前言
我國是全世界鋼材、焊材生產(chǎn)和消耗量最多的國家，近年來(lái)我國的鋼年產(chǎn)量將達5.7億t左右，超過(guò)世界鋼產(chǎn)量的47％；焊接材料消耗量將超過(guò)440萬(wàn)t。在經(jīng)過(guò)近20多年來(lái)的推廣應用，CO2氣體保護焊工藝(GMAW、FCAW-G)作為一種高效、優(yōu)質(zhì)、低成本的焊接技術(shù)，已經(jīng)在造船、壓力容器、車(chē)輛、建筑工程、礦山機械、鋼結構、石油化學(xué)、橋梁等諸多行業(yè)中取得了廣泛的應用，獲得了良好的社會(huì )效益和經(jīng)濟效益，因此，CO2氣體保護焊的焊絲使用也越來(lái)越多。
近年來(lái)我國C02氣體保護焊(GMAW、FCAWG)焊絲的產(chǎn)量將超過(guò)80萬(wàn)t，已經(jīng)成為焊接材料的主流。隨著(zhù)今后焊接的自動(dòng)化程度的提高，其消耗量在焊材中的比例還將持續較快增加。
在GMAW、FCAW—G焊接中，目前應用最多的焊材是CO2：氣體保護焊鍍銅實(shí)心焊絲。經(jīng)過(guò)近20年的使用。其工藝、性能、價(jià)格等具有較大的優(yōu)勢，采用CO2：鍍銅實(shí)心焊絲已經(jīng)成為MAG焊接的標準，因此，在眾多場(chǎng)合下CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲還很難被替代。但是，隨著(zhù)時(shí)代的進(jìn)步。CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲開(kāi)始面臨著(zhù)無(wú)鍍銅焊絲的挑戰，這些挑戰將會(huì )對其產(chǎn)生重大的影響，一定程度上將影響焊接材料生產(chǎn)的主流和發(fā)展方向。
1 綠色制造理念將推動(dòng)鋼結構焊材的變革
順應我國建筑鋼結構技術(shù)的發(fā)展軌跡，我國焊接材料必定向更加高級的方向發(fā)展；節能減排的綠色制造理念必將推動(dòng)焊接鋼結構焊接工藝的變革，以無(wú)鍍銅焊絲為代表的新型焊材將應運而生。這是CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲面臨的最大外部壓力。
1.1 CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲生產(chǎn)中的環(huán)保問(wèn)題
CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲的生產(chǎn)過(guò)程對環(huán)境的污染較大，其主要污染源是鍍銅液，其次是各種酸堿等化學(xué)品的使用以及各種酸堿霧氣等。在鍍銅液方面，根據其使用的丁藝方法不同，其污染程度有所不同，目前行業(yè)內一般使用三種工藝進(jìn)行鍍銅生產(chǎn)：(1)全過(guò)程使用電鍍；(2)使用電鍍和化鍍結合的方式；(3)全程使用化鍍。
一般電鍍方式對環(huán)境污染較大，尤其是采用了氰化物的場(chǎng)合，對環(huán)境危害極大，而化鍍的方式相對較好。但無(wú)論化學(xué)鍍還是電鍍，其鍍液蒸氣對人
體都有極大的危害，同時(shí)廢棄的酸堿液還會(huì )迸一步污染環(huán)境。
隨著(zhù)國家經(jīng)濟發(fā)展方式向可持續發(fā)展模式的轉化，過(guò)去在部分行業(yè)那種以犧牲環(huán)境求發(fā)展的經(jīng)營(yíng)模式將被拋棄，環(huán)境、健康與安全成為未來(lái)制造業(yè)發(fā)展的重要驅動(dòng)力之一。所以，相對應的環(huán)保條例也將越來(lái)越嚴格，對相關(guān)生產(chǎn)企業(yè)的壓力勢必將越來(lái)越大。
1.2 使用過(guò)程中的污染
由于拉絲過(guò)程中鋼絲表面產(chǎn)生微小凹凸不平的坑，由此增大摩擦力，造成拉絲不穩定，進(jìn)而影響產(chǎn)品質(zhì)量，為了解決拉絲穩定性的問(wèn)題而采用了當時(shí)認為和其他技術(shù)相比較效果最好的鍍銅焊絲技術(shù)。因此，實(shí)心焊絲鍍銅最初的目的只是起到在拉絲過(guò)程中的潤滑作用，主觀(guān)目的不是對焊絲起防銹、導電和降低送絲導電嘴的磨損作用。鍍銅層這些作用都是后來(lái)才被逐漸發(fā)現的。
正是由于鍍銅層的存在，帶來(lái)了對焊接接頭綜合性能的影響。對焊縫而言，銅是有害元素，過(guò)多的銅元素對焊接質(zhì)量是不利的；另外對焊絲本身成分而言，會(huì )對焊縫和熔敷金屬造成污染，因此人們不希望增加鍍銅層厚度。尤其在有些特殊使用場(chǎng)合，為了保證焊接質(zhì)量需要嚴格控制焊絲鍍銅層厚度。
另一方面，銅層在焊接時(shí)大部分都形成了銅煙霧。根據德國金屬制造業(yè)健康與安全委員會(huì )編制的《在焊接及相關(guān)工藝過(guò)程中的有害物質(zhì)》可知，近95％的焊接煙霧來(lái)自于填充金屬。因此焊絲表面鍍的銅不可避免的大量進(jìn)人焊接煙塵中，成為煙塵中的主要有毒物質(zhì)。焊工吸入過(guò)量含銅煙塵引起金屬銅煙霧熱急性綜合癥，銅鹽能引起腸胃功能紊亂，可能出現溶血和肝腎損害，直接對焊工身體造成損害。
1.3 鍍銅CO2實(shí)心焊絲本身的質(zhì)量問(wèn)題
鍍銅C02實(shí)心焊絲擁有眾多優(yōu)點(diǎn)的同時(shí)，在實(shí)際使用過(guò)程中也暴露出了三個(gè)主要的不足之處。
(1)銅層易剝落問(wèn)題。
這個(gè)問(wèn)題是CO2氣體保護焊(GMAW)鍍銅實(shí)心焊絲在使用過(guò)程中暴露的主要問(wèn)題。在焊絲的生產(chǎn)過(guò)程中，焊絲表面的銅層經(jīng)過(guò)層繞過(guò)程中矯直輪的擠壓以及與送絲軟管的長(cháng)時(shí)間摩擦后，部分鍍銅層與基體剝離，在焊接送絲的過(guò)程中，這部分鍍銅層會(huì )被刮落，大量的銅屑聚集于送絲軟管內，主要是集中在導電嘴附近，造成送絲軟管堵塞，影響送絲的穩定性，對焊縫成形產(chǎn)生很大影響。尤其是在精確焊接的機器人全自動(dòng)焊接工序中，對焊絲的鍍銅質(zhì)量要求非常高；在全自動(dòng)焊接實(shí)踐中發(fā)現，焊絲銅屑會(huì )在焊接過(guò)程熔入焊縫(無(wú)法避免)，對焊縫產(chǎn)生不良影響，有的甚至使焊接不能正常進(jìn)行；這也是鍍銅實(shí)心焊絲無(wú)法消除的品質(zhì)難題。
(2)焊接飛濺大，焊縫成形差。
鍍銅C02實(shí)心焊絲在焊接過(guò)程中飛濺大、焊縫成形差是一個(gè)“老大難”問(wèn)題。尤其是在鍍銅層與鐵基層結合力不好及表面質(zhì)量不好時(shí)，尤為突出。從焊接的表觀(guān)現象看是焊接過(guò)程飛濺大而導致的焊縫成形不好，實(shí)際上是由于焊絲質(zhì)量問(wèn)題造成的焊接參數不穩定從而產(chǎn)生飛濺，影響成形。與無(wú)鍍銅焊絲相比，鍍銅焊絲不僅飛濺較大而且焊縫凸起，顏色偏暗。
(3)防銹問(wèn)題。
鍍銅焊絲的生銹從表面的理解一般是包裝問(wèn)題、車(chē)間濕度問(wèn)題等，但從本質(zhì)上講，鍍銅焊絲易生銹的根本原因是電化學(xué)腐蝕造成的。
從電化學(xué)的原理出發(fā)，銅對鐵的防蝕是陰極防護，必須致密無(wú)孔才能達到防蝕的目的。但鍍銅C02實(shí)心焊絲的焊縫中銅含量較高，對焊縫的力學(xué)性能不利，所以各標準中都對銅含量有嚴格規定。經(jīng)檢測Φ1.2 mm焊絲鍍銅層厚度為0.20～0.50 μm遠小于達到致密要求的5μm，而且采用通常的化學(xué)鍍方法鍍銅層和鐵基焊絲結合的緊密性難以得到良好控制。因此這種不很致密的鍍銅層，不但不能
保護內部鐵基焊絲，反而加速了鐵基焊絲在腐蝕介質(zhì)中的腐蝕。因此，采用鍍銅層作為氣體保護焊絲的防蝕層是不合理的。
基于上述原因，河北鑫宇焊業(yè)從2015年開(kāi)始進(jìn)行無(wú)鍍銅CO2實(shí)心焊絲生產(chǎn)的相關(guān)工作，在相關(guān)輔料廠(chǎng)家的大力支持下，現已取得階段性成果，并且實(shí)現了一定的批量供貨。
2 C02氣體保護焊無(wú)鍍銅實(shí)心焊絲的生產(chǎn)實(shí)踐
鍍銅焊絲的生產(chǎn)存在三個(gè)技術(shù)難點(diǎn)：一是導電性，二是防銹性能，三是送絲性能。因此無(wú)鍍銅焊絲的生產(chǎn)要圍繞克服這三個(gè)問(wèn)題綜合考慮。
國內目前普遍的一種對無(wú)鍍銅焊絲的理解為特種涂層焊絲，各個(gè)廠(chǎng)家的涂層的成分和表面處理方式各有不同，因此影響到最終的焊絲使用性能不同，優(yōu)良的涂層和表面處理方式不但可以起到防銹和潤滑的作用，還可以起到穩定電弧和減少焊接飛濺的作用。但實(shí)際上，通過(guò)對國外無(wú)鍍銅焊絲的分析，應該還有一種理解，即通過(guò)適當處理方式使表面暗化或表面增加其他的保護層，同時(shí)保證其表面的光潔性，以達到最終的無(wú)鍍銅要求。
不論采用上述何種思路進(jìn)行，對半成品的前處理和后處理要求都是很高的。有資料表明，日本廠(chǎng)家采用了極復雜的清洗技術(shù)和涂布方式來(lái)處理焊絲，這造成了成本的居高不下，也造成了推廣應用上的困難。但這些方式也是可以改進(jìn)的，在經(jīng)過(guò)多次的試驗研究后，我公司采取了結合上述兩種方法的工藝流程。
3 CO2氣體保護焊無(wú)鍍銅實(shí)心焊絲性能測試與應用
3.1焊接工藝測試
(1)不同焊接參數下的工藝性能試驗如表1、表2所示。
表1不同焊接參數下的工藝性能試驗比較
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焊接方法
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氣體流量Q/L*min-1
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電流I/A
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電壓U/V
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工藝性能
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GMAW
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15~20
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110
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19
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導電性良好。工藝性好
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GMAW
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15~20
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270
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31
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導電性良好。工藝性好
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表2熔敷金屬力學(xué)性能測試
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焊接
方法
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電流
I/A
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層間溫度
T/oC
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抗拉強度
σb/MPa
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電壓
U/V
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屈服強度
σs/MPa
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延伸率
δ/%
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沖擊功
（-30 oC）Akv/J
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GMAW
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255
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135~165
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575
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31
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475
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29
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87
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另外，與鍍銅焊絲相比，在焊接方面，無(wú)鍍銅焊絲的飛濺更小，同時(shí)在焊縫外觀(guān)上最直接的表現是其焊縫的潤濕性更好，焊縫更加平滑，不像鍍銅焊絲那樣焊縫金屬凸起。因此無(wú)鍍銅焊絲焊接后的成形更加美觀(guān)，光潔性好的無(wú)鍍銅焊絲焊接出來(lái)的焊縫更加白亮。
(2)熔敷金屬性能測試。
通過(guò)與鍍銅焊絲熔敷金屬性能的比較，發(fā)現兩種焊絲的力學(xué)性能和化學(xué)成分基本相近(個(gè)別指標有所區別，無(wú)鍍銅焊絲較好)，均符合國家有關(guān)標準要求。
(3)下藝評定試驗(PQR)。
通過(guò)現場(chǎng)工藝評定試驗。所焊試件焊縫表面成形良好，且通過(guò)無(wú)損檢測、力學(xué)性能、理化試驗和金相分析，檢測結果表明，焊縫區域的相關(guān)要求均滿(mǎn)足國家相關(guān)標準的技術(shù)要求。
(4)防銹性試驗。
在69％的相對濕度下，沒(méi)有采用任何包裝的焊絲在竄內10天后開(kāi)始出現銹點(diǎn)。室外6天后開(kāi)始出現銹點(diǎn)。通過(guò)適當的技術(shù)處理還可以進(jìn)一步延長(cháng)保質(zhì)期。
3.2 現場(chǎng)使用
通過(guò)焊接實(shí)踐證實(shí)：無(wú)鍍銅焊絲的最大優(yōu)點(diǎn)是成功的解決了鍍銅焊絲在全自頸是煙塵，故主要用于室外焊接。目前致力于降低自動(dòng)焊接過(guò)程中焊絲的掉銅屑引起的送絲不穩定的問(wèn)題。具體解決了因鍍銅焊絲的掉銅屑對送絲管尤其對與導電嘴相連的部分產(chǎn)生阻塞的嚴重影響；使焊接得以正常進(jìn)行，提高了焊接效率和減少了操作工作量，同時(shí)現場(chǎng)焊接飛濺、煙霧大大減少，焊縫成形良好；無(wú)鍍銅焊絲得到了一定范圍的推廣應用，得到好評，獲得了成功。
4 結論
焊接作為對國家發(fā)展貢獻很大的行業(yè)，其快速發(fā)展的同時(shí)必須增強對環(huán)境保護的意識，今后環(huán)保型焊材的開(kāi)發(fā)必將會(huì )對焊接產(chǎn)業(yè)的環(huán)保和可持續發(fā)展產(chǎn)生重要的推動(dòng)作用。
在發(fā)達國家，無(wú)鍍銅焊絲的使用已經(jīng)有了很大的發(fā)展。隨著(zhù)在我國焊接自動(dòng)化的快速推進(jìn)和國家環(huán)保的需求，傳統的鍍銅工序必將面對越來(lái)越大的挑戰，無(wú)鍍銅焊絲的大發(fā)展只是一個(gè)時(shí)間問(wèn)題。
