藥芯焊絲電孤焊
1概述
藥芯焊絲是繼焊條、實芯焊絲之后廣泛應用的又一類焊接材料，它是由金屬外皮和芯部藥粉兩部分構成的。使用藥芯焊絲作為填充金屬的各種電弧焊方法統稱為藥芯焊絲電弧焊。通常用英文簡稱FCAW（Flux-Cored Arc Welding）表示。有三種焊接形式：一種是焊接過程中使用外加保護氣體（一般是純CO2或CO2+Ar）的焊接，稱藥芯焊絲氣體保護焊，它與普通熔化極氣體保護焊基本相同；另外一種是不用外加保護氣體，只依靠焊絲內部的藥芯燃燒與分解產生的氣體和渣作保護的焊接，稱自保護電弧焊，自保護電弧焊與焊條電弧焊相似，不同的是使用盤狀的焊絲，連續不斷地送到電弧中；第三種是用于埋弧焊，與焊劑配合使用。
藥芯焊絲是繼焊條、實芯焊絲之后廣泛應用的又一類焊接材料，它是由金屬外皮和芯部藥粉兩部分構成的。使用藥芯焊絲作為填充金屬的各種電弧焊方法統稱為藥芯焊絲電弧焊。通常用英文簡稱FCAW（Flux-Cored Arc Welding）表示。
1.1藥芯焊絲的發展
藥芯焊絲最早出現在20世紀20年代的美國和德國。但真正大量應用于工業生產是在50年代，特別是60、70年代以后，隨著細直徑（φ2.0mm以下）全位置藥芯焊絲的出現，藥芯焊絲進入高速發展階段。近幾年發達國家藥芯焊絲的用量約占焊接材料總量的20％～30％，且仍處在穩步上升階段。焊條、實芯焊絲、藥芯焊絲3大類焊接材料中，焊條年消耗量呈逐年下降趨勢，實芯焊絲年消耗量進入平穩發展階段，而藥芯焊絲無論是在品種、規格還是在用量等各方面仍具有很大的發展空間。
我國在60年代開始有關藥芯焊絲的相關技術以及制造設備的研究。80年代初，國內一些重大工程項目開始大量使用藥芯焊絲（幾乎全部為國外產品），對藥芯焊絲的推廣使用起到了推動作用。80年代中期，我國開始引進藥芯焊絲生產線以及產品配方，90年代初期，國產藥芯焊絲生產線也具備了批量生產的能力。近年來，國內藥芯焊絲年消耗量接近萬噸，占焊接材料總量的1％左右。但國產藥芯焊絲年產量僅2000t左右，不足焊材總產量的0.3％。國產藥芯焊絲無論是在品種還是產量都不能滿足國內目前市場的需求。然而從近幾年國產藥芯焊絲的發展趨勢可以看出，國產藥芯焊絲及其相關技術已經成熟，今后幾年我國的藥芯焊絲技術及應用也將進入高速發展階段。
總之，藥芯焊絲以其明顯的技術和經濟方面的優勢將逐步成為焊接材料的主導產品，是21世紀最具發展前景的高技術焊接材料。
1.2藥芯焊絲的分類
藥芯焊絲目前尚無統一的分類方法，一般公認的分類方法如下：
l）按橫截面形狀分 藥芯焊絲的橫截面形狀可分為簡單O形截面和復雜截面兩大類（見圖l）。
O形截面的藥芯焊絲又分為有縫和無縫藥芯焊絲。有縫O形截面藥芯焊絲又有對接O形和搭接O形之分。藥芯焊絲直徑在2.0 mm以下的細絲多采用簡單O形截面，且以有 縫O形為主。此類焊絲截面形狀簡單，易于加工，生產成本低，因而具有價格優勢。無縫藥芯焊絲制造工藝復雜，設備投入大，生產成本高；但無縫藥芯焊絲成品絲可進行鍍銅處理，焊絲保管過程中的防潮性能以及焊接過程中的導電性均優于有縫藥芯焊絲。細直徑的藥芯焊絲主要用于結構件的焊接。
圖1 藥芯焊絲截面形狀示意圖
復雜截面主要有：T形、E形、梅花形和雙層形等截面形狀。復雜截面形狀主要應用于直徑在2.0mm以上的粗絲。采用復雜截面形狀的藥芯焊絲，因金屬外皮進入到焊絲芯部，一方面對于改善熔滴過渡、減少飛濺、提高電弧穩定性是有利的；另一方面焊絲的挺度較O形截面藥芯焊絲好，在送絲輪壓力作用下焊絲截面形狀的變化較O形截面小，對于提高焊接過程中送絲穩定性是有利的。復雜截面形狀在提高藥芯焊絲焊接過程穩定性方面的優勢，粗直徑的藥芯焊絲顯得尤為突出。隨著藥芯焊絲直徑減小，焊接過程中電流密度的增加，藥芯焊絲截面形狀對焊接過程穩定性的影響將減小。焊絲越細，截面形狀在影響焊接過程穩定性諸多因素中所占比重越小。粗直徑藥芯焊絲全位置焊接適應性較差，多用于平焊、平角焊。特別是φ3.0mm以上的粗絲主要應用于堆焊方面。
2）按保護方式分 根據焊接過程中外加的保護方式，藥芯焊絲可分為氣體保護焊用、埋弧焊用藥芯焊絲及自保護藥芯焊絲。
氣體保護焊用藥芯焊絲根據保護氣體的種類可細分為：CO2氣體保護焊、熔化極惰性氣體保護焊、混合氣體保護以及鎢極氬弧焊用藥芯焊絲。與實心焊絲氣體保護焊的主要區別是所用的焊絲構造不同。藥芯焊絲是在焊絲內部裝有焊劑或金屬粉末狀混合物，焊接時（見下圖），在電弧熱的作用下熔化狀態的芯料、焊絲金屬、母材金屬盒保護氣體相互之間發生冶金作用，同時形成一層較薄的液態熔渣包覆熔滴并覆蓋熔池，對熔化金屬構成又一層保護。所以實質上這是一種氣渣聯合保護的焊接方法。其中CO2氣體保護焊藥芯焊絲主要用于結構件的焊接制造，其用量大大超過其他種類氣體保護焊用藥芯焊絲。由于不同種類的保護氣體在焊接冶金反應過程中的表現行為是不同的，為此藥芯焊絲在粉芯中所采用的冶金處理方式以及程度也不是相同的。因此，盡管被焊金屬相同，不同種類氣體保護焊用藥芯焊絲原則上講是不能相互代用的。
圖2 藥芯焊絲氣體保護焊示意圖
埋弧焊用藥芯焊絲主要應用于表面堆焊。由于藥芯焊絲制造工藝較實芯焊絲復雜、生產成本較高，因此普通結構除特殊需求外一般不采用藥芯焊絲埋弧焊。但對于高強鋼藥芯焊絲與實芯焊絲生產成本較接近，合金含量較高的藥芯焊絲生產成本甚至低于實芯焊絲，而某些成分的材料要制成實芯絲是十分困難的。埋弧焊用藥芯焊絲多數情況下不需要配合選用專用焊劑，普通熔煉焊劑（例：HJ431、HJ260）可滿足一般使用要求。焊接金屬中合金元素的過渡、化學成分的調整可方便地通過調整粉芯配方來實現。另一方面，盡管成分上無特殊要求，但藥芯焊絲也可小批量生產供貨（幾百公斤甚至幾十公斤）。藥芯焊絲的上述優點在表面堆焊應用中顯得十分突出。
自保護藥芯焊絲是在焊接過程中不需要外加保護氣或焊劑的一類焊絲（見圖3）。通過焊絲芯部藥粉中造渣劑、造氣劑在電弧高溫作用下產生的氣、渣對熔滴和熔池進行保護。與氣保護藥芯焊絲比較其突出的特點是在施焊過程中該類焊絲有較強的抗風能力，特別適合于遠離中心城市、交通運輸較困難的野外工程。因此在石油、建筑、冶金等行業得到廣泛應用。但由于造氣劑、造渣劑包敷在金屬外皮內部，所產生的氣、渣對熔滴（特別是焊絲端部的熔滴）的保護效果較差，焊縫金屬的韌性稍差。隨著科學技術的不斷進步，特別是近幾年高韌性自保護藥芯焊絲的出現，對于一般結構甚至一些較為重要的結構，自保護藥芯焊絲已完全可以滿足結構對焊接材料的要求。另外，該類焊絲在焊接過程中會產生大量的煙塵，一般不適用于室內施焊，戶外應用時也應注意通風。
圖3 自保護藥芯焊絲焊接示意圖
3）按金屬外皮所用材料分 藥芯焊絲金屬外皮所用材料有：低碳鋼、不銹鋼以及鎳。
低碳鋼其加工性能優良，是藥芯焊絲首選外皮材料。目前藥芯焊絲產品中大部分都采用低碳鋼外皮。即便是不銹鋼系列藥芯焊絲，某些產品也選用低碳鋼外皮，通過粉芯加入鉻、鎳等合金元素，經焊接過程中的冶金反應最后形成不銹鋼焊縫。
由于受加粉系數（單位重量焊絲中藥粉所占比例）的制約，生產合金含量較高的藥芯焊絲時采用低碳鋼外皮制造難度很大。對于高合金鋼以及合金，是幾乎不能實現用低碳鋼外皮制成其藥芯焊絲的。對于鉻鎳含量較高的高合金鋼，可采用不銹鋼作為外皮材料制造藥芯焊絲。而對于鎳基合金，可采用純鎳作為外皮材料制造藥芯焊絲。當然，用后兩種材料制造藥芯焊絲時對生產設備也有不同的要求。
除上述3種材料外，在焊接以外其他用途中，也有采用其他外皮材料制造粉芯絲。例如選用鋁及鋁合金作為外皮制造噴涂用粉芯絲。
4）按芯部藥粉類型分 藥芯焊絲可分為有渣型和無渣型。無渣型又稱為金屬粉芯焊絲，主要用于埋弧焊，高速CO2氣體保護焊藥芯焊絲也多為金屬粉型。有渣型藥芯焊絲按熔渣的堿度分為酸性渣和堿性渣兩類。目前用量較大的CO2氣體保護焊藥芯焊絲多為鈦型（酸性）渣系，自保護藥芯焊絲多采用高氟化物〔弱堿性〕渣系。
應當指出，酸、堿性渣系藥芯焊絲熔敷金屬含氫量的差別遠小于酸、堿性焊條，酸性渣系藥芯焊絲熔敷金屬含氫量可以達到低氫型（堿性）焊條標推（<8mL/100g）。鈦型渣系藥芯焊絲熔敦金屬不僅含氫量可以達到低氫，而且其力學性能也可以達到高韌性。近年來，國內外某些重要焊接結構（如球罐）工程中，就選用鈦型渣系CO2氣體保護焊藥芯焊絲作為焊接材料。當然堿性渣系藥芯焊絲在熔敷金屬含氫量方面仍占有一定的優勢，可以達到超低氫焊條的水平（ ＜3mL／100g），但其在焊接工藝性能方面仍與鈦型渣系藥芯焊絲有較大的差距。由于藥芯焊絲與焊條的加工工藝差別較大，粉芯與焊條藥皮配方設計、原材料的選擇也有很大差別，因此建立在焊條熔渣理論基礎上的某些經驗不能簡單地套用在藥芯焊絲的選擇原則中。
5）按用途分 藥芯焊絲按被焊鋼種可分為：
低碳、低合金鋼用藥芯焊絲
低合金高強鋼用藥芯焊絲
低溫鋼用藥芯焊絲
耐熱鋼用藥芯焊絲
不銹鋼用藥芯焊絲
鎳及鎳合金用藥芯焊絲
藥芯焊絲按被焊結構類型可分為：
一般結構用藥芯焊絲
船用藥芯焊絲
鍋爐、壓力容器用藥芯焊絲
硬面堆焊用藥芯焊絲
藥芯焊絲按焊接方法可分為：
CO2氣體保護焊用藥芯焊絲
TIG焊用藥芯焊絲
MIG焊、混合氣體保護焊用藥芯焊絲
自保護焊藥芯焊絲
熱噴涂用粉芯線材
1.3藥芯焊絲的特點
藥芯焊絲是在結合焊條的優良工藝性能和實芯焊絲的高效率自動焊的基礎上產生的一類新型焊接材料。較為公認的優點如下：
l）焊接工藝性能好 在電弧高溫作用下，芯部各種物質產生造氣、造渣以及一系列冶金反應，對熔滴過渡形態、熔渣表面張力等物理性能產生影響，明顯地改善了焊接工藝性能。即使采用CO2氣體保護焊，也可實現熔滴的噴射過渡，可做到無飛濺和全位置焊接。且焊道成型美觀。
2）熔敷速度快、生產效率高 藥芯焊絲可進行連續地自動、半自動焊接。焊接時，電流通過很薄的金屬外皮，其電流密度較高，熔化速度快。熔敷速度明顯高于焊條，并略高于實芯焊絲（見圖4）。生產效率約為焊條電弧焊的3～4倍。
圖4 藥芯焊絲、實心焊絲和焊條電弧焊的焊接速度比較
3）合金系統調整方便 藥芯焊絲可以通過金屬外皮和藥芯兩種途徑調整熔敷金屬的化學成分。特別是通過改變藥芯焊絲中的填充成分，可獲得各種不同渣系、合金系的藥芯焊絲以滿足各種需求。該優點對于低合金高強度鋼焊接的優勢是實芯焊絲無法比擬的。
4）能耗低 在電弧焊過程中，連續地生產使得焊機空載損耗大為減少；較大的電流密度，增加了電阻熱，提高了熱源利用率。這兩者使藥芯焊絲能源有效利用率提高，可節能20％～30％。
5）綜合成本低 焊接生產的總成本應由焊接材料、輔助材料、人工費用、能源消耗、生產效率、熔敷金屬表面填充量等多項指標綜合構成。焊接相同厚度（中厚板以上）的鋼板，單位長度焊縫其綜合成本藥芯焊絲明顯低于焊條，且略低于實芯焊絲。使用藥芯焊絲經濟效益是非常顯著的。
總之，藥芯焊絲是一種高效節能的新型焊接材料。但也有其不足，主要如下：
l）制造設備復雜 無論用何種工藝生產藥芯焊絲，其設備的復雜程度，在加工精度、控制精度、設備高技術含量、操作人員素質等多方面的要求，均高于另兩類焊接材料的生產設備。藥芯焊絲的生產設備的一次性投入費用高。
2）制造工藝技術要求高 藥芯焊絲生產工藝的復雜程度，遠大于焊條和實芯焊絲的生產。合格的藥芯焊絲產品除了精良的制造設備、優良的內在質量的藥粉配方技術，另一關鍵則在于制造工藝。目前，國內許多藥芯焊絲制造廠家的產品質量、批量上的差距，其原因還是在制造工藝方面尚不過關。
3）成品絲的防潮保管 除了無縫藥芯焊絲外表面可鍍銅外，藥芯焊絲在防潮保管方面比另兩類焊材要求高。從防潮性能方面藥芯焊絲不如鍍銅實芯焊絲抗潮性好。從受潮后通過烘干，恢復其性能方面分析，藥芯焊絲不如焊條，受潮較重的藥芯焊絲，或是無法烘干（塑料盤），或是烘干效果不理想，基本上不能使用。在防潮保管問題上，一方面生產廠商在藥芯焊絲包裝上要給予充分重視，采取相應的技術措施；另一方面建議使用單位不要長期大量保存藥芯焊絲。目前現有的常規防潮包裝可保證藥芯焊絲在半年至一年內基本符合出廠時的技術要求。因此使用單位應根據生產實際情況組織進貨，減少庫存。
2.藥芯焊絲氣體保護焊的焊接操作
藥芯焊絲氣體保護焊和實心焊絲的氣體保護焊基本相似。半自動焊時，焊槍所處的位置（或焊絲角度）及其運動，均有手工操作
下圖給出了對接焊縫和標準角焊縫在平焊和橫焊位置是，焊槍的一般操作位置（角度）。也分前傾焊法和后傾焊法，前者可獲得較大的熔深和稍高的焊縫凸起，可用于厚板焊接；后傾焊法對焊接薄板有利，因熔深淺，熱輸入小，鈷焊接變形小，余高不大。在焊接標準角焊縫時，焊絲指向略偏向水平板可獲得相等焊角尺寸的焊縫，且防止凹陷。
圖5 藥芯焊絲氣體保護電弧焊對縫和角縫平焊與橫焊焊槍的位置
立焊位置如下圖所示。
圖5 藥芯焊絲氣體保護電弧焊立焊位置操作要領
有立向上焊合立向下焊兩種焊法。立向下焊法通常用于薄板焊接，因其熱輸入小。細直徑酸性藥芯焊絲（全位置型）經常用于立焊，因它具有良好的射流過渡性能。
藥芯焊絲CO2焊接碳鋼的典型工藝參數（保護氣體流量為17L/min）
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