我國氣體保護碳鋼實芯焊絲發(fā)展歷程與國外的差距

劉紅軍 趙鈺 樊志勤 楊國華 楊曉冬 趙凱 張鵬 杜奇鋒

1. 國內外氣保護碳鋼實芯焊絲發(fā)展情況。

20世紀五六十年代，從冶金角度解決了CO2氣體保護焊的脫氧問題后，才使CO2氣體保護焊進入了工業(yè)應用階段，同一時期還實現了Ar+CO2和Ar+O2等混合氣體保護焊。發(fā)展至今，美國氣保護實芯焊絲約占其焊材總量的31%，日本為38.2%，歐洲達到70%左右，韓國為33.9%。如美國AWSA5.18—2005標準中列出6種不同用途碳鋼焊絲，日本JISZ3312—1999標準包含7種碳鋼焊絲，用戶可根據不同產品的技術要求、焊接條件、適用性等因素，更科學合理的選用焊絲，以更好地滿足焊接生產要求，顯著提高焊接制造業(yè)的技術水平，使得這些工業(yè)先進國家的焊接高效化與自動化率達到80%以上。

我國的氣體保護實芯焊絲的研制與開發(fā)始于50年代，但始終停留在研究階段。80年代初期，我國針對當時A3、Q345等主要結構用鋼焊絲一般采用仿蘇聯(lián)的H08Mn2SiA碳鋼焊絲產品，在引進焊絲制造設備、技術及軟件的基礎上，如：1983年當時的天津焊絲廠從德國、意大利引進國內首條實芯焊絲生產線，已實現部分自給，但因焊絲質量不穩(wěn)定，實芯焊絲處于供不應求的局面。80年代中期，我國對大型金屬結構企業(yè)進行技術改造，引進國外先進焊接技術和設備及焊接材料，積極推廣氣體保護焊方法，從先進工業(yè)國家進口國際上通用的ER70S—6類碳鋼實芯焊絲（如美國ER70S—6、日本KC—50、德國K—52、荷蘭PZ6000等焊絲）。ER70S—6類焊絲的推廣應用，顯著提高了我國大型金屬結構企業(yè)的焊接工藝水平，促進了國內焊絲制造行業(yè)的技術進步，推動了我國焊接技術的發(fā)展。因此，1992年在四川大西洋公司制訂我國GB/T8110—1995標準時，基本上參照了美國AWS標準，所以我國ER50—6焊絲與美國ER70S—6焊絲相當。當時根據國內用戶還普遍使用H08Mn2SiA焊絲的實際情況，在標準中保留了H08Mn2SiA焊絲，把它更名為ER49—1焊絲。

近十幾年來，我國氣保護實芯焊絲的發(fā)展突飛猛進，焊絲生產企業(yè)由十幾家發(fā)展到目前的200多家，具有一定規(guī)模的企業(yè)有5家（天津大橋、天津金橋、山東索力得、林肯電氣、常州華通）。目前已從德國、瑞典、加拿大、日本等國家及臺灣地區(qū)引進各種生產設備50套，國產或自行研制的設備400余條，年成產能力達到200萬t左右。2013年氣保護實芯焊絲產量為165萬t，占其焊材總量的35%左右。在GB/T8110—2008標準中列出6種碳鋼焊絲，其中ER50—6焊絲品種占焊絲總量的80%左右，ER49—1焊絲部分企業(yè)生產，而有特殊要求的ER50—G類焊絲只有少數幾家企業(yè)生產（如林肯電氣和安泰科技適用于大電流高效率低飛濺的JM—58和AT—MG50焊絲，大西洋和金獅公司用于風電新能源等產品的在-40℃下，要求沖擊值≥47J的CHW—50C3和ER50—3B焊絲等)，其他碳鋼焊絲品種焊材企業(yè)基本不生產。由此可見，我國現有碳鋼實芯焊絲的品種，已遠不能滿足當前焊接生產的快速發(fā)展要求。

2. ER49—1焊絲與ER50—6焊絲對比試驗分析

（1）焊絲化學成分 依照GB/T8110—2008標準，ER49—1焊絲和ER50—6焊絲化學成分如表1所示。

從表1看出，ER50—6焊絲與ER49—1焊絲比較，錳元素含量較低，硅元素含量較高，Mn/Si在1.6%~1.8%之間，一般碳鋼焊絲采用錳硅聯(lián)合脫氧，要求Mn/Si≈2.0%為宜，而ER49—1焊絲錳元素含量偏高，Mn/Si在2.2%~2.8%之間。由此可見，ER50—6焊絲因化學成分設計合理，可得到純潔、性能良好的焊縫。另外，ER50—6焊絲的硫、磷元素含量控制較嚴，這對保證焊絲在制造中的拉撥和焊絲熔敷金屬的力學性能均有利。

（2）焊絲的加工制造及成本 由于ER50—6焊絲成分設計合理，其拉撥性能良好，國際上通常使用φ5.5mm盤條，對于焊絲φ0.8mm以上的成品焊絲，不需要進行中間退火處理，一次連續(xù)拉撥完成，生產效率較高。而我國的ER49—1焊絲的加工制造則使用φ6.5mm的盤條拉撥，當焊絲拉撥到φ4.0~φ4.5mm時，因冷作硬化，拉撥非常困難，必需進行中間退火處理。

ER49—1焊絲進行中間退火熱處理，首先焊絲要增加約400元/t的生產成本；其次由于退火處理工藝波動，導致焊絲軟硬不均，使焊絲本身抗拉強度降低或升高，翹距增大，影響正常送絲。再者熱處理產生的氧化皮清理不干凈，影響鍍銅結合力，焊絲經過送絲輪時掉銅屑，堵塞導絲管，不能正常送絲。這些均不同程度影響著焊接工藝性能。而ER50—6焊絲制造不進行中間退火處理，有效地避免了上述問題的產生，焊絲產品質量比較穩(wěn)定。

（3）焊絲熔敷金屬力學性能 選擇同一焊絲生產企業(yè)的ER49—1和ER50—6（φ1.2mm）焊絲，試板材料Q235（厚20mm），按GB/T8110—2008標準做焊絲熔敷金屬力學性能試驗，試驗結果如表2所示。

從表2看出，由于ER49—1焊絲成分設計不合理，在CO2氣體保護下焊接，焊絲熔敷金屬抗拉強度偏高（接近60kg級焊絲），ER50—6焊絲熔敷金屬強度適中，其塑韌性（尤其是低溫沖擊韌性）明顯優(yōu)于ER49—1焊絲，所以ER50—6焊絲可用于在低溫下工作結構件的焊接。但是，上述兩種焊絲當采用單一CO2氣體保護時，會產生焊接飛濺大，焊縫成形凸起等問題，不適用于焊縫外觀質量要求高，承受疲勞載荷金屬結構件的焊接。

由于ER49—1焊絲錳元素含量相對較高，所以該焊絲具有良好的抗氣孔性能，焊絲熔敷金屬抗拉強度高于ER50—6焊絲，一般在壓力容器生產中，當采用ER50—6焊絲施焊Q345R鋼材退火后，常出現焊接接頭抗拉強度偏低，而改用ER49—1焊絲可滿足產品技術要求。

3. ER50—6焊絲保護氣體的合理選擇

在國外用戶可根據保護氣體的種類選用焊絲。如在美國當選用CO2氣體保護時，使用ER70S—6焊絲，當選用混合氣體保護時，則使用ER70S—2焊絲，這樣可以更科學合理地選擇焊材，提高焊接工藝水平。而在我國因受焊絲品種的限制，不論選擇哪種保護氣體種類，用戶只得使用ER50—6焊絲，這樣的保護氣體與焊絲的匹配極不合理。

表1 ER49—1與ER50—6焊絲化學成分（質量分數） （%）

表2 ER49—1和ER50—6焊絲熔敷金屬力學性能

選用同一焊絲生產企業(yè)的ER50—6（φ1.2mm）焊絲，試板材料Q235（厚20mm），選擇不同種類的保護氣體，依照GB/T8110—2008標準，進行焊絲熔敷金屬力學性能試驗，試驗結果如表3所示。

從表3可看出，ER50—6焊絲在CO2氧化性氣體保護下施焊，化學元素有一定燒損，熔敷金屬抗拉強度和屈服強度適中，伸長率較高，-30℃沖擊值為84J，焊絲的熔敷金屬綜合力學性能良好。而ER50—6焊絲采用混合氣體（惰性氣體）保護施焊，化學元素燒損少，焊絲的熔敷金屬抗拉強度偏高（接近60kg級焊絲），不僅伸長率較低，而且在施焊時對工件表面質量要求高，焊縫容易產生氣孔等缺陷。尤其是在壓力容器焊接生產中，焊縫射線探傷一次合格率較低。試驗與生產實際表明，ER50—6焊絲不適用于混合氣體保護焊。

4. ER50—G焊絲

ER50—G焊絲是用戶根據產品的特殊技術要求，與焊絲生產企業(yè)協(xié)商確定焊絲化學成分，熔敷金屬力學性能。如風電新能源產品，常要求在-40℃沖擊值＞47J，而GB/T8100—2008標準中，碳鋼焊絲熔敷金屬沖擊韌性的最低溫度為-30℃，不能滿足產品技術要求。我國一些焊絲生產企業(yè)研制開發(fā)出ER50—G類焊絲（如金獅公司的ER50—3B、大西洋公司的CHW—50C3）,供用戶選用。

試驗分別選用同一廠家的ER50—3B和ER50—6焊絲，試板材質Q235（厚20mm），分別對試板進行焊接，焊后經X射線探傷檢查，按GB/T8110—2008標準進行試驗，試驗結果列于表4中。

從表4可看出，ER50—3B與ER50—6比較，含有一定量的Ni元素，眾所周知，Ni元素可提高材料低溫沖擊韌性，另外焊絲含C量低，S和P元素含量控制嚴格，焊絲熔敷金屬的抗拉強度適中，其塑性與-40℃低溫沖擊韌性顯著優(yōu)于ER50—6焊絲?？捎糜?40℃下工作結構件的焊接。

5. 國外碳鋼焊絲概況

美國AWSA5.18—2005標準列出6種碳鋼焊絲，日本JISZ3312—1999標準含概7種碳鋼焊絲，供用戶選擇?？筛鶕煌附咏Y構的技術要求、焊接條件、適用范圍等因素，科學合理地選用焊絲，以達到產品的技術要求。

（1）美國ER70S—2和日本YGW15混合氣體保護焊絲 我國混合氣體保護焊使用的保護氣體，一般是80%Ar+20%CO2，屬于惰性氣體保護，施焊時對鋼板表面要求高，焊縫容易產生氣孔等缺陷。從表5中看出美國ER70S—2和日本YGW15焊絲與ER70S—6焊絲比較，除焊絲的錳、硅含量較低外，還添加了鋯、鈦和鉛等脫氧劑，焊接時對鋼板表面銹、雜質不太敏感，因此在富氬混合氣體保護焊時，應優(yōu)先選用ER70S—2（相當于我國的ER50—2焊絲）和YGW15焊絲。

在實際生產中，當采用混合氣體保護使用ER50—2焊絲施焊時，一是可以提高焊縫探傷檢查的一次合格率，確保焊縫質量。二是焊接時飛濺小，焊縫成形美觀，特別適用于對焊縫外觀質量要求高，承受疲勞載荷金屬結構件的焊接。

（2）日本用于大電流高效低飛濺的YGW11焊絲 由表6看出，日本YGW11焊絲化學成分，與ER50—6焊絲比較，含有0.16%～0.22%的鈦元素，在采用較大焊接電流施焊時，可減少焊接飛濺30%～50%，同時可獲得良好的焊縫成形，已成為日本在CO2氣保護焊中用的最多的焊絲。日本YGW11相當于我國的ER50—G焊絲，林肯電氣的JM—58和安泰科技的AT—MG58焊絲與YGW11焊絲相當。

表3 ER50—6焊絲不同種類保護氣體熔敷金屬力學性能對比

表4 ER50—3B與ER50—6焊絲化學成分，熔敷金屬力學性能

（3）日本適用于厚板焊接的YGW18焊絲 表7表明日本YGW18焊絲的錳元素含量高于ER50—6焊絲，在較大熱輸入和較高的層間溫度下施焊，焊絲熔敷金屬的抗拉強度仍大于540MPa，沖擊值大于70J，特別適用厚板焊接結構件的焊接。

（4）適用于薄板小電流的YGW12和ER70S—3焊絲 由表8得到：YGW12與YGW11焊絲化學成分相比，錳元素含量較低，美國ER70S—3焊絲中錳和硅元素含量低于ER70S—6焊絲。在焊接低碳鋼時，因焊接的熔深較小，氣泡容易浮出，焊縫產生氣孔的傾向有所減少。由此可見，YGW12和ER70S—3（相當于我國的ER50—3焊絲）焊絲適用于薄板，小電流焊接。

6. 結語

我國氣體保護實芯焊絲經過近十年的快速發(fā)展，取得了可喜的進步。2013年全國氣體保護實芯焊絲產量為165萬t，約占其焊材總量的35%，其中ER50—6碳鋼焊絲占焊絲總量的80%左右。縱觀國內外氣體保護焊碳鋼實芯焊絲的發(fā)展，我國與日本、美國等工業(yè)發(fā)達國家相比，還有一定差距。目前國內碳鋼實芯焊接的生產能力已高于市場需求量的30%以上，出現競相壓價銷售的局面，焊絲品種單一不能滿足焊絲生產需求的局面仍未突破。而適用于大電流高效率低飛濺、富氬混合氣體保護、厚板、薄板以及風電新能源和壓力容器等產品的碳鋼焊絲，因化學成分不同，批量少，國內鋼廠不愿供貨，用戶只能選用價格昂貴的進口產品或改變焊接工藝方法。這就需要鋼廠與焊接界同仁共同努力，盡快生產出高質量、多品種的碳鋼實芯焊絲產品，進一步推動我國焊接技術與生產的不斷發(fā)展。

表5 ER70S—2、 YGW15和ER70S—6焊絲化學成分 (質量分數） (%)

表6 日本YGW11與ER50—6焊絲化學成分(質量分數） (%)

表7 YGW18與ER50—6焊絲化學成分(質量分數） (%)

表8 四種焊絲的化學成分(質量分數） (%)