自保護藥芯焊絲在船舶建造中的應用

摘 要：回顧自保護藥芯焊絲的發展歷程，介紹了自保護藥芯焊絲在船舶制造業的應用前景；此外， 概述了自保護藥芯焊絲的焊接工藝性和熔敷金屬的力學性能。

關鍵詞：船舶建造；焊接；自保護藥芯焊絲

中圖分類號：U671.8 文獻標識碼：A

1 前言

隨著全球經濟一體化，國際貿易越來越頻繁，海上運輸作為國際貿易中最主要的貨運方式蓬勃發展，世界船運業對船舶的需求量也越來越大。我國造船業迅猛發展，年造船噸位已躍居世界前列。大型的造船企業塢期越來越短，造船效率越來越高，這與國內船舶企業高效焊接材料和方法的廣泛使用有著直接關系，其中就包括藥芯氣體保護焊絲的推廣使用。

藥芯氣體保護焊絲是由焊縫填充金屬“鋼皮”和包裹在其中起到合金化和保護焊縫作用的“藥粉”組成。他繼承了焊條成分可調的優點，又克服了焊條不能連續、自動焊接的缺點，還具有生產效率高、焊縫成形美觀等一系列優點。雖然傳統藥芯焊絲有包裹的“藥粉”在施焊中產生焊渣保護焊縫，但由于作用有限，在使用中還必須同時以CO2等保護氣體予以保護，才能達到滿意的焊接質量。

華南地區的造船企業的塢期生產普遍為近海或近江露天作業，生產中的大風不可避免，同時夏季高溫時間長，為保證艙室作業環境必須使用大功率設備通風，造成合攏口坡口區域空氣對流。由于以上兩點原因，加之傳統藥芯焊絲對于保護氣體的依賴，造成環境因素對焊接質量的不利影響，嚴重影響焊接質量。

本文根據參考文獻并結合試驗分析認為：通過合理的配粉和制造工藝生產的自保護藥芯焊絲，是能夠獲得工藝性能和力學性能都比較滿意的焊縫，既保證傳統藥芯焊絲高效、高質，又不至于強氣流對焊接質量造成太大影響。

2 自保護藥芯焊絲概述

自保護藥芯焊絲是一種跨世紀的新型焊接材料，已在世界各國得到越來越廣泛的應用，具有廣闊的發展前景。自保護藥芯焊絲作為一種高效及適合室外作業的焊接材料，在船舶、鉆井平臺、石油管道、集裝箱等焊接領域備受青睞。

自保護藥芯焊絲除具有藥芯焊絲的特點外，還具有以下優點：①不需外加保護氣源，可以使用現有氣體保護焊接設備改裝，降低了設備更新成本并更便于操作；②具有優良的抗風能力，通常能在4級風下順利施焊；③優良的抗銹能力。

自保護藥芯焊絲在發展早期也存在著一些問題，比如煙塵、飛濺較大，焊接操作工藝性差，接頭力學性能很難達標，熔敷金屬的沖擊韌性較低等，這些不足導致自保護藥芯焊絲不能大面積推廣應用。但經過80年代至今的發展，上述問題已經得到基本解決，自保護藥芯焊絲的優越性得到充分體現。

2008年，我國西氣東輸二線工程開工，干線管道采用X80鋼管，全長4895km。這一浩大工程中，管線鋼的環縫焊接相當一部份采用自保護藥芯焊絲半自動焊完成，效果良好。

3 自保護藥芯焊絲的研究進展

3.1 焊接可焊性

3.1.1 氣孔敏感性

自保護藥芯焊絲由于自身的特點，對于氧氣孔和氮氣孔較敏感。

國內外研究認為，在自保護藥芯焊絲中加入一定量的鋁，對于解決自保護藥芯可以起到較理想的效果。但也有研究表明，鋁含量過多會給金屬的力學性能特別是韌性帶來不良的影響。

文獻[1]通過試驗認為：

1）用含鋁鋼帶作自保護藥芯焊絲的外皮，可以更好地改善焊絲的保護效果，減小焊縫氣孔敏感性，使熔敷金屬中殘留鋁含量降低；

2）在自保護藥芯焊絲中加入稀土元素或稀土合金，可降低熔敷金屬中的含氧量及氣孔敏感性，但對熔敷金屬中含氮量影響不顯著；適量稀土元素可以改善焊縫金屬組織的形態，細化晶粒。

這表明，通過平衡自保護藥芯焊絲中鋁的含量和稀土元素的含量，可以在不增加氣孔敏感性和保證焊縫強度、韌性之間尋求一個最佳的平衡點。

3.1.2 脫渣性

藥芯焊絲的熔渣具有三方面的作用：①將液態金屬與空氣隔離，保護熔池；②熔渣與液態金屬間進行了一系列的物理化學冶金反應；③粉芯中加入了適量的穩弧劑，起到穩定焊接電弧、改善焊縫成形、調整焊接工藝性能的作用。

適宜的渣系對獲得力學性能優良焊縫金屬和有良好焊接工藝性能的藥芯焊絲起著決定性作用。同時，由于自保護藥芯焊絲結構特點及在保護機理上與普通焊條的差異，其渣系也與普通焊條差別很大。

目前一般把自保護藥藥芯焊絲分為4種渣系：CaF2-A120；CaF2-Ti02；CaF2-Ti02-CaO；CaF2-CaO。

文獻[1] 根據國內外成功經驗和我國實際情況，研制了CaF2-A1203-CaO系自保護藥芯焊絲，通過對比實驗認為：此類渣系既保證了熔渣的抗硫、抗硅能力，又可適當降低鋁的含量，同時脫渣性能上也優于國外同類產品。

3.1.3 飛濺

飛濺是衡量焊絲可焊性能好壞的重要指標之一。飛濺不僅污染工件，而且影響焊接電弧的穩定性、熔敷效率和生產率。

飛濺產生的本質是作用在熔滴上的各種力的綜合影響。從藥芯組成來看，藥芯組成可以影響熔滴的表面張力、氣體動力，從而影響飛濺大小。隨著藥芯中碳酸鹽的增多，飛濺量由大變小然后又變大，這是因為碳酸鹽開始增大時，穩弧作用占主導。強還原劑對飛濺量的影響也出現兩頭大中間小的趨勢，這是因為強還原劑少時，脫氧不充分，熔滴中[O]較高，熔滴表面張力較小，顆粒細小，不易產生大顆粒飛濺；同時強還原劑大多是電弧穩定劑，含量少時，飛濺量雖然大，但主要是小顆粒飛濺，當強還原劑含量增大時，脫氧充分，熔滴[O]減少，表面張力增大，大顆粒飛濺增大。另外A1、Mg、Zr、Ti等的氧化物都有離子鍵，鍵能較大，表面張力較大，容易使熔滴粗化，因而使飛濺增大。石墨和高碳錳鐵對飛濺的影響是由于石墨是穩弧劑、同時碳又使氣體動力發生變化，這兩方面綜合影響的結果。

文獻[1] 采用單因素輪換法著重研究了粉芯組成對CaF2-A1203-CaO型渣系自保護藥芯焊絲飛濺率的影響，見圖1。結果表明，隨著碳酸鹽的增加，飛濺率出現了先由大到小、再由小到大的趨勢，大顆粒飛濺數目也有所變化。強還原劑對飛濺的影響為：剛開始時隨著強還原劑的增加，飛濺率減小，當強還原劑超過20%時，飛濺率增大，強還原劑超過25%時，飛濺率開始明顯增大，大顆粒飛濺基本呈現單調增大趨勢。石墨對飛濺的影響與碳酸鹽有類似的規律、隨著石墨的增加，飛濺率出現了由大到小、再由小到大的趨勢，石墨含量為2%時，飛濺率最小。

3.2 熔敷金屬的化學成分及力學性能

通過氣體保護焊絲和自保護焊絲的對比分析試驗，得出自保護藥芯焊絲的力學性能。

由表1、表2可以看出，兩種焊絲進行焊接時，都能把焊縫中的有害雜質S、P、C控制在較低的范圍內。屈服強度、抗拉強度、伸長率基本相當，而自保護藥芯焊絲的沖擊韌性高于氣保護焊藥芯焊絲。

由于沒有氣體保護，為防止氮氣進入焊縫，自保護藥芯焊絲中往往加入大量的鋁作為脫氧劑和氮化物形成元素。國外的自保護藥芯焊絲已能夠在焊縫不產生氣孔的前提下獲得良好的力學性能，這一事實說明，自保護焊絲工藝性與力學性能統一的研究方向是可行的。

4 結語

通過合理的渣系選擇與合金元素的配比，自保護藥芯焊絲完全可以達到良好的工藝性能和力學性能，在保證良好的抗裂、韌性的同時兼顧飛濺、脫渣性、抗氣孔性。自保護藥芯焊絲國產化的生產研究已取得長足發展，逐步降低的自保護藥芯焊絲使用成本也為其在船舶制造業逐步推廣并取代傳統氣保護藥芯焊絲掃清了最后的障礙。

參考文獻

[1] 牛全峰.自保護藥芯焊絲的研究[D].武漢： 武漢理工大學，2005.