特殊涂層焊絲的研究與生產(chǎn)應(yīng)用

趙鈺 楊國華 樊志勤 杜奇鋒 蔡衛(wèi) 劉紅軍 萬斌 楊曉東 趙凱

1. 國內(nèi)外特殊涂層焊絲狀況

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，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；焊接時煙霧??；制造中對環(huán)境污染小，制造成本低，以及保管儲存時間較長等優(yōu)點，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。

2. 氣體保護(hù)焊絲在公司的應(yīng)用概況

根據(jù)有關(guān)資料介紹，2010年我國氣體保護(hù)焊實芯焊絲年產(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。

3. 鍍銅焊絲與特殊涂層焊絲的對比試驗分析

試驗選用國產(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實芯焊絲進(jìn)行化學(xué)成分分析。試驗結(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 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 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)過送絲輪時容易掉銅屑，堵塞導(dǎo)絲管，在實際生產(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，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)量很重要的一個指標(biāo)，在實際生產(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，有的存放一段時間后發(fā)現(xiàn)銹蝕，嚴(yán)重時焊絲經(jīng)過送絲輪時，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 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，施焊一盤20kg實芯焊絲需要更換1～2個導(dǎo)電嘴，而特殊涂層焊絲則要更換3～5個導(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，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)。

4. 焊絲的經(jīng)濟(jì)性分析

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空間，而國產(chǎn)特殊涂層焊絲實現(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。

5. 特殊涂層焊絲的推廣應(yīng)用及存在的問題

通過上述系列試驗研究，基本上了解并掌握了特殊涂層焊絲的特性及工藝特點，并在實際生產(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。

試驗與生產(chǎn)實際表明，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。

6. 結(jié)語

（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；焊接時具有工藝參數(shù)調(diào)節(jié)范圍廣、送絲均勻、電弧穩(wěn)定、飛濺小、成形美觀、清理時間短及再引弧性能好等優(yōu)點。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。