| 特殊鋼焊接材料和焊接技術 |
| 時間：2012/4/24 點擊數(shù)：1264 |
最近10年間特殊鋼處于加緊應對市場國際化和環(huán)境保護等問題的劇烈變化中。目前金融危機導致世界經(jīng)濟下滑，同時日本國內的主要特殊鋼廠家也在削減產(chǎn)量。在這種背景下，有關特殊鋼焊接領域的情況也發(fā)生很大變化，出現(xiàn)了激烈的成本競爭和為使企業(yè)能夠繼續(xù)生存下去而追求焊接材料和焊接技術的個性化。本文結合具體事例概括介紹焊接材料、焊接·接合技術的最近發(fā)展動向。 由于建筑用鋼、汽車、造船、建筑機械、產(chǎn)業(yè)機械等各個行業(yè)在國內的緩慢發(fā)展和在國外的快速發(fā)展，使焊接材料的生產(chǎn)和銷售在這10年間一直堅挺增長。 根據(jù)日本焊條工業(yè)協(xié)會統(tǒng)計的日本國內4個主要焊接材料品種的生產(chǎn)量。其中約14%（約5萬t）為出口。管狀焊絲產(chǎn)量2003年以前一直徘徊不前，但最近由于造船業(yè)的復蘇，產(chǎn)量開始增加，接近實心焊絲產(chǎn)量水平。此外，出現(xiàn)了涂藥電焊條產(chǎn)量減少，實心焊絲和埋弧焊用材略有增加的趨勢。 受國際市場影響，2003年以后，日本實心焊絲的進口量呈現(xiàn)出增長趨勢。2007年進口量約5萬t，和焊接材料出口量相當。其中來自韓國的進口量最大，約占70%，其余大部分來自中國臺灣和中國大陸。 焊接材料的研究課題有：“焊接區(qū)的高質量化和高性能化的研究”、“高效率焊接”以及近來特別引人重視的“焊接環(huán)境的改善”等。 對實心焊絲的研究不僅對焊絲本身進行研究，更多的是將焊絲和保護氣體、焊接電源組合起來進行研究。將脈沖活性氣體保護電弧焊機和大同公司開發(fā)的軟鋼490MPa級高強度鋼用脈沖活性氣體保護電弧焊焊絲結合起來，抑制了焊接的飛濺。原因是，由于提高了脈沖波峰值電流的下降速度，使脈沖頻率增加（趨膚效應增強，電流集中在焊絲表面，所以，使電磁收縮力增加、熔滴移動順暢）和將主要含有堿金屬的油脂涂敷在焊絲表面產(chǎn)生了抑制飛濺效果。使用這種焊絲還可以改善焊接作業(yè)的環(huán)境。 在進行薄鋼板自動焊接的汽車生產(chǎn)線上，要求除了減少上述的焊接飛濺，還要求減少焊接煙塵、焊接部燒穿和焊接線間斷等焊接缺陷。因此，今后繼續(xù)努力開發(fā)焊絲是一個重要的工作。 在汽車制造業(yè)，由于世界范圍的排氣規(guī)定嚴格化和提高燃料利用率的要求，對汽車輕量化的要求日益高漲，在排氣系統(tǒng)部件方面，需要耐蝕性、耐熱性更優(yōu)良的部件。 汽車排氣系統(tǒng)的排氣集管已經(jīng)由鑄件改為更多地使用薄板焊接結構件，因此，促進了鐵素體焊絲的研究開發(fā)。 大同公司開發(fā)出既有良好的高溫強度和耐蝕性，又具有良好的焊接操作性的鐵素體焊絲，其中，對焊絲表面進行鍍Cu的“WSR系列”焊絲已經(jīng)商品化，適用于許多部位的焊接。表1列出了新開發(fā)焊絲的品牌和化學成分。“WSR系列”焊絲以WSR42K為基本焊絲，并和提高高溫性能的WSR42KM、提高耐蝕性的WSR35K、焊接金屬晶粒細化抗焊接裂紋性良好的WSR42KF等形成系列化產(chǎn)品。 WSR系列產(chǎn)品是在大同公司獨有的鐵素體不銹鋼鍍層焊絲生產(chǎn)設備上批量制造的。該設備自動地進行焊絲電解除鱗、鍍層、光整拔絲、卷取等操作。母線經(jīng)H2SO4電解酸洗去除氧化鐵皮后，為提高鍍Cu層的密著性，實施沖擊電鍍Ni的處理，然后，緊接著一面鍍Cu，一面光整拔絲并利用卷線筒卷取。 焊接Ti材的電弧焊方法有，TIG焊接法（鎢極惰性氣體保護電弧焊）、MIG焊接法（熔化極惰性氣體保護焊）和等離子焊接法。其中TIG焊接法是一般最常用的方法。但是其缺點是生產(chǎn)效率低。于是，大同公司立足于確保生產(chǎn)效率高的Ti材MIG焊接法，開發(fā)出適用于該焊接法的焊絲。 對原有的Ti材焊絲課題進行了研究，利用在焊絲表面形成氧的富集層，并適當調整焊絲抗拉強度的方法，開發(fā)出了適用于MIG焊接的Ti材焊絲“G-coat”。 新開發(fā)焊絲的送絲負荷小于傳統(tǒng)焊絲，焊絲喂送可以穩(wěn)定進行。此外，由于新開發(fā)焊絲本身的抗拉強度提高，焊絲的縱向彎曲現(xiàn)象也消失了。 與傳統(tǒng)焊絲相比，新開發(fā)焊絲可獲得定向的穩(wěn)定電弧。而且，新開發(fā)焊絲在一個脈沖內熔滴完全脫離，而傳統(tǒng)焊絲幾乎所有的熔滴都要多次脈沖（2～10次）才能不連續(xù)地脫離，從而導致熔滴長大。 由于上述問題的解決，使用新開發(fā)焊絲可獲得良好的窄焊道。焊接接頭的力學性能良好，與TIG焊接材料相當。由于新開發(fā)焊絲良好的輸送性能，使得這種焊絲可用于喂絲路徑嚴格，動作復雜的機器人焊接，并且，在各種焊接方位下都能獲得良好的焊道。此外，對于4mm以上的厚板焊接，角焊縫等可在一個脈沖下完成，大大縮短焊接時間，因此，新開發(fā)焊絲的用途可望進一步擴大。 在汽車和半導體產(chǎn)業(yè)順利發(fā)展的帶動下，出現(xiàn)了應用不斷增加的激光焊接與電弧焊組合的混合焊接方法，可以預期，新開發(fā)焊絲由于進一步提高了焊接速度，將會在混合焊接方法中得到應用。 焊接·接合技術有很多種類。按焊接·接合時生成的相進行分類時，可分為熔融接合法、液相-固相反應接合法和固相接合法三大類。每種方法又可以進一步分類為更多的方法。此外，焊接·接合技術還與各種焊接·接合設備、模擬技術和檢查技術有密切關系。 液相-固相反應接合工藝有釬焊和液相擴散接合。固相接合工藝有摩擦壓接、摩擦攪拌接合、常溫壓接、鍛接、爆炸壓接和超聲波壓接等方法。本節(jié)對液相擴散接合和近年來應用不斷擴大的摩擦攪拌接合的開發(fā)動向進行介紹。 液相擴散接合法是在接合面插入嵌料，在嵌料融化而母材不融化的狀態(tài)下使工件接合的方法。液相擴散接合法適用于精密部件、形狀復雜部件、特殊材料部件和異種材料的接合。 液相擴散接合法可以在比較低的溫度下進行接合，其優(yōu)點是由于液相的作用提高了接合面的密著性。該方法適用于燃氣輪機和噴氣發(fā)動機中一些部件的接合。液相擴散接合法在異種材料的接合方面是一個非常有效的接合方法，可用于難于進行熔融焊接的Ti合金和鋼的接合。大同公司的這種結合技術已用于汽車渦輪機渦輪的制造。 摩擦攪拌接合的方法是：一面使作為工具的園柱狀機件旋轉，一面壓入接合部，利用產(chǎn)生的摩擦熱和加工熱使接合部軟化，同時，由于工具的旋轉使被接合材發(fā)生塑性流動進行接合。工具通常采用的是工具鋼。接合部由于塑性流動，其晶粒比母材細密，力學性能得到提高。此外，由于是非熔融焊接，最高加熱溫度比較低，所以熱影響區(qū)較小。這是該方法的一個特點。該方法已經(jīng)在Al合金這類低熔點材料上得到應用，可用于鐵道車輛、宇宙航空等多個領域。在汽車制造業(yè)，對有Al合金車梁的汽車已經(jīng)用改進的摩擦攪拌接合—摩擦攪拌點接合技術代替電阻點焊。最近的研究報告指出，提高對工具材質的改進，摩擦攪拌接合可以進行碳素鋼、不銹鋼、Ti材和Ti合金的接合。 近年來，為能夠在苛刻環(huán)境下使用，要求部件具有耐磨性、耐蝕性和耐熱性。堆焊是能夠廉價滿足這些要求的一種方法。同時，堆焊還是修補部件損傷的不可缺少的一種焊接方法。堆焊焊接工藝有：電弧焊堆焊、粉末等離子弧堆焊、粉末激光堆焊等方法。電弧焊堆焊用于土砂磨耗部件和金屬模具的修補。粉末等離子弧堆焊，由于可以制造多種功能粉末，所以，除了用于發(fā)動機閥門堆焊和石油精練裂化爐爐管的粉末等離子弧堆焊，還可用于很多方面。粉末激光堆焊，由于以激光為熱源，所以適用于細小部位的堆焊，今后可望用于精密制品模具修補、噴氣發(fā)動機修補等許多方面。 表面改質技術有氮化、滲碳等使部件本身表面的組織和性能發(fā)生變化的技術和鍍層、離子噴鍍等使其他高性能材料附著在部件表面的技術。熱噴涂法屬于第2種技術，適用于提高鍋爐管件的耐蝕性、提高軋輥和冷作模具的耐磨性。最近，根據(jù)汽車輕量化提高燃料利用率的要求，采用熱噴涂技術代替將鑄造汽缸套筒壓入發(fā)動機汽缸的方法，引起人們的關注。 熱噴涂方法是：用能源（熱源）將熔融或半熔融狀態(tài)的金屬或陶瓷等熱噴涂材料（細絲、粉末、棒材）高速沖擊母材，使之在母材上堆積成膜的技術（見圖2）。熱噴涂用的能源有：燃料燃燒或爆炸產(chǎn)生的化學能、火花放電和等離子產(chǎn)生的電能。此外，最近僅利用粒子運動能進行成膜的冷噴涂技術引起人們的關注。熱噴涂法的特點有，（1）熱噴涂材料選擇范圍寬；（2）對母材的材質和尺寸沒有限制；（3）成膜速度快；（4）可生成厚膜；（5）可生成多孔皮膜；（6）可在現(xiàn)場進行施工。 對焊接材料一般要進行焊接后的各種評價實驗。主要有：微觀組織觀察、硬度實驗、拉伸實驗、夏比沖擊實驗、焊接裂紋實驗等等。此外，對焊接過程中的評價和解析在今后開發(fā)焊接材料中起著重要作用。在此，對焊接電弧現(xiàn)象的解析技術做一介紹。 用高速攝影機對焊接電弧現(xiàn)象進行拍照，不僅可以判斷焊接熔滴移動形態(tài)，而且可以準確了解焊接過程中產(chǎn)生的電弧形態(tài)和焊接熔池的情況。通過對這些圖象的解析使更高精度焊接材料和焊接技術的開發(fā)成為可能。大同公司開發(fā)出獨有的焊接電弧現(xiàn)象解析技術，利用該技術可以快捷地測定焊絲前端的振動、熔滴尺寸、電弧長度、熔滴脫離時焊絲前端角度、焊絲喂絲速度、飛濺數(shù)等等參數(shù)，并可進行高精度的解析工作。 可以預期，將該技術得到的解析結果反饋到焊接過程中，可實現(xiàn)更高質量、更高精度的焊接。 焊接領域的市場情況今后將進一步發(fā)生變化，焊接技術的應用范圍、焊接材料、焊接工藝都會進一步發(fā)展下去。因此，在預測時代變化的同時，充分了解最終用途所要求的功能，超越傳統(tǒng)模式，提出與之相適應的焊接材料和焊接工藝方案并進行開發(fā)將會變得越來越重要。 |
