李紅，栗卓新，巴凌志，邸新杰

1.北京工業(yè)大學(xué)材料與制造學(xué)部 北京 100124

2.天津大學(xué)材料科學(xué)與工程學(xué)院 天津 300350

1 序言

近年來，隨著經(jīng)濟(jì)的發(fā)展、行業(yè)標(biāo)準(zhǔn)的不斷提高以及政府和從業(yè)者環(huán)保意識的逐漸增強(qiáng)，綠色焊接這一概念變得舉足輕重。綠色焊接是綠色制造的緊密一環(huán)，是針對目前焊接行業(yè)中普遍存在的能源消耗大、資源有效利用率低而提出的發(fā)展概念。所有旨在提高焊接質(zhì)量、減少污染、節(jié)約能源的新型高效焊接技術(shù)都被稱為綠色焊接。而與綠色焊接息息相關(guān)的主要因素，包括綠色焊接工藝、新型綠色焊接材料和焊接安全防護(hù)等[1]。

隨著國家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會的步伐加快，發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、倡導(dǎo)綠色制造勢在必行。努力研制適應(yīng)我國發(fā)展的高效、綠色、環(huán)保的焊接材料成為近年來的行業(yè)目標(biāo)。本文主要對綠色焊接工藝方法和綠色焊接材料的研究現(xiàn)狀進(jìn)行總結(jié)，希望促進(jìn)焊接行業(yè)進(jìn)一步樹立和強(qiáng)化生態(tài)環(huán)保意識，促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級，從源頭減排、過程綠色、結(jié)果可控，努力實(shí)現(xiàn)焊接技術(shù)的綠色化、清潔化、自動化和智能化。

2 綠色弧焊材料

隨著焊接自動化和半自動化的持續(xù)發(fā)展，焊條在焊接材料所占的需求比例不斷下降，而氣體保護(hù)焊實(shí)芯焊絲的產(chǎn)量呈現(xiàn)不斷增加的態(tài)勢。目前，氣體保護(hù)實(shí)芯焊絲和埋弧實(shí)芯焊絲在焊材中所占的比例達(dá)到65%，考慮到增長趨勢，未來二者在焊材中的總占比將達(dá)到85%。因此，綠色弧焊材料也實(shí)現(xiàn)了從早期環(huán)保普通焊條到現(xiàn)在綠色氣體保護(hù)焊焊絲、埋弧焊絲-釬劑多線齊發(fā)的態(tài)勢[2]。焊接材料的綠色、環(huán)保主要包含兩方向：一是焊材制備工藝做到節(jié)能減排；二是焊接過程中低煙塵、低飛濺。

2.1 焊材的綠色生產(chǎn)

（1）使用清潔能源 焊條生產(chǎn)過程中需要高溫烘焙，以往都是用燃煤、燃油的烘焙爐，不僅污染大，排放量高，而且箱式爐能耗大，熱損失大。部分企業(yè)研發(fā)了焊條烘焙隧道爐能源梯級利用技術(shù)，如圖1a所示，采用燃燒天燃?xì)馓峁崃?，熱風(fēng)由高溫區(qū)向低溫區(qū)輻射，通過余熱加熱氣體，實(shí)現(xiàn)了能源的階梯利用[2]。

針對焊絲生產(chǎn)工藝中的蒸氣加熱，也已淘汰燃煤鍋爐，多采用以電或天然氣為主，太陽能地?zé)嶙鳛檩o助熱源，同時利用光伏發(fā)電等系列綠色節(jié)能、環(huán)保新型技術(shù)推進(jìn)廠區(qū)整體綠色化[3]，如圖1b所示。

（2）生產(chǎn)設(shè)備創(chuàng)新 目前，在焊材制造行業(yè)普遍采用以變頻電動機(jī)為代表的拉拔設(shè)備，因其需要通過變速箱等配套裝備傳動，增加能源損耗。國內(nèi)多個企業(yè)[4，5]針對焊材生產(chǎn)環(huán)境差、制造成本高、產(chǎn)品品質(zhì)低的問題，將伺服直驅(qū)技術(shù)（見圖2）用于焊絲生產(chǎn)。該種技術(shù)改變了傳統(tǒng)傳動模式，可減少維修成本，降低電能消耗約10%，備件少，噪聲更低；電動機(jī)布置采用“雙胞胎”結(jié)構(gòu)，場地更節(jié)省，維修更方便；將電氣內(nèi)置，即插即用，降低生產(chǎn)成本，提高了生產(chǎn)密度效率，同時具有無電氣房、無電纜線、無操作臺及無施工成本等優(yōu)勢，節(jié)約了生產(chǎn)材料，提高了環(huán)保水平，工作環(huán)境更加安靜，自帶除塵系統(tǒng)，有效降低了環(huán)境污染。

圖1 清潔能源生產(chǎn)

圖2 伺服直驅(qū)焊絲拉拔設(shè)備[5]

（3）焊材工序調(diào)整 對于焊絲來說，拉拔過程中極易生銹，傳統(tǒng)化學(xué)試劑酸洗除銹工藝給綠色焊材發(fā)展帶來了極大阻礙，因此國內(nèi)外很多焊材生產(chǎn)企業(yè)均采用機(jī)械除銹代替酸洗除銹，能夠穩(wěn)定地控制焊絲表面粗糙度，在不使用任何化學(xué)試劑的情況下達(dá)到焊絲盤條前處理的除銹要求。信國松[6]研究了采用機(jī)械前處理（砂布帶、鋼絲刷）代替酸洗的鍍銅焊絲表面清潔程度，鋼刷除銹機(jī)處理的線材表面有一些微小銹跡未被除去，拉拔后焊絲表面相對較暗，鍍銅后的厚度較小，焊接后焊縫成形性較差。焊材生產(chǎn)工藝過程中另一高污染工序?yàn)殄冦~工藝，解決途徑主要分為優(yōu)化鍍銅工藝和無鍍銅工藝。優(yōu)化鍍銅工藝主要在廢水利用和達(dá)標(biāo)排放等方面優(yōu)化，鍍銅工藝酸洗、堿洗產(chǎn)生的生產(chǎn)廢水經(jīng)均化、中和、曝氣、沉淀及脫水等工序處理后，可達(dá)回用水水質(zhì)標(biāo)準(zhǔn)，并經(jīng)過深化處理后至車間回用，處理后再到生產(chǎn)線重復(fù)使用，回用率超過75%。

（4）焊絲無鍍銅工藝 無鍍銅工藝主要是用非鍍銅層取代鍍銅層，無鍍銅焊絲是應(yīng)用納米和現(xiàn)代金屬間化合物膠體涂層相結(jié)合的新型焊接材料，該工藝主要涉及到涂層涂敷之前的潤滑劑清洗和特殊涂層的設(shè)計。相比于鍍銅焊絲的潤滑粉，無鍍銅的清洗更容易，保證較低的殘留率，并且對焊絲表面質(zhì)量和焊接過程中的影響較小。更為重要的是，無鍍銅的潤滑粉無有害物質(zhì)的添加。非鍍銅涂層在增強(qiáng)焊絲抗銹性的基礎(chǔ)上，擁有高吸附性、耐高溫、急速干燥及低電阻等特點(diǎn)，增加了焊絲的潤滑性和導(dǎo)電性，降低了導(dǎo)電嘴的磨損，減少了更換頻率。并且采用的活性涂層無污染，無有害物質(zhì)。

近年來，許多學(xué)者對無鍍銅焊絲做了大量研究。孫咸[7，8]對比鍍銅與無鍍銅焊絲熔滴過渡形態(tài)與焊接質(zhì)量的關(guān)系，無鍍銅焊絲在不同保護(hù)氣下的電弧改善、熔滴細(xì)化、轉(zhuǎn)變電流均低于鍍銅焊絲，比較容易獲得噴射過渡，而且飛濺很小。無鍍銅焊絲涂層中的活性元素等物質(zhì)，在電弧中抑制了CO2氣體對穩(wěn)弧性的不利影響，使無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲具有更優(yōu)異的穩(wěn)弧性。同時，兩種不同銅含量的鍍銅焊絲比無鍍銅焊絲的焊接煙塵分別凈增加18.6%和38.8%，但煙塵形成率的增加與焊絲中銅含量的增加不成正比關(guān)系。齊彥昌[9]在實(shí)芯焊絲表面制備了含有Ti、Na、K氧化物的納米涂層，發(fā)現(xiàn)涂層中的Ti、Na、K元素增大軸向電磁力，使電弧敞開過渡，同時也降低了熔滴的表面張力，使得兩種涂層焊絲的熔滴均比未涂層焊絲的熔滴細(xì)小。無鍍銅焊絲表面涂層納米化同樣是當(dāng)前研究方向[10]，表面涂層納米化使無鍍銅焊絲自腐蝕電位正向增加，焊絲耐蝕性增強(qiáng)；熔滴細(xì)化，過渡頻率加快，電弧燃燒更穩(wěn)定；飛濺降低，熔深增加，焊縫成形平滑美觀；降低與導(dǎo)電嘴的摩擦系數(shù)，提高焊絲的送絲性能。

目前，國內(nèi)多家焊絲生產(chǎn)企業(yè)紛紛研制出了具有自己特色的無鍍銅焊絲，努力向無重金屬、無酸、無堿生產(chǎn)靠近，從而實(shí)現(xiàn)接近“零”污染排放。

2.2 綠色焊材的研發(fā)

（1）降低焊材煙塵 焊接時的高溫使液態(tài)金屬和熔渣劇烈蒸發(fā)，然后被吹出后迅速氧化和冷凝，變成細(xì)小的固態(tài)粒子，彌散在電弧四周，形成焊接煙塵（見圖3）。由于煙塵中包括Fe、Si、Mn、Mg、Gr等重金屬元素（見表1），對操作人員健康和環(huán)境造成有害影響[11，12]，因此改善焊接過程中的煙塵對綠色焊材的發(fā)展十分必要。降低焊材煙塵，主要包含增大煙塵直徑、減少煙塵中的重金屬元素和降低發(fā)塵量等。

表1 焊接煙塵中化學(xué)成分（質(zhì)量分?jǐn)?shù)） （%）

圖3 焊接煙塵SEM形貌[13]

一般而言，焊接煙塵主要集中在電弧外側(cè)區(qū)、飛濺煙塵區(qū)和熔滴煙塵區(qū)三個區(qū)域，其中電弧區(qū)是焊接煙塵產(chǎn)生的主體。大多數(shù)煙塵的直徑都小于0.5μm，煙塵越小對人體和環(huán)境的危害越大[13]。影響煙塵顆粒直徑的因素除了焊接參數(shù)外，還與焊材和保護(hù)氣中的CO2、O2等氧化性元素有關(guān)，氧化元素發(fā)生放熱反應(yīng)，電弧溫度升高，煙塵直徑增加。Pires[14]認(rèn)為煙塵中的重金屬含量與保護(hù)氣體中氧化性氣體有關(guān)，煙塵中Si含量隨著氧化性氣體增加而增加，Mn和Na含量隨CO2的增加而減少。在保護(hù)氣體中加入少量的NO，可降低致癌的六價Cr含量。郭俊杰[15]通過改變藥芯焊絲中的藥粉粒徑，發(fā)現(xiàn)隨藥粉粒徑的減小，焊絲的發(fā)塵量降低，電弧的穩(wěn)定性變好。當(dāng)藥粉直徑為120～150μm時，發(fā)塵量最少，電弧的穩(wěn)定性最好。

此外，基于藥芯焊絲成分設(shè)計的無害化，是解決焊接煙塵危害的有效手段。如用于船艙內(nèi)部通風(fēng)不良、狹窄環(huán)境工作條件下Mn含量極低的藥芯焊絲系列，可顯著降低焊接煙塵對作業(yè)環(huán)境和身體健康的影響。綜上可知，減少小直徑的煙塵顆粒，降低焊材發(fā)塵率的同時，減小煙塵重金屬含量是設(shè)計環(huán)境友好型焊接材料的重點(diǎn)。

（2）減少焊接飛濺 同焊接煙塵一樣，焊接過程中產(chǎn)生的飛濺對環(huán)境及人體健康有著不利的影響。焊接飛濺直接由金屬液滴凝固形成，與熔滴過渡的模式有關(guān)。在氣體保護(hù)焊中，當(dāng)熔滴過渡變?yōu)樾D(zhuǎn)射流過渡時，電弧不穩(wěn)，極易產(chǎn)生飛濺，嚴(yán)重影響焊道表面成形[16]。

熔滴過渡一般有三種形態(tài)，即滴狀過渡、短路過渡和混合過渡形態(tài)，它們對應(yīng)的焊接飛濺形態(tài)各不相同。孫咸[17]研究了CO2氣體保護(hù)熔滴過渡與飛濺的關(guān)系，認(rèn)為飛濺與熔滴的非軸向性、熔滴尺寸和熔滴中的氣體含量三個參數(shù)有關(guān)，三個參數(shù)值越高，焊接時的飛濺越大，反之越小。Kataoka T[18]的研究認(rèn)為（見圖4），低飛濺焊材的研發(fā)主要有兩種途徑：一是在焊絲或焊絲的涂層中加入稀土或一些活化元素，如K、Na、Ba、Ti等，這些元素可以有效增大弧根面積，限制熔滴的非軸向性，減小熔滴尺寸，消除短路爆炸和氣體膨脹所導(dǎo)致的飛濺；二是采用藥芯焊絲，在藥粉中加入Mn、Si、Ti等脫氧劑，或者K、Na等穩(wěn)弧劑，可以在一定程度上減弱熔滴的非軸向性，細(xì)化熔滴，明顯抑制飛濺。

圖4 焊絲中Ti和微量元素對飛濺的影響[18]

國內(nèi)某些焊材企業(yè)生產(chǎn)的無縫藥芯焊絲電弧穩(wěn)定性高，飛濺大大減少。除此之外，還能嚴(yán)格控制擴(kuò)散氫含量，降低冷裂紋傾向；無扭曲應(yīng)力，送絲距離較長，焊絲對準(zhǔn)性高；可濕法鍍銅，提高電流輸送，導(dǎo)電嘴磨損量小，降低消耗，也是一種具有良好應(yīng)用前景的綠色焊材。

3 綠色釬焊材料

由于傳統(tǒng)無害化釬料熔點(diǎn)高、流動性差、成本高且難以使用，同時基礎(chǔ)理論難成體系、配方保密，所以無害化釬焊材料中無鎘銀釬料的精準(zhǔn)設(shè)計一直是國際釬焊界的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

鄭州機(jī)械研究所[19，20]通過研究常用元素的主導(dǎo)作用和協(xié)同效應(yīng)，發(fā)現(xiàn)了相關(guān)元素與鎘的效用關(guān)系，建立了鎘當(dāng)量公式，在銀、銅、鋅基礎(chǔ)上添加銦、鎵、錫、鉍、鎳、錳等元素代替鎘，提高潤濕性能的同時保證較高的強(qiáng)度，并建立了釬料熔化溫度、潤濕鋪展性能、連接強(qiáng)度等數(shù)據(jù)庫，開發(fā)了釬料智能設(shè)計平臺，實(shí)現(xiàn)了釬料成分設(shè)計高效精準(zhǔn)化。

圖5 藥芯鋁釬料[20]

圖6 藥芯銀/銅釬料[20]

復(fù)合釬料如自釬釬料、藥芯釬焊焊絲（見圖5、圖6）、藥皮釬焊焊條、“三明治”釬焊焊帶等易于實(shí)現(xiàn)釬料自動化添加，在提高焊接效率、減少釬劑用量的同時，也解決了清洗殘留釬劑產(chǎn)生大量腐蝕性污水的難題。與傳統(tǒng)釬料相比，釬料釬劑一體化的藥芯焊絲，實(shí)現(xiàn)了釬劑定位-定溫-定時-定量精準(zhǔn)反應(yīng)的控制，以及釬劑的高效利用，適用于銅-鋁、鋁-鋁接頭的火焰釬焊、電弧釬焊等多種釬焊工藝。在同樣工況條件下，釬劑用量減少70%以上，大大降低了焊接產(chǎn)生的煙塵量，且有效減輕過量釬劑對環(huán)境的污染。

減少有害釬料成分和降低釬焊溫度的需求，進(jìn)一步促進(jìn)了綠色高溫釬焊材料的發(fā)展。由于制冷行業(yè)機(jī)油冷卻器（如EGR Cooler廢氣再循環(huán)冷卻器）處于高溫、酸腐蝕、振動等惡劣復(fù)雜的運(yùn)行環(huán)境，商用鎳基釬料釬不但焊接溫度高，成本也較高，制冷行業(yè)希望能采用一種可降低釬焊接溫度50～100℃、價格便宜、耐腐蝕、耐高溫、強(qiáng)度好的新型釬料，并具有良好的工藝性，對配合間隙的要求不太敏感。

近年來，瑞典H?gan?s AB公司和美國Sulzer Metco公司紛紛研制了Fe-Cr基釬料[21]，接頭具有較高的強(qiáng)度、良好的耐腐蝕和高溫抗氧化性能。德國亞琛工業(yè)大學(xué)認(rèn)為鐵基釬料代替鎳基釬料可以降低成本30%，并研究了鐵基釬料真空釬焊不銹鋼的接頭力學(xué)性能[22]。北京工業(yè)大學(xué)也研究了新型耐腐蝕性無硼無磷鎳基箔帶釬料，當(dāng)釬焊間隙為50μm時，接頭平均抗拉強(qiáng)度為244MPa，釬縫組織主要由Ni2.9Cr0.7Fe0.36韌性相和少量FeNiCr（P）脆性相組成。另外，還研究了不銹鋼釬焊接頭在交變載荷和侵蝕環(huán)境耦合下的腐蝕疲勞行為，認(rèn)為該釬料適用于連續(xù)式氣體保護(hù)釬焊[23]。

4 結(jié)論與展望

面對我國現(xiàn)代化和新型工業(yè)化的發(fā)展方向，我國自動化焊材如藥芯焊絲、實(shí)芯焊絲等發(fā)展迅猛，但在焊材品質(zhì)和環(huán)境指標(biāo)協(xié)調(diào)性方面仍需努力，在新型焊材的研發(fā)、生產(chǎn)時，兼顧環(huán)保、綠色發(fā)展尤為重要。綜合我國焊材的發(fā)展現(xiàn)狀，對未來的展望主要有以下幾個方面。

1）無鍍銅焊絲生產(chǎn)繼續(xù)向?qū)崿F(xiàn)“零”污染排放上努力。我國的無鍍銅焊絲整體上占比遠(yuǎn)低于國外，無鍍銅焊絲的納米涂層研究應(yīng)用也有很長的路要走，仍需要科研工作者和國有企業(yè)的不懈努力。

2）自動化程度的提高會進(jìn)一步降低焊條的應(yīng)用，極大地促進(jìn)了氣體保護(hù)焊絲、藥芯焊絲等機(jī)器人專用焊材的發(fā)展。

3）藥芯焊絲的發(fā)塵量要遠(yuǎn)高于實(shí)芯焊絲，由于實(shí)芯焊絲飛濺大、成形差，因此解決藥芯焊絲發(fā)塵量大和實(shí)芯焊絲飛濺大的問題，將成為未來焊材發(fā)展方向之一。

4）減少有害釬料成分，開發(fā)低銀無鎘釬料、復(fù)合釬料及釬料清潔生產(chǎn)技術(shù)是實(shí)現(xiàn)綠色制造的關(guān)鍵之一。降低釬焊溫度和生產(chǎn)成本的需求也促進(jìn)了綠色高溫釬焊材料的發(fā)展。