988配偶;第三階段——ER50－6+SJ101最終完成了研究工作，實現了跨越。

(1)力學試驗。

相關試驗數據及結論如表3～表5所示。

表3Q345B(δ=6 mm、16 mm)的焊材采用EM13K+LINCOLN781組合焊接力學性能

表4 Q345B(δ=6 mm、16 mm)的焊材采用EM13K+XUN－988組合焊接力學性能

表5 Q345B(δ=14 mm)ER50－6+SJ101組合的焊接接頭力學性能

(2)金相檢驗結果(狀態:焊態;腐蝕溶液:10%硝酸水溶液，4%硝酸酒精溶液)。

采用冷酸浸蝕法對試樣焊縫區域進行宏觀金相檢驗。結果表明試樣焊縫金屬和熱影響區無微小裂紋、未熔合、氣孔、夾雜等缺陷，如圖3所示。采用冷酸浸蝕法對微觀試樣進行微觀金相檢驗，結果為:母材顯微組織為鐵素體+帶狀珠光體，如圖4、圖5所示;熱影響區顯微組織為針狀鐵素體+塊狀鐵素體+少量貝氏體等混合組織，如圖6、圖7所示;焊縫顯微組織為樹枝狀鐵素體+針狀、塊狀鐵素體+珠光體，如圖8、圖9所示。

圖3 宏觀腐蝕

圖4 母材組織(100×)

圖5 母材組織(500×)

圖6 0熱影響區組織(100×)

圖7 熱影響區組織(500×)

圖8 焊縫組織(100×)

(3)(ER50－6+SJ101)T型角焊縫宏觀酸蝕如圖10所示。

由圖10可知，圖10a未見未熔合、未焊透、裂紋、夾雜、氣孔缺陷;圖10b未見未熔合、未焊透、裂紋、夾雜、氣孔缺陷。ER50－6+SJ101的焊接工藝評定合格。

綜上可知:無論是理論上還是實踐上，ER50－

圖9 焊縫組織(500×)

6+SJ101的新工藝均可行，而且從EM13K+LINCOLN781到EM13K+XUN－988再到ER50－6+SJ101的轉變后取材變得廣泛，經濟效益明顯，其應用價值更好。

3 結論

根據查新檢索，目前還沒有針對臥式雙絲高速埋弧焊焊接研究和開發應用及相關文獻闡述類似研究，本研究工作填補了一項空白。通過此種焊接工藝的研制發現:ER50－6是氣保護焊絲，EM13K是渣保護焊絲，兩種焊絲的工作原理雖不相同，但在實際使用過程中，焊接后熔敷金屬和焊縫的強韌度仍然能夠滿足技術要求。ER50－6+SJ101的應用技術是埋弧焊接配偶的一個創舉，在焊接理論上有一定突破;解決了工程實踐中的難題，是技術領域上的成就，同時帶來了可觀的經濟價值。

圖10 宏觀酸蝕

:

［1］ GB8110－87.二氧化碳氣體保護焊用鋼焊絲［S］.

［2］ GB/T8293－1999.埋弧焊用碳鋼焊絲和焊劑［S］.

［3］ GB/T12470－2003.埋弧焊用低合金鋼焊絲和焊劑［S］.

［4］ 曾 樂.現代焊接手冊［M］.上海:上海科學技術出版社，1995.