2022年自动化的不锈钢焊接技术 .pdf

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1、高效、低成本、自动化的不锈钢焊接技术CO2气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊天津大学机械工程学院栗卓新摘要本文简要回顾了不锈钢及不锈钢焊材的发展历程，叙述了不锈钢药芯焊丝电弧焊是一种高效、低成本、自动化的不锈钢焊接技术。综述了不锈钢药芯焊丝电弧焊焊接冶金的研究现状，指出不锈钢药芯焊丝电弧焊在我国具有广阔的应用前景。关键词：不锈钢焊接不锈钢药芯焊丝0 前言1912 年，Harry Brearly在英国发明了不锈钢，随后德国人利用Cr-Ni合金具有耐腐蚀性的原理发明了 188 型奥氏体不锈钢。第一次世界大战刺激了不锈钢的发展，使之从一个发明真正变为一种大规模工业化生产的产品。80 年代以后，尽管钢材的总需

2、求量始终徘徊不前，但不锈钢却以其旺盛的生命力始终保持着逐年连续稳步增长的势头。图 1 为 19501994 年的西欧不锈钢材生产量及总钢产量对比图。可以看出 19751985 年十年间不锈钢每年需求增长量是 3.4%4%，而 1985 年 1995 年十年间不锈钢每年的需求增长量提高到4%5%。专家一致认为：在未来十年中，不锈钢需求量的年增长仍保持在4%5%，而钢材的总需求量却保持不变。自不锈钢诞生以来，不锈钢的焊接及不锈钢的焊材也就应运而生。1 国内不锈钢焊接现状焊接不锈钢的方法有很多，国内在中厚板不锈钢的焊接中，主要采用电弧焊（SMAW）和埋弧焊（SAW）。手工电弧焊由于其操作灵活、方便，

3、设备投资少，因而被广泛用于不锈钢结构的生产中，这也是一种典型的、传统焊接方法。在手工电弧焊中起关键作用的不锈钢焊条经过我国焊接工作者多年努力，已取得了如下进展：名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 1 页，共 7 页 -品种基本上覆盖了各种常规不锈钢钢种，如308、316、309、347、317 等等，通常包括酸性、碱性两个渣系。对于超低C不锈钢焊条，如308L、316L、309L 国内也能生产，所以从品种上基本可满足工业部门的使用。质量对于常规不锈钢焊条而言，从不锈钢焊条的发红、电弧稳定性、飞溅大小、焊缝成型、颜色、波纹细腻程度、全位置焊接适应性、焊工施焊的舒适性、焊接力学性能、

4、抗腐蚀性等方面，国产不锈钢焊条质量参差不齐。但基本可以满足国内用户的要求。对于一些特殊品种如310MoL、347L、309L 仍有许多工厂愿意使用进口焊材。这也表明我国整体不锈钢焊条的工艺质量与国外还有差距，在一些特殊品种上差距较大。不锈钢埋弧焊大多使用在不锈钢筒体的环缝和纵缝。通常是开X型坡口，先焊内焊缝，然后反面砂轮打磨（甚至气刨）。随后焊正面，现行工艺是标准中要求和认可的。存在问题有：对母材损伤较大，对腐蚀性能不利、影响美观。埋弧不锈钢焊丝品种少，质量较差，配用的260 和 431、350 焊剂，往往使焊后缝残留有横向熔渣。焊工需要用砂轮打磨。因而不锈钢埋弧焊接效率低、成本高、质量粗糙。

5、2 CO2不锈钢药芯焊丝电弧焊采用 CO2气保护不锈钢药芯焊丝焊接不锈钢是近二三十年的事。该方法使用常规CO2焊机或 MIG焊机，采用 100%CO2或 80%Ar+20%O2作为保护气体，和普通结构钢实心焊丝焊接相似，即可得到美观的焊缝。在 3 种方法中，CO2保护不锈钢药芯焊丝有取代前两种焊接方法的趋势。这三种焊接方法的对比，见表1。表 1 不锈钢手工电弧焊、MIG实心焊丝和CO2气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊的对比对比项目不锈钢手工电弧焊 MIG实心焊丝 CO2不锈钢药芯焊丝效率低高高成本高较高低操作工艺性好较高好焊缝美观好较高好焊缝性能好好好全位置适应性好一般好焊丝品种多少多对焊工技术要求

6、较多高一般图 2 是近年来日本不锈钢焊接材料生产量。可见随着不锈钢焊材生产总量的增加，药芯焊丝的产量也在较快增加，而手工焊条和实心焊丝量在逐渐减少，TIG 焊丝，埋弧焊丝产量基本保持不变。不锈钢药芯焊丝到 1990年已达到手工焊条产量。到 1995年不锈钢药芯焊丝的产量已占日本整个不锈钢焊材产量的35%，遥居药芯焊丝适焊钢种之首。不锈钢药芯焊丝之所以能如此迅猛发展，是因为它具有以下突出的优越性：生产效率高与手工焊条比，可进行连续的自动化和半自动化生产；与实心焊丝比，电流集中于外表钢皮，电流密度大，熔熬速度高，飞溅小，熔敷效率高。此外，药芯焊丝操作简便，降低了对工人焊接技艺的要求，从而降低了工时

7、，提高了生产效率。焊接工艺性能好药芯中可加入适量的稳弧剂及细化熔滴物质，电弧燃烧稳定，熔滴细小，焊接飞溅小，且飞溅颗粒细化。药芯中加入适量的造渣剂，形成的熔渣不仅起到对焊缝金属的保护作用，而且起到衬托熔池的作用，可实现全位置焊接，同时还对辅助焊道成型有重要作用，焊缝外观成型美观。此外药芯焊丝可适用的焊接工艺参数范围宽。焊接质量好药芯焊丝的熔渣有明显的冶金改善效果，可以去除杂质，净化焊缝，因此导致焊缝金属的力学性能，尤其是韧性和塑性提高。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 2 页，共 7 页 -焊接综合成本低虽然药芯焊丝的价格高于焊条及实心焊丝，但在焊件的综合成本构成中（人工+设备

8、+材料+动力费），由于药芯焊丝的熔深大，从而可以加大钝边，减小坡口角度，可由60减小到 45，这不仅节省了熔化金属，同时也节能，还提高了工效。使用手工焊条，每根焊条要丢弃2030mm 的焊条头，造成焊材浪费，此外更换焊条时，焊机的空载损失多，消耗的电能也多。经计算，对于平焊综合成本，药芯焊丝：实心焊丝：焊条为1：1.2：2；而立角焊的综合成本，细直径药芯焊丝：实药焊丝为1：2。正是由于不锈钢药芯焊丝具有上述独特的优越性，才使其发展速度居各种焊接材之首，成为高效、优质、低成本、容易自动化的焊接材料。2 不锈钢药芯焊丝电弧焊的研究进展药芯焊丝最早诞生于美国和俄罗斯，但其在日本却得到最快的发展。80

9、 年代，日本首次研制成功了不锈钢 CO2焊接用细径药芯焊丝，从而将不锈钢药芯焊丝的发展推向高潮。现在国外不锈钢药芯焊丝的品种几乎覆盖了所有400、300 系列不锈钢，甚至双相钢。品种已达二十多个。焊丝通常用酸性渣系，所以施焊中电弧极稳，无飞溅，焊缝色泽白黄、美观，可全位置施焊。焊缝的力学性能、抗裂性、耐蚀性均达到较高标准。在不锈钢药芯焊丝焊接冶金理论上主要作了以下工作：31 保护气体中CO2含量对熔敷金属含碳量的影响CO2保护气体对于焊缝金属含碳量的影响一直是人们关心的问题。有的研究结果认为：CO2既可以成为一种渗碳剂，也可以成为一种脱碳剂，这取决于母材和填充金属的含碳量。即焊缝金属的含碳量是

10、增加还是减小，要视焊丝及母材的含碳量而定，焊缝金属的含碳量通常在0.05%0.12%范围内，若设焊丝和母材金属的含碳量低于这个范围，那么焊缝金属将从CO2保护气氛中吸取碳；另一方面，若设焊丝和母材含碳量大于 0.12%，则焊缝金属将有失碳的倾向。不锈钢药芯焊丝（YF308L）在 CO2气体下焊接熔敷金属含碳量的变化情况如图3 所示。可以看出，与实心焊丝不同，药芯焊丝熔敷金属含碳量的增加控制在较低的水平。因此药芯焊丝可用100%CO2气体做保护气体焊接不锈钢。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 3 页，共 7 页 -32 焊缝金属中铁素体含量对焊缝金属力学性能影响的研究早在四十年代

11、，人们在对奥氏体不锈钢手工电弧焊熔敷金属组织及性能的研究中就发现：奥氏体焊缝中含有少量的铁素体对于防止热裂纹、提高焊接接头的力学性能及抗腐蚀性能有利。奥氏体焊缝金属中铁素体的含量和形态对焊缝性能的影响就成为人们普遍关心的问题。奥氏体不锈钢CO2气保护药芯焊丝熔敷金属中的铁素体含量是如何对焊缝力学性能影响的？图4 是 308 型奥氏体不锈钢焊缝金属中的铁素体含量对焊接接头抗拉强度的影响。从图中可以看出焊缝金属中铁素体含量增加，其抗拉强度直线上升。图5 是 308 型奥氏体不锈钢焊缝金属中铁素体含量对焊接接头低温韧性的影响，可以看出，随焊缝金属中铁素体含量的增加，焊缝金属的低温韧性先降后增。名师资

12、料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 4 页，共 7 页 -33 不锈钢 CO2气保护药芯焊丝抗腐蚀性能的研究不锈钢的抗腐蚀性能是不锈钢最重要的使用性能之一。因此对于不锈钢药芯焊丝的抗腐蚀性能的研究显得更加重要。CO2气保护不锈钢药芯焊丝熔敷金属含碳量与其抗晶间腐蚀性能的关系见图6，可见随熔敷金属中碳含量的增加，焊缝金属的腐蚀深度增加，抗晶间腐蚀能力下降。熔敷金属化学成分（以参数PRE=Cr+3.3Mo+16N 表示）与腐蚀性能的关系如图7,可以看出,随 PRE增加,腐蚀速度下降,抗腐蚀性能提高。此外，从图6、7 还可以看出，CO2气保护不锈钢药芯焊丝电弧焊缝金属的抗腐蚀能力与其它焊接方

13、法相当。国内对不锈钢药芯焊丝的研究也是从80 年代开始，但由于钢带问题、轧拔工艺的问题及配方问题，使国内能提供不锈钢药芯焊丝的品种和质量都有限。天津大学从90 年代初开始从药芯焊丝生产线、生产工艺及软件配方几方面全面地、系统地对药芯焊丝进行了研究。目前所研制的结构钢系列药芯焊丝已达到国外同类产品先进水平，被广泛应用于我国造船、机械、石化工业部门。在不锈钢药芯焊丝的研制上也取得进展。可以提供两类不锈钢药芯焊丝，一种是碳钢钢带为外皮的308 型1.6mm不锈钢药芯焊丝；另一类为不锈钢钢皮的308L 型1.2mm不锈钢药芯焊丝。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 5 页，共 7 页 -

14、4结束语不锈钢药芯焊丝电弧焊是一种高效、低成本的不锈钢焊接技术。目前国内市场已可以提供不同品种，不同档次的各类进口不锈钢药芯焊丝，国产不锈钢药芯焊丝研制已取得了可喜的成绩，相信在不久就可为国内用户提供品种多、质量好、价格优的不锈钢药芯焊丝。名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 6 页，共 7 页 -目前从不锈钢药芯焊丝的品种、质量方面以及国产CO2焊机性能质量、价格方面，都已为广泛应用不锈钢药芯焊丝电弧焊打下良好的基础。相信随着我国企业对降低焊接总成本要求进一步迫切，不锈钢的半自动、自动焊接技术将会有一个更大的发展。参考文献1 肖纪美.不锈钢的金属学问题.北京:冶金工业出版社,1983.2 Shigeki Nishiyama et al.Flux-cored wire fof staimless steel welding.Welding in the World,1995:103 110 3 Goodwin G M.A study of ferrite morphology in austenitic stainless steel weldments,Welding Journal,1972,51名师资料总结-精品资料欢迎下载-名师精心整理-第 7 页，共 7 页 -