無縫藥芯焊絲在海洋工程和船舶制造領域的應用分析

郭　純， 孔紅雨， 朱官朋， 張文軍， 朱珍彪， 馮兆龍， 姚潤鋼

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所， 洛陽雙瑞特種合金材料有限公司， 河南 洛陽 471023)

?

無縫藥芯焊絲在海洋工程和船舶制造領域的應用分析

郭純， 孔紅雨， 朱官朋， 張文軍， 朱珍彪， 馮兆龍， 姚潤鋼

(中國船舶重工集團公司第七二五研究所， 洛陽雙瑞特種合金材料有限公司， 河南 洛陽 471023)

對無縫藥芯焊絲的結構特點及優點進行了概述，闡述無縫藥芯焊絲的國內外研究發展現狀，尤其對無縫藥芯焊絲國內外生產廠家及產品進行了介紹。分析了無縫藥芯焊絲的市場需求以及其在海洋工程、船舶制造等高技術領域的應用前景。

無縫藥芯焊絲海洋工程船舶制造

0　引言

近年來，我國鋼材和焊材已從高速發展過渡到創新驅動轉型升級的平穩發展期，焊接材料產品的結構調整和產品升級過程明顯加快。與世界先進水平相比，我國船舶和海洋工程用高強度鋼焊接材料仍明顯落后，目前手工焊條仍然占較大比例。今后工程結構建造將會向著自動化、高效化方向發展，船舶和海洋平臺類大型鋼結構由于焊接工程量大，對自動化高效焊接方法的需求更加迫切，對高品質焊材的研發提出了更大的挑戰。

藥芯焊絲也稱粉芯焊絲或管狀焊絲，是20世紀50年代發展起來的高效焊接材料[1]。由于藥芯焊絲能夠實現連續自動焊接，推進了焊接技術的自動化、高效化發展，且成分易調，在橋梁、壓力容器、汽車、鐵路運輸、管道、海洋工程、電站建設、采礦、石化、建筑機械、重型機械及高層建筑等行業也得到了廣泛地應用。目前船廠已普遍采用CO2氣體保護藥芯焊絲來焊接船舶結構，使用率達到80%以上。按制造方法的不同，藥芯焊絲可分為有縫藥芯焊絲和無縫藥芯焊絲，目前有縫藥芯焊絲已經得到了廣泛地應用。無縫藥芯焊絲由于制造裝備復雜昂貴、制造工藝水平難度較高，再加上其制造技術目前受到國外焊材廠商如德國Drahtzug Stein、日本Nippon Steel & Sumikin Welding、瑞士Oerlikon、意大利FILEUR等公司的技術封鎖，因此在國內還沒有得到推廣。

1　無縫藥芯焊絲的結構特點及優點

1.1無縫藥芯焊絲的結構特點

與傳統有縫藥芯焊絲相比，無縫藥芯焊絲外皮鋼帶沒有縫隙是一種無縫結構，而傳統有縫藥芯焊絲存在鋼帶搭接或對接形成的縫隙。無縫藥芯焊絲一般為三層結構，最內層為藥芯粉，中間層為外皮鋼帶，最外層為鍍銅層。圖1為無縫藥芯焊絲和有縫藥芯焊絲結構。

圖1　無縫藥芯焊絲和有縫藥芯焊絲結構

1.2無縫藥芯焊絲的優點

1.2.1超低擴散氫

無縫藥芯焊絲的最大優點是具有超低的擴散氫。因為無縫藥芯焊絲在生產過程中焊絲會經過高溫去氫處理，能降低藥芯粉及附著在外皮鋼帶上的水分。

有縫藥芯焊絲拆封以后由于焊絲吸潮擴散氫會逐漸增加，對于一般生產出來的有縫藥芯焊絲其擴散氫(氣相色譜法)大約在7 mL/100 g左右，隨著拆封天數增加擴散氫會達到10 mL/100 g左右，甚至更高。即使藥粉經過高溫處理的有縫藥芯焊絲在出廠時能保證H5以下的擴散氫，但只要真空包裝打開一段時間有縫藥芯的擴散氫就會大于H5。而對于無縫藥芯焊絲而言，由于外皮鋼帶沒有縫隙，因此產品成型以后不存在吸潮問題，無縫藥芯焊絲的擴散氫隨包裝拆封天數的增加幾乎沒有變化。另外，相對于有縫藥芯焊絲，無縫藥芯焊絲的擴散氫一般在H3.5以下，可以滿足AWS H4的要求。

眾所周知，擴散氫是導致冷裂紋產生的重要原因之一，尤其是對于高強度焊接材料。日本Nippon Steel & Sumikin Welding曾對藥芯焊絲的焊接裂紋發生率和擴散氫之間的關系進行了深入地研究。研究發現，對于SM490B鋼，當擴散氫小于3.5 mL/100 g時沒有裂紋產生。當擴散氫大于3.5 mL/100 g時隨著擴散氫含量的增加，裂紋產生率明顯增加，當擴散氫接近9 mL/100 g時，裂紋產生率約為18%。裂紋率隨擴散氫含量的增加而增加。BOhler焊接研究人員研究了擴散氫含量、抗拉強度和裂紋個數之間的關系。研究者發現，裂紋個數隨抗拉強度和擴散氫含量的增加而增加。對于同一抗拉強度的焊接材料，擴散氫增加后裂紋個數隨之增加。降低擴散氫有利于降低裂紋產生率。而無縫藥芯焊絲相對于有縫藥芯焊絲具有更低的擴散氫，因此無縫藥芯焊絲可以有效降低冷裂紋產生率。

在實際焊接生產操作中，為了降低冷裂紋的產生率，除了采用低氫焊材以外，一般還會采用預熱的方法來防止冷裂紋的產生。Yurioka研究了擴散氫含量與預熱溫度之間的關系[2]。研究發現，焊材的強度級別越高，需要的預熱溫度越高。對于同一級別的焊材，擴散氫越低需要的預熱溫度越低。這就說明降低擴散氫可以有效地降低預熱溫度。以抗拉強度780 MPa的焊縫金屬為例，擴散氫從6 mL/100 g降到3 mL/100 g，預熱溫度可降低約50℃。降低預熱溫度代表著可以降低消耗，節省焊接生產成本。

1.2.2無扭曲應力

無縫藥芯焊絲如同實心焊絲一樣由于截面各向同性而不存在扭曲應力。而有縫藥芯焊絲截面上有縫隙，因此各向異性，在縫隙處存在扭曲應力。扭曲應力的存在會使有縫藥芯焊絲在長距離送絲時發生扭曲，導致送絲不暢從而堵塞導絲管，嚴重時縫隙會開口導致藥芯粉泄露，出現焊絲空管串粉現象，進而影響焊絲工藝性和力學性能，出現焊接質量問題。而無縫藥芯焊絲由于沒有扭曲應力，因此可以長距離送絲。

無縫藥芯焊絲相比于有縫藥芯焊絲對準性更高。其對準偏差最大為18 mm,而同樣條件下有縫藥芯焊絲的對準偏差則為37 mm。

無縫藥芯焊絲的無扭曲應力、送絲距離長、焊絲對準性高等優點決定了無縫藥芯焊絲更適合自動化焊接。可顯著提高焊接效率，節省成本。

1.2.3可采用濕法鍍銅工藝

無縫藥芯焊絲由于外皮鋼帶沒有縫隙，因此可以采用傳統的濕法鍍銅工藝進行鍍銅處理，提高電流輸送。同時，鍍銅層可以降低導電嘴的磨損，減少更換次數，降低消耗，提高工作效率。

經武船重工公司現場測試發現，采用無縫藥芯焊絲每焊接1盤焊絲(15 kg)需損耗1個導電嘴，而有縫藥芯焊絲要消耗至少2個導電嘴。因為無縫藥芯焊絲的鍍銅層在焊接過程中可以起到一定的潤滑作用，同時鍍銅層使焊絲和導電嘴之間的導電性更好，從而減少了導電嘴的磨損。

1.2.4運輸儲存方便

無縫藥芯焊絲成型以后，由于外皮鋼帶是沒有間隙的無縫結構。焊絲內部藥芯粉不會發生吸潮，因此無縫藥芯焊絲抗吸潮性極強，甚至長時間儲存于潮濕的環境中也不需要再次烘干。無縫藥芯焊絲表面鍍銅處理以后，抗生銹能力強。且運輸、儲存過程中不需要真空包裝。

無縫藥芯焊絲和有縫藥芯焊絲暴露試驗研究表明，暴露相同天數的情況下，無縫藥芯焊絲的抗生銹能力要優于有縫藥芯焊絲。

1.2.5填充率穩定

無縫藥芯焊絲的另外一個優點就是填充率穩定，沒有空管串粉現象發生。由于無縫藥芯焊絲在粗軋時直徑比有縫藥芯焊絲粗，在細減徑前已經軋實。而且成品無縫藥芯焊絲不會發生漏粉現象。然而有縫藥芯焊絲經常會出現漏粉、空管串粉現象。藥芯焊絲空管、串粉會導致渣覆蓋不均勻、出現氣孔、蟲孔，導致焊接工藝性變差。無縫藥芯焊絲和有縫藥芯焊絲的填充率對比發現，無縫藥芯焊絲的填充率誤差可以保證在±0.25 %，而有縫藥芯焊絲的填充率誤差只能保證±0.5 %。

總之，無縫藥芯焊絲相比于傳統的有縫藥芯焊絲具有突出的優點，包括：超低擴散氫，降低冷裂紋產生率，降低預熱溫度；無扭曲應力，送絲距離長，焊絲對準性能高；可采用濕法鍍銅工藝，提高電流輸送，導電嘴磨損量小，降低消耗；抗吸潮、抗生銹能力強，運輸、儲存方便；填充率穩定，無空管串粉現象[3]。

2　無縫藥芯焊絲的國內外研究及發展現狀

無縫藥芯焊絲最早出現于20世紀70年代，由德國Drahtzug Stein公司采用盤管振動填粉方式生產制造，后瑞士Oerlikon公司開發出部分無縫藥芯焊絲產品并委托Drahtzug Stein公司開展無縫藥芯焊絲生產，形成初步市場化的無縫藥芯焊絲產品。隨著產品推廣，至20世紀90年代歐洲高強鋼焊接方面已部分使用無縫藥芯焊絲。與此同時，Oerlikon公司開展了無縫藥芯焊絲用于美國海軍HY 80、HY 100等高強鋼焊接方面的研究，并形成一定的供貨。20世紀80年代，日本Nippon Steel & Sumikin Welding公司另辟蹊徑，成功開發出在線填粉、高頻焊接方法生產無縫藥芯焊絲的工藝，其后在日本造船及海洋工程行業大量推廣應用，現已大量出口歐洲。進入21世紀，德國Bühler公司開展了在線填粉、激光焊接方法生產無縫藥芯焊絲的工藝研究。

2010年，中國船舶重工集團公司第七二五研究所特種焊材研制中心根據國家軍品保障條件建設的要求研究無縫藥芯焊絲生產設備，經過3年的科研攻關成功研發出國內第一條具有自主知識產權的無縫藥芯焊絲生產線，于2013年全線貫通投產。目前該產線單班穩定產能已達到8 t～10 t。同年,天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司進口Bühler公司無縫藥芯焊絲開始試生產。

2.1國外無縫藥芯焊絲生產商產品情況

(1) Drahtzug Stein公司。

產品約65種，包括金紅石藥粉型、金屬粉型以及堿性藥粉型。其中，STEIN-MEGAFIL?系列氣體保護無縫藥芯焊絲31種，產品涵蓋低碳鋼、低合金高強鋼、耐候鋼、耐熱鋼等；STEIN-MEGAFIL?系列硬面堆焊藥芯焊絲18種，包括氣體保護型和自保護型；STEIN-TOPCORE?系列無縫金屬粉型埋弧焊絲12種，主要為堿性藥粉型無縫焊絲；STEIN-TOPCORE?系列硬面堆焊埋弧焊絲4種，主要為堿性藥粉型無縫焊絲。產量約3 500 t/年。

(2) Nippon Steel & Sumikin Welding公司。

產品約26種，主要為SF?系列(藥粉型)和SM?系列(金屬粉型)氣體保護無縫藥芯焊絲。產品涵蓋碳鋼、低合金高強鋼、耐候鋼、耐火鋼、低溫鋼以及耐海水腐蝕鋼領域。產量約30 000 t/年。

(3) Oerlikon公司。

產品約10種，主要為Fluxofil?系列氣體保護無縫藥芯焊絲，涵蓋碳鋼、低合金高強鋼領域用金屬粉型和金紅石藥粉型藥芯焊絲。產量約2 500 t/年。

2.2國內無縫藥芯焊絲生產商產品情況

(1) 中國船舶重工集團公司第七二五研究所——洛陽雙瑞特種合金材料有限公司。

目前已有產品12種，主要為低碳鋼和低合金鋼用SRSF501(SRSF71)、SRSF501Ni(SRSF71Ni)、SRSF81Ni、SRSF81Ni2、SRSF81K2、SRSF91K2、SRSF91Ni2無縫藥芯焊絲。可焊后熱處理用SRSF71SR、SRSF71NiSR、SRSF81NiSR無縫藥芯焊絲。以及高強鋼用金屬粉芯型無縫藥芯焊絲品種，包括：SRSF80M無縫藥芯焊絲、SRSF690M無縫藥芯焊絲。目前正開發低合金高強鋼埋弧無縫藥芯焊絲、堿性渣系高強鋼無縫藥芯焊絲、抗氫鋼和耐熱鋼無縫藥芯焊絲產品。

(2) 天津冶金集團中興盛達鋼業有限公司。

目前已有產品5種，主要為TME70C6MSF、TME711SF、TME711NiSF、TME70CSF、TME81K2SF。

3　無縫藥芯焊絲的市場需求

藥芯焊絲是焊接領域的先進焊接材料，具有焊接高效、焊接工藝優良、焊縫成形優異，易于實現自動化和機器人焊接等優點，一經推出便受到廣泛關注。近20多年來，隨著藥芯焊絲制造技術的日趨成熟和制造成本的顯著降低，藥芯焊絲在世界范圍內的應用越來越廣泛，消耗量也逐年增加，逐步取代焊接效率低下的焊條和焊接工藝較差的實心焊絲等焊材產品。

按照藥芯焊絲的種類簡單劃分，可分為有縫藥芯焊絲與無縫藥芯焊絲。有縫藥芯焊絲的制造設備和制造技術經過20多年的不斷進步，在國內外已經形成了較為成熟的市場。其中，中國大陸藥芯焊絲市場年消耗量約45×104t。國內藥芯焊絲市場目前主要為有縫藥芯焊絲，能夠進行無縫藥芯焊絲生產供貨的僅有洛陽雙瑞特材公司和天津中興盛達公司，其他生產藥芯焊絲的廠家均為有縫藥芯焊絲，且有縫藥芯焊絲產能嚴重過剩。初步估計，國內有縫藥芯焊絲產能超過100×104t。因此，有縫藥芯焊絲市場競爭激烈，而無縫藥芯焊絲的設備技術、制造工藝技術、制造成本控制等諸多關鍵技術在國內其他廠家未予以解決，且進口的無縫藥芯焊絲價格高，在國內市場應用只有很少的份額。

目前，中國大陸的船舶、海工市場藥芯焊絲的年消耗量近40×104t，所有行業藥芯焊絲的年消耗量近50×104t。從理論上講，只要無縫藥芯焊絲成本能夠控制到與有縫藥芯焊絲相當，銷售價格與同型號的有縫藥芯焊絲一致，無縫藥芯焊絲可以替代有縫藥芯焊絲，并且還可以部分取代實心埋弧焊絲。洛陽雙瑞特材公司通過多種途徑，已經實現了無縫藥芯焊絲制造成本與有縫藥芯焊絲相當。依托于公司在船舶、海工行業的資源優勢，在內外部條件保障的情況下，預估五年內可實現無縫藥芯焊絲年銷售約4×104t、超3億元的目標。

4　無縫藥芯焊絲在船舶與海洋工程領域的應用分析

隨著世界經濟的發展和陸上石油天然氣資源的迅速銳減，以及對核能作為未來主要能源的質疑，海洋資源開發已經成為世界各國的能源開發熱點。自20世紀50年代我國進入海洋石油鉆探領域以來，經過半個多世紀的努力，我國在海洋鉆探、海洋裝備制造等相關技術領域取得了較大進步，目前我國投入大量資金建成了位于北海的多個油氣開發平臺。并且在近年相繼開發建設了15個海洋油氣田、共76座平臺、6座浮式生產儲油船(FPSO)、鋪設1 400多公里海底管線，總投入達1 200億元。在今后相當長的時間內，我國將投入大量資金用于鉆井平臺、浮式生產系統、工程船舶、水下工程等相關裝備的建設。此外在大量建設近海海洋工程的同時，也不斷拓展遠海和深海的資源。由于海洋工程裝備、海洋船舶的工作環境惡劣，對海洋工程裝備及船舶用鋼及其配套焊接材料的要求較高。

無縫藥芯焊絲具有超低擴散氫、抗吸潮性強、焊絲對準性高、運輸儲存方便等優點，可以取代有縫藥芯焊絲，并在海洋工程、船舶制造領域廣泛應用。分析原因如下：

(1) 目前國內大型船廠、海工裝備制造廠幾乎全部依水而建，工廠環境條件較差，尤其在沿海地區空氣濕度大。這些船廠與制造廠使用的藥芯焊絲幾乎都為普通有縫藥芯焊絲。普通有縫藥芯焊絲產品采用真空包裝以防止藥芯焊絲吸潮和生銹。而在潮濕條件下施工時，已拆封或真空包裝損壞的有縫藥芯焊絲容易吸潮生銹，導致焊縫金屬中擴散氫含量增加，裂紋傾向增加。同時吸潮后的有縫藥芯焊絲在施焊時氣孔敏感性增加，最終導致焊接質量和焊接接頭的力學性能下降。另外，采用真空包裝的有縫藥芯焊絲，在運輸過程中真空袋因道路顛簸或焊絲盤之間的相互摩擦而損壞在所難免。綜上所述，有縫藥芯焊絲存在易吸潮、易生銹等不可避免的問題。而無縫藥芯焊絲生產成型以后，由于外皮鋼帶是沒有間隙的無縫結構，焊絲內部藥芯粉的吸潮完全不會發生，因此無縫藥芯焊絲抗吸潮性極強，甚至長時間儲存于潮濕環境中也不需要再次烘干。

(2) 普通有縫藥芯焊絲外皮鋼帶為搭接或合口形式，焊絲長距離送絲時，在扭曲應力作用下會發生焊絲扭曲，扭曲后的焊絲搭接或合口會張開導致藥粉逸出，從而發生堵絲及送絲不暢現象，送出的焊絲由于沒有藥粉會產生氣孔或蟲孔。另外，有縫藥芯焊絲對準性差，不適用于自動化焊接。無縫藥芯焊絲從結構上截面各向同性，沒有扭曲應力，適合長距離送絲，且焊絲對準性高，適合國內大型船廠、海工裝備制造廠的自動化焊接，可以節約綜合成本。

(3) 無縫藥芯焊絲可以實現表面濕法鍍銅，鍍銅后的無縫藥芯焊絲抗生銹能力強，運輸儲存方便，用戶不需要花費額外費用建設焊絲儲存倉庫，而一般有縫藥芯焊絲儲存倉庫要求恒溫恒濕條件，花費較大。另外，鍍銅后的無縫藥芯焊絲可以提高電流輸送能力，節約能源。

(4) 無縫藥芯焊絲具有超低的擴散氫，與有縫藥芯焊絲相比，相同環境條件下可以減少冷裂紋的產生率、降低預熱溫度、節省成本，有利于控制焊接質量，降低用戶的使用風險。

(5) 無縫藥芯焊絲產品價格與普通有縫藥芯焊絲產品價格相當，使用的焊接設備和焊接工藝相同，因此，使用高端的無縫藥芯焊絲代替有縫藥芯焊絲不會增加用戶的使用成本。

5　結論

(1) 無縫藥芯焊絲具有超低擴散氫、抗吸潮性強、焊絲對準性高、運輸儲存方便等優點，可以取代有縫藥芯焊絲在海洋工程、船舶制造領域應用。

(2) 當前國內焊材年需求量突破500×104t，藥芯焊絲需求量約占焊材總消費量10 %，約達50×104t，其中80%用于海洋工程、船舶制造領域約40×104t/年。

(3) 隨著焊接行業自動化水平及焊接效率的提高，藥芯焊絲類產品消費量仍有較大的提升空間，無縫藥芯焊絲有較大的發展潛力。

[1]張智，陳邦固，金立鴻，等.藥芯焊絲在船舶焊接中的缺欠與對策[J].電焊機，2007(6):86-91.

[2]American National Standards Institute. Specification for Carbon Steel Electrodes for Flux Cored Arc Welding[S]. AWS A5.20/A5.20M, 2005.

[3]American Welding Society. Welding handbook[M]. 2014.

[4]Bohler welding.The danger posed by “Hydrogen” in welding un-and low alloyed steels[R]. 2012, 4-5.

[5]Yurioka N, Kasuya T. A Chart Method to Determine Necessary Preheat Temperature in Steel Welding[J]. Quarterly Journal of Japan Welding Society, 1995，13(3): 347-357.

[6]郭純，孔紅雨，范會卿，等. 無縫藥芯焊絲的結構特點及優點[J].金屬加工：熱加工,2014(20):24-27.

The Application Analysis of Seamless Flux Cored Wire for Ocean Engineering and Shipbuilding

GUO Chun, KONG Hong-yu, ZHU Guan-peng, ZHANG Wen-jun,ZHU Zhen-biao, FENG Zhao-long, YAO Run-gang

(Luoyang Ship Material Research Institute, Luoyang SUNRUI Special Alloy Materials Co., Ltd., Luoyang Henan 471023， China)

The seamless flux cored wire present production state and development tendency of application for offshore platform and shipbuilding were analyzed. The structural characteristics and advantages of the seamless flux cored wire were introduced. In particular, the domestic and foreign manufacturers and products of the seamless flux cored wire were introduced. The market demand and application prospect of the seamless flux cored wire in offshore platform and shipbuilding were analyzed.

Seamless flux cored wireOcean engineeringShipbuilding

郭純(1984-)，男，高級工程師，主要從事特種焊接材料研發、焊接工藝評價及相關應用研究。

U671

A