藥芯焊絲電孤焊
1概述
藥芯焊絲是繼焊條、實(shí)芯焊絲之后廣泛應(yīng)用的又一類焊接材料，它是由金屬外皮和芯部藥粉兩部分構(gòu)成的。使用藥芯焊絲作為填充金屬的各種電弧焊方法統(tǒng)稱為藥芯焊絲電弧焊。通常用英文簡(jiǎn)稱FCAW（Flux-Cored Arc Welding）表示。有三種焊接形式：一種是焊接過(guò)程中使用外加保護(hù)氣體（一般是純CO2或CO2+Ar）的焊接，稱藥芯焊絲氣體保護(hù)焊，它與普通熔化極氣體保護(hù)焊基本相同；另外一種是不用外加保護(hù)氣體，只依靠焊絲內(nèi)部的藥芯燃燒與分解產(chǎn)生的氣體和渣作保護(hù)的焊接，稱自保護(hù)電弧焊，自保護(hù)電弧焊與焊條電弧焊相似，不同的是使用盤(pán)狀的焊絲，連續(xù)不斷地送到電弧中；第三種是用于埋弧焊，與焊劑配合使用。
藥芯焊絲是繼焊條、實(shí)芯焊絲之后廣泛應(yīng)用的又一類焊接材料，它是由金屬外皮和芯部藥粉兩部分構(gòu)成的。使用藥芯焊絲作為填充金屬的各種電弧焊方法統(tǒng)稱為藥芯焊絲電弧焊。通常用英文簡(jiǎn)稱FCAW（Flux-Cored Arc Welding）表示。
1.1藥芯焊絲的發(fā)展
藥芯焊絲最早出現(xiàn)在20世紀(jì)20年代的美國(guó)和德國(guó)。但真正大量應(yīng)用于工業(yè)生產(chǎn)是在50年代，特別是60、70年代以后，隨著細(xì)直徑（φ2.0mm以下）全位置藥芯焊絲的出現(xiàn)，藥芯焊絲進(jìn)入高速發(fā)展階段。近幾年發(fā)達(dá)國(guó)家藥芯焊絲的用量約占焊接材料總量的20％～30％，且仍處在穩(wěn)步上升階段。焊條、實(shí)芯焊絲、藥芯焊絲3大類焊接材料中，焊條年消耗量呈逐年下降趨勢(shì)，實(shí)芯焊絲年消耗量進(jìn)入平穩(wěn)發(fā)展階段，而藥芯焊絲無(wú)論是在品種、規(guī)格還是在用量等各方面仍具有很大的發(fā)展空間。
我國(guó)在60年代開(kāi)始有關(guān)藥芯焊絲的相關(guān)技術(shù)以及制造設(shè)備的研究。80年代初，國(guó)內(nèi)一些重大工程項(xiàng)目開(kāi)始大量使用藥芯焊絲（幾乎全部為國(guó)外產(chǎn)品），對(duì)藥芯焊絲的推廣使用起到了推動(dòng)作用。80年代中期，我國(guó)開(kāi)始引進(jìn)藥芯焊絲生產(chǎn)線以及產(chǎn)品配方，90年代初期，國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲生產(chǎn)線也具備了批量生產(chǎn)的能力。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)藥芯焊絲年消耗量接近萬(wàn)噸，占焊接材料總量的1％左右。但國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲年產(chǎn)量?jī)H2000t左右，不足焊材總產(chǎn)量的0.3％。國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲無(wú)論是在品種還是產(chǎn)量都不能滿足國(guó)內(nèi)目前市場(chǎng)的需求。然而從近幾年國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲的發(fā)展趨勢(shì)可以看出，國(guó)產(chǎn)藥芯焊絲及其相關(guān)技術(shù)已經(jīng)成熟，今后幾年我國(guó)的藥芯焊絲技術(shù)及應(yīng)用也將進(jìn)入高速發(fā)展階段。
總之，藥芯焊絲以其明顯的技術(shù)和經(jīng)濟(jì)方面的優(yōu)勢(shì)將逐步成為焊接材料的主導(dǎo)產(chǎn)品，是21世紀(jì)最具發(fā)展前景的高技術(shù)焊接材料。
1.2藥芯焊絲的分類
藥芯焊絲目前尚無(wú)統(tǒng)一的分類方法，一般公認(rèn)的分類方法如下：
l）按橫截面形狀分 藥芯焊絲的橫截面形狀可分為簡(jiǎn)單O形截面和復(fù)雜截面兩大類（見(jiàn)圖l）。
O形截面的藥芯焊絲又分為有縫和無(wú)縫藥芯焊絲。有縫O形截面藥芯焊絲又有對(duì)接O形和搭接O形之分。藥芯焊絲直徑在2.0 mm以下的細(xì)絲多采用簡(jiǎn)單O形截面，且以有 縫O形為主。此類焊絲截面形狀簡(jiǎn)單，易于加工，生產(chǎn)成本低，因而具有價(jià)格優(yōu)勢(shì)。無(wú)縫藥芯焊絲制造工藝復(fù)雜，設(shè)備投入大，生產(chǎn)成本高；但無(wú)縫藥芯焊絲成品絲可進(jìn)行鍍銅處理，焊絲保管過(guò)程中的防潮性能以及焊接過(guò)程中的導(dǎo)電性均優(yōu)于有縫藥芯焊絲。細(xì)直徑的藥芯焊絲主要用于結(jié)構(gòu)件的焊接。
圖1 藥芯焊絲截面形狀示意圖
復(fù)雜截面主要有：T形、E形、梅花形和雙層形等截面形狀。復(fù)雜截面形狀主要應(yīng)用于直徑在2.0mm以上的粗絲。采用復(fù)雜截面形狀的藥芯焊絲，因金屬外皮進(jìn)入到焊絲芯部，一方面對(duì)于改善熔滴過(guò)渡、減少飛濺、提高電弧穩(wěn)定性是有利的；另一方面焊絲的挺度較O形截面藥芯焊絲好，在送絲輪壓力作用下焊絲截面形狀的變化較O形截面小，對(duì)于提高焊接過(guò)程中送絲穩(wěn)定性是有利的。復(fù)雜截面形狀在提高藥芯焊絲焊接過(guò)程穩(wěn)定性方面的優(yōu)勢(shì)，粗直徑的藥芯焊絲顯得尤為突出。隨著藥芯焊絲直徑減小，焊接過(guò)程中電流密度的增加，藥芯焊絲截面形狀對(duì)焊接過(guò)程穩(wěn)定性的影響將減小。焊絲越細(xì)，截面形狀在影響焊接過(guò)程穩(wěn)定性諸多因素中所占比重越小。粗直徑藥芯焊絲全位置焊接適應(yīng)性較差，多用于平焊、平角焊。特別是φ3.0mm以上的粗絲主要應(yīng)用于堆焊方面。
2）按保護(hù)方式分 根據(jù)焊接過(guò)程中外加的保護(hù)方式，藥芯焊絲可分為氣體保護(hù)焊用、埋弧焊用藥芯焊絲及自保護(hù)藥芯焊絲。
氣體保護(hù)焊用藥芯焊絲根據(jù)保護(hù)氣體的種類可細(xì)分為：CO2氣體保護(hù)焊、熔化極惰性氣體保護(hù)焊、混合氣體保護(hù)以及鎢極氬弧焊用藥芯焊絲。與實(shí)心焊絲氣體保護(hù)焊的主要區(qū)別是所用的焊絲構(gòu)造不同。藥芯焊絲是在焊絲內(nèi)部裝有焊劑或金屬粉末狀混合物，焊接時(shí)（見(jiàn)下圖），在電弧熱的作用下熔化狀態(tài)的芯料、焊絲金屬、母材金屬盒保護(hù)氣體相互之間發(fā)生冶金作用，同時(shí)形成一層較薄的液態(tài)熔渣包覆熔滴并覆蓋熔池，對(duì)熔化金屬構(gòu)成又一層保護(hù)。所以實(shí)質(zhì)上這是一種氣渣聯(lián)合保護(hù)的焊接方法。其中CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲主要用于結(jié)構(gòu)件的焊接制造，其用量大大超過(guò)其他種類氣體保護(hù)焊用藥芯焊絲。由于不同種類的保護(hù)氣體在焊接冶金反應(yīng)過(guò)程中的表現(xiàn)行為是不同的，為此藥芯焊絲在粉芯中所采用的冶金處理方式以及程度也不是相同的。因此，盡管被焊金屬相同，不同種類氣體保護(hù)焊用藥芯焊絲原則上講是不能相互代用的。
圖2 藥芯焊絲氣體保護(hù)焊示意圖
埋弧焊用藥芯焊絲主要應(yīng)用于表面堆焊。由于藥芯焊絲制造工藝較實(shí)芯焊絲復(fù)雜、生產(chǎn)成本較高，因此普通結(jié)構(gòu)除特殊需求外一般不采用藥芯焊絲埋弧焊。但對(duì)于高強(qiáng)鋼藥芯焊絲與實(shí)芯焊絲生產(chǎn)成本較接近，合金含量較高的藥芯焊絲生產(chǎn)成本甚至低于實(shí)芯焊絲，而某些成分的材料要制成實(shí)芯絲是十分困難的。埋弧焊用藥芯焊絲多數(shù)情況下不需要配合選用專用焊劑，普通熔煉焊劑（例：HJ431、HJ260）可滿足一般使用要求。焊接金屬中合金元素的過(guò)渡、化學(xué)成分的調(diào)整可方便地通過(guò)調(diào)整粉芯配方來(lái)實(shí)現(xiàn)。另一方面，盡管成分上無(wú)特殊要求，但藥芯焊絲也可小批量生產(chǎn)供貨（幾百公斤甚至幾十公斤）。藥芯焊絲的上述優(yōu)點(diǎn)在表面堆焊應(yīng)用中顯得十分突出。
自保護(hù)藥芯焊絲是在焊接過(guò)程中不需要外加保護(hù)氣或焊劑的一類焊絲（見(jiàn)圖3）。通過(guò)焊絲芯部藥粉中造渣劑、造氣劑在電弧高溫作用下產(chǎn)生的氣、渣對(duì)熔滴和熔池進(jìn)行保護(hù)。與氣保護(hù)藥芯焊絲比較其突出的特點(diǎn)是在施焊過(guò)程中該類焊絲有較強(qiáng)的抗風(fēng)能力，特別適合于遠(yuǎn)離中心城市、交通運(yùn)輸較困難的野外工程。因此在石油、建筑、冶金等行業(yè)得到廣泛應(yīng)用。但由于造氣劑、造渣劑包敷在金屬外皮內(nèi)部，所產(chǎn)生的氣、渣對(duì)熔滴（特別是焊絲端部的熔滴）的保護(hù)效果較差，焊縫金屬的韌性稍差。隨著科學(xué)技術(shù)的不斷進(jìn)步，特別是近幾年高韌性自保護(hù)藥芯焊絲的出現(xiàn)，對(duì)于一般結(jié)構(gòu)甚至一些較為重要的結(jié)構(gòu)，自保護(hù)藥芯焊絲已完全可以滿足結(jié)構(gòu)對(duì)焊接材料的要求。另外，該類焊絲在焊接過(guò)程中會(huì)產(chǎn)生大量的煙塵，一般不適用于室內(nèi)施焊，戶外應(yīng)用時(shí)也應(yīng)注意通風(fēng)。
圖3 自保護(hù)藥芯焊絲焊接示意圖
3）按金屬外皮所用材料分 藥芯焊絲金屬外皮所用材料有：低碳鋼、不銹鋼以及鎳。
低碳鋼其加工性能優(yōu)良，是藥芯焊絲首選外皮材料。目前藥芯焊絲產(chǎn)品中大部分都采用低碳鋼外皮。即便是不銹鋼系列藥芯焊絲，某些產(chǎn)品也選用低碳鋼外皮，通過(guò)粉芯加入鉻、鎳等合金元素，經(jīng)焊接過(guò)程中的冶金反應(yīng)最后形成不銹鋼焊縫。
由于受加粉系數(shù)（單位重量焊絲中藥粉所占比例）的制約，生產(chǎn)合金含量較高的藥芯焊絲時(shí)采用低碳鋼外皮制造難度很大。對(duì)于高合金鋼以及合金，是幾乎不能實(shí)現(xiàn)用低碳鋼外皮制成其藥芯焊絲的。對(duì)于鉻鎳含量較高的高合金鋼，可采用不銹鋼作為外皮材料制造藥芯焊絲。而對(duì)于鎳基合金，可采用純鎳作為外皮材料制造藥芯焊絲。當(dāng)然，用后兩種材料制造藥芯焊絲時(shí)對(duì)生產(chǎn)設(shè)備也有不同的要求。
除上述3種材料外，在焊接以外其他用途中，也有采用其他外皮材料制造粉芯絲。例如選用鋁及鋁合金作為外皮制造噴涂用粉芯絲。
4）按芯部藥粉類型分 藥芯焊絲可分為有渣型和無(wú)渣型。無(wú)渣型又稱為金屬粉芯焊絲，主要用于埋弧焊，高速CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲也多為金屬粉型。有渣型藥芯焊絲按熔渣的堿度分為酸性渣和堿性渣兩類。目前用量較大的CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲多為鈦型（酸性）渣系，自保護(hù)藥芯焊絲多采用高氟化物〔弱堿性〕渣系。
應(yīng)當(dāng)指出，酸、堿性渣系藥芯焊絲熔敷金屬含氫量的差別遠(yuǎn)小于酸、堿性焊條，酸性渣系藥芯焊絲熔敷金屬含氫量可以達(dá)到低氫型（堿性）焊條標(biāo)推（<8mL/100g）。鈦型渣系藥芯焊絲熔敦金屬不僅含氫量可以達(dá)到低氫，而且其力學(xué)性能也可以達(dá)到高韌性。近年來(lái)，國(guó)內(nèi)外某些重要焊接結(jié)構(gòu)（如球罐）工程中，就選用鈦型渣系CO2氣體保護(hù)焊藥芯焊絲作為焊接材料。當(dāng)然堿性渣系藥芯焊絲在熔敷金屬含氫量方面仍占有一定的優(yōu)勢(shì)，可以達(dá)到超低氫焊條的水平（ ＜3mL／100g），但其在焊接工藝性能方面仍與鈦型渣系藥芯焊絲有較大的差距。由于藥芯焊絲與焊條的加工工藝差別較大，粉芯與焊條藥皮配方設(shè)計(jì)、原材料的選擇也有很大差別，因此建立在焊條熔渣理論基礎(chǔ)上的某些經(jīng)驗(yàn)不能簡(jiǎn)單地套用在藥芯焊絲的選擇原則中。
5）按用途分 藥芯焊絲按被焊鋼種可分為：
低碳、低合金鋼用藥芯焊絲
低合金高強(qiáng)鋼用藥芯焊絲
低溫鋼用藥芯焊絲
耐熱鋼用藥芯焊絲
不銹鋼用藥芯焊絲
鎳及鎳合金用藥芯焊絲
藥芯焊絲按被焊結(jié)構(gòu)類型可分為：
一般結(jié)構(gòu)用藥芯焊絲
船用藥芯焊絲
鍋爐、壓力容器用藥芯焊絲
硬面堆焊用藥芯焊絲
藥芯焊絲按焊接方法可分為：
CO2氣體保護(hù)焊用藥芯焊絲
TIG焊用藥芯焊絲
MIG焊、混合氣體保護(hù)焊用藥芯焊絲
自保護(hù)焊藥芯焊絲
熱噴涂用粉芯線材
1.3藥芯焊絲的特點(diǎn)
藥芯焊絲是在結(jié)合焊條的優(yōu)良工藝性能和實(shí)芯焊絲的高效率自動(dòng)焊的基礎(chǔ)上產(chǎn)生的一類新型焊接材料。較為公認(rèn)的優(yōu)點(diǎn)如下：
l）焊接工藝性能好 在電弧高溫作用下，芯部各種物質(zhì)產(chǎn)生造氣、造渣以及一系列冶金反應(yīng)，對(duì)熔滴過(guò)渡形態(tài)、熔渣表面張力等物理性能產(chǎn)生影響，明顯地改善了焊接工藝性能。即使采用CO2氣體保護(hù)焊，也可實(shí)現(xiàn)熔滴的噴射過(guò)渡，可做到無(wú)飛濺和全位置焊接。且焊道成型美觀。
2）熔敷速度快、生產(chǎn)效率高 藥芯焊絲可進(jìn)行連續(xù)地自動(dòng)、半自動(dòng)焊接。焊接時(shí)，電流通過(guò)很薄的金屬外皮，其電流密度較高，熔化速度快。熔敷速度明顯高于焊條，并略高于實(shí)芯焊絲（見(jiàn)圖4）。生產(chǎn)效率約為焊條電弧焊的3～4倍。
圖4 藥芯焊絲、實(shí)心焊絲和焊條電弧焊的焊接速度比較
3）合金系統(tǒng)調(diào)整方便 藥芯焊絲可以通過(guò)金屬外皮和藥芯兩種途徑調(diào)整熔敷金屬的化學(xué)成分。特別是通過(guò)改變藥芯焊絲中的填充成分，可獲得各種不同渣系、合金系的藥芯焊絲以滿足各種需求。該優(yōu)點(diǎn)對(duì)于低合金高強(qiáng)度鋼焊接的優(yōu)勢(shì)是實(shí)芯焊絲無(wú)法比擬的。
4）能耗低 在電弧焊過(guò)程中，連續(xù)地生產(chǎn)使得焊機(jī)空載損耗大為減少；較大的電流密度，增加了電阻熱，提高了熱源利用率。這兩者使藥芯焊絲能源有效利用率提高，可節(jié)能20％～30％。
5）綜合成本低 焊接生產(chǎn)的總成本應(yīng)由焊接材料、輔助材料、人工費(fèi)用、能源消耗、生產(chǎn)效率、熔敷金屬表面填充量等多項(xiàng)指標(biāo)綜合構(gòu)成。焊接相同厚度（中厚板以上）的鋼板，單位長(zhǎng)度焊縫其綜合成本藥芯焊絲明顯低于焊條，且略低于實(shí)芯焊絲。使用藥芯焊絲經(jīng)濟(jì)效益是非常顯著的。
總之，藥芯焊絲是一種高效節(jié)能的新型焊接材料。但也有其不足，主要如下：
l）制造設(shè)備復(fù)雜 無(wú)論用何種工藝生產(chǎn)藥芯焊絲，其設(shè)備的復(fù)雜程度，在加工精度、控制精度、設(shè)備高技術(shù)含量、操作人員素質(zhì)等多方面的要求，均高于另兩類焊接材料的生產(chǎn)設(shè)備。藥芯焊絲的生產(chǎn)設(shè)備的一次性投入費(fèi)用高。
2）制造工藝技術(shù)要求高 藥芯焊絲生產(chǎn)工藝的復(fù)雜程度，遠(yuǎn)大于焊條和實(shí)芯焊絲的生產(chǎn)。合格的藥芯焊絲產(chǎn)品除了精良的制造設(shè)備、優(yōu)良的內(nèi)在質(zhì)量的藥粉配方技術(shù)，另一關(guān)鍵則在于制造工藝。目前，國(guó)內(nèi)許多藥芯焊絲制造廠家的產(chǎn)品質(zhì)量、批量上的差距，其原因還是在制造工藝方面尚不過(guò)關(guān)。
3）成品絲的防潮保管 除了無(wú)縫藥芯焊絲外表面可鍍銅外，藥芯焊絲在防潮保管方面比另兩類焊材要求高。從防潮性能方面藥芯焊絲不如鍍銅實(shí)芯焊絲抗潮性好。從受潮后通過(guò)烘干，恢復(fù)其性能方面分析，藥芯焊絲不如焊條，受潮較重的藥芯焊絲，或是無(wú)法烘干（塑料盤(pán)），或是烘干效果不理想，基本上不能使用。在防潮保管問(wèn)題上，一方面生產(chǎn)廠商在藥芯焊絲包裝上要給予充分重視，采取相應(yīng)的技術(shù)措施；另一方面建議使用單位不要長(zhǎng)期大量保存藥芯焊絲。目前現(xiàn)有的常規(guī)防潮包裝可保證藥芯焊絲在半年至一年內(nèi)基本符合出廠時(shí)的技術(shù)要求。因此使用單位應(yīng)根據(jù)生產(chǎn)實(shí)際情況組織進(jìn)貨，減少庫(kù)存。
2.藥芯焊絲氣體保護(hù)焊的焊接操作
藥芯焊絲氣體保護(hù)焊和實(shí)心焊絲的氣體保護(hù)焊基本相似。半自動(dòng)焊時(shí)，焊槍所處的位置（或焊絲角度）及其運(yùn)動(dòng)，均有手工操作
下圖給出了對(duì)接焊縫和標(biāo)準(zhǔn)角焊縫在平焊和橫焊位置是，焊槍的一般操作位置（角度）。也分前傾焊法和后傾焊法，前者可獲得較大的熔深和稍高的焊縫凸起，可用于厚板焊接；后傾焊法對(duì)焊接薄板有利，因熔深淺，熱輸入小，鈷焊接變形小，余高不大。在焊接標(biāo)準(zhǔn)角焊縫時(shí)，焊絲指向略偏向水平板可獲得相等焊角尺寸的焊縫，且防止凹陷。
圖5 藥芯焊絲氣體保護(hù)電弧焊對(duì)縫和角縫平焊與橫焊焊槍的位置
立焊位置如下圖所示。
圖5 藥芯焊絲氣體保護(hù)電弧焊立焊位置操作要領(lǐng)
有立向上焊合立向下焊兩種焊法。立向下焊法通常用于薄板焊接，因其熱輸入小。細(xì)直徑酸性藥芯焊絲（全位置型）經(jīng)常用于立焊，因它具有良好的射流過(guò)渡性能。
藥芯焊絲CO2焊接碳鋼的典型工藝參數(shù)（保護(hù)氣體流量為17L/min）
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