藥芯焊絲的發(fā)展及應(yīng)用展望

王軍生，張建，王期文，原思宇

（鞍鋼未來(lái)鋼鐵研究院有限公司，遼寧 鞍山114009）

在中國(guó)的工業(yè)化發(fā)展進(jìn)程中，城市化發(fā)展的時(shí)代背景下，基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)持續(xù)飛速發(fā)展。隨著建設(shè)程度的不斷深入，焊接技術(shù)在城市建設(shè)中的應(yīng)用越來(lái)越廣泛。焊接技術(shù)在一定程度上推動(dòng)了工業(yè)化進(jìn)程，同時(shí)也帶動(dòng)了焊接原料的飛速發(fā)展，焊接原料的使用數(shù)量達(dá)到了驚人的水平，據(jù)相關(guān)方面統(tǒng)計(jì)，從上個(gè)世紀(jì)90年代末至今，焊材的使用總量急劇上升，從62萬(wàn)t增加到370萬(wàn)t，幾乎占到了世界總產(chǎn)量的1/2以上，已成為世界最大的焊接材料研發(fā)、生產(chǎn)、銷售和使用基地。但中國(guó)對(duì)焊接材料的研究較少，與工業(yè)發(fā)達(dá)國(guó)家相比仍存在很大差距，長(zhǎng)期依靠進(jìn)口來(lái)滿足國(guó)內(nèi)對(duì)焊材的需要；近年來(lái)對(duì)鋼鐵生產(chǎn)秉承“綠色制造”的理念，加大對(duì)零件的修復(fù)和再利用，進(jìn)而提高零件的使用壽命?；诖爽F(xiàn)狀，開(kāi)發(fā)研究出新型焊接材料來(lái)對(duì)材料表面進(jìn)行強(qiáng)化顯得十分重要。

焊接絲材分實(shí)芯焊絲和藥芯焊絲。藥芯焊絲由于其焊接后焊縫及涂層的力學(xué)性能優(yōu)良、生產(chǎn)效率高和成本低等優(yōu)點(diǎn)受到廣泛關(guān)注。本文將國(guó)內(nèi)外藥芯焊絲的發(fā)展及應(yīng)用進(jìn)行對(duì)比，并對(duì)焊接材料的發(fā)展進(jìn)行展望。

1 藥芯焊絲的發(fā)展概況

1.1 國(guó)內(nèi)發(fā)展

中國(guó)藥芯焊絲的發(fā)展可大致分為三個(gè)階段，分別為起步階段，研究階段和發(fā)展階段。

第一階段（起步階段）：1960年～1986年，科研單位主要對(duì)藥芯焊絲的成分配比及制備過(guò)程進(jìn)行基礎(chǔ)性理論研究；20世紀(jì)50年代，天津大學(xué)仿照前蘇聯(lián)的技術(shù)資料對(duì)藥芯焊絲進(jìn)行了初步研究；20世紀(jì)70年代，機(jī)械部機(jī)械研究所正式立項(xiàng)，開(kāi)始系統(tǒng)研究藥芯焊絲，并在1975年對(duì)研制的藥芯焊絲在工程中進(jìn)行了試用，結(jié)果表明埋弧堆焊的藥芯焊絲與傳統(tǒng)的實(shí)芯焊絲相比，可以大大提高材料表面的耐磨性；1976年上海船舶工藝研究所首次對(duì)自主研發(fā)的藥芯焊絲在中華造船廠7 500 t散裝貨輪進(jìn)行工程試用，隨后出版了國(guó)內(nèi)第一本有關(guān)藥芯焊絲的專著《自保護(hù)藥芯焊絲》。

第二階段（研究階段）：1986年～2000年，中國(guó)自主研發(fā)出第一條直徑為1.6 mm的藥芯焊絲，并在寶鋼設(shè)備上應(yīng)用，同時(shí)數(shù)十條藥芯生產(chǎn)線相繼投入使用，這標(biāo)志著中國(guó)藥芯焊絲開(kāi)始進(jìn)入應(yīng)用階段。然而，對(duì)材料表面有高耐磨性和高硬度性能的要求時(shí)，中國(guó)自主研發(fā)的藥芯焊絲則不能滿足需求，還需長(zhǎng)期依賴進(jìn)口［1-3］。

第三階段（發(fā)展階段）：2000年至今，藥芯焊絲在材料表面改性領(lǐng)域得到快速發(fā)展，對(duì)藥芯焊絲的需求量成倍增加。中國(guó)自主研發(fā)的藥芯焊絲的產(chǎn)品質(zhì)量可以達(dá)到使用要求，成本降低了50%左右。資料表明，從1996年以來(lái)，中國(guó)藥芯焊絲的產(chǎn)量以年均超過(guò)60%的增長(zhǎng)率高速增長(zhǎng)。截至2015年底，藥芯焊絲用量更是突破30萬(wàn)t，占焊接材料總量10%以上，圖1為中國(guó)焊接材料所占比例。

圖1 中國(guó)焊接材料所占比例

1.2 國(guó)外發(fā)展

1983年，德國(guó)Drzeniek等成功將藥芯焊絲應(yīng)用于電弧噴涂，并得到了迅速發(fā)展，隨后Steffens等把高碳鉻鐵粉及鉻的碳化物（Cr7C3+Cr3C2）粉末、稀土等與低碳鋼帶制成藥芯絲材，并采用電弧噴涂的方法制備耐磨涂層，結(jié)果表明，采用藥芯焊絲進(jìn)行電弧噴涂能獲得與等離子噴涂層厚度相當(dāng)?shù)哪湍ネ繉?；在美?guó)，藥芯焊絲成功用于飛機(jī)發(fā)動(dòng)機(jī)大修及汽車工業(yè)、電站鍋爐和厚的耐磨板及防滑涂層方面；英國(guó)金屬噴涂股份有限公司研制了Stelloy35、Stelloy50、Stelloy51 三種既提高涂層硬度，又改善涂層完整性的鎳基粉芯絲材電弧噴材料，其主要合金系為NiCr-B-Si系；加拿大Dallaire等也開(kāi)展了粉芯絲材的研究，并己取得成功應(yīng)用［4-6］。

1.3 中國(guó)藥芯焊絲的發(fā)展與先進(jìn)國(guó)家的差距

在藥芯焊絲生產(chǎn)產(chǎn)量方面，國(guó)內(nèi)藥芯焊絲企業(yè)規(guī)模小、比較分散。國(guó)內(nèi)藥芯焊絲生產(chǎn)起源于80年代中后期，至今已先后從英國(guó)、美國(guó)、德國(guó)、意大利、日本及烏克蘭等國(guó)家引進(jìn)多條生產(chǎn)線。在此期間，國(guó)內(nèi)一些單位也開(kāi)發(fā)了多條生產(chǎn)線，但基本上都是用窄帶鋼成形法，雖然使得中國(guó)藥芯焊絲的生產(chǎn)從無(wú)到有，但是藥芯焊絲產(chǎn)量小，且焊絲品種單一。因此，國(guó)內(nèi)藥芯焊絲生產(chǎn)遠(yuǎn)遠(yuǎn)滿足不了用戶需求，像造船業(yè)、壓力容器、重點(diǎn)工程、大型成套設(shè)備配套的藥芯焊絲多數(shù)一直靠進(jìn)口。

目前，國(guó)外優(yōu)質(zhì)的藥芯焊絲品牌主要來(lái)自美國(guó)、日本和瑞士，中國(guó)必須從藥芯焊絲的合金選擇、成分配比、生產(chǎn)制備及生產(chǎn)工藝等方面進(jìn)行改進(jìn)，在藥芯焊絲質(zhì)量方面縮小與國(guó)外的差距［5-7］。

2 藥芯焊絲的制造

目前世界各國(guó)用于制造藥芯焊絲的工藝方案和設(shè)備多不勝數(shù)，已申請(qǐng)的各種專利就有數(shù)十種以上，按照藥芯焊絲的結(jié)構(gòu)可以分為有縫焊絲和無(wú)縫焊絲；按藥芯焊絲的使用材料可以分為冷軋帶鋼法、盤圓法和鋼管拉拔法。其成形工藝分類系統(tǒng)如圖2所示。

圖2 藥芯焊絲的成形工藝分類系統(tǒng)

當(dāng)前，在中國(guó)相對(duì)較為常見(jiàn)且成熟的成形工藝是鋼帶法和盤圓法；藥芯焊絲鋼帶法的制作工藝簡(jiǎn)單，易于操作，也是目前國(guó)際上最為常見(jiàn)的生產(chǎn)工藝。藥芯焊絲的盤圓法工藝優(yōu)勢(shì)則在于其低廉的原材料成本，對(duì)于生產(chǎn)企業(yè)來(lái)說(shuō)更具吸引力，產(chǎn)品的利潤(rùn)空間大，這也是其能夠被廣泛采用的原因［8］。另外還有一種新型工藝在線焊合法，此法是最新型的藥芯焊絲成形工藝，集合了有縫焊接和無(wú)縫焊接技術(shù)兩大優(yōu)勢(shì)的生產(chǎn)方式，同時(shí)具備有縫型鋼帶扎拔法和無(wú)縫型鋼管拉拔法的成形技術(shù)特色，是全新的藥芯焊絲成形工藝，代表了藥芯焊絲生產(chǎn)的較高水平。

藥芯焊絲機(jī)生產(chǎn)設(shè)備如圖3所示，在結(jié)構(gòu)上分為成形機(jī)和拉絲機(jī)兩部分，分別見(jiàn)圖3（a）和3（b）。在成形階段，利用鋼帶和軸輥之間的摩擦力，將經(jīng)過(guò)清洗、去油、烘干后的鋼帶牽引到成形機(jī)組內(nèi)，成形機(jī)組中有上下軸輥，每組軸輥外圓形狀均不同，鋼帶在經(jīng)軸輥的輥壓后逐漸由U型變?yōu)镺型，最后形成初級(jí)焊絲。在成形機(jī)中，當(dāng)鋼帶逐漸由U型開(kāi)始向O型收口時(shí)，由三桶送粉器（見(jiàn)圖3（c））將預(yù)先制備好的藥芯粉體加入到鋼帶槽中，隨后鋼帶在下一組軸輥的輥壓下進(jìn)行封口。鋼帶封口后立刻轉(zhuǎn)入拉絲機(jī)中，進(jìn)入拉絲減徑階段，最后由圖3（d）所示的收絲機(jī)進(jìn)行收集。目前中國(guó)大部分廠家都是采用鋼帶法生產(chǎn)藥芯焊絲，圖4是鞍鋼未來(lái)鋼鐵研究院有限公司的藥芯焊絲工藝流程圖。

圖3 藥芯焊絲生產(chǎn)設(shè)備

圖4 鞍鋼未來(lái)鋼鐵研究院有限公司藥芯焊絲工藝流程圖

3 藥芯焊絲工業(yè)應(yīng)用

近年來(lái)中國(guó)已經(jīng)開(kāi)發(fā)出多品種的藥芯焊絲，并且用量在持續(xù)增加。在某些領(lǐng)域（如結(jié)構(gòu)鋼）中國(guó)生產(chǎn)的藥芯焊絲可以取代進(jìn)口藥芯焊絲，年生產(chǎn)能力超過(guò)了2萬(wàn) t。

3.1 藥芯焊絲的優(yōu)勢(shì)

通過(guò)研究藥芯焊絲，分析其使用和焊接成果，表明藥芯焊絲的突出特點(diǎn)和優(yōu)勢(shì)主要包括以下方面：

（1）藥芯焊絲的綜合焊接性能高，工藝性能全面。主要體現(xiàn)在穩(wěn)定性、易成形、全位置焊接性、抗飛濺性、渣氣聯(lián)合保護(hù)性以及熔敷效率等方面。

（2）藥芯焊絲的化學(xué)性能好，可在冶金領(lǐng)域應(yīng)用。具體性能體現(xiàn)是熔敷效率高，具有極好的金屬力學(xué)性能，性能穩(wěn)定且可抗氣孔、抗裂紋等。

（3）能夠有效的實(shí)現(xiàn)自動(dòng)化焊接。

（4）藥芯焊絲結(jié)合度高，方便使用。在焊接技術(shù)中可以被靈活的調(diào)配，適用于各種類型的金屬焊接和復(fù)合金屬焊接，如鎳鋁合金、鈦鋁金屬間化合物等。

（5）應(yīng)用范圍廣，既是可焊接原料，同時(shí)由于其優(yōu)良性能還可以做防護(hù)涂層（例如藥芯焊絲在堆焊和噴涂技術(shù)中常用來(lái)制作防護(hù)層，包括復(fù)合耐熱層、耐磨層、耐蝕層等），另外藥芯焊絲還可以作為幫助其他金屬快速成形的填充材料等［9］。

3.2 工業(yè)應(yīng)用

利用藥芯焊絲進(jìn)行的表面工程強(qiáng)化也有很多，主要包括以下幾個(gè)方面。

3.2.1 電弧噴涂

（1）電弧噴涂層流輥

國(guó)內(nèi)鋼廠制備層流冷卻輥涂層的常用方法有粉材噴焊、火焰噴涂及激光熔覆等。氧乙炔噴焊簡(jiǎn)單易用，但偏高的成本限制了堆焊修復(fù)技術(shù)在企業(yè)實(shí)際應(yīng)用中的發(fā)展；對(duì)于層流輥表面噴涂而言，火焰噴涂的優(yōu)勢(shì)在于該方法對(duì)基板幾乎沒(méi)有影響，可以保證基體的顯微組織，但火焰噴涂的涂層結(jié)合強(qiáng)度較低；激光熔覆優(yōu)勢(shì)明顯，主要由于熔覆層與基體能夠?qū)崿F(xiàn)冶金結(jié)合，且結(jié)合強(qiáng)度較高，對(duì)基體的熱影響極小，加工后工件不易變形，激光能量密度高，冷卻速度快，過(guò)冷度大，因此熔覆層的晶粒細(xì)小而致密。

針對(duì)層流輥惡劣的工作環(huán)境，綜合考慮層流輥涂層的制備方法，認(rèn)為以藥芯焊絲為原材料，采用電弧噴涂方法最為合理。圖5為電弧噴涂原理圖，圖6為電弧噴涂形成的焰流圖。電弧噴涂是通過(guò)兩根金屬絲短路熔化合金粉，再利用加壓的空氣使熔化的金屬噴涂到材料表面，形成熱噴涂涂層。其優(yōu)點(diǎn)在于結(jié)合強(qiáng)度高、效率高、應(yīng)用范圍廣、經(jīng)濟(jì)節(jié)能、電弧噴涂設(shè)備安全性高和操作簡(jiǎn)單［10］。

圖5 電弧噴涂原理圖

圖6 電弧噴涂形成的焰流

研制的新型層流輥防護(hù)涂層與電弧噴涂的工藝相結(jié)合，不僅適用于惡劣的工況條件，而且經(jīng)濟(jì)節(jié)能，具有廣闊的應(yīng)用前景。電弧噴涂的涂層結(jié)構(gòu)逐漸由單一涂層向其他涂層改進(jìn)，其中多層或梯度涂層的發(fā)展有助于提高涂層性能，首先是改善了涂層的內(nèi)應(yīng)力，其次能夠有效的協(xié)調(diào)因基體和涂層材料熱物理性能差異而導(dǎo)致的性能變化，對(duì)增強(qiáng)涂層的結(jié)合強(qiáng)度、降低孔隙率以及增加其韌性極有幫助，提高了涂層的綜合防護(hù)性能。

電弧噴涂層流輥工藝技術(shù)路線如圖7所示。首先，設(shè)計(jì)藥芯焊絲的化學(xué)成分；其次，對(duì)工件進(jìn)行電弧噴涂實(shí)驗(yàn)研究，研究熱處理工藝對(duì)涂層重熔效果的影響；最后，對(duì)涂層進(jìn)行金相顯微組織分析及相關(guān)的性能測(cè)定，并對(duì)工藝參數(shù)進(jìn)行優(yōu)化。

電弧噴涂材料采用自行研發(fā)的鐵基合金（ST55 藥芯焊絲），主要成分為 Fe、Cr、Ni、Al、B、Si、C等元素。在噴涂后，對(duì)熱噴涂涂層進(jìn)行熔融處理，促進(jìn)熱噴涂涂層與基體表面的冶金結(jié)合，進(jìn)而提高熱噴涂涂層與基體的結(jié)合強(qiáng)度。涂層中碳和鉻元素的存在，可以形成具有高耐磨性高硬度的碳化物Cr7C3，從而提高了熱噴涂涂層的硬度和耐磨性。

圖7 電弧噴涂層流輥工藝技術(shù)路線圖

（2）電弧噴涂艦船用甲板

國(guó)內(nèi)航空母艦夾板涂層用表面工程材料的生產(chǎn)工藝技術(shù)及工藝路線尚屬空白，夾板涂層均采用國(guó)外進(jìn)口材料，需待開(kāi)發(fā)新型表面涂層材料及高均質(zhì)化噴涂技術(shù)，擬采用非晶態(tài)藥芯焊絲作為夾板新型表面工程涂層的主要材料，配合其它材質(zhì)過(guò)渡材料，通過(guò)先進(jìn)的雙絲電弧噴涂工藝路線，獲得具有耐磨、耐蝕、止滑、隔熱綜合性能的夾板涂層。

（3）電弧噴涂石油套管

中國(guó)是石油生產(chǎn)、消耗大國(guó)，石油資源埋藏深度達(dá)1 000 m以上，目前石油行業(yè)采油隔熱系統(tǒng)均采用真空套管進(jìn)行保溫隔熱，從而實(shí)現(xiàn)大深度石油的開(kāi)采，但成本高、周期長(zhǎng)，且已經(jīng)達(dá)到使用瓶頸，不能滿足更深深度采油的需求。因此，為實(shí)現(xiàn)節(jié)約能源，縮短石油隔熱管供貨周期，提高采油效率和采油深度，已初步開(kāi)發(fā)出以非晶藥芯焊絲為原材料，利用電弧噴涂技術(shù)制備高效熱障涂層（內(nèi)壁300℃，保溫效果達(dá)230℃以上），滿足了中國(guó)石油開(kāi)采的需求。

3.2.2 耐磨堆焊

堆焊是一種常見(jiàn)的表面修復(fù)技術(shù)和再生制造技術(shù)，通過(guò)在機(jī)械金屬零件的表面堆焊一層耐磨合金材料來(lái)提高機(jī)械金屬零件的耐磨性，從而延長(zhǎng)設(shè)備使用的壽命，進(jìn)一步提高工作效率。當(dāng)前，堆焊材料的最大問(wèn)題體現(xiàn)在加工性能和耐磨性上，無(wú)法實(shí)現(xiàn)原材料的加工性能與耐磨性能的有機(jī)結(jié)合，具體表現(xiàn)在有硬度但其加工性能較差，亦或是硬度低了具有了適度的加工性能但是又失去了耐磨性。通過(guò)在鋼廠的實(shí)地考察發(fā)現(xiàn)，以修復(fù)軋輥的堆焊技術(shù)而言，如果使用實(shí)心的藥芯焊絲為焊接材料，首先焊接易于操作好加工，其形成的堆焊層硬度尚不足HRC40，然而其耐磨性較差，導(dǎo)致其使用壽命縮短，以致于出現(xiàn)反反復(fù)復(fù)的修復(fù)情況，反復(fù)修復(fù)增加成本的同時(shí)也加長(zhǎng)了換輥的時(shí)間［11-12］。針對(duì)上述情況，鞍鋼未來(lái)鋼鐵研究院研制出相應(yīng)的藥芯焊絲來(lái)堆焊軋輥，焊后硬度達(dá)HRC60以上，耐磨性也得到了提高?；诖耍_(kāi)發(fā)新型焊接產(chǎn)品材料，對(duì)于提升生產(chǎn)效率、提高修復(fù)質(zhì)量有著重要意義，新型焊接材料的研發(fā)是機(jī)械加工技術(shù)革新的需要，同時(shí)也是焊接材料綜合性能提升的更高要求標(biāo)準(zhǔn)。

4 展望

近幾年來(lái)，國(guó)內(nèi)中大型鋼鐵企業(yè)在藥芯焊絲材料的研發(fā)、生產(chǎn)制備等方面取得了一些進(jìn)步，但是面對(duì)國(guó)內(nèi)外嚴(yán)峻的鋼鐵形勢(shì)，今后還有很多工作要做，應(yīng)該重點(diǎn)開(kāi)展以下幾方面工作。

4.1 優(yōu)化生產(chǎn)工藝流程

建立并完善焊接研發(fā)實(shí)驗(yàn)中心，建立健全藥芯焊絲生產(chǎn)模式，優(yōu)化焊接參數(shù)設(shè)置，實(shí)現(xiàn)各種型號(hào)焊絲的成分調(diào)整；建立焊接工藝參數(shù)相對(duì)專業(yè)的研發(fā)生產(chǎn)模式，實(shí)現(xiàn)研發(fā)、生產(chǎn)和銷售一體的經(jīng)營(yíng)模式。

4.2 提高焊接自動(dòng)化水平

自動(dòng)化焊接模型的開(kāi)發(fā)和應(yīng)用在穩(wěn)定操作、提高勞動(dòng)生產(chǎn)率及減少質(zhì)量波動(dòng)等方面有很好的促進(jìn)作用。因此，要繼續(xù)開(kāi)發(fā)和完善焊絲生產(chǎn)及焊接各工序的協(xié)同作用，實(shí)現(xiàn)成分配比、焊接工藝制定的精確控制技術(shù)，降低生產(chǎn)成本。

4.3 綠色制造

焊接材料及工藝的發(fā)展一定要與環(huán)境友好相協(xié)調(diào)。焊接可以使材料表面得到強(qiáng)化，依靠科技進(jìn)步推進(jìn)循環(huán)經(jīng)濟(jì)發(fā)展以及節(jié)能降耗、綠色制造等方面的技術(shù)研究，建設(shè)零排放與生態(tài)平衡的藥芯焊絲綠色制造工廠。

5 結(jié)語(yǔ)

本文綜述了藥芯焊絲的發(fā)展、制造工藝以及工業(yè)應(yīng)用情況，并就生產(chǎn)實(shí)際提出了相關(guān)建議。藥芯焊絲作為一種新興材料，是新型的焊接原料之一，它的出現(xiàn)滿足了高新焊接技術(shù)的發(fā)展需求。其涉及的行業(yè)也越來(lái)越多，由最初的造船行業(yè)，逐步滲透到鋼結(jié)構(gòu)領(lǐng)域，建筑鋼結(jié)構(gòu)成為了藥芯焊絲應(yīng)用發(fā)展的新的行業(yè)領(lǐng)域，尤其是在奧運(yùn)場(chǎng)館以及其他基礎(chǔ)設(shè)施建設(shè)。隨著技術(shù)的創(chuàng)新和發(fā)展，藥芯焊絲被越來(lái)越多的應(yīng)用，在礦山機(jī)械、鋼鐵領(lǐng)域也取得了較好的成績(jī)，發(fā)展前景廣闊。與發(fā)達(dá)國(guó)家相比，國(guó)內(nèi)藥芯焊絲在使用數(shù)量、種類以及應(yīng)用領(lǐng)域等方面的利用率遠(yuǎn)落后于發(fā)達(dá)國(guó)家。然而，正是因?yàn)椴罹嗟拇嬖?，藥芯焊絲在中國(guó)的發(fā)展才會(huì)有更多的機(jī)會(huì)，更大的空間。目前，藥芯焊絲在中國(guó)尚處于發(fā)展初期，且極具發(fā)展?jié)摿?，發(fā)展速度較快，焊接技術(shù)正在向智能化、自動(dòng)化模式轉(zhuǎn)變。由此看來(lái)，未來(lái)的五至十年將會(huì)是藥芯焊絲在中國(guó)發(fā)展的最佳時(shí)期。