無鍍銅實(shí)心焊絲抗銹及工藝性能的研究現(xiàn)狀

黃耀波

摘要：無鍍銅焊絲是應(yīng)用納米和現(xiàn)代金屬間化合物膠體涂層相結(jié)合的新型焊接材料，對(duì)焊絲表面進(jìn)行特殊的涂層處理技術(shù)，因此其也被稱為涂層焊絲或活性焊絲。文中主要闡述了無鍍銅焊絲在抗銹性能、電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡形式、飛濺率及發(fā)塵量、導(dǎo)電嘴磨損等方面的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并探討了無鍍銅焊絲未來研究的發(fā)展方向。

關(guān)鍵詞：無鍍銅焊絲;防銹性能;熔滴過渡形式;飛濺率;發(fā)塵量

中圖分類號(hào)：TG 424

Abstract： Noncopper coated solid wire is a new type welding consumables applying both nanometer and modern intermetallic compound colloidal coating to treat the surface of welding wire. Therefore， it is also called coated welding wire or activated welding wire. The characteristics and research progress of noncopper coated solid wire in rust resistance， arc stability， mode of droplet transfer， spatter rate and dust emission are summarized. The direction of the research and development of noncopper solid wire is also discussed.

Key words： noncopper coated solid wire;rust resistance;mode of droplet transfer;spatter rate;dust emission

0 前言

隨著中國焊接自動(dòng)化快速發(fā)展與推廣，無鍍銅實(shí)心焊絲是新一代的氣體保護(hù)焊實(shí)心焊絲，已被推廣應(yīng)用于船舶、海洋工程、軌道交通、工程礦山機(jī)械、橋梁等行業(yè)。目前國內(nèi)外使用的氣體保護(hù)實(shí)心焊絲大部分為鍍銅焊絲，鍍銅焊絲在生產(chǎn)制造、儲(chǔ)存、運(yùn)輸及使用過程中都存在很多缺點(diǎn)，其生產(chǎn)過程中的電解酸洗、堿洗及鍍銅工藝嚴(yán)重污染環(huán)境，電解液和鍍銅液對(duì)人員身體有極大地危害。焊接鍍銅焊絲時(shí)，其工藝性能及焊縫成形較差，焊接時(shí)易堵塞導(dǎo)電嘴。另外，在電弧的高溫作用下焊絲表面的銅鍍層會(huì)蒸發(fā)，導(dǎo)致焊接煙塵中含有有毒的銅離子，焊接操作人員吸入過量的銅煙塵可引起金屬銅煙霧熱急性綜合征，嚴(yán)重?fù)p害焊接操作人員的身心健康。

為避免使用鍍銅焊絲出現(xiàn)的這些問題，國外焊接學(xué)者率先研發(fā)出了無鍍銅焊絲，與傳統(tǒng)鍍銅焊絲比較，具有抗銹能力強(qiáng)、電弧穩(wěn)定、飛濺小、煙霧毒性和污染小等優(yōu)勢(shì)。文中主要從其抗銹性能、工藝性能等方面介紹了無鍍銅焊絲的國內(nèi)外研究現(xiàn)狀，并討論了無鍍銅焊絲未來研究的發(fā)展方向。

1 抗銹性能

抗銹能力是考核焊絲質(zhì)量的一個(gè)重要指標(biāo)。無鍍銅焊絲經(jīng)特殊表面處理達(dá)到抗銹的目的，而鍍銅焊絲是通過表面的鍍銅層對(duì)鐵基體形成一種機(jī)械保護(hù)來進(jìn)行抗銹的。如果銅鍍層致密度不好，或運(yùn)輸及使用過程中受到破壞，在潮濕的環(huán)境中由于電化學(xué)作用，暴露的鐵基體會(huì)作為陽極被腐蝕，這是由于Cu2+/Cu的標(biāo)準(zhǔn)電極點(diǎn)位要比Fe2+/Fe的高0.777 2 V[1]。在放大50倍下分別拍攝了無鍍銅焊絲及鍍銅焊絲的表面外觀形貌，如圖1所示。由圖1b可知，鍍銅焊絲的銅鍍層致密度較差，這將會(huì)加快焊絲的腐蝕速率。

將鍍銅及無鍍銅焊絲放入恒濕恒溫箱內(nèi)進(jìn)行抗銹蝕比對(duì)試驗(yàn)，設(shè)定相對(duì)濕度為85%、溫度為45 ℃，1 h后的焊絲外觀情況，如圖2所示。由圖2可知，鍍銅焊絲的銹蝕程度要比無鍍銅焊絲嚴(yán)重。這是由于在潮濕的環(huán)境下，在鍍銅焊絲鍍銅缺陷處裸露的Fe優(yōu)先被腐蝕，產(chǎn)生鐵銹。

韓振仙等人[2]使用PDS50無鍍銅焊絲與ER506鍍銅焊絲進(jìn)行對(duì)比，在環(huán)境溫度為26 ℃、相對(duì)濕度為30%的條件下進(jìn)行了放置120天的抗銹性能試驗(yàn)，試驗(yàn)發(fā)現(xiàn)PDS50無鍍銅焊絲僅有少量點(diǎn)狀銹蝕，而ER506鍍銅焊絲則出現(xiàn)大量鍍層脫落的現(xiàn)象。

方乃文等人[3]除去無鍍銅焊絲最外層焊絲后并將其放置在尺寸為350 mm×400 mm×500 mm的恒溫恒濕箱中，將其工作環(huán)境設(shè)置為溫度45 ℃±1 ℃，相對(duì)濕度85%±1%，工作時(shí)間設(shè)置為72 h，結(jié)果發(fā)現(xiàn)僅最外層有少量銹蝕。

焊絲的腐蝕本質(zhì)上是電化學(xué)腐蝕，國內(nèi)外普遍采用電化學(xué)技術(shù)研究材料的腐蝕行為，探索快速評(píng)價(jià)焊絲抗銹性的技術(shù)[4]。王暾[4]研究了油拋焊絲在不同環(huán)境下腐蝕速度與電化學(xué)響應(yīng)之間的聯(lián)系，發(fā)現(xiàn)循環(huán)掃描伏安法測(cè)試不同拉絲油的電極可以評(píng)價(jià)防銹油的性能，同時(shí)還可以通過外循環(huán)曲線從機(jī)理上分析造成防銹性能差異的原因。

王洋娜[5]通過電化學(xué)阻抗圖譜及穩(wěn)態(tài)極化曲線研究了基礎(chǔ)油及單一功能劑在不同濃度下對(duì)焊絲耐蝕性的影響，并通過正交試驗(yàn)得到了6#復(fù)合功能油，即1%硬脂酸鈣+1%鈦酸丁酯+0.8%苯甲酸鈉+3%T705+0.4%T746+1.55司苯80+0.5%羊毛脂鎂皂為最佳的配方。使用6#復(fù)合功能油、基礎(chǔ)油及2%含量的T705防銹劑進(jìn)行點(diǎn)滴硫酸銅腐蝕試驗(yàn)得到的微觀形貌，如圖3所示。結(jié)果表明，6#復(fù)合功能油試片表面完整性好，這說明緩蝕劑分子在金屬表面形成可一層有效的保護(hù)膜，使金屬表面免受酸液的腐蝕。

納米TiO2涂層與金屬基體相連接時(shí)，產(chǎn)生的電子注入到金屬基體使其電位低于腐蝕電位，從而阻止金屬腐蝕[6]。閆亮[7]制備了4種鎳-納米TiO2涂層焊絲，并研究了其耐蝕性及抗銹性能。納米復(fù)合涂層顯著提高了焊絲基體的電極電位，有效阻滯了焊絲基體與外界腐蝕介質(zhì)的接觸，提高了焊絲基體的化學(xué)穩(wěn)定性與耐蝕性能。

由于無鍍銅焊絲表面不存在電極電位差，不會(huì)發(fā)生電化學(xué)反應(yīng)。在相同的環(huán)境下，無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲具有更強(qiáng)的抗銹能力，可放置儲(chǔ)存的時(shí)間更長。但是無鍍銅焊絲表面涂層的均勻性及生產(chǎn)制造成本高制約著無鍍銅焊絲的發(fā)展，這也是將來的研發(fā)重點(diǎn)。

2 工藝性能

2.1 涂層對(duì)電弧穩(wěn)定性及熔滴過渡形式的影響

目前對(duì)無鍍銅焊絲的研究重要集中于表面涂層工藝對(duì)電弧穩(wěn)定性、熔滴過渡形式等工藝性能的影響[8]。氣體保護(hù)焊在不同的焊接條件下會(huì)有多種復(fù)雜的熔滴過渡形式，如短路過渡、噴射過渡、大顆粒過渡等。焊接時(shí)，熔滴過渡形式受多種力的綜合作用影響，何建萍等人[9]研究了電磁力動(dòng)態(tài)變化對(duì)短路過渡穩(wěn)定性的影響，研究表明其受到的電磁力及表面張力對(duì)電弧穩(wěn)定性及熔滴過渡形式起到主導(dǎo)作用。

張亮[10]在高強(qiáng)鋼無鍍銅焊絲涂層中加入納米活性劑TiO2，發(fā)現(xiàn)能夠促進(jìn)電弧的電離，抑制熔滴長大，降低熔滴表面張力，減小熔滴尺寸的同時(shí)促進(jìn)其過渡，穩(wěn)定電弧，使焊接過程中的短路過渡更加平穩(wěn)。圖4為采用高速攝像技術(shù)拍攝熔滴過渡過程，顯示該類型焊絲主要為亞射流過渡和射流過渡。另外，當(dāng)納米活性劑與石墨涂層聯(lián)合使用時(shí)，可進(jìn)一步優(yōu)化焊絲的工藝性能，并在一定程度上提高力學(xué)性能。

齊彥昌等人[11-12]采用納米涂層技術(shù)在焊絲表面制備了包含Ti，Na，K等元素的氧化物膜，并與未涂層的焊絲在同一焊接參數(shù)下進(jìn)行了試驗(yàn)對(duì)比。圖5為試驗(yàn)中使用漢諾威弧焊儀測(cè)得的電壓概率分布。研究結(jié)果表明，涂層焊絲的焊接過程中電弧穩(wěn)定并向敞開型過渡，短路過渡次數(shù)較未涂層焊絲少，熔滴細(xì)化。這是由于涂層中的Ti，Na，K等元素的氧化物電離位較低可降低熔滴的表面張力，由薩哈公式：

式中：α 為離子密度/氣體原子密度，稱為電離系數(shù);T為氣體的熱力學(xué)溫度;Wi為原子的電離能;p為氣壓;K為玻耳茲曼常數(shù)。

由此可知，這些元素電弧氣氛的電離度較大，電離能力強(qiáng)，從而使電弧向敞開型過渡[13]。

石立波[14]對(duì)ER506鍍銅焊絲及ER506無鍍銅焊絲的電流及電壓進(jìn)行了分析，得到了電流及電壓波形圖，如圖6所示。ER506鍍銅焊絲短路過渡頻率約為60 Hz，焊接過程中電流有一定波動(dòng)。而ER506無鍍銅焊絲短路過渡頻率約為85 Hz，與最佳短路過渡頻率100 Hz更加接近。因此，ER506無鍍銅焊絲電弧的穩(wěn)定性較ER506鍍銅焊絲要好。

孫咸[15]在研究無鍍銅焊絲涂層中的活性元素的作用時(shí)發(fā)現(xiàn)活性元素在電弧中抑制了CO2氣體對(duì)穩(wěn)弧性的不利影響，使無鍍銅焊絲比鍍銅焊絲具有更優(yōu)異的穩(wěn)弧性。各廠家生產(chǎn)的無鍍銅焊絲表面處理方式和涂層物質(zhì)各有不同，因此焊絲在最終所表現(xiàn)出來的性能也差異較大。合適的表面處理方式不但可以對(duì)焊絲起到防銹和潤滑的作用，還可以改變?nèi)鄣芜^渡形式，改善電弧形態(tài)，從而有效地提高電弧的穩(wěn)定性。電弧的穩(wěn)定性又決定了焊接質(zhì)量，所以研究涂層中各物質(zhì)的成分含量及作用是影響焊接質(zhì)量的決定性因素， 這也必將是無鍍銅焊絲研發(fā)的關(guān)鍵點(diǎn)。

2.2 飛濺率及發(fā)塵量

飛濺率和發(fā)塵量是衡量無鍍銅焊絲工藝性能的關(guān)鍵因素。在氣體保護(hù)焊過程中，金屬飛濺造成的焊絲損失有10%左右，飛濺降低焊絲的熔敷系數(shù)，帶走電弧熱量，增加能耗且降低生產(chǎn)效率。焊接無鍍銅焊絲時(shí)，熔滴更為細(xì)小。熔滴細(xì)小的原因在于焊接無鍍銅焊絲時(shí)，氧易浸入熔滴，使熔滴表面張力減小。熔滴尺寸比鍍銅焊絲小，因此產(chǎn)生的飛濺比鍍銅焊絲少。

焊接煙塵是由于在電弧的高溫作用下，被焊母材及填充金屬形成高溫高壓的蒸氣，其與大氣接觸后所形成的氣、固微粒混合物。焊接鍍銅焊絲時(shí)，焊絲表面的銅鍍層會(huì)產(chǎn)生大量的銅煙霧。

戶志國[16]進(jìn)行了無鍍銅焊絲與鍍銅焊絲飛濺率的比較試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果見表1。由表1可知，無鍍銅焊絲的平均飛濺率要小于鍍銅焊絲，所以活性劑對(duì)焊接飛濺有一定的抑制作用。這主要是由于一些活性劑的電離電壓比二氧化碳?xì)怏w低，使電弧更容易產(chǎn)生帶電粒子，有利于形成射滴過渡。另外，活性劑可以降低熱損失，同時(shí)能夠細(xì)化熔滴，所以其一定程度上可以降低飛濺率。

方乃文等人使用ER506N無鍍銅焊絲進(jìn)行了飛濺率測(cè)試試驗(yàn)，試驗(yàn)結(jié)果表明無鍍銅焊絲飛濺率穩(wěn)定，其試驗(yàn)用焊絲的飛濺率均未超過5%。通過高速攝像發(fā)現(xiàn)，無鍍銅焊絲熔滴過渡頻率高、規(guī)則性好，且熔滴細(xì)小，這是飛濺減少的原因。

N.Bothma等人[17]對(duì)鍍銅焊絲與無鍍銅焊絲SEA50S焊接煙塵排放率進(jìn)行了對(duì)比試驗(yàn)。結(jié)果表明，當(dāng)焊接電流由250 A增加至300 A時(shí)，鍍銅焊絲的銅煙霧排放率會(huì)增加。然而，在兩種規(guī)范下焊接無鍍銅焊絲SEA50S的銅煙霧排放率均幾乎為零。

與鍍銅焊絲相比較，無鍍銅焊絲的飛濺量及顆粒均較小，在一定程度上可以提高熔敷效率，并且銅煙霧排放率幾乎為零，操作人員進(jìn)行焊接作業(yè)時(shí)免受含銅煙霧的傷害。隨著國家環(huán)保政策的實(shí)施及焊接健康相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)的逐步制修定，低污染、低毒害的無鍍銅焊絲應(yīng)用會(huì)越來越廣泛。

2.3 導(dǎo)電嘴磨損

導(dǎo)電嘴磨損是目前制約無鍍銅焊絲廣泛應(yīng)用的主要瓶頸問題。焊接無鍍銅焊絲時(shí)，焊接電流在焊絲與導(dǎo)電嘴接觸時(shí)產(chǎn)生大量焦耳熱使無鍍銅焊絲表面油膜的黏度和潤滑性發(fā)生改變，進(jìn)而對(duì)導(dǎo)電嘴產(chǎn)生一定量的磨損。H. Shimizu 等人[18]測(cè)量了5種不同表面處理方式的無鍍銅焊絲焊接時(shí)導(dǎo)電嘴的磨損量，發(fā)現(xiàn)1200 K以下無電流時(shí)導(dǎo)電嘴的磨損與焊絲表面處理狀態(tài)幾乎無關(guān)，如圖HYPERLINK"http：//html.rhhz.net/CLGC/html/20171220.htm"＼l"Figure6"7所示;而有電流時(shí)導(dǎo)電嘴的磨損量與焊絲表面處理狀態(tài)關(guān)系密切，如圖HYPERLINK"http：//html.rhhz.net/CLGC/html/20171220.htm"＼l"Figure7"8所示。此時(shí)無鍍銅焊絲焊接時(shí)導(dǎo)電嘴的耐磨性遠(yuǎn)遠(yuǎn)低于鍍銅焊絲，可以認(rèn)為電流是影響導(dǎo)電嘴磨損的重要原因。

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