劉紅軍 趙鈺 樊志勤 楊國華 楊曉冬 趙凱 張鵬 杜奇鋒

1. 國內(nèi)外氣保護(hù)碳鋼實芯焊絲發(fā)展情況。

20世紀(jì)五六十年代，從冶金角度解決了CO2氣體保護(hù)焊的脫氧問題后，才使CO2氣體保護(hù)焊進(jìn)入了工業(yè)應(yīng)用階段，同一時期還實現(xiàn)了Ar+CO2和Ar+O2等混合氣體保護(hù)焊。發(fā)展至今，美國氣保護(hù)實芯焊絲約占其焊材總量的31%，日本為38.2%，歐洲達(dá)到70%左右，韓國為33.9%。如美國AWSA5.18—2005標(biāo)準(zhǔn)中列出6種不同用途碳鋼焊絲，日本JISZ3312—1999標(biāo)準(zhǔn)包含7種碳鋼焊絲，用戶可根據(jù)不同產(chǎn)品的技術(shù)要求、焊接條件、適用性等因素，更科學(xué)合理的選用焊絲，以更好地滿足焊接生產(chǎn)要求，顯著提高焊接制造業(yè)的技術(shù)水平，使得這些工業(yè)先進(jìn)國家的焊接高效化與自動化率達(dá)到80%以上。

我國的氣體保護(hù)實芯焊絲的研制與開發(fā)始于50年代，但始終停留在研究階段。80年代初期，我國針對當(dāng)時A3、Q345等主要結(jié)構(gòu)用鋼焊絲一般采用仿蘇聯(lián)的H08Mn2SiA碳鋼焊絲產(chǎn)品，在引進(jìn)焊絲制造設(shè)備、技術(shù)及軟件的基礎(chǔ)上，如：1983年當(dāng)時的天津焊絲廠從德國、意大利引進(jìn)國內(nèi)首條實芯焊絲生產(chǎn)線，已實現(xiàn)部分自給，但因焊絲質(zhì)量不穩(wěn)定，實芯焊絲處于供不應(yīng)求的局面。80年代中期，我國對大型金屬結(jié)構(gòu)企業(yè)進(jìn)行技術(shù)改造，引進(jìn)國外先進(jìn)焊接技術(shù)和設(shè)備及焊接材料，積極推廣氣體保護(hù)焊方法，從先進(jìn)工業(yè)國家進(jìn)口國際上通用的ER70S—6類碳鋼實芯焊絲（如美國ER70S—6、日本KC—50、德國K—52、荷蘭PZ6000等焊絲）。ER70S—6類焊絲的推廣應(yīng)用，顯著提高了我國大型金屬結(jié)構(gòu)企業(yè)的焊接工藝水平，促進(jìn)了國內(nèi)焊絲制造行業(yè)的技術(shù)進(jìn)步，推動了我國焊接技術(shù)的發(fā)展。因此，1992年在四川大西洋公司制訂我國GB/T8110—1995標(biāo)準(zhǔn)時，基本上參照了美國AWS標(biāo)準(zhǔn)，所以我國ER50—6焊絲與美國ER70S—6焊絲相當(dāng)。當(dāng)時根據(jù)國內(nèi)用戶還普遍使用H08Mn2SiA焊絲的實際情況，在標(biāo)準(zhǔn)中保留了H08Mn2SiA焊絲，把它更名為ER49—1焊絲。

近十幾年來，我國氣保護(hù)實芯焊絲的發(fā)展突飛猛進(jìn)，焊絲生產(chǎn)企業(yè)由十幾家發(fā)展到目前的200多家，具有一定規(guī)模的企業(yè)有5家（天津大橋、天津金橋、山東索力得、林肯電氣、常州華通）。目前已從德國、瑞典、加拿大、日本等國家及臺灣地區(qū)引進(jìn)各種生產(chǎn)設(shè)備50套，國產(chǎn)或自行研制的設(shè)備400余條，年成產(chǎn)能力達(dá)到200萬t左右。2013年氣保護(hù)實芯焊絲產(chǎn)量為165萬t，占其焊材總量的35%左右。在GB/T8110—2008標(biāo)準(zhǔn)中列出6種碳鋼焊絲，其中ER50—6焊絲品種占焊絲總量的80%左右，ER49—1焊絲部分企業(yè)生產(chǎn)，而有特殊要求的ER50—G類焊絲只有少數(shù)幾家企業(yè)生產(chǎn)（如林肯電氣和安泰科技適用于大電流高效率低飛濺的JM—58和AT—MG50焊絲，大西洋和金獅公司用于風(fēng)電新能源等產(chǎn)品的在-40℃下，要求沖擊值≥47J的CHW—50C3和ER50—3B焊絲等)，其他碳鋼焊絲品種焊材企業(yè)基本不生產(chǎn)。由此可見，我國現(xiàn)有碳鋼實芯焊絲的品種，已遠(yuǎn)不能滿足當(dāng)前焊接生產(chǎn)的快速發(fā)展要求。

2. ER49—1焊絲與ER50—6焊絲對比試驗分析

（1）焊絲化學(xué)成分 依照GB/T8110—2008標(biāo)準(zhǔn)，ER49—1焊絲和ER50—6焊絲化學(xué)成分如表1所示。

從表1看出，ER50—6焊絲與ER49—1焊絲比較，錳元素含量較低，硅元素含量較高，Mn/Si在1.6%~1.8%之間，一般碳鋼焊絲采用錳硅聯(lián)合脫氧，要求Mn/Si≈2.0%為宜，而ER49—1焊絲錳元素含量偏高，Mn/Si在2.2%~2.8%之間。由此可見，ER50—6焊絲因化學(xué)成分設(shè)計合理，可得到純潔、性能良好的焊縫。另外，ER50—6焊絲的硫、磷元素含量控制較嚴(yán)，這對保證焊絲在制造中的拉撥和焊絲熔敷金屬的力學(xué)性能均有利。

（2）焊絲的加工制造及成本 由于ER50—6焊絲成分設(shè)計合理，其拉撥性能良好，國際上通常使用φ5.5mm盤條，對于焊絲φ0.8mm以上的成品焊絲，不需要進(jìn)行中間退火處理，一次連續(xù)拉撥完成，生產(chǎn)效率較高。而我國的ER49—1焊絲的加工制造則使用φ6.5mm的盤條拉撥，當(dāng)焊絲拉撥到φ4.0~φ4.5mm時，因冷作硬化，拉撥非常困難，必需進(jìn)行中間退火處理。

ER49—1焊絲進(jìn)行中間退火熱處理，首先焊絲要增加約400元/t的生產(chǎn)成本；其次由于退火處理工藝波動，導(dǎo)致焊絲軟硬不均，使焊絲本身抗拉強度降低或升高，翹距增大，影響正常送絲。再者熱處理產(chǎn)生的氧化皮清理不干凈，影響鍍銅結(jié)合力，焊絲經(jīng)過送絲輪時掉銅屑，堵塞導(dǎo)絲管，不能正常送絲。這些均不同程度影響著焊接工藝性能。而ER50—6焊絲制造不進(jìn)行中間退火處理，有效地避免了上述問題的產(chǎn)生，焊絲產(chǎn)品質(zhì)量比較穩(wěn)定。

（3）焊絲熔敷金屬力學(xué)性能 選擇同一焊絲生產(chǎn)企業(yè)的ER49—1和ER50—6（φ1.2mm）焊絲，試板材料Q235（厚20mm），按GB/T8110—2008標(biāo)準(zhǔn)做焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果如表2所示。

從表2看出，由于ER49—1焊絲成分設(shè)計不合理，在CO2氣體保護(hù)下焊接，焊絲熔敷金屬抗拉強度偏高（接近60kg級焊絲），ER50—6焊絲熔敷金屬強度適中，其塑韌性（尤其是低溫沖擊韌性）明顯優(yōu)于ER49—1焊絲，所以ER50—6焊絲可用于在低溫下工作結(jié)構(gòu)件的焊接。但是，上述兩種焊絲當(dāng)采用單一CO2氣體保護(hù)時，會產(chǎn)生焊接飛濺大，焊縫成形凸起等問題，不適用于焊縫外觀質(zhì)量要求高，承受疲勞載荷金屬結(jié)構(gòu)件的焊接。

由于ER49—1焊絲錳元素含量相對較高，所以該焊絲具有良好的抗氣孔性能，焊絲熔敷金屬抗拉強度高于ER50—6焊絲，一般在壓力容器生產(chǎn)中，當(dāng)采用ER50—6焊絲施焊Q345R鋼材退火后，常出現(xiàn)焊接接頭抗拉強度偏低，而改用ER49—1焊絲可滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。

3. ER50—6焊絲保護(hù)氣體的合理選擇

在國外用戶可根據(jù)保護(hù)氣體的種類選用焊絲。如在美國當(dāng)選用CO2氣體保護(hù)時，使用ER70S—6焊絲，當(dāng)選用混合氣體保護(hù)時，則使用ER70S—2焊絲，這樣可以更科學(xué)合理地選擇焊材，提高焊接工藝水平。而在我國因受焊絲品種的限制，不論選擇哪種保護(hù)氣體種類，用戶只得使用ER50—6焊絲，這樣的保護(hù)氣體與焊絲的匹配極不合理。

表1 ER49—1與ER50—6焊絲化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

表2 ER49—1和ER50—6焊絲熔敷金屬力學(xué)性能

選用同一焊絲生產(chǎn)企業(yè)的ER50—6（φ1.2mm）焊絲，試板材料Q235（厚20mm），選擇不同種類的保護(hù)氣體，依照GB/T8110—2008標(biāo)準(zhǔn)，進(jìn)行焊絲熔敷金屬力學(xué)性能試驗，試驗結(jié)果如表3所示。

從表3可看出，ER50—6焊絲在CO2氧化性氣體保護(hù)下施焊，化學(xué)元素有一定燒損，熔敷金屬抗拉強度和屈服強度適中，伸長率較高，-30℃沖擊值為84J，焊絲的熔敷金屬綜合力學(xué)性能良好。而ER50—6焊絲采用混合氣體（惰性氣體）保護(hù)施焊，化學(xué)元素?zé)龘p少，焊絲的熔敷金屬抗拉強度偏高（接近60kg級焊絲），不僅伸長率較低，而且在施焊時對工件表面質(zhì)量要求高，焊縫容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。尤其是在壓力容器焊接生產(chǎn)中，焊縫射線探傷一次合格率較低。試驗與生產(chǎn)實際表明，ER50—6焊絲不適用于混合氣體保護(hù)焊。

4. ER50—G焊絲

ER50—G焊絲是用戶根據(jù)產(chǎn)品的特殊技術(shù)要求，與焊絲生產(chǎn)企業(yè)協(xié)商確定焊絲化學(xué)成分，熔敷金屬力學(xué)性能。如風(fēng)電新能源產(chǎn)品，常要求在-40℃沖擊值＞47J，而GB/T8100—2008標(biāo)準(zhǔn)中，碳鋼焊絲熔敷金屬沖擊韌性的最低溫度為-30℃，不能滿足產(chǎn)品技術(shù)要求。我國一些焊絲生產(chǎn)企業(yè)研制開發(fā)出ER50—G類焊絲（如金獅公司的ER50—3B、大西洋公司的CHW—50C3）,供用戶選用。

試驗分別選用同一廠家的ER50—3B和ER50—6焊絲，試板材質(zhì)Q235（厚20mm），分別對試板進(jìn)行焊接，焊后經(jīng)X射線探傷檢查，按GB/T8110—2008標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行試驗，試驗結(jié)果列于表4中。

從表4可看出，ER50—3B與ER50—6比較，含有一定量的Ni元素，眾所周知，Ni元素可提高材料低溫沖擊韌性，另外焊絲含C量低，S和P元素含量控制嚴(yán)格，焊絲熔敷金屬的抗拉強度適中，其塑性與-40℃低溫沖擊韌性顯著優(yōu)于ER50—6焊絲?？捎糜?40℃下工作結(jié)構(gòu)件的焊接。

5. 國外碳鋼焊絲概況

美國AWSA5.18—2005標(biāo)準(zhǔn)列出6種碳鋼焊絲，日本JISZ3312—1999標(biāo)準(zhǔn)含概7種碳鋼焊絲，供用戶選擇?？筛鶕?jù)不同焊接結(jié)構(gòu)的技術(shù)要求、焊接條件、適用范圍等因素，科學(xué)合理地選用焊絲，以達(dá)到產(chǎn)品的技術(shù)要求。

（1）美國ER70S—2和日本YGW15混合氣體保護(hù)焊絲 我國混合氣體保護(hù)焊使用的保護(hù)氣體，一般是80%Ar+20%CO2，屬于惰性氣體保護(hù)，施焊時對鋼板表面要求高，焊縫容易產(chǎn)生氣孔等缺陷。從表5中看出美國ER70S—2和日本YGW15焊絲與ER70S—6焊絲比較，除焊絲的錳、硅含量較低外，還添加了鋯、鈦和鉛等脫氧劑，焊接時對鋼板表面銹、雜質(zhì)不太敏感，因此在富氬混合氣體保護(hù)焊時，應(yīng)優(yōu)先選用ER70S—2（相當(dāng)于我國的ER50—2焊絲）和YGW15焊絲。

在實際生產(chǎn)中，當(dāng)采用混合氣體保護(hù)使用ER50—2焊絲施焊時，一是可以提高焊縫探傷檢查的一次合格率，確保焊縫質(zhì)量。二是焊接時飛濺小，焊縫成形美觀，特別適用于對焊縫外觀質(zhì)量要求高，承受疲勞載荷金屬結(jié)構(gòu)件的焊接。

（2）日本用于大電流高效低飛濺的YGW11焊絲 由表6看出，日本YGW11焊絲化學(xué)成分，與ER50—6焊絲比較，含有0.16%～0.22%的鈦元素，在采用較大焊接電流施焊時，可減少焊接飛濺30%～50%，同時可獲得良好的焊縫成形，已成為日本在CO2氣保護(hù)焊中用的最多的焊絲。日本YGW11相當(dāng)于我國的ER50—G焊絲，林肯電氣的JM—58和安泰科技的AT—MG58焊絲與YGW11焊絲相當(dāng)。

表3 ER50—6焊絲不同種類保護(hù)氣體熔敷金屬力學(xué)性能對比

表4 ER50—3B與ER50—6焊絲化學(xué)成分，熔敷金屬力學(xué)性能

（3）日本適用于厚板焊接的YGW18焊絲 表7表明日本YGW18焊絲的錳元素含量高于ER50—6焊絲，在較大熱輸入和較高的層間溫度下施焊，焊絲熔敷金屬的抗拉強度仍大于540MPa，沖擊值大于70J，特別適用厚板焊接結(jié)構(gòu)件的焊接。

（4）適用于薄板小電流的YGW12和ER70S—3焊絲 由表8得到：YGW12與YGW11焊絲化學(xué)成分相比，錳元素含量較低，美國ER70S—3焊絲中錳和硅元素含量低于ER70S—6焊絲。在焊接低碳鋼時，因焊接的熔深較小，氣泡容易浮出，焊縫產(chǎn)生氣孔的傾向有所減少。由此可見，YGW12和ER70S—3（相當(dāng)于我國的ER50—3焊絲）焊絲適用于薄板，小電流焊接。

6. 結(jié)語

我國氣體保護(hù)實芯焊絲經(jīng)過近十年的快速發(fā)展，取得了可喜的進(jìn)步。2013年全國氣體保護(hù)實芯焊絲產(chǎn)量為165萬t，約占其焊材總量的35%，其中ER50—6碳鋼焊絲占焊絲總量的80%左右。縱觀國內(nèi)外氣體保護(hù)焊碳鋼實芯焊絲的發(fā)展，我國與日本、美國等工業(yè)發(fā)達(dá)國家相比，還有一定差距。目前國內(nèi)碳鋼實芯焊接的生產(chǎn)能力已高于市場需求量的30%以上，出現(xiàn)競相壓價銷售的局面，焊絲品種單一不能滿足焊絲生產(chǎn)需求的局面仍未突破。而適用于大電流高效率低飛濺、富氬混合氣體保護(hù)、厚板、薄板以及風(fēng)電新能源和壓力容器等產(chǎn)品的碳鋼焊絲，因化學(xué)成分不同，批量少，國內(nèi)鋼廠不愿供貨，用戶只能選用價格昂貴的進(jìn)口產(chǎn)品或改變焊接工藝方法。這就需要鋼廠與焊接界同仁共同努力，盡快生產(chǎn)出高質(zhì)量、多品種的碳鋼實芯焊絲產(chǎn)品，進(jìn)一步推動我國焊接技術(shù)與生產(chǎn)的不斷發(fā)展。

表5 ER70S—2、 YGW15和ER70S—6焊絲化學(xué)成分 (質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

表6 日本YGW11與ER50—6焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

表7 YGW18與ER50—6焊絲化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)

表8 四種焊絲的化學(xué)成分(質(zhì)量分?jǐn)?shù)） (%)