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        中國(guó)綠色焊接材料的現(xiàn)狀和進(jìn)展

        2020-11-23 02:58:08李紅栗卓新巴凌志邸新杰
        金屬加工(熱加工) 2020年10期
        關(guān)鍵詞:熔滴焊材鍍銅

        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(lái),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(shí)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(duì)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(guó)家建設(shè)資源節(jié)約型、環(huán)境友好型社會(huì)的步伐加快,發(fā)展循環(huán)經(jīng)濟(jì)、倡導(dǎo)綠色制造勢(shì)在必行。努力研制適應(yīng)我國(guó)發(fā)展的高效、綠色、環(huán)保的焊接材料成為近年來(lái)的行業(yè)目標(biāo)。本文主要對(duì)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(shí),促進(jìn)經(jīng)濟(jì)轉(zhuǎn)型升級(jí),從源頭減排、過(guò)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(dòng)化和智能化。

        2 綠色弧焊材料

        隨著焊接自動(dòng)化和半自動(dòng)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(shì)。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(zhǎng)趨勢(shì),未來(lái)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(shì)[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(guò)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(guò)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(jí)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(guò)余熱加熱氣體,實(shí)現(xiàn)了能源的階梯利用[2]。

        針對(duì)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(yáng)能地?zé)嶙鳛檩o助熱源,同時(shí)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(dòng)機(jī)為代表的拉拔設(shè)備,因其需要通過(guò)變速箱等配套裝備傳動(dòng),增加能源損耗。國(guó)內(nèi)多個(gè)企業(yè)[4,5]針對(duì)焊材生產(chǎn)環(huán)境差、制造成本高、產(chǎn)品品質(zhì)低的問(wèn)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(dòng)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(dòng)機(jī)布置采用“雙胞胎”結(jié)構(gòu),場(chǎng)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(shí)具有無(wú)電氣房、無(wú)電纜線、無(wú)操作臺(tái)及無(wú)施工成本等優(yōu)勢(shì),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(duì)于焊絲來(lái)說(shuō),拉拔過(guò)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(lái)了極大阻礙,因此國(guó)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(guó)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(duì)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(guò)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(wú)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(guò)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(guò)75%。

        (4)焊絲無(wú)鍍銅工藝 無(wú)鍍銅工藝主要是用非鍍銅層取代鍍銅層,無(wú)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(rùn)滑劑清洗和特殊涂層的設(shè)計(jì)。相比于鍍銅焊絲的潤(rùn)滑粉,無(wú)鍍銅的清洗更容易,保證較低的殘留率,并且對(duì)焊絲表面質(zhì)量和焊接過(guò)程中的影響較小。更為重要的是,無(wú)鍍銅的潤(rùn)滑粉無(wú)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(rùn)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(wú)污染,無(wú)有害物質(zhì)。

        近年來(lái),許多學(xué)者對(duì)無(wú)鍍銅焊絲做了大量研究。孫咸[7,8]對(duì)比鍍銅與無(wú)鍍銅焊絲熔滴過(guò)渡形態(tài)與焊接質(zhì)量的關(guān)系,無(wú)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(guò)渡,而且飛濺很小。無(wú)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(duì)穩(wěn)弧性的不利影響,使無(wú)鍍銅焊絲比鍍銅焊絲具有更優(yōu)異的穩(wěn)弧性。同時(shí),兩種不同銅含量的鍍銅焊絲比無(wú)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(guò)渡,同時(shí)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(wú)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(wú)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(guò)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(guó)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(wú)鍍銅焊絲,努力向無(wú)重金屬、無(wú)酸、無(wú)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(shí)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(duì)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(guò)程中的煙塵對(duì)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(gè)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(duì)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(jià)Cr含量。郭俊杰[15]通過(guò)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(shí),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(jì)的無(wú)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(duì)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(shí),減小煙塵重金屬含量是設(shè)計(jì)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(guò)程中產(chǎn)生的飛濺對(duì)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(guò)渡的模式有關(guān)。在氣體保護(hù)焊中,當(dāng)熔滴過(guò)渡變?yōu)樾D(zhuǎn)射流過(guò)渡時(shí),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(guò)渡一般有三種形態(tài),即滴狀過(guò)渡、短路過(guò)渡和混合過(guò)渡形態(tài),它們對(duì)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(guò)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(gè)參數(shù)有關(guān),三個(gè)參數(shù)值越高,焊接時(shí)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(duì)飛濺的影響[18]

        國(guó)內(nèi)某些焊材企業(yè)生產(chǎn)的無(wú)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(wú)扭曲應(yīng)力,送絲距離較長(zhǎng),焊絲對(duì)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(wú)害化釬料熔點(diǎn)高、流動(dòng)性差、成本高且難以使用,同時(shí)基礎(chǔ)理論難成體系、配方保密,所以無(wú)害化釬焊材料中無(wú)鎘銀釬料的精準(zhǔn)設(shè)計(jì)一直是國(guó)際釬焊界的熱點(diǎn)與難點(diǎn)。

        鄭州機(jī)械研究所[19,20]通過(guò)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(rùn)濕性能的同時(shí)保證較高的強(qiáng)度,并建立了釬料熔化溫度、潤(rùn)濕鋪展性能、連接強(qiáng)度等數(shù)據(jù)庫(kù),開發(fā)了釬料智能設(shè)計(jì)平臺(tái),實(shí)現(xiàn)了釬料成分設(shè)計(jì)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(dòng)化添加,在提高焊接效率、減少釬劑用量的同時(shí),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(shí)-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(guò)量釬劑對(duì)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(dòng)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(jià)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(duì)配合間隙的要求不太敏感。

        近年來(lái),瑞典H?gan?s AB公司和美國(guó)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(guó)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(wú)硼無(wú)磷鎳基箔帶釬料,當(dāng)釬焊間隙為50μm時(shí),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(duì)我國(guó)現(xiàn)代化和新型工業(yè)化的發(fā)展方向,我國(guó)自動(dòng)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(shí),兼顧環(huán)保、綠色發(fā)展尤為重要。綜合我國(guó)焊材的發(fā)展現(xiàn)狀,對(duì)未來(lái)的展望主要有以下幾個(gè)方面。

        1)無(wú)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(guó)的無(wú)鍍銅焊絲整體上占比遠(yuǎn)低于國(guó)外,無(wú)鍍銅焊絲的納米涂層研究應(yīng)用也有很長(zhǎng)的路要走,仍需要科研工作者和國(guó)有企業(yè)的不懈努力。

        2)自動(dòng)化程度的提高會(huì)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(wèn)題,將成為未來(lái)焊材發(fā)展方向之一。

        4)減少有害釬料成分,開發(fā)低銀無(wú)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。

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