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1、药芯焊丝自动双丝焊工艺研究王元良 周友龙 梁 明 胡久富(西南交通大学 成都市 610031)摘 要 阐述了药芯焊丝焊接发展的现状及前景,介绍了药芯焊丝焊接的焊接工艺特点及分析,焊接工艺的选定和药芯焊丝焊接的效率及成本。由试验提出了多种双丝埋弧焊的效率及节能比较和两种药芯焊丝焊接试验结果及其分析。主题词 药芯焊丝 自动焊 工艺 试验 效率1 药芯焊丝焊接发展的现状及前景 药芯焊丝焊接在国外得到广泛应用,如 在造船业1985年日本85%用药芯焊丝,挪威 达90%。在石化工业方面,南美OMADA E LA TA直径610914 mm(2436in)的管线工程1358 km中, 681 km用手工
2、焊打底,自保护药芯焊丝盖面,用了42 t焊 丝,比手工焊节省1?3以上的费用。 铺设1.22 m及1. 42 m油气管线数千千米比手工 焊生产率提高2. 5倍。 在建筑桥梁工程方面,20世纪70年代在芝加哥25层高层建筑中 焊接了2455 m重3800 t的塔架建筑结 构;此后,在110层的世界贸易中心及其它摩天大楼中都采用了药芯焊丝焊接。美国自1983年起在金门大桥等桥梁修复中采用了 药芯焊丝焊接;近十几年来,德国在桥梁、 钢 结构、 管道及钢轨的焊接和堆焊上应用, 1996 年6月在建设的莱因赫尔内运河铁路桥工地焊接中采用了自保护药芯焊丝以平焊、 直 焊和仰焊位置焊接焊缝。 在机械制造方面
3、,英 国一拖拉机厂早在1970年就在160个半自 动焊工位10个自动焊工位采用了药芯焊丝 焊接,每月消耗药芯焊丝30 t,占焊接工作量的70%。 美国一工厂焊接100 t大卡车,每车 就要消耗1 t药芯焊丝。德国一工厂采用了 药芯焊丝修复焊接水泥磨盘,只用了7000马 克代替了换新需40000马克的开支。原苏联在核电站防护结构大型容器、 换热器、 高炉结 构等的焊接中广泛采用了药芯焊丝焊接,比 手工焊提高工效910倍,比CO2气体保护焊提高工效45倍1。 世界主要地区应用药 芯焊丝发展很快,其增长幅度如表14。世界 主要地区应用药芯焊丝的构成比例如表2。 由表1和表2看出,我国在药芯焊丝的构成
4、 比例很低,发展速度也较慢。日本在1981年药芯焊丝只占焊材总量的1% , 1990年就达16. 5% (图1), 1997年已达27% ,手工焊条 生产已由1979年的63%降到1997年的20%。各种焊接材料在各种位置焊接时常用 电流如图2。我国在宝钢建设中使用了日本YM505N焊机和SAN53自保护药芯焊 丝焊接钢板桩、 转炉车间框架结构,还采用了 国产管结552和ZS4自保护药芯焊丝焊 接储矿槽漏斗,其工效都比手工焊提高3倍; 在20世纪90年代宝钢3号高炉建设及武钢新3号高炉建设采用了美国林肯公司NR系 列的自保护药芯焊丝焊接(电流220450A、 电压2130V)。其它在造船、 机
5、械制造和能 源化工建设都有应用, PKYJ507或507气 保护药芯焊丝在这些行业得到了广泛应用,但是很多企业都采用进口,特别是室外焊接 所需的自保护药芯焊丝几乎全用进口,因而 在1997年我国药芯焊丝生产才占焊接材料 生产量的0. 6% ,这说明我们与国外和中国41焊管第24卷第6期2001年11月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.表1 世界主要地区应用药芯焊丝的增长幅度1 (% )国家198319861988199019921994欧洲100115125137153163 美国10
6、0115126135138140 日本100240255265300300表2 1997年世界主要应用药芯焊丝的构成比例1 (% )地区焊条气保护焊 实心焊丝药芯焊丝 埋弧焊丝日本20412712 美国39312010 西欧26531011 中国大陆78. 490. 612 中国台湾5427910图1 日本焊接材料生产的构成比变化图2 各种焊法不同焊接位置所用电流比较台湾地区差距都很大。 表3的构成比例,也说明我们焊接自动化程度很低。早在20世纪90年代初我国有焊条厂就引进了药芯焊丝 生产线,以天津三英公司为代表的国内药芯 焊丝产业已经形成,生产了结构钢、 耐热钢、 不锈钢及各种堆焊掺合金药芯
7、焊丝等几十种 产品。 除冶金和造船行业应用较多外,其它行业还有待大力推广。我认为现在还有相当大 的发展空间,一些堆焊掺合金药芯焊丝,由于 品种多批量小,要求特殊,技术含量高,还待 加以发展。现在药芯焊丝应用主要还在CO2 半自动焊,而自动焊应用很少,特别是室外施工自保护药芯焊丝还基本处于空白,但在西 部大开发的输送油气管道和容器及水电压力 钢管的室外焊接特别需要研究开发推广应用 自保护药芯焊丝焊接,半自动焊设备这方面 国内已有所突破,但焊丝仍然要靠高价进口。2 药芯焊丝焊接规范及熔敷率 以林肯药芯焊丝E70T1为例,其焊接 规范选定可参考图3,相应的熔敷率如图4。3 药芯焊丝的效率与成本 焊接
8、的效率比较如图5 (图中熔敷速度 考虑到不同焊接位置所用电流的不同,平焊 时及水平角焊时各种焊接的电流都在280 A 左右,横焊时各种焊接的电流都下降到230280 A ,但在仰焊或立向上焊时除药芯焊 丝焊接外,电流都下降到150190 A ,而在图3 药芯焊丝焊接规范与焊丝直径关系51第24卷第6期 王元良等:药芯焊丝自动双丝焊工艺研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.图4 药芯焊丝焊接的熔化率与焊丝直径关系立向下焊时手工焊快速焊接电流可到320A ,这几种焊接唯有药芯焊丝焊接在各种
9、不 同焊接位置所用电流均在220280A之内, 这点很利于全位置自动焊控制的简化。焊接 的节材节能及费用比较如图6 (填充金属量按16 mm板对接的合理坡口形式,费用比为 相对百分比)。 由图看出药芯焊丝焊接是一种 高效节能低成本的新工艺。另外比较容易调 整焊接材料成分以适应各种结构材料的要 求,同时容易做到适应各种焊接位置和环境的要求。 如推广应用,势必会产生很大的经济 效益和社会效益。4 双丝药芯焊丝焊接的实践 双丝焊突出的优点就是高效和节能,我图5 不同焊接位置所用的熔敷速度比较图6 几种方法焊接的节材节能及费用比较们对几种细丝双丝埋弧焊进行了实验研究, 其结果如图7。除此而外,双丝焊还
10、可以较大 幅度调整焊缝的熔合比和宽深比,以改变焊缝的成分和凝固结晶状况来减少焊接高强钢 和堆焊高合金层时极易产生的裂纹倾向,同 时也可减少焊接时的气孔和夹渣倾向。图7 几种细丝双丝自动焊熔敷率及能量利用效率国外对气保护双丝自动焊已有研究和应用,证明有很高的效率,以2. 4 mm单丝M IG焊和外加1. 6 mm预热填丝焊丝,其熔 敷速度可提高两倍左右;如用以焊脚K为7 mm的角焊缝,其焊接速度可提高一倍左右;这比埋弧焊的效率还要高,这是因为节约了大量熔化焊剂的热量,以此类推,气保护各种双丝焊预计比埋弧焊都要高。 另外,气保护 双丝自动焊可降低熔池温度,随填丝量的增 加,熔池温度降低越多,这点对
11、非平焊位置熔61焊管2001年11月 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.池的保持和单面焊一次成形十分有利,这将 对全位置焊接和打底焊十分有利,同时也可 改善焊缝和热影响区的组织和性能。5 并列双丝药芯焊丝焊接的试验结果 并列双丝药芯焊丝焊接与预热填丝焊类 似,均系单弧焊,都只用一个电源,但预热填 丝焊需两套送丝机,可分别用不同材料和直 径焊丝,并列双丝焊丝焊只需一套送丝机,可 分别用不同材料和相同直径焊丝,在焊接中 我们发现绝大多数是双焊丝同时导电共生一 个电弧,但也有时双焊丝轮回导电单
12、丝维持 电弧同时预热相邻焊丝,并列双丝焊接可用 比单丝焊较大的电流。5. 1 PK402药芯焊丝的试验结果及分 析焊接材料PK402药芯焊丝是由北京凯奇焊接材 料 有 限 责 任 公 司 研 制,按 美 国C级 钢(ZG25M nCrN i M o)的成分配制。1)成分: C 0. 220. 28, Si 0. 200. 40,M n 1. 201. 50, Cr 0. 400. 60,N i 0. 350. 55,M o 0. 200. 30, Cu 0. 30, S0. 04,P0. 042)性能:b620 M Pa,s414 M Pa,22% , 45% ,A kv(- 18)18J焊接
13、方法和工艺 我们用PK402药芯焊丝用并列双丝CO2气体保护焊和埋弧焊焊接5 mm厚的16 M n钢搭接和对接。焊丝直径为1. 6mm。埋弧焊时用SJ101焊剂。两种焊接方法 及规范相同,其规范为:I= 300 A ,U= 30 V ,vc= 30 m?h。设备用自行研制的单双丝埋弧 及气保护焊多用焊机。工艺试验结果1)埋弧焊焊接时工艺正常稳定,成型好, 脱渣性很好。药芯焊丝CO2气体保护焊焊接 在工艺正常稳定时成型好,有薄渣复盖,脱渣 性尚可,但不如埋弧焊,偶尔有干扰稳定的现象。2)药芯焊丝CO2气体保护焊接穿透力 强,单面焊熔深可达5 mm ,热影响区宽10mm ,埋弧焊焊接与药芯焊丝CO
14、2气体保护 焊熔深浅(4 mm),热影响区宽(14 mm)。3)药芯焊丝CO2气体保护焊成形优于 实心焊丝CO2气体保护焊,飞溅少而细。4)并列双丝焊可减少单面焊接时烧穿偏 离接口的可能性,但焊缝较宽。5)并列双丝焊的熔敷率接近单丝焊的两倍,而且大大节约了电能。性能测试结果与分析 本试验的目的在于比较同样是双丝埋弧 焊焊接接头对接头性能的影响和焊接方法及 单双丝焊接时性能的差异,同时也探索一下该种焊丝的工艺性能和实用对象性能上的差 异。试验主要测试了各种焊接方法的硬度分 布(H v),测试结果如表3。由表看出:焊接接 头的硬度分布是不均匀的。焊缝与熔合区较 高,母材低,热影响区由接近母材的低硬
15、度到熔合区的高硬度,母材和焊缝比较均匀,其平 均值也列于如表3。由表3结果比较,可得出 下面一些结果。1)此焊丝有可能用于中强钢焊接或耐磨 件的堆焊,现有试验其硬度及强度高于一般45#钢及低C低合金钢,钢母材及一般埋弧 堆焊层。如在45#钢及C级钢母材上堆焊, 其硬度将更高。用此焊丝埋弧双丝焊或CO2 双丝焊作双金属耐磨零件,可充分利用本体 韧性和表面的耐磨性。 此焊丝焊缝平均? 母材 平均= 24%44% ,如在厚件或中C钢上堆焊,其硬度提高还要多。2)CO2药芯焊丝焊熔深较大,低强母材 熔合比大,故焊缝硬度较低;而埋弧双丝焊则 较高。搭接焊缝导热方向多而硬度最高。3)用CO2药芯双丝焊焊中
16、强钢机件可减少母材熔合比,增加堆焊金属量,可减少裂 纹倾向,增加表面硬度。 用埋弧药芯双丝焊焊 减少裂纹倾向增加表面硬度效果更好。71第24卷第6期 王元良等:药芯焊丝自动双丝焊工艺研究 1995-2005 Tsinghua Tongfang Optical Disc Co., Ltd. All rights reserved.5. 2 高C钢的药芯焊丝的合金堆焊 药芯焊丝可以大量掺合金堆焊不同硬度 和热硬度的表面层、 耐蚀层和其它特殊要求 的表面层,不仅可修复旧件,更可以制造各种 新复合双金属材料零件,节约大量贵重金属。一般堆焊件都有含碳及合金高的特点,焊时需要预热。用细丝和双丝可达到不预热焊会 产生裂纹。焊接规范为:电流350 A ,电压35V ,焊速10 m?h,用SMD45Rc型药芯焊丝和SJ101焊剂不预热埋弧焊高C钢轨面。结果 证实堆焊表面和两边横截面均
