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环保型无镀铜CO2气体保护焊实心焊丝的生产及应用
发布时间:2016-5-26 11:43:40

 

我国是全世界钢材、焊材生产和消耗量最多的国家,近年来我国的钢年产量将达5.7亿t左右,超过世界钢产量的47%;焊接材料消耗量将超过440t。在经过近20多年来的推广应用,CO2气体保护焊工艺(GMAWFCAW-G)作为一种高效、优质、低成本的焊接技术,已经在造船、压力容器、车辆、建筑工程、矿山机械、钢结构、石油化学、桥梁等诸多行业中取得了广泛的应用,获得了良好的社会效益和经济效益,因此,CO2气体保护焊的焊丝使用也越来越多。
近年来我国C02气体保护焊(GMAWFCAWG)焊丝的产量将超过80t,已经成为焊接材料的主流。随着今后焊接的自动化程度的提高,其消耗量在焊材中的比例还将持续较快增加。
GMAWFCAWG焊接中,目前应用最多的焊材是CO2:气体保护焊镀铜实心焊丝。经过近20年的使用。其工艺、性能、价格等具有较大的优势,采用CO2:镀铜实心焊丝已经成为MAG焊接的标准,因此,在众多场合下CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝还很难被替代。但是,随着时代的进步。CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝开始面临着无镀铜焊丝的挑战,这些挑战将会对其产生重大的影响,一定程度上将影响焊接材料生产的主流和发展方向。
 
1 绿色制造理念将推动钢结构焊材的变革
顺应我国建筑钢结构技术的发展轨迹,我国焊接材料必定向更加高级的方向发展;节能减排的绿色制造理念必将推动焊接钢结构焊接工艺的变革,以无镀铜焊丝为代表的新型焊材将应运而生。这是CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝面临的最大外部压力。
 
1.1 CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝生产中的环保问题
CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝的生产过程对环境的污染较大,其主要污染源是镀铜液,其次是各种酸碱等化学品的使用以及各种酸碱雾气等。在镀铜液方面,根据其使用的丁艺方法不同,其污染程度有所不同,目前行业内一般使用三种工艺进行镀铜生产:(1)全过程使用电镀;(2)使用电镀和化镀结合的方式;(3)全程使用化镀。
一般电镀方式对环境污染较大,尤其是采用了氰化物的场合,对环境危害极大,而化镀的方式相对较好。但无论化学镀还是电镀,其镀液蒸气对人
体都有极大的危害,同时废弃的酸碱液还会迸一步污染环境。
随着国家经济发展方式向可持续发展模式的转化,过去在部分行业那种以牺牲环境求发展的经营模式将被抛弃,环境、健康与安全成为未来制造业发展的重要驱动力之一。所以,相对应的环保条例也将越来越严格,对相关生产企业的压力势必将越来越大。
 
1.2 使用过程中的污染
由于拉丝过程中钢丝表面产生微小凹凸不平的坑,由此增大摩擦力,造成拉丝不稳定,进而影响产品质量,为了解决拉丝稳定性的问题而采用了当时认为和其他技术相比较效果最好的镀铜焊丝技术。因此,实心焊丝镀铜最初的目的只是起到在拉丝过程中的润滑作用,主观目的不是对焊丝起防锈、导电和降低送丝导电嘴的磨损作用。镀铜层这些作用都是后来才被逐渐发现的。
正是由于镀铜层的存在,带来了对焊接接头综合性能的影响。对焊缝而言,铜是有害元素,过多的铜元素对焊接质量是不利的;另外对焊丝本身成分而言,会对焊缝和熔敷金属造成污染,因此人们不希望增加镀铜层厚度。尤其在有些特殊使用场合,为了保证焊接质量需要严格控制焊丝镀铜层厚度。
另一方面,铜层在焊接时大部分都形成了铜烟雾。根据德国金属制造业健康与安全委员会编制的《在焊接及相关工艺过程中的有害物质》可知,近95%的焊接烟雾来自于填充金属。因此焊丝表面镀的铜不可避免的大量进人焊接烟尘中,成为烟尘中的主要有毒物质。焊工吸入过量含铜烟尘引起金属铜烟雾热急性综合症,铜盐能引起肠胃功能紊乱,可能出现溶血和肝肾损害,直接对焊工身体造成损害。
 
1.3 镀铜CO2实心焊丝本身的质量问题
镀铜C02实心焊丝拥有众多优点的同时,在实际使用过程中也暴露出了三个主要的不足之处。
(1)铜层易剥落问题。
这个问题是CO2气体保护焊(GMAW)镀铜实心焊丝在使用过程中暴露的主要问题。在焊丝的生产过程中,焊丝表面的铜层经过层绕过程中矫直轮的挤压以及与送丝软管的长时间摩擦后,部分镀铜层与基体剥离,在焊接送丝的过程中,这部分镀铜层会被刮落,大量的铜屑聚集于送丝软管内,主要是集中在导电嘴附近,造成送丝软管堵塞,影响送丝的稳定性,对焊缝成形产生很大影响。尤其是在精确焊接的机器人全自动焊接工序中,对焊丝的镀铜质量要求非常高;在全自动焊接实践中发现,焊丝铜屑会在焊接过程熔入焊缝(无法避免),对焊缝产生不良影响,有的甚至使焊接不能正常进行;这也是镀铜实心焊丝无法消除的品质难题。
 
(2)焊接飞溅大,焊缝成形差。
镀铜C02实心焊丝在焊接过程中飞溅大、焊缝成形差是一个“老大难”问题。尤其是在镀铜层与铁基层结合力不好及表面质量不好时,尤为突出。从焊接的表观现象看是焊接过程飞溅大而导致的焊缝成形不好,实际上是由于焊丝质量问题造成的焊接参数不稳定从而产生飞溅,影响成形。与无镀铜焊丝相比,镀铜焊丝不仅飞溅较大而且焊缝凸起,颜色偏暗。
 
(3)防锈问题。
镀铜焊丝的生锈从表面的理解一般是包装问题、车间湿度问题等,但从本质上讲,镀铜焊丝易生锈的根本原因是电化学腐蚀造成的。
从电化学的原理出发,铜对铁的防蚀是阴极防护,必须致密无孔才能达到防蚀的目的。但镀铜C02实心焊丝的焊缝中铜含量较高,对焊缝的力学性能不利,所以各标准中都对铜含量有严格规定。经检测Φ1.2 mm焊丝镀铜层厚度为0.20~0.50 μm远小于达到致密要求的5μm,而且采用通常的化学镀方法镀铜层和铁基焊丝结合的紧密性难以得到良好控制。因此这种不很致密的镀铜层,不但不能
保护内部铁基焊丝,反而加速了铁基焊丝在腐蚀介质中的腐蚀。因此,采用镀铜层作为气体保护焊丝的防蚀层是不合理的。
基于上述原因,河北鑫宇焊业从2015年开始进行无镀铜CO2实心焊丝生产的相关工作,在相关辅料厂家的大力支持下,现已取得阶段性成果,并且实现了一定的批量供货。
 
 
2 C02气体保护焊无镀铜实心焊丝的生产实践
镀铜焊丝的生产存在三个技术难点:一是导电性,二是防锈性能,三是送丝性能。因此无镀铜焊丝的生产要围绕克服这三个问题综合考虑。
国内目前普遍的一种对无镀铜焊丝的理解为特种涂层焊丝,各个厂家的涂层的成分和表面处理方式各有不同,因此影响到最终的焊丝使用性能不同,优良的涂层和表面处理方式不但可以起到防锈和润滑的作用,还可以起到稳定电弧和减少焊接飞溅的作用。但实际上,通过对国外无镀铜焊丝的分析,应该还有一种理解,即通过适当处理方式使表面暗化或表面增加其他的保护层,同时保证其表面的光洁性,以达到最终的无镀铜要求。
不论采用上述何种思路进行,对半成品的前处理和后处理要求都是很高的。有资料表明,日本厂家采用了极复杂的清洗技术和涂布方式来处理焊丝,这造成了成本的居高不下,也造成了推广应用上的困难。但这些方式也是可以改进的,在经过多次的试验研究后,我公司采取了结合上述两种方法的工艺流程。
 
3 CO2气体保护焊无镀铜实心焊丝性能测试与应用
3.1焊接工艺测试
(1)不同焊接参数下的工艺性能试验如表1、表2所示。
表1不同焊接参数下的工艺性能试验比较

焊接方法
气体流量Q/L*min-1
电流I/A
电压U/V
工艺性能
GMAW
15~20
110
19
导电性良好。工艺性好
GMAW
15~20
270
31
导电性良好。工艺性好

 
表2熔敷金属力学性能测试

焊接
方法
电流
I/A
层间温度
T/oC
抗拉强度
σb/MPa
电压
U/V
屈服强度
σs/MPa
延伸率
δ/%
冲击功
(-30 oC)Akv/J
GMAW
255
135~165
575
31
475
29
87

另外,与镀铜焊丝相比,在焊接方面,无镀铜焊丝的飞溅更小,同时在焊缝外观上最直接的表现是其焊缝的润湿性更好,焊缝更加平滑,不像镀铜焊丝那样焊缝金属凸起。因此无镀铜焊丝焊接后的成形更加美观,光洁性好的无镀铜焊丝焊接出来的焊缝更加白亮。
 
(2)熔敷金属性能测试。
通过与镀铜焊丝熔敷金属性能的比较,发现两种焊丝的力学性能和化学成分基本相近(个别指标有所区别,无镀铜焊丝较好),均符合国家有关标准要求。
 
(3)下艺评定试验(PQR)
通过现场工艺评定试验。所焊试件焊缝表面成形良好,且通过无损检测、力学性能、理化试验和金相分析,检测结果表明,焊缝区域的相关要求均满足国家相关标准的技术要求。
 
(4)防锈性试验。
69%的相对湿度下,没有采用任何包装的焊丝在窜内10天后开始出现锈点。室外6天后开始出现锈点。通过适当的技术处理还可以进一步延长保质期。
 
3.2 现场使用
通过焊接实践证实:无镀铜焊丝的最大优点是成功的解决了镀铜焊丝在全自颈是烟尘,故主要用于室外焊接。目前致力于降低自动焊接过程中焊丝的掉铜屑引起的送丝不稳定的问题。具体解决了因镀铜焊丝的掉铜屑对送丝管尤其对与导电嘴相连的部分产生阻塞的严重影响;使焊接得以正常进行,提高了焊接效率和减少了操作工作量,同时现场焊接飞溅、烟雾大大减少,焊缝成形良好;无镀铜焊丝得到了一定范围的推广应用,得到好评,获得了成功。
 
4 结论
焊接作为对国家发展贡献很大的行业,其快速发展的同时必须增强对环境保护的意识,今后环保型焊材的开发必将会对焊接产业的环保和可持续发展产生重要的推动作用。
在发达国家,无镀铜焊丝的使用已经有了很大的发展。随着在我国焊接自动化的快速推进和国家环保的需求,传统的镀铜工序必将面对越来越大的挑战,无镀铜焊丝的大发展只是一个时间问题。

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