气体保护实芯焊丝在金属结构行业中的应用和探讨

             国内外气体保护实芯焊丝发展概况  
    气体保护焊工艺方法以其独特的优势，在工业发达国家制造业中得到广泛的应用。发展至今，美国气体保护实芯焊丝约占其焊材总量的31%，日本为41%，西欧达到53%。气体保护焊工艺的发展与金属结构制造密不可分。目前，在美国、日本、欧洲等发达国家和地区采用焊接结构件的比例不断增加，气体保护焊消耗的焊接金属材料重量约占全部焊接材料总重量的50%~75%。气体保护焊技术的发展，极大地提高了金属结构行业的制造技术水平。  
    我国的气体保护实芯焊丝研制与开发始于50年代，但始终停留在研究阶段。近10年来气体保护实芯焊丝的发展较快，目前全国的气体保护实芯焊丝生产企业150余家，已从德国、瑞典、加拿大、日本等国及台湾地区引进各种生产设备近50套，国产或自行研制的设备100余条，生产能力达年产20多万吨。2002年全国焊材生产总量约为150万吨。实芯焊丝产量约25万吨，大约占焊材总量的17%左右，但与国外比较，还有很大差距。   
1 气体保护实芯焊丝应用状况  
    1.1 气体保护实芯焊丝的发展  
    气体保护实芯焊丝伴随着金属结构焊接技术的发展而壮大，在我国“六五”和“七五”期间，为满足国家重点工程大型机械技术装备制造要求，引进国外先进的焊接技术和装备，对大型骨干机械企业进行技术改造，我国大型金属结构制造企业，通过与美国、德国、日本等国家的跨国公司合作制造大型金属结构，批量购买国外气体保护焊设备、焊材等器材，并且进行焊工培训。我们借助国外气体保护焊成熟技术和生产工艺，形成了我国大型金属结构行业气体保护焊生产能力，从根本上改变了金属结构行业的制造技术水平，推动我国气体保护焊技术的发展。90年代初至今的近10年时间，以1992年第1届“全国CO2焊接技术推广应用交流会”为契机，气体保护焊技术在金属结构行业中推广应用工作蓬勃发展，气体保护焊技术开发应用能力增加，应用工作从大型机械企业推广到中小型企业，而大型机械企业的气体保护焊应用也从合作产品的生产，推广到普通产品的生产中，气体保护焊设备、焊材、辅件基本实现国内供给，一批焊接设备、焊接材料、保护气体及辅件生产企业抓住市场时机，迅速发展壮大起来，逐渐形成了我国气体保护焊产业。  
    1.2 气体保护实芯焊丝的应用  
    随着我国大型骨干企业焊接技术改造，气体保护实芯焊丝在金属结构制造中得到广泛的应用，如太原重型机械（集团）公司、第一重型机械有限公司，大连重工集团有限公司、中信西阳矿机厂、北京煤机厂等企业，气体保护焊完成的焊接金属结构占其总重量的50~80%，在大型金属结构企业中发挥着不可替代的作用。气体保护焊主要用于制造大型桥式和门式起重机、4-23m3机械式挖掘机、1-6m3液压挖掘机、大型加压气化炉和焦炉等处理设备以及大型减速机、提升机、堆取料机、扎锻设备、氧气瓶压机、卫星发射架等大型设备。气体保护焊技术近年来在中小型企业的应用也有长足发展。  
    80年代初至80年代后期，我国针对当时Q235、16Mn等主要结构钢生产的490MPa级CO2气体保护实芯焊丝，已实现部分自给，但大部分气体保护焊丝主要依靠从美国、日本、德国等国进口，目前我国CO2气体保护实芯焊丝已形成一定的生产规模，产量和质量也有很大的提高，针对Q235、Q345及Q390等结构钢的CO2气体保护焊实芯焊丝，能满足金属结构制造的要求，使用最多的实芯焊丝主要有ER49-1和ER50-6两种，规格上主要有φ1.2mm、φ1.6mm两种，国内碳钢焊丝生产处于供大于求的状况，气体保护焊实芯焊丝的质量也有很大的差别。目前，国内形成一定生产规模、质量相对稳定的生产厂家有锦泰金属工业有限公司、大西洋焊丝制品有限公司、宜昌猴王焊丝有限公司、金狮焊接材料有限公司、常州华通焊丝有限公司、鄂州南塔特种焊接材料有限公司、哈尔滨威尔焊接有限公司等。600MPa级高强钢、不锈钢、铝及铝合金等实芯焊丝的几个生产厂家质量比较稳定（如金狮焊材公司、南塔特种焊材公司等）。700MPa级以上的高强钢焊丝、耐热钢焊丝的生产厂家较少（如威尔焊接公司等），对于800MPa级高强度钢、高合金钢、高韧性钢等特殊钢种实芯焊丝仍主要依靠进口。   #p#分页标题#e#
    在我国“六五”和“七五”期间，我公司先后与美国、德国、日本等国家合作生产，为国家重点工程项目提供了一批重型机械装备。为了更好地满足合作产品的质量要求，在80年代初成功地引进CO2 气体保护焊工艺方法，其中日本松下S系列气保焊设备近100台，美国米勒公司CY-650焊机12台。在近年来技改中分别购买唐山松下KRⅡ500焊机50台、欧地希CPX-500焊机35台。目前，CO2 气保焊工艺方法在产品焊接中占80%以上，成为我国焊接生产的主要手段，各类焊丝年用量为200~300吨，品种有国内外的各种实芯焊丝，规格为φ1.2mm、φ1.4mm、φ1.5mm。保护气体主要采用CO2气体。少量用富氩混合气体保护。在焊丝中大部分强度为500~800MPa结构钢用焊丝，还有不锈钢、耐热钢、耐磨堆焊、有色金属等焊丝。以前焊丝主要从日本、德国、荷兰等国进口。近年来，随着我国的CO2 焊丝发展，除合作产品外，已全部实现焊接材料的国产化，有效地降低了制造成本。   
2 推广应用中遇到的问题  
    2.1 焊丝品种  
    2.1.1 碳钢焊丝品种单一  
    我国CO2碳钢焊丝只有ER49-1和ER50-6两个品种，用单一CO2气保焊时，有飞溅多、焊道成形凸起等缺点，我们在承受疲劳载荷的金属结构件或焊缝外观质量要求高的合作成品的焊接中，大多数采用富氩混合气体保护。一般只能选用ER50-6CO2焊丝，而美国的ER70S-2和日本YGW15焊丝，除硫、硅含量较低外，还添加了锆、钛和铅等脱氧剂，焊接时对钢板的表面绣、杂质不太敏感，因此在富氩混合气体保护焊时选用ER70S-2和YGW15焊丝比较合适。  
    2.1.2 高强钢、耐热钢等焊丝生产厂家少  
    近年来，随着企业产品结构的调整，焊接金属材料范围由常见的Q235、Q345向高强度钢（如Wel-ten80C）、高韧性钢、耐热钢（如21CrMo10）等领域拓展，而我国这类焊丝的生产厂家极少，往往出现供货周期长、价格高，不能满足生产要求。有的特殊钢种焊丝仍依赖进口。在实际生产中，对于以上钢种的焊接，只得选用进口焊丝或改变焊接工艺方法。  
    2.2 焊丝结构不合理  
    国外低碳钢焊丝Mn元素含量相当于ER49-1焊丝下限，焊丝拉拔、焊接工艺与力学性能均好于ER49-1焊丝。因受原材料和传统观念的影响，目前许多用户仍以ER49-1焊丝为主，该焊丝是仿前苏联产品，化学成分不合理，Mn元素含量偏高，不仅在焊接低碳钢时焊丝浪费，而且会给拔丝带来困难，增加退火处理工艺，根据多年试验与实践，ER50S-6焊丝送丝稳定、飞溅小、焊缝成形美观，焊丝熔敷金属强度与ER49-1相当，但其塑性、韧性优于ER49-1焊丝。因此，在焊接低碳钢时，应优选ER50S-6焊丝，使我国CO2焊丝结构趋于合理。  
    2.3 CO2焊丝的焊接工艺性能  
    通过这几年对国内外焊丝的研究与应用，我们感到国产焊丝的力学性能虽比国外同类焊丝差，但基本上能满足要求，而焊丝的工艺性能问题却比较突出，在一定程度上制约了CO2焊丝的发展。目前国产焊丝在挺度、送丝稳定性、飞溅、焊缝成形、适用性等方面与国外焊丝有一定的差距，远不能满足焊接生产发展的要求。  
    2.4 焊丝的抗拉强度、翘距  
    2.4.1焊丝的抗拉强度  
    一般通过焊丝的抗拉强度来衡量焊丝的硬度，对推丝式送丝机构而言，焊丝的硬度是衡量其工艺性能的重要指标。焊丝的硬度与化学成份、拉拔工艺有关。目前国内的焊丝生产厂家和用户一般只重视焊丝的理化性能指标，忽视了抗拉强度指标，通过试验与实践，我们认为国产焊丝硬一些比较好，因此，我公司碳钢焊丝标准规定φ1.2mm焊丝的抗拉强度为1000~1200MPa,基本能保证送丝的稳定性（如锦泰、猴王、大西洋、华通等公司的焊丝）。   #p#分页标题#e#
    2.4.2 焊丝的翘距  
    焊丝的翘距对送丝也有一定的影响，翘距较大时，焊丝与导丝管磨擦，增大送丝阻力，它与焊丝生产中的矫直有关，我国使用的国外焊丝（φ1.2）翘距一般都小于5mm, 日本KC-50焊丝的翘距为零：而国产焊丝的翘距小于5mm的不多，这应引起厂家的足够重视。根据以上情况，我公司标准规定焊丝翘距应小于10mm以下。  
    2.5 焊丝的镀铜质量  
    目前焊丝镀铜采用化学镀和电镀两种方法。化学镀成本低、孔隙率小、镀层结合强度低，电镀成本高、孔隙率大、镀层结合强度高。日本焊丝一般采用电镀，西欧采用化学镀，我国则以化学镀为主，少数厂家采用电镀。  
    2.5.1 镀铜层不均匀、结合力差、易掉铜屑  
    在金相显微镜下观察日本KC-50焊丝，发现镀层比较均匀，无铜堆积现象，针孔率较小，镀层致密。而国产焊丝相对较差，焊丝经过送丝轮时掉铜屑，严重的大片脱落，堵塞导丝管，工人只得经常用压缩空气吹导丝管，清除铜屑。  
    2.5.2 镀铜层易生锈、保存时间短  
    国内焊丝锈蚀主要是基体与镀铜层界面生锈。有的焊丝刚发到厂，表面就发现锈蚀，有的存放一段时间后发现锈蚀，能保存半年的焊丝几乎很少，而日本、德国焊丝可存放3年以上，可见国产焊丝镀铜质量有待进一步提高。  
    焊丝镀铜质量问题一直制约着我国气体保护焊丝的发展与应用。因此，一是要制定出合理的工艺规范；二是要加强镀前处理，提高除锈去脂能力；三是解决镀铜剂、润滑剂、光亮剂、拉丝模的质量。如国外的润滑剂易清洗，防锈，焊接时飞溅小，拉丝模为旋转式，这样可以避免焊丝表面拉痕，减小焊丝的椭圆度。  
    2.6 大力研制开发非镀铜焊丝  
    非镀铜焊丝是应用纳米技术和现代金属间化合物胶体涂层技术，对焊丝表面进行新型的层处理，它与传统镀铜焊丝比较，具有电弧稳定、飞溅较小、成形美观、防锈能力强、烟雾毒性和污染小、成本低等优点。目前在日本、美国等工业发达国家已有迅速取代镀铜焊丝之势，我国锦泰、三英、猴王等企业已研制、生产这种焊丝。2003年我公司开始推广应用非镀铜焊丝，取得一定效果，但焊丝质量不太稳定，主要表现为导电性能较差，送丝不太稳定，导电嘴磨损严重等，今后还需不断研究、开发、掌握非镀铜焊丝制造技术，改进提高产品质量，以满足实际生产要求。  
    2.7 焊丝包装  
    国外焊丝为塑封包装，并放入硅胶类防潮剂，包装盒美观耐用，一般一吨焊丝一个木制箱装，便于保管、搬运、领用。国产焊丝因包装问题，常发生吸潮、散盘，焊丝盘、包装盒破坏，数量不准等现象（锦泰、大西洋、猴王等焊材公司焊丝包装较好）。因此，焊丝包装不可忽视。  
    2.8 焊丝技术标准  
    焊丝标准的制修订工作对气体保护实芯焊丝的进一步推广应用至关重要，我国焊丝标准，目前大多数与美国相应标准等效，由于资金等方面的原因，标准修改周期长，部分标准仍落后于国外标准，不能适应生产发展要求，在实际生产中，我们只能参照国外有关标准，进行焊丝的选择、试验及产品验收工作。因此希望抓紧进行采用国际标准的我国焊丝标准修订工作。  
    2.9 焊丝生产宏观失控   #p#分页标题#e#
    气体保护焊丝是技术密集型的产品，要保证焊丝从送丝软管中正常送出，焊丝质量起关键作用。前几年，国内金属制品行业、钢丝绳厂、乡镇企业都认为CO2焊丝工艺简单、市场需求量大，盲目上生产线，焊丝生产厂发展到150多家，根据统计，仅江苏省就有16家，河北省13家，而山西省这样的能源重化工基地，虽建有一个焊丝厂，至今也没有出产品。由于焊丝厂布局不合理和质量波动，生产中经常出现供货不及时和退货问题。针对以上情况，我公司制定了TZL911-2000“常用气体保护电弧焊用碳钢焊丝”标准，并采取了分供方资格评审办法，以保证焊丝质量和生产周期。  
    2.10 保护气体  
    前几年，国内尚无焊接用保护气体专业厂，都是以副产品的形式收集（如有石灰窖、酒精厂、化工行业等），因此气体杂质含量较高，主要是水分和硫化物，使气体纯度达不到焊接标准要求。目前，国内专业气体生产厂家仅有两个合资企业，即普莱克斯和BOC气体公司，均可提供CO2及富氩等多种焊接用气体，并且气体纯度较高，能满足产品要求，但仍存在供货不及时、影响生产周期、气体价格高、增大生产成本等问题。   
3 气体保护实芯焊丝的发展趋势  
    随着国民经济的发展，我国焊接材料的消耗量将持续增长，据专家预测，到2010年，我国焊接材料总量将达到200万吨左右，气体保护实芯焊丝约占20~25%，约为40~50万吨。为了尽快发展我国气体保护实芯焊丝产业，更好地满足焊接生产需求，提出以下建议：  
    1)ER49-1焊丝已不能适应我国焊接生产发展要求，为与国际焊接材料技术发展接轨，应逐步淘汰ER49-1焊丝。在焊接低碳钢时，应优选ZR50-6焊丝，使我国CO2碳钢焊丝结构趋于合理。  
    2)应大力发展气体保护焊丝品种，如富氩混合气体保护碳钢焊丝，700MPa、800MPa高强度焊丝，高合金钢焊丝，耐热钢及高韧性钢焊丝等，以满足焊接生产发展要求。  
    3)加强非镀铜环保型焊丝的制造技术研究，为用户提供优质的非镀铜焊丝，推动CO2气体保护焊焊接工艺更快的发展，逐渐取代传统的镀铜焊丝，以发展我国的“节能、环保”焊接。  
    4)进一步加强气体保护实芯焊丝制造技术的研究，充分掌握引进设备技术特性，不断提高原材料品种和质量，制定合理的拔丝、镀铜、层绕、包装等生产工艺规程，彻底解决焊丝批量生产的质量稳定性问题，尽快缩短我国气体保护实芯焊丝和原辅材料与国外的差距。  
    5)我国加入了WTO，国内焊材市场受世界名牌焊材企业的冲击较大。国内焊材企业应在协会和行业的统一领导协调和指导下，打破地区、行业垄断堡垒的局面，走强强合作或技术资金互补的道路，避免在低水平上重复投资和恶性竞争，走集团化发展道路，尽快建立几个布局合理、品种齐全、质优价廉的焊接材料基地（如锦泰金属工业有限公司、普莱克斯气体有限公司等企业），保证我国焊接材料产业整体进入国际市场。  
    6)目前，美国、日本、欧洲标准都逐渐向国际标准（ISO）靠拢，因此应投入一定人力、物力抓紧进行采用国际标准的我国气体保护实芯焊丝标准修订工作，促进我国气体保护实芯焊丝的发展和产品质量的提高，尽快与国际焊接材料发展接轨。  
    7) 加强交流和协作，提高国内CO2焊丝的整体水平。国内焊丝制造企业，应不断加强彼此间的交流与协作，尤其是要加强科研单位、焊丝厂和使用单位之间的协作，充分发挥各国的优势，使我国CO2焊丝的质量、品种不断得到提高。   #p#分页标题#e#
4 结束语  
    气体保护实芯焊丝是一种高科技的焊接材料，它的产生与发展适应了焊接生产向高质量、高效率、自动化、低成本、环保型方向发展的趋势。我国金属结构制造业只有大面积推广高效熔化极气体保护焊技术，才能满足国内金属结构企业生存和发展的需要。纵观国内外气体保护实芯焊丝的发展，我国与工业发达国家相比，还有不小的差距，这就需要焊接界同仁共同努力，尽快研制生产出高质量的焊丝产品，以更好地适应我国焊接生产的不断发展。