摘 要：回顧自保護(hù)藥芯焊絲的發(fā)展歷程，介紹了自保護(hù)藥芯焊絲在船舶制造業(yè)的應(yīng)用前景；此外， 概述了自保護(hù)藥芯焊絲的焊接工藝性和熔敷金屬的力學(xué)性能。

關(guān)鍵詞：船舶建造；焊接；自保護(hù)藥芯焊絲

中圖分類號：U671.8 文獻(xiàn)標(biāo)識碼：A

1 前言

隨著全球經(jīng)濟(jì)一體化，國際貿(mào)易越來越頻繁，海上運(yùn)輸作為國際貿(mào)易中最主要的貨運(yùn)方式蓬勃發(fā)展，世界船運(yùn)業(yè)對船舶的需求量也越來越大。我國造船業(yè)迅猛發(fā)展，年造船噸位已躍居世界前列。大型的造船企業(yè)塢期越來越短，造船效率越來越高，這與國內(nèi)船舶企業(yè)高效焊接材料和方法的廣泛使用有著直接關(guān)系，其中就包括藥芯氣體保護(hù)焊絲的推廣使用。

藥芯氣體保護(hù)焊絲是由焊縫填充金屬“鋼皮”和包裹在其中起到合金化和保護(hù)焊縫作用的“藥粉”組成。他繼承了焊條成分可調(diào)的優(yōu)點(diǎn)，又克服了焊條不能連續(xù)、自動(dòng)焊接的缺點(diǎn)，還具有生產(chǎn)效率高、焊縫成形美觀等一系列優(yōu)點(diǎn)。雖然傳統(tǒng)藥芯焊絲有包裹的“藥粉”在施焊中產(chǎn)生焊渣保護(hù)焊縫，但由于作用有限，在使用中還必須同時(shí)以CO2等保護(hù)氣體予以保護(hù)，才能達(dá)到滿意的焊接質(zhì)量。

華南地區(qū)的造船企業(yè)的塢期生產(chǎn)普遍為近海或近江露天作業(yè)，生產(chǎn)中的大風(fēng)不可避免，同時(shí)夏季高溫時(shí)間長，為保證艙室作業(yè)環(huán)境必須使用大功率設(shè)備通風(fēng)，造成合攏口坡口區(qū)域空氣對流。由于以上兩點(diǎn)原因，加之傳統(tǒng)藥芯焊絲對于保護(hù)氣體的依賴，造成環(huán)境因素對焊接質(zhì)量的不利影響，嚴(yán)重影響焊接質(zhì)量。

本文根據(jù)參考文獻(xiàn)并結(jié)合試驗(yàn)分析認(rèn)為：通過合理的配粉和制造工藝生產(chǎn)的自保護(hù)藥芯焊絲，是能夠獲得工藝性能和力學(xué)性能都比較滿意的焊縫，既保證傳統(tǒng)藥芯焊絲高效、高質(zhì)，又不至于強(qiáng)氣流對焊接質(zhì)量造成太大影響。

2 自保護(hù)藥芯焊絲概述

自保護(hù)藥芯焊絲是一種跨世紀(jì)的新型焊接材料，已在世界各國得到越來越廣泛的應(yīng)用，具有廣闊的發(fā)展前景。自保護(hù)藥芯焊絲作為一種高效及適合室外作業(yè)的焊接材料，在船舶、鉆井平臺、石油管道、集裝箱等焊接領(lǐng)域備受青睞。

自保護(hù)藥芯焊絲除具有藥芯焊絲的特點(diǎn)外，還具有以下優(yōu)點(diǎn)：①不需外加保護(hù)氣源，可以使用現(xiàn)有氣體保護(hù)焊接設(shè)備改裝，降低了設(shè)備更新成本并更便于操作；②具有優(yōu)良的抗風(fēng)能力，通常能在4級風(fēng)下順利施焊；③優(yōu)良的抗銹能力。

自保護(hù)藥芯焊絲在發(fā)展早期也存在著一些問題，比如煙塵、飛濺較大，焊接操作工藝性差，接頭力學(xué)性能很難達(dá)標(biāo)，熔敷金屬的沖擊韌性較低等，這些不足導(dǎo)致自保護(hù)藥芯焊絲不能大面積推廣應(yīng)用。但經(jīng)過80年代至今的發(fā)展，上述問題已經(jīng)得到基本解決，自保護(hù)藥芯焊絲的優(yōu)越性得到充分體現(xiàn)。

2008年，我國西氣東輸二線工程開工，干線管道采用X80鋼管，全長4895km。這一浩大工程中，管線鋼的環(huán)縫焊接相當(dāng)一部份采用自保護(hù)藥芯焊絲半自動(dòng)焊完成，效果良好。

3 自保護(hù)藥芯焊絲的研究進(jìn)展

3.1 焊接可焊性

3.1.1 氣孔敏感性

自保護(hù)藥芯焊絲由于自身的特點(diǎn)，對于氧氣孔和氮?dú)饪纵^敏感。

國內(nèi)外研究認(rèn)為，在自保護(hù)藥芯焊絲中加入一定量的鋁，對于解決自保護(hù)藥芯可以起到較理想的效果。但也有研究表明，鋁含量過多會給金屬的力學(xué)性能特別是韌性帶來不良的影響。

文獻(xiàn)[1]通過試驗(yàn)認(rèn)為：

1）用含鋁鋼帶作自保護(hù)藥芯焊絲的外皮，可以更好地改善焊絲的保護(hù)效果，減小焊縫氣孔敏感性，使熔敷金屬中殘留鋁含量降低；

2）在自保護(hù)藥芯焊絲中加入稀土元素或稀土合金，可降低熔敷金屬中的含氧量及氣孔敏感性，但對熔敷金屬中含氮量影響不顯著；適量稀土元素可以改善焊縫金屬組織的形態(tài)，細(xì)化晶粒。

這表明，通過平衡自保護(hù)藥芯焊絲中鋁的含量和稀土元素的含量，可以在不增加氣孔敏感性和保證焊縫強(qiáng)度、韌性之間尋求一個(gè)最佳的平衡點(diǎn)。

3.1.2 脫渣性

藥芯焊絲的熔渣具有三方面的作用：①將液態(tài)金屬與空氣隔離，保護(hù)熔池；②熔渣與液態(tài)金屬間進(jìn)行了一系列的物理化學(xué)冶金反應(yīng)；③粉芯中加入了適量的穩(wěn)弧劑，起到穩(wěn)定焊接電弧、改善焊縫成形、調(diào)整焊接工藝性能的作用。

適宜的渣系對獲得力學(xué)性能優(yōu)良焊縫金屬和有良好焊接工藝性能的藥芯焊絲起著決定性作用。同時(shí)，由于自保護(hù)藥芯焊絲結(jié)構(gòu)特點(diǎn)及在保護(hù)機(jī)理上與普通焊條的差異，其渣系也與普通焊條差別很大。

目前一般把自保護(hù)藥藥芯焊絲分為4種渣系：CaF2-A120；CaF2-Ti02；CaF2-Ti02-CaO；CaF2-CaO。

文獻(xiàn)[1] 根據(jù)國內(nèi)外成功經(jīng)驗(yàn)和我國實(shí)際情況，研制了CaF2-A1203-CaO系自保護(hù)藥芯焊絲，通過對比實(shí)驗(yàn)認(rèn)為：此類渣系既保證了熔渣的抗硫、抗硅能力，又可適當(dāng)降低鋁的含量，同時(shí)脫渣性能上也優(yōu)于國外同類產(chǎn)品。

3.1.3 飛濺

飛濺是衡量焊絲可焊性能好壞的重要指標(biāo)之一。飛濺不僅污染工件，而且影響焊接電弧的穩(wěn)定性、熔敷效率和生產(chǎn)率。

飛濺產(chǎn)生的本質(zhì)是作用在熔滴上的各種力的綜合影響。從藥芯組成來看，藥芯組成可以影響熔滴的表面張力、氣體動(dòng)力，從而影響飛濺大小。隨著藥芯中碳酸鹽的增多，飛濺量由大變小然后又變大，這是因?yàn)樘妓猁}開始增大時(shí)，穩(wěn)弧作用占主導(dǎo)。強(qiáng)還原劑對飛濺量的影響也出現(xiàn)兩頭大中間小的趨勢，這是因?yàn)閺?qiáng)還原劑少時(shí)，脫氧不充分，熔滴中[O]較高，熔滴表面張力較小，顆粒細(xì)小，不易產(chǎn)生大顆粒飛濺；同時(shí)強(qiáng)還原劑大多是電弧穩(wěn)定劑，含量少時(shí)，飛濺量雖然大，但主要是小顆粒飛濺，當(dāng)強(qiáng)還原劑含量增大時(shí)，脫氧充分，熔滴[O]減少，表面張力增大，大顆粒飛濺增大。另外A1、Mg、Zr、Ti等的氧化物都有離子鍵，鍵能較大，表面張力較大，容易使熔滴粗化，因而使飛濺增大。石墨和高碳錳鐵對飛濺的影響是由于石墨是穩(wěn)弧劑、同時(shí)碳又使氣體動(dòng)力發(fā)生變化，這兩方面綜合影響的結(jié)果。

文獻(xiàn)[1] 采用單因素輪換法著重研究了粉芯組成對CaF2-A1203-CaO型渣系自保護(hù)藥芯焊絲飛濺率的影響，見圖1。結(jié)果表明，隨著碳酸鹽的增加，飛濺率出現(xiàn)了先由大到小、再由小到大的趨勢，大顆粒飛濺數(shù)目也有所變化。強(qiáng)還原劑對飛濺的影響為：剛開始時(shí)隨著強(qiáng)還原劑的增加，飛濺率減小，當(dāng)強(qiáng)還原劑超過20%時(shí)，飛濺率增大，強(qiáng)還原劑超過25%時(shí)，飛濺率開始明顯增大，大顆粒飛濺基本呈現(xiàn)單調(diào)增大趨勢。石墨對飛濺的影響與碳酸鹽有類似的規(guī)律、隨著石墨的增加，飛濺率出現(xiàn)了由大到小、再由小到大的趨勢，石墨含量為2%時(shí)，飛濺率最小。

3.2 熔敷金屬的化學(xué)成分及力學(xué)性能

通過氣體保護(hù)焊絲和自保護(hù)焊絲的對比分析試驗(yàn)，得出自保護(hù)藥芯焊絲的力學(xué)性能。

由表1、表2可以看出，兩種焊絲進(jìn)行焊接時(shí)，都能把焊縫中的有害雜質(zhì)S、P、C控制在較低的范圍內(nèi)。屈服強(qiáng)度、抗拉強(qiáng)度、伸長率基本相當(dāng)，而自保護(hù)藥芯焊絲的沖擊韌性高于氣保護(hù)焊藥芯焊絲。

由于沒有氣體保護(hù)，為防止氮?dú)膺M(jìn)入焊縫，自保護(hù)藥芯焊絲中往往加入大量的鋁作為脫氧劑和氮化物形成元素。國外的自保護(hù)藥芯焊絲已能夠在焊縫不產(chǎn)生氣孔的前提下獲得良好的力學(xué)性能，這一事實(shí)說明，自保護(hù)焊絲工藝性與力學(xué)性能統(tǒng)一的研究方向是可行的。

4 結(jié)語

通過合理的渣系選擇與合金元素的配比，自保護(hù)藥芯焊絲完全可以達(dá)到良好的工藝性能和力學(xué)性能，在保證良好的抗裂、韌性的同時(shí)兼顧飛濺、脫渣性、抗氣孔性。自保護(hù)藥芯焊絲國產(chǎn)化的生產(chǎn)研究已取得長足發(fā)展，逐步降低的自保護(hù)藥芯焊絲使用成本也為其在船舶制造業(yè)逐步推廣并取代傳統(tǒng)氣保護(hù)藥芯焊絲掃清了最后的障礙。

參考文獻(xiàn)

[1] 牛全峰.自保護(hù)藥芯焊絲的研究[D].武漢： 武漢理工大學(xué)，2005.