自保护药芯焊丝在船舶建造中的应用

摘 要：回顾自保护药芯焊丝的发展历程，介绍了自保护药芯焊丝在船舶制造业的应用前景；此外， 概述了自保护药芯焊丝的焊接工艺性和熔敷金属的力学性能。

关键词：船舶建造；焊接；自保护药芯焊丝

中图分类号：U671.8 文献标识码：A

1 前言

随着全球经济一体化，国际贸易越来越频繁，海上运输作为国际贸易中最主要的货运方式蓬勃发展，世界船运业对船舶的需求量也越来越大。我国造船业迅猛发展，年造船吨位已跃居世界前列。大型的造船企业坞期越来越短，造船效率越来越高，这与国内船舶企业高效焊接材料和方法的广泛使用有着直接关系，其中就包括药芯气体保护焊丝的推广使用。

药芯气体保护焊丝是由焊缝填充金属“钢皮”和包裹在其中起到合金化和保护焊缝作用的“药粉”组成。他继承了焊条成分可调的优点，又克服了焊条不能连续、自动焊接的缺点，还具有生产效率高、焊缝成形美观等一系列优点。虽然传统药芯焊丝有包裹的“药粉”在施焊中产生焊渣保护焊缝，但由于作用有限，在使用中还必须同时以CO2等保护气体予以保护，才能达到满意的焊接质量。

华南地区的造船企业的坞期生产普遍为近海或近江露天作业，生产中的大风不可避免，同时夏季高温时间长，为保证舱室作业环境必须使用大功率设备通风，造成合拢口坡口区域空气对流。由于以上两点原因，加之传统药芯焊丝对于保护气体的依赖，造成环境因素对焊接质量的不利影响，严重影响焊接质量。

本文根据参考文献并结合试验分析认为：通过合理的配粉和制造工艺生产的自保护药芯焊丝，是能够获得工艺性能和力学性能都比较满意的焊缝，既保证传统药芯焊丝高效、高质，又不至于强气流对焊接质量造成太大影响。

2 自保护药芯焊丝概述

自保护药芯焊丝是一种跨世纪的新型焊接材料，已在世界各国得到越来越广泛的应用，具有广阔的发展前景。自保护药芯焊丝作为一种高效及适合室外作业的焊接材料，在船舶、钻井平台、石油管道、集装箱等焊接领域备受青睐。

自保护药芯焊丝除具有药芯焊丝的特点外，还具有以下优点：①不需外加保护气源，可以使用现有气体保护焊接设备改装，降低了设备更新成本并更便于操作；②具有优良的抗风能力，通常能在4级风下顺利施焊；③优良的抗锈能力。

自保护药芯焊丝在发展早期也存在着一些问题，比如烟尘、飞溅较大，焊接操作工艺性差，接头力学性能很难达标，熔敷金属的冲击韧性较低等，这些不足导致自保护药芯焊丝不能大面积推广应用。但经过80年代至今的发展，上述问题已经得到基本解决，自保护药芯焊丝的优越性得到充分体现。

2008年，我国西气东输二线工程开工，干线管道采用X80钢管，全长4895km。这一浩大工程中，管线钢的环缝焊接相当一部份采用自保护药芯焊丝半自动焊完成，效果良好。

3 自保护药芯焊丝的研究进展

3.1 焊接可焊性

3.1.1 气孔敏感性

自保护药芯焊丝由于自身的特点，对于氧气孔和氮气孔较敏感。

国内外研究认为，在自保护药芯焊丝中加入一定量的铝，对于解决自保护药芯可以起到较理想的效果。但也有研究表明，铝含量过多会给金属的力学性能特别是韧性带来不良的影响。

文献[1]通过试验认为：

1）用含铝钢带作自保护药芯焊丝的外皮，可以更好地改善焊丝的保护效果，减小焊缝气孔敏感性，使熔敷金属中残留铝含量降低；

2）在自保护药芯焊丝中加入稀土元素或稀土合金，可降低熔敷金属中的含氧量及气孔敏感性，但对熔敷金属中含氮量影响不显著；适量稀土元素可以改善焊缝金属组织的形态，细化晶粒。

这表明，通过平衡自保护药芯焊丝中铝的含量和稀土元素的含量，可以在不增加气孔敏感性和保证焊缝强度、韧性之间寻求一个最佳的平衡点。

3.1.2 脱渣性

药芯焊丝的熔渣具有三方面的作用：①将液态金属与空气隔离，保护熔池；②熔渣与液态金属间进行了一系列的物理化学冶金反应；③粉芯中加入了适量的稳弧剂，起到稳定焊接电弧、改善焊缝成形、调整焊接工艺性能的作用。

适宜的渣系对获得力学性能优良焊缝金属和有良好焊接工艺性能的药芯焊丝起着决定性作用。同时，由于自保护药芯焊丝结构特点及在保护机理上与普通焊条的差异，其渣系也与普通焊条差别很大。

目前一般把自保护药药芯焊丝分为4种渣系：CaF2-A120；CaF2-Ti02；CaF2-Ti02-CaO；CaF2-CaO。

文献[1] 根据国内外成功经验和我国实际情况，研制了CaF2-A1203-CaO系自保护药芯焊丝，通过对比实验认为：此类渣系既保证了熔渣的抗硫、抗硅能力，又可适当降低铝的含量，同时脱渣性能上也优于国外同类产品。

3.1.3 飞溅

飞溅是衡量焊丝可焊性能好坏的重要指标之一。飞溅不仅污染工件，而且影响焊接电弧的稳定性、熔敷效率和生产率。

飞溅产生的本质是作用在熔滴上的各种力的综合影响。从药芯组成来看，药芯组成可以影响熔滴的表面张力、气体动力，从而影响飞溅大小。随着药芯中碳酸盐的增多，飞溅量由大变小然后又变大，这是因为碳酸盐开始增大时，稳弧作用占主导。强还原剂对飞溅量的影响也出现两头大中间小的趋势，这是因为强还原剂少时，脱氧不充分，熔滴中[O]较高，熔滴表面张力较小，颗粒细小，不易产生大颗粒飞溅；同时强还原剂大多是电弧稳定剂，含量少时，飞溅量虽然大，但主要是小颗粒飞溅，当强还原剂含量增大时，脱氧充分，熔滴[O]减少，表面张力增大，大颗粒飞溅增大。另外A1、Mg、Zr、Ti等的氧化物都有离子键，键能较大，表面张力较大，容易使熔滴粗化，因而使飞溅增大。石墨和高碳锰铁对飞溅的影响是由于石墨是稳弧剂、同时碳又使气体动力发生变化，这两方面综合影响的结果。

文献[1] 采用单因素轮换法着重研究了粉芯组成对CaF2-A1203-CaO型渣系自保护药芯焊丝飞溅率的影响，见图1。结果表明，随着碳酸盐的增加，飞溅率出现了先由大到小、再由小到大的趋势，大颗粒飞溅数目也有所变化。强还原剂对飞溅的影响为：刚开始时随着强还原剂的增加，飞溅率减小，当强还原剂超过20%时，飞溅率增大，强还原剂超过25%时，飞溅率开始明显增大，大颗粒飞溅基本呈现单调增大趋势。石墨对飞溅的影响与碳酸盐有类似的规律、随着石墨的增加，飞溅率出现了由大到小、再由小到大的趋势，石墨含量为2%时，飞溅率最小。

3.2 熔敷金属的化学成分及力学性能

通过气体保护焊丝和自保护焊丝的对比分析试验，得出自保护药芯焊丝的力学性能。

由表1、表2可以看出，两种焊丝进行焊接时，都能把焊缝中的有害杂质S、P、C控制在较低的范围内。屈服强度、抗拉强度、伸长率基本相当，而自保护药芯焊丝的冲击韧性高于气保护焊药芯焊丝。

由于没有气体保护，为防止氮气进入焊缝，自保护药芯焊丝中往往加入大量的铝作为脱氧剂和氮化物形成元素。国外的自保护药芯焊丝已能够在焊缝不产生气孔的前提下获得良好的力学性能，这一事实说明，自保护焊丝工艺性与力学性能统一的研究方向是可行的。

4 结语

通过合理的渣系选择与合金元素的配比，自保护药芯焊丝完全可以达到良好的工艺性能和力学性能，在保证良好的抗裂、韧性的同时兼顾飞溅、脱渣性、抗气孔性。自保护药芯焊丝国产化的生产研究已取得长足发展，逐步降低的自保护药芯焊丝使用成本也为其在船舶制造业逐步推广并取代传统气保护药芯焊丝扫清了最后的障碍。

参考文献

[1] 牛全峰.自保护药芯焊丝的研究[D].武汉： 武汉理工大学，2005.