来源：JANSY 发布时间：2014-10-1
0 前言
众所周知，药芯焊丝1954年起源于美国，是从20年代管状焊条的基础上发展起来的。由于药芯焊丝具有电弧稳定、飞溅小、成形美观、根据焊缝力学性能的需要调整药芯配方，可以大批量制造和实际焊接中连续使用的优越性。与实芯焊丝、手工焊条相比，生产效率高，焊工的操作环境得到改善，药芯焊丝的综合优势深受人们的欢迎。药芯焊丝在国外得到迅速发展和广泛应用于各种金属结构。但因药芯焊丝的制造技术难度大，国内相关技术和水平落后，我国药芯焊丝的发展经历了不平凡的历程。结合近年来对药芯焊丝研究与实践中的问题，观察国内药芯焊丝的发展情况和谈谈作者对药芯焊丝发展的体会。
1 药芯焊丝的发展基本情况
药芯焊丝起源于50年代，发展于60－70年代，药芯焊丝主要以粗直径为主（3.2mm, 2.4mm)使用交流电源，气体保护药芯焊丝用于钢管的焊接，自保护药芯焊丝用于建筑结构。80年代发展了细直径药芯焊丝（1.2～1.6mm)使用直流电源，其中直径为1.2～1.6mm的全位置药芯焊丝大量用于船舶的制造并得到飞速发展，大大提高了造船焊接的半自动化程度。在这期间开发了不锈钢、低温钢、590N/mm2强度级别钢种使用的多种药芯焊丝，1.2～1.6mm的细直径自保护药芯焊丝可以使用于钢管桩的焊接。80年代后期以来，1.2～1.6mm气保护药芯焊丝多品种的制造与使用范围得到迅速推广，在非造船行业使用和扩大。随后发展了金属粉芯药芯焊丝和无缝药芯焊丝。目前药芯焊丝已广泛用于建筑、桥梁、化工、冶金、电力等制造与修复行业。
从药芯焊丝的总产量与占焊接材料总产量比例来看，1983年美国药芯焊丝的产量占焊接材料总产量的15％，药芯焊丝的总产量为4.2万吨左右，到1979年药芯焊丝的年产量达到7.6万吨。现在美国药芯焊丝占焊接材料总产量的比例为40％左右。美国生产粗直径药芯焊丝（2.0mm以上）比例较大（主要为美国ITW，hobart, select-arc三家工厂），主要用于平焊和平角焊，用来焊接建筑机械、重型机械、钢架、桥梁等。1995年英国药芯焊丝年产量首次超过电焊条。日本主要生产细直径药芯焊丝，1983年药芯焊丝占焊接材料总产量的3.8％，1988年为焊接材料总产量的13％，1992年为焊接材料总产量的20％，1994年为焊接材料总产量的23％。在日本药芯焊丝的生产比例逐年提高，而实芯焊丝在1984年生产量占焊接材料总生产量的32％，逐步提高到1991年的50％。从1992年起实芯焊丝逐年下降，到1994年实芯焊丝的比例为42％。据最新资料报道，日本1997年药芯焊丝生产总量在10万吨左右，为焊接材料总产量的27％。由此看来，日本是药芯焊丝发展速度最快的国家。在中国药芯焊丝的发展正处于原始的发展阶段：大量引进外国生产线又得不到充分的应用，希望提高生产能力和技术水平又不能相互交流，重视硬件投资又忽视软件开发，同时受到资金不足的限制。目前我国药芯焊丝与国外药芯焊丝的发展相比，差距甚远。我们就这样不知不觉地进入了药芯焊丝时代，加上技术经济落后，发展药芯焊丝将付出巨大的代价。
2 药芯焊丝的分类及主要渣系
药芯焊丝按不同的情况有不同的分类方法。按保护情况可分为气体保护（CO2、富Ar混合气体）和自保护两种。按焊丝直径可分为细直径（2.0mm以下）和粗直径（2.0mm以上）。按焊丝断面可分为简单断面和复杂断面。按使用电源可分为交流陡降特性电源和直流电源。按填充材料可分为造渣型药芯焊丝（氧化钛型、钛钙型、氟钙型）和金属粉芯药芯焊丝。从药芯焊丝的开发及应用角度来看可作如下分类：
造渣型气保护药芯焊丝可分为CO2气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、50公斤级低合金结构钢（全位置焊接）、高强度钢（60－70公斤级）、低温钢（－45℃、－60℃冲击韧性）、耐热钢（1.25Cr-0.5Mo系，2.25Cr-1Mo系）、耐候钢（涂装与非涂装）、不锈钢（焊接SUS304、304L、316、316L、317、317L、321、347、309S不锈钢）、耐磨堆焊（Hv250、Hv350、Hv450、Hv600）。
造渣型气保护药芯焊丝可分为富Ar混合气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、50公斤级低合金结构钢（全位置焊接）、高强度钢（60－70公斤级）、低温钢（－45℃、－60℃冲击韧性）、耐磨堆焊（13Cr-2Ni系）。
金属粉芯药芯焊丝可分为CO2气体保护药芯焊丝，主要品种用于碳钢、50公斤级低合金结构钢、高强度钢（60公斤级）、耐磨堆焊（高Cr-Fe系，Hv800）。
金属粉芯药芯焊丝可分为富Ar混合气体保护药芯焊丝, 主要品种用于碳钢、50公斤级低合金结构钢、、低温钢（－60℃冲击韧性）、不锈钢（13Cr-5Ni系，13Cr-4Ni-Mo系，17Cr系）、耐磨堆焊（13Mn系、16Mn-16Cr系）。
自保护药芯焊丝主要品种用于碳钢、50公斤级低合金结构钢和耐磨堆焊。
总体看来药芯焊丝主要分为自保护药芯焊丝和气保护药芯焊丝，气保护药芯焊丝通常分为两种渣系，即酸性和碱性（T1和T5）。酸性渣系药芯焊丝工艺性能很好，可进行全位置焊接，该类型渣系药芯焊丝是造船工业最广泛使用的典型高效焊接材料。碱性药芯焊丝的焊缝金属有较好的净化作用，通过适当的配方调整可以获得优良的工艺性能，适合于平焊、平角焊位置。药芯焊丝主要渣系特点介绍如下。
全位置药芯焊丝药粉填充系数为13～16％，主要选用TiO2含量为92％以上的金红石，占药粉重量的35～55％，铁粉占药粉重量的15～30％。另加适量的SiO2、 ZrO2 、Al2O3、MgO组成适当的熔渣，适合于全位置焊接的基本条件，添加适量的含K、Na元素稳弧剂提高电弧的稳定性，最好是预先处理的烧结粉料。添加适量铝粉、铝镁粉提高焊缝抗气孔的能力，添加适量Si、Mn铁合金获得相应的化学成分和力学性能。该渣系焊丝的主要特点，电弧稳定、飞溅小、脱渣容易，细直径药芯焊丝适合全位置焊接。但熔渣本身氧化性较大，焊缝金属的低温韧性较低，一般用于碳钢和某些低合金钢的焊接。造船业大量采用这类药芯焊丝，也是产量最大的品种。
碱性药芯焊丝药粉填充系数为24～28％，主要选用CaF、CaCO3、部分SiO2或另加适量TiO2为基本渣系。该渣系碱度高，氧化性小，脱S、P能力强，具有优良的冶金性能。这样的渣系为研制高韧性药芯焊丝创造了条件，要求较好的工艺性能和焊缝具有优良的低温韧性，以用于重要钢结构的焊接。该类药芯焊丝的开发前景良好，适合研制焊接不同强度级别、不同韧性要求的高强度钢的药芯焊丝。全位置碱性药芯焊丝将拓宽新的焊接领域，拥有广阔的开发前景。下面以YJ507TiB药芯焊丝、14MnNbq桥梁钢的焊接试验为例，Ti、B微量元素对焊缝低温韧性的影响。
3 药芯焊丝焊缝的低温韧性
在过去的药芯焊丝研究中研究了合理的碱性渣系和Si-Mn-Ni-Ti-B、Si-Mn-Ni-Mo-Ti-B、Si-Mn-Ni-Al-Ti-B的合金系。对于14MnNbq桥梁钢的屈服强度较低，不宜添加强化元素Mo，同时含稀土物质的种类太多，不利于药芯焊丝原材料管理和使用。因此选择碱性渣系和Si-Mn-Ni-Ti-B合金系作为研制高韧性药芯焊丝YJ507TiB的基本思路，实践表明适当选择Ti、B元素的含量，可显著提高焊缝金属的低温韧性。
新研制的YJ507TiB药芯焊丝与进口澳大利亚西格威尔焊接公司碱性药芯焊丝SUPRE-COR5、酸性药芯焊丝VERTI-COR 91K2进行了熔敷金属的对比试验。采用国标GB 100450-88 碳钢药芯焊丝标准，基材为14MnNbq，试板尺寸为500×150×24mm，药芯焊丝熔敷金属试验坡口形状及尺寸见图1， 14MnNbq桥梁钢试板坡口尺寸及型式见图2 ， 焊接规范见表1，熔敷金属的化学成分(％)见表2 ，药芯焊丝熔敷金属的力学性能见表3 ，药芯焊丝焊缝金属的系列冲击见表4 ，14MnNbq桥梁钢纵向横向焊接接头三区的低温韧性见表5。
14MnNbq桥梁钢基材组织为铁素体和珠光体，YJ507TiB焊缝金属的焊缝组织出现大量的等轴铁素体(经后焊道热处理)，24mm纵向对接最后焊道焊缝组织为针状铁素体和细化后的先共析铁素体。从表中的试验数据来看，药芯焊丝YJ507TiB熔敷金属低温韧性优良AKV-40℃≥100J，焊接14MnNbq桥梁钢焊接接头(三区)的低温韧性AKV-40℃≥80J，其韧性指标不仅能满足现代铁路桥梁的低温韧性指标要求，而且与14MnNbq桥梁钢在低温韧性方面具有很好匹配性。
图1 药芯焊丝熔敷金属试验坡口形状及尺寸 图2 14MnNbq桥梁钢试板坡口尺寸及型式
表1 熔敷金属试验焊接规范
焊丝直径(mm) 电流(A) 电压(V) 焊速(mm/min) 层温(℃)
1.6 240～260 26～28 150～160 150～170
表2 熔敷金属的化学成分(％)
药芯焊丝 C Si Mn S P Ni Ti B
YJ507TiB 0.046 0.16 1.20 0.011 0.0089 0.73 0.02 0.0018
表3 药芯焊丝熔敷金属的力学性能
药芯焊丝
牌号 σs (MPa) σb (MPa) δ5 (％) σs/σb 冲击功 Akv (J)
－30℃ －40℃
YJ507TiB (中国) 450 535 29 0.84 140 158 155 / 151 127 115 136 / 126
SUPRE-COR5 (澳) 385 535 29 0.72 41 46 40 47 40/ 43
VERTI-COR 91K2 (澳) 445 535 29 0.83 43 36 35 35 36/ 37
表4 药芯焊丝焊缝金属的系列冲击
药芯焊丝
牌号 冲击功 Akv (J)
－20℃ －30℃ －40℃ －50℃ －60℃ －70℃
YJ507TiB
φ1.6mm 138 154 138
/143 125 108 139
/124 131 109 120
/120 81 82 55 /73 62 75 64 /67 49 24 57 /43
表5 14MnNbq桥梁钢纵向横向焊接接头三区的低温韧性
药芯焊丝
牌号 轧向 冲击功 Akv (J)
温度 焊缝 熔合线 HAZ 0.5mm
YJ507TiB
φ1.6mm 纵向对接 －30℃ 119 136 141/132 91 187 189/156
－40℃ 96 122 109/109 129 89 112/110 173 171 131/158
横向对接 －30℃ 142 134 129/135 103 177 152/144
－40℃ 124 92 135/117 147 109 150/135 135 104 160/133
4 药芯焊丝的制造技术
国内药芯焊丝生产设备起步于70年代，大都是以试验为目的而制造的。以铁道部科学研究院金属及化学研究所为例，1979年开始组建药芯焊丝课题小组，1983年开始在山东威海创建药芯焊丝工厂, 1984年生产的四种产品通过铁道部部级鉴定，并获铁道部科技进步四等奖。主要生产结构钢药芯焊丝、高锰钢修复药芯焊丝和列车车轮堆焊药芯焊丝等品种。但由于设备生产能力较小，不能大批量生产以及其它原因，这项目没有巩固下来。进入90年代，结合桥梁的特点开始了焊接新材料的研究，采用焊条、药芯焊丝、烧结焊剂等焊接材料过度合金元素的办法研究了C、Si、Mn、Cr、Ni、Cu、Al、Ti、B、Re等元素对焊缝金属低温韧性影响的研究。1992年与北京电焊条厂(现为北京宝钢焊业有限公司)合作进行了“Ti-B系铁路钢桥用高韧性药芯焊丝的研究” 系统地研究了Si、Mn、Mo影响焊缝金属强度元素对药芯焊丝焊缝金属强度和塑性的影响规律，利用Ni、Ti、B影响焊缝金属低温韧性元素研制了不同强度的高韧性药芯焊丝YJ427TiB、YJ507TiB、YJ607TiB，焊缝金属的低温韧性Akv-40℃≥70J。为开发生产结构钢药芯焊丝奠定了良好的基础。
1995年起与焊管设备研究所自行设计制造药芯焊丝生产线。经过两年多来的实践过程，逐步掌握了药芯焊丝生产线的制造技术。以药芯焊丝成型机为例，经历三个阶段的试验。第一阶段以焊管设备现有配件为基础，根据国外药芯焊丝生产线的设计思路，研制了第一代成型机。为龙门式结构，使用钢带规格0.7×12mm，加粉段钢带速度为40m/min。第二阶段根据试验的情况，将龙门式结构改为悬臂结构，方便了设备的操作。加粉段钢带速度提高到70m/min，研制了第二代成型机。第三阶段根据试验的情况发现试验的钢带较厚，减径次数太多，不宜于生产细直径药芯焊丝（1.2mm），选用厚度为0.4mm、0.5mm，宽度为10mm、12mm、14mm的钢带。采用单个电动机提供电力，速度集中分配，轧辊等直径，一对轧辊实现塔接成型等实用技术。大大简化成型机结构，降低制造成本。同时成型机加粉段钢带速度提高到100m/min左右。根据生产药芯焊丝的不同品种制造不同的定型成型机，为第三代成型机。同时研制了12头减径机，采用速度反馈电路控制系统，可以使减径机进行2、4、6任意组合，根据生产的需要安排药芯焊丝减径工位。
5 药芯焊丝发展的趋势
自北京电焊条厂于1987年正式投产以来，药芯焊丝开始批量制造，同时开发了近40个品种，为药芯焊丝的推广与应用作出了大量的宣传工作。国内研究单位和高等院校也加入这行业，研究药芯焊丝与生产的技术人员，整体素质将超过传统焊条和镀铜焊丝的水平。药芯焊丝的发展有一个经验积累时期，也有一个快速发展时期。如何迅速解决药芯焊丝生产的生产工艺和焊丝的表面处理，是当前不能忽视的问题。
对药芯焊丝的研究与生产，作者认为有以下几个方面的发展趋势。
1．国内不少厂家引进外国生产线，总数在13条以上。引进设备的价格也相当可观，少则40万美元，多达200万美元。目前大部分不能正常生产或者产量很低，谈不上规模经济效益。由于市场经济的竞争性和药芯焊丝本身的吸引力，估计药芯焊丝引进生产线将达到30条左右。
2．药芯焊丝市场尚待开发和培育。由于国内焊条厂家的价格战使得焊条的价格很低，不宜于药芯焊丝的推广。造船业的市场最大，但药芯焊丝总需求量业很有限。发展药芯焊丝品种，提高生产能力，保证产品质量体系，是药芯焊丝制造厂的唯一出路。
3．加强药芯焊丝技术交流，全国药芯焊丝制造技术有待整体提高。否则难以与国外产品抗衡。
4．药芯焊丝被视为二十一世纪的焊接新材料，高技术产品。在国外一些国家，药芯焊丝产量已经超过焊条产量，代表着工艺自动化水平的进一步提高。在一些要求高端的行业（包括海工，工程机械，机车等行业），随着对药芯焊丝自动焊级强度，韧性，焊接裂纹倾向的要求，无缝药芯焊丝被开发出来，目前全球生产无缝药芯焊丝主要集中在瑞士OERLIKON，德国DRAHTZUG STEIN， 意大利FILLARC/FILEUR等企业。药芯焊丝在我国将继续发展下去，研究单位和高等院校的积极参和研究与生产的高素质技术人员，将是我国药芯焊丝快速发展的希望所在。