| 特殊鋼焊接材料和焊接技術 |
| 時間：2012/4/24 點擊數：2084 |
最近10年間特殊鋼處于加緊應對市場國際化和環境保護等問題的劇烈變化中。目前金融危機導致世界經濟下滑，同時日本國內的主要特殊鋼廠家也在削減產量。在這種背景下，有關特殊鋼焊接領域的情況也發生很大變化，出現了激烈的成本競爭和為使企業能夠繼續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·接合技術的最近發展動向。 由于建筑用鋼、汽車、造船、建筑機械、產業機械等各個行業在國內的緩慢發展和在國外的快速發展，使焊接材料的生產和銷售在這10年間一直堅挺增長。 根據日本焊條工業協會統計的日本國內4個主要焊接材料品種的生產量。其中約14%（約5萬t）為出口。管狀焊絲產量2003年以前一直徘徊不前，但最近由于造船業的復蘇，產量開始增加，接近實心焊絲產量水平。此外，出現了涂藥電焊條產量減少，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生了抑制飛濺效果。使用這種焊絲還可以改善焊接作業的環境。 在進行薄鋼板自動焊接的汽車生產線上，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，今后繼續努力開發焊絲是一個重要的工作。 在汽車制造業，由于世界范圍的排氣規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，在排氣系統部件方面，需要耐蝕性、耐熱性更優良的部件。 汽車排氣系統的排氣集管已經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。 大同公司開發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”焊絲已經商品化，適用于許多部位的焊接。表1列出了新開發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等形成系列化產品。 WSR系列產品是在大同公司獨有的鐵素體不銹鋼鍍層焊絲生產設備上批量制造的。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。但是其缺點是生產效率低。于是，大同公司立足于確保生產效率高的Ti材MIG焊接法，開發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，開發出了適用于MIG焊接的Ti材焊絲“G-coat”。 新開發焊絲的送絲負荷小于傳統焊絲，焊絲喂送可以穩定進行。此外，由于新開發焊絲本身的抗拉強度提高，焊絲的縱向彎曲現象也消失了。 與傳統焊絲相比，新開發焊絲可獲得定向的穩定電弧。而且，新開發焊絲在一個脈沖內熔滴完全脫離，而傳統焊絲幾乎所有的熔滴都要多次脈沖（2～10次）才能不連續地脫離，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，新開發焊絲的用途可望進一步擴大。 在汽車和半導體產業順利發展的帶動下，出現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，所以熱影響區較小。這是該方法的一個特點。該方法已經在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，對有Al合金車梁的汽車已經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：燃料燃燒或爆炸產生的化學能、火花放電和等離子產生的電能。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焊接材料中起著重要作用。在此，對焊接電弧現象的解析技術做一介紹。 用高速攝影機對焊接電弧現象進行拍照，不僅可以判斷焊接熔滴移動形態，而且可以準確了解焊接過程中產生的電弧形態和焊接熔池的情況。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成為可能。大同公司開發出獨有的焊接電弧現象解析技術，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、飛濺數等等參數，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將會變得越來越重要。 |
