文 献 综 述

Q345R使用粉芯焊丝自动立焊工艺研究

1、课题研究的意义及背景

焊接技术是现代工业高质量、高效率制造技术中一种不可缺少的加工工艺。近半个多世纪以来，焊接技术发生了很大的变化，为提高生产效率、缩短生产周期和降低成本，焊接技术正向着自动化、精密化的方向不断快速的发展。焊接技术的发展基本是焊接材料和焊接方法的发展相辅相成，互相促进，又互相制约的过程[1-2]。自从1881年俄国发明家贝纳尔多斯发明了利用碳棒电极进行电弧焊接的方法以来，人类对焊接材料的研制一直在进行中。焊接材料从光焊条到薄药皮焊条、埋弧焊丝、气体保护焊丝到今天的药芯焊丝，经过了长期的发展，每种新材料的出现都使得焊接技术的发展产生了一个新的飞跃。目前、药芯焊丝是熔化焊接材料的最新形式，是一种跨世纪的新型焊接材料，几年来在世界各国都得到了广泛的应用，具有广阔的发展前景[3]。Q345R钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。它是低合金高强度钢，与含碳量相同的碳素钢相比，不仅强度明显提高，而且具有良好的耐蚀性。而与强度相同的碳素钢相比，具有较高的塑性、韧性和较低的韧脆转变温度，并且焊接性良好 [4-5]。

Q345R钢的磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345(16Mn)钢。交货状态分：热轧或正火，属低合金钢。性能与Q345(16Mn)的（16mm钢板的屈服强度大于345Mpa）性能相近，抗拉强度为510-640Mpa之间，伸长率大于21%，零度V型冲击功大于34J。Q345R工艺参考标准GB713-2008[6]。

Q345R力学性能

Q345R钢是屈服强度为340MPa级的压力容器专用板，它具有良好的综合力学性能和工艺性能。磷、硫含量略低于低合金高强度钢板Q345(16Mn)钢，除抗拉强度、延伸率要求比Q345(16Mn)钢有所提高外，还要求保证冲击韧性。它是目前我国用途最广、用量最大的压力容器专用钢板。

Q345R的可焊性在低合金钢中较好，由于含有一定量的合金元素，淬硬、冷裂倾向都比低碳钢大一些。常温下焊接Q345R时，焊接热影响区一般不出现淬硬组织，其最高硬度通常小于300HBS。在常温下施焊时，焊接工艺与 低碳钢的基本相同。Q345R 的抗拉强度为460～640MPa，按照等强度要求，应采用E50型焊条。增大焊接电流时，因冷却速度变慢，所以硬度较低，即淬硬倾向变小。在低温下焊接时可能会出现脆硬组织，易产生焊接裂纹。因此，在低温焊接、厚板焊接时应采取预热的措施，防止脆 硬组织导致裂纹的产生[7]。

2、药芯焊丝的特点

药芯焊丝是由薄钢带卷成圆形钢管或异形钢管的同时，填满一定成分的药芯粉后经拉制而成的一种焊丝。药芯粉所起作用和涂料焊条的药皮相似，具有：稳定电弧、脱氧、脱氮、脱硫、保护熔滴和熔池免受空气的氧化、氮化、添加合金元素、改善接头力学性能以及辅助焊缝成形等作用。一般而言，药芯焊丝的截面形状越复杂、越对称、药芯粉的冶金反应和保护作用越充分，熔敷金属含氢、氮量就越少。但是随着药芯焊丝直径的减小，这些差别将逐渐缩小。当直径减小到1.6mm时，不同截面形状药芯焊丝的冶金性能及电弧稳定性能等，基本趋于一致。所以，目前直径2.0mm以下的焊丝一般采用简单的”O”型截面[8] 。

药芯焊丝几乎具有其它熔焊材料所有的优点，且其优良的综合使用性能和熔敷金属力学性能是其它焊接材料难以匹敌的。研究和使用效果表明，药芯焊丝具有以下优点：(1) 具有良好的焊接工艺性能；(2) 具有良好的化学冶金性能，熔敷金属力学性能高，抗气孔、抗裂纹能力强；(3) 实现自动化焊接程度好；(4) 能比较方便地调制成各种类型的金属焊接材料；(5) 用途广，不仅用于连接，也可用于表面防护，还可以用于各种金属快速成形的填充材料等[9] 。

药芯焊丝与手工焊条相比具有十分明显的优势。首先，把断续的焊接过程变为连续的生产方式，它在焊接时不需更换焊条，从而减少了接头数目，节约更换焊条、引弧和收弧等辅助工序时间，可进行自动化和半自动化作业；其次，药芯焊丝熔敷效率高，并且飞溅小，提高了焊缝质量和生产效率；此外，由于药芯焊丝焊接电流密度大，电弧穿透力强，而人工工时费低，因而电能消耗也比手工焊条减少许多[10-12]。

药芯焊丝与实芯焊丝相比其优势主要有：第一，操作工艺性能优良。药芯焊丝在药芯组分中加入了稳弧剂、造渣剂、合金剂等，因此电弧燃烧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅大为减少，克服了实芯焊丝飞溅大、成形差的固有弊病。第二，药芯焊丝焊缝成形美观。药芯焊丝焊接过程有熔渣的辅助作用，熔融金属依靠渣的表面张力生成一个软的铸型，有利于焊缝金属的成型。而实芯焊丝无法依靠渣的作用，只依靠熔融金属自身的粘性，重量和表面张力形成焊缝，故实芯焊丝焊缝波纹较粗，余高较大。第三，药芯焊丝焊缝力学性能好，尤其是冲击韧性高，可用于许多重要的焊接结构。药芯焊丝焊接过程是气#8211;渣联合保护，焊缝的纯净度高，S、P、N、H、O含量低，同时药芯焊丝可通过钢皮和药芯两种途径过渡合金元素，合金系调整方便，可充分利用现有焊接冶金理论，获得优良的力学性能。第四，药芯焊丝品种较多。目前，药芯焊丝的品种已包括了各种常用的金属材料，如低碳低合金钢系列、不锈钢系列、耐热钢系列、堆焊合金系列等[13] 。

我国药芯焊丝的发展过程

我国从60年代后期开始研制药芯焊丝，大规模的应用始于宝山钢铁公司的建设。现已用于冶金工程、船舶制造、输油及输气管线、机械制造行业、能源化工行业、压力容器制造和桥梁业等领域。例如在宝山钢铁公司的建设中，7万根钢管桩，每根钢管需焊接4道环缝，共计6.8万条焊缝；在300t转炉车间框架结构中的双H立柱，以及烧结分厂总重达2500t的200m烟囱焊接中都使用了药芯焊丝。武钢3号高炉炉壳直径为17m，板厚65m，采用直径2.0mm和直径2.4mm药芯焊丝焊接，总计耗时24~26h，比焊条电弧焊约快3倍[14] 。在造船行业中，由于船舶的制造要求很高，同时为尽量减少船台的占用时间，焊接材料中药芯焊丝的使用效率不断地得到提高，极大的提高了焊工日均消耗的焊材数量，进一步降低了造船成本，缩短了造船周期。在能源及化工建设方面是药芯焊丝应用的又一个重要领域。”西气东输”4000km管线工程中，药芯焊丝的应用得到了很大的发挥，使得焊材费用、焊接工时等得到了很大的节约。

综观几十年来我国药芯焊丝的发展，走了一条曲折上升的道路，大体经历了以下几个阶段:

第一阶段从60年代后期到80年代中期，为研究探索和试制阶段。 第二阶段从80年代中期到1996年，先后有12个单位从国外引进了15条药芯焊丝生产线，共花费约一千万美元。但是，由于体制上的原因，不少引进带有盲目性，引进的设备并不是国外的先进设备，难以正常运转。同时由于技术、资金分散，形不成综合能力，焊丝产量较低。

第三阶段为1997~2000年，是我国药芯焊丝生产和使用的稳步发展阶段。1997年的全国药芯焊丝消费量约5000t，其中国产药芯焊丝约1000t，进口约4000t。1998年全国药芯焊丝消费量约6000t左右，其中国产约1500t，进口约4000t(从日本进口2938t)。1999年全国药芯焊丝消费量近8000t，其中国产药芯焊丝首次超过2500t，进口超过5000t。

第四阶段从2001年开始，我国药芯焊丝的使用进人稳步增长阶段，2002年我国国产药芯焊丝的产量突破了18000t，超过了进口药芯焊丝产量，到2005年我国药芯焊丝的消费量达到了2~3万吨。我国药芯焊丝的产量在不断增加，这意味着我国工业发展对药芯焊丝的需求及药芯焊丝的生产能力在不断增加。

药芯焊丝的焊接工艺性能

通常对焊接工艺性能的评定主要包括以下方面：焊接电弧稳定性、熔滴过渡行为、焊接飞溅大小、熔渣的覆盖性及脱渣性、焊缝成形情况等。焊接过程中，这些方面又是相互关联和相互影响的。如熔滴过渡行为对焊接电弧稳定性以及焊接飞溅有着重要的影响，熔渣覆盖的好坏对焊缝脱渣及焊缝成型有影响。

3、我国药芯焊丝发展现存的问题

我国焊材的生产总体上是与钢材同步增长的，近年来产量不断增加，据统计数据显示我国是世界最大的焊材生产与消费国家。但我国生产的焊材一直以手工焊条为主，自动化程度相对于世界工业发达国家还相对较低。我国焊材产业与工业发达国家之间的差距已经不在产量上，而是在整体素质和科研水平上。药芯焊丝的研究是满足高效、自动化焊接的需要，发展节能环保焊接的需要，适应新材料技术发展的需要。从总体上看，落后的手工电弧焊在我国仍占主导地位，焊接的机械化、自动化率较低，药芯焊丝的普及率不高。我国药芯焊丝目前主要存在以下几方面的问题[15] ：

1. 产品质量及稳定性有待进一步提高。虽然我国药芯焊丝的生产技术己经有了较大的突破，但产品在耐凹坑、耐气孔、降低烟尘、减少飞溅及提高产品质量稳定性等方面仍然有许多工作要做。

2. 产品品种和规格急待增加。目前我国药芯焊丝产品的品种较单一，产品规格也不齐全，不能适应各个行业的不同需要，急需增加适应不同需求的品种和规格。

3. 生产规模化程度应进一步扩大。产品生产规模小，将会造成产品成本居高不下、产品质量稳定性差等许多问题，只有达到一定的生产规模，才会进入良性循环[16]。由此可见，加强对药芯焊丝的研究，对提高我国焊材业的发展、加快焊接自动化的发展是有着重要意义的。

国内碱性渣系药芯焊丝的研究状况

碱性渣系药芯焊丝凭借其焊接力学性能方面的优点而获得焊接工作者的重用。但是由于其存在操作工艺性能较差，电弧不稳定、飞溅多、不便全位置焊接等[17,18]问题，而使其应用受到限制。为解决碱性药芯焊丝焊接工艺性方面的缺点，许多学者进行了研究，提出了一些解决措施：例如用多种氟化物代替单一的萤石，可以提高焊接电弧的稳定性，而且能改善焊缝的脱渣性和成型，降低熔渣表面张力，细化熔滴，减少焊接飞溅[19]；在碱性渣系的基础上加入一定量的金红石，即TiO2，作为酸性氧化物，有稳弧、改善焊缝成型、减少飞溅等作用；直接用一些碱性氧化物代替碳酸盐，避免了在焊接过程中会分解产生大量的CO2气体而导致飞溅，同时可以保证熔渣具有一定的碱度、合适的熔点和粘度[20]。

应该说，就目前国内的水平而言，在气体保护下焊接，碱性渣系药芯焊丝的工艺性能尚达不到酸性焊丝的水平。虽然王晖，张静[21]等人研制的氟化物-CaO-SiO2-Al2O3渣系可成功进行立向下焊接，但不能像酸性焊丝那样进行立向 上焊接。胡勇[22]等人研制的588MPa级碱性药芯焊丝具有超低氢、高韧性、优异的抗裂性和抗气孔能力，可满足三峡工程用钢的焊接，但是由于是使用大量氟化物作为渣系，因此加大了焊接过程中烟尘的发生量，尤其是HF等有毒气体的排出严重影响焊接工人的健康问题。陈邦固，雷万钧[23]等人在大量工艺性试验的基础上，讨论了碱性气体保护药芯焊丝特有的药芯滞熔现象及其对熔滴过渡形式的影响，并对影响药芯滞熔的因素(药芯填充率、矿物成分和金属粉)进行了正交试验，分析探讨了这些因素对药芯滞熔程度和飞溅的影响规律，指出控制药芯滞熔程度是减小飞溅的有效措施。他们的研究对提高碱性药芯焊丝的焊接工艺性能有着很大的帮助，但未具体提出如何控制滞熔程度的措施。另外如闫红，张容[24]等人研究了MgO渣系的各组分对渣覆盖率和渣壳断面形状的影响，分析了各组分及因素对渣覆盖的影响规律，并通过回归分析的方法，得出了配方成分与YHJ507渣覆盖率之间关系的数学模型，这对碱性药芯焊丝的配方设计具有指导意义，但是未考虑该配方对熔滴过渡及焊接电弧稳定性等方面的影响，并且在实际应用中的报道也较少见。从以上介绍的情况分析以及近年来对于碱性药芯焊丝方面的报道来看，国内对于碱性药芯焊丝的研究主要集中在熔滴过渡方式的研究，渣覆盖和脱渣性的研究，以及某种碱性氧化物如MgO、CaO或者氟化物等对于焊接工艺性能影响的研究。而具体到哪种渣系或者哪几种药粉配比对于综合工艺性能的影响的研究报道较为少见，这主要是因为渣系配比对于工艺性能的影响是多方面的。比如在研究渣系对于脱渣性的影响时往往会忽视了对于飞溅性、焊缝成形，焊接烟尘等问题的影响，而使得焊接工艺的整体效果进展不大，导致了所研制的焊丝得不到广泛的推广。这也是我国药芯焊丝尤其是碱性焊丝发展落后于国外的原因之一。

4、立焊工艺

立焊是在垂直方向进行焊接的一种操作方式，具体有两种操作方法：一种是由下向上施焊，是目前生产中常用的方法，称为向上立焊或简称为立焊；另一种是由上向下施焊，称为向下立焊，该种方式大多需要专用的向下立焊焊条。立焊在各种焊接技术中都是极其重要的一种操作工艺，尤其是在对各种整体设备构件的焊接过程中，立焊操作更是无法替代和必须面对的一种工艺，立焊的施行不仅与焊接操作有关，跟焊接熔池的性质也紧密相关。能否高效便捷的施行立焊在很大程度上决定了一种焊接技术的应用和推广前景。近年国内外学者对不同立焊技术的焊接原理、焊接工艺和焊接设备等作了较多的研究，使立焊技术不断完善、焊接质量得到了提高。手工自蔓延焊接技术具有无需外界能源和设备，携带使用方便、操作简单和快速通用等优点，但因其立焊施行对操作人员技术和焊接工艺及设备要求较高，成为制约该技术进一步推广和应用的重要问题[25]，因此开展手工自蔓延焊接立焊工艺研究显得尤为重要和迫切，并受到广大学者和工程技术人员的普遍关注。

目前Q345R钢主要采用手工电弧焊以及CO2气保焊进行焊接，焊接效率及焊缝质量有待提高。本文把气电立焊工艺引入Q345R压力容器用钢的焊接，旨在推广一种高效的压力容器焊接工艺，试验的开展为Q345R 钢气电立焊实际生产过程提供支撑[26 ，27]。

立焊工艺研究现状

根据目前国际通用的立焊工艺分类方法，可将立焊按照焊缝成形控制方法的不同分为自由成形立焊和强迫成形立焊。在自由成形立焊中，CO2气体保护焊立焊应用较为广泛；强迫成形立焊主要有两种方法，分别是单面水冷强迫成形和双面水冷强迫成形[28]。

CO2气保护自动立焊的原理

这种方法类似于电渣焊待焊的两块钢板垂直竖立在水平面上,坡口成400 ,对接处根 部留4-5mm间,坡口正反两面分别用水冷铜滑块和固定铜垫板包起来,从滑动铜块上部的进气口送入保护气体CO2 ,同时通过弯曲的导电嘴连续送进直径必1.6mm的焊丝进行焊接。

随着焊缝的形成,带送丝机构的焊接小车和滑动铜块沿垂直导轨向上移动并保持距焊接熔池的相对位置不变。目前日本的立焊机的向上移动速度是自动控制的,在焊接过程中,焊机能保持与熔池自动同步上升。移动速度自动控制的原理是利用了导电嘴端部与熔池表面的距离(即焊丝伸出长度)与焊接规范的单一对应关系，在焊接过程中,不断采集实际规范,将它与给定规范进行比较,当两者有差别时，调节移动速度进行控制[29-31]。

5、课题研究内容及技术路线

此课题拟通过实验来研究Q345R球罐的药芯焊丝的立焊工艺，模拟过程中考虑焊接过程中材料非线性、结构非线性和焊接能量高度集中的特点，同时使用单元生死技术来模拟焊接熔敷金属的填充，从而实现Q345R钢焊接过程数字化，使焊接过程中应力和温度具象化。得到Q345R钢立焊焊接工艺参数。

技术路线

1、初步确定Q345R钢立焊工艺，确立球罐用钢的试样的坡口。

2、研究焊接电流、电压和焊接速度等工艺参数对焊接质量的影响。

3、分析Q345R焊缝的质量及相关力学性能。

4、得出优化的Q345R立焊焊接工艺参数。

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