无镀铜实心焊丝抗锈及工艺性能的研究现状

黄耀波

摘要：无镀铜焊丝是应用纳米和现代金属间化合物膠体涂层相结合的新型焊接材料，对焊丝表面进行特殊的涂层处理技术，因此其也被称为涂层焊丝或活性焊丝。文中主要阐述了无镀铜焊丝在抗锈性能、电弧稳定性、熔滴过渡形式、飞溅率及发尘量、导电嘴磨损等方面的国内外研究现状，并探讨了无镀铜焊丝未来研究的发展方向。

关键词：无镀铜焊丝;防锈性能;熔滴过渡形式;飞溅率;发尘量

中图分类号：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

随着中国焊接自动化快速发展与推广，无镀铜实心焊丝是新一代的气体保护焊实心焊丝，已被推广应用于船舶、海洋工程、轨道交通、工程矿山机械、桥梁等行业。目前国内外使用的气体保护实心焊丝大部分为镀铜焊丝，镀铜焊丝在生产制造、储存、运输及使用过程中都存在很多缺点，其生产过程中的电解酸洗、碱洗及镀铜工艺严重污染环境，电解液和镀铜液对人员身体有极大地危害。焊接镀铜焊丝时，其工艺性能及焊缝成形较差，焊接时易堵塞导电嘴。另外，在电弧的高温作用下焊丝表面的铜镀层会蒸发，导致焊接烟尘中含有有毒的铜离子，焊接操作人员吸入过量的铜烟尘可引起金属铜烟雾热急性综合征，严重损害焊接操作人员的身心健康。

为避免使用镀铜焊丝出现的这些问题，国外焊接学者率先研发出了无镀铜焊丝，与传统镀铜焊丝比较，具有抗锈能力强、电弧稳定、飞溅小、烟雾毒性和污染小等优势。文中主要从其抗锈性能、工艺性能等方面介绍了无镀铜焊丝的国内外研究现状，并讨论了无镀铜焊丝未来研究的发展方向。

1 抗锈性能

抗锈能力是考核焊丝质量的一个重要指标。无镀铜焊丝经特殊表面处理达到抗锈的目的，而镀铜焊丝是通过表面的镀铜层对铁基体形成一种机械保护来进行抗锈的。如果铜镀层致密度不好，或运输及使用过程中受到破坏，在潮湿的环境中由于电化学作用，暴露的铁基体会作为阳极被腐蚀，这是由于Cu2+/Cu的标准电极点位要比Fe2+/Fe的高0.777 2 V[1]。在放大50倍下分别拍摄了无镀铜焊丝及镀铜焊丝的表面外观形貌，如图1所示。由图1b可知，镀铜焊丝的铜镀层致密度较差，这将会加快焊丝的腐蚀速率。

将镀铜及无镀铜焊丝放入恒湿恒温箱内进行抗锈蚀比对试验，设定相对湿度为85%、温度为45 ℃，1 h后的焊丝外观情况，如图2所示。由图2可知，镀铜焊丝的锈蚀程度要比无镀铜焊丝严重。这是由于在潮湿的环境下，在镀铜焊丝镀铜缺陷处裸露的Fe优先被腐蚀，产生铁锈。

韩振仙等人[2]使用PDS50无镀铜焊丝与ER506镀铜焊丝进行对比，在环境温度为26 ℃、相对湿度为30%的条件下进行了放置120天的抗锈性能试验，试验发现PDS50无镀铜焊丝仅有少量点状锈蚀，而ER506镀铜焊丝则出现大量镀层脱落的现象。

方乃文等人[3]除去无镀铜焊丝最外层焊丝后并将其放置在尺寸为350 mm×400 mm×500 mm的恒温恒湿箱中，将其工作环境设置为温度45 ℃±1 ℃，相对湿度85%±1%，工作时间设置为72 h，结果发现仅最外层有少量锈蚀。

焊丝的腐蚀本质上是电化学腐蚀，国内外普遍采用电化学技术研究材料的腐蚀行为，探索快速评价焊丝抗锈性的技术[4]。王暾[4]研究了油抛焊丝在不同环境下腐蚀速度与电化学响应之间的联系，发现循环扫描伏安法测试不同拉丝油的电极可以评价防锈油的性能，同时还可以通过外循环曲线从机理上分析造成防锈性能差异的原因。

王洋娜[5]通过电化学阻抗图谱及稳态极化曲线研究了基础油及单一功能剂在不同浓度下对焊丝耐蚀性的影响，并通过正交试验得到了6#复合功能油，即1%硬脂酸钙+1%钛酸丁酯+0.8%苯甲酸钠+3%T705+0.4%T746+1.55司苯80+0.5%羊毛脂镁皂为最佳的配方。使用6#复合功能油、基础油及2%含量的T705防锈剂进行点滴硫酸铜腐蚀试验得到的微观形貌，如图3所示。结果表明，6#复合功能油试片表面完整性好，这说明缓蚀剂分子在金属表面形成可一层有效的保护膜，使金属表面免受酸液的腐蚀。

纳米TiO2涂层与金属基体相连接时，产生的电子注入到金属基体使其电位低于腐蚀电位，从而阻止金属腐蚀[6]。闫亮[7]制备了4种镍-纳米TiO2涂层焊丝，并研究了其耐蚀性及抗锈性能。纳米复合涂层显著提高了焊丝基体的电极电位，有效阻滞了焊丝基体与外界腐蚀介质的接触，提高了焊丝基体的化学稳定性与耐蚀性能。

由于无镀铜焊丝表面不存在电极电位差，不会发生電化学反应。在相同的环境下，无镀铜焊丝比镀铜焊丝具有更强的抗锈能力，可放置储存的时间更长。但是无镀铜焊丝表面涂层的均匀性及生产制造成本高制约着无镀铜焊丝的发展，这也是将来的研发重点。

2 工艺性能

2.1 涂层对电弧稳定性及熔滴过渡形式的影响

目前对无镀铜焊丝的研究重要集中于表面涂层工艺对电弧稳定性、熔滴过渡形式等工艺性能的影响[8]。气体保护焊在不同的焊接条件下会有多种复杂的熔滴过渡形式，如短路过渡、喷射过渡、大颗粒过渡等。焊接时，熔滴过渡形式受多种力的综合作用影响，何建萍等人[9]研究了电磁力动态变化对短路过渡稳定性的影响，研究表明其受到的电磁力及表面张力对电弧稳定性及熔滴过渡形式起到主导作用。

张亮[10]在高强钢无镀铜焊丝涂层中加入纳米活性剂TiO2，发现能够促进电弧的电离，抑制熔滴长大，降低熔滴表面张力，减小熔滴尺寸的同时促进其过渡，稳定电弧，使焊接过程中的短路过渡更加平稳。图4为采用高速摄像技术拍摄熔滴过渡过程，显示该类型焊丝主要为亚射流过渡和射流过渡。另外，当纳米活性剂与石墨涂层联合使用时，可进一步优化焊丝的工艺性能，并在一定程度上提高力学性能。

齐彦昌等人[11-12]采用纳米涂层技术在焊丝表面制备了包含Ti，Na，K等元素的氧化物膜，并与未涂层的焊丝在同一焊接参数下进行了试验对比。图5为试验中使用汉诺威弧焊仪测得的电压概率分布。研究结果表明，涂层焊丝的焊接过程中电弧稳定并向敞开型过渡，短路过渡次数较未涂层焊丝少，熔滴细化。这是由于涂层中的Ti，Na，K等元素的氧化物电离位较低可降低熔滴的表面张力，由萨哈公式：

式中：α 为离子密度/气体原子密度，称为电离系数;T为气体的热力学温度;Wi为原子的电离能;p为气压;K为玻耳兹曼常数。

由此可知，这些元素电弧气氛的电离度较大，电离能力强，从而使电弧向敞开型过渡[13]。

石立波[14]对ER506镀铜焊丝及ER506无镀铜焊丝的电流及电压进行了分析，得到了电流及电压波形图，如图6所示。ER506镀铜焊丝短路过渡频率约为60 Hz，焊接过程中电流有一定波动。而ER506无镀铜焊丝短路过渡频率约为85 Hz，与最佳短路过渡频率100 Hz更加接近。因此，ER506无镀铜焊丝电弧的稳定性较ER506镀铜焊丝要好。

孙咸[15]在研究无镀铜焊丝涂层中的活性元素的作用时发现活性元素在电弧中抑制了CO2气体对稳弧性的不利影响，使无镀铜焊丝比镀铜焊丝具有更优异的稳弧性。各厂家生产的无镀铜焊丝表面处理方式和涂层物质各有不同，因此焊丝在最终所表现出来的性能也差异较大。合适的表面处理方式不但可以对焊丝起到防锈和润滑的作用，还可以改变熔滴过渡形式，改善电弧形态，从而有效地提高电弧的稳定性。电弧的稳定性又决定了焊接质量，所以研究涂层中各物质的成分含量及作用是影响焊接质量的决定性因素， 这也必将是无镀铜焊丝研发的关键点。

2.2 飞溅率及发尘量

飞溅率和发尘量是衡量无镀铜焊丝工艺性能的关键因素。在气体保护焊过程中，金属飞溅造成的焊丝损失有10%左右，飞溅降低焊丝的熔敷系数，带走电弧热量，增加能耗且降低生产效率。焊接无镀铜焊丝时，熔滴更为细小。熔滴细小的原因在于焊接无镀铜焊丝时，氧易浸入熔滴，使熔滴表面张力减小。熔滴尺寸比镀铜焊丝小，因此产生的飞溅比镀铜焊丝少。

焊接烟尘是由于在电弧的高温作用下，被焊母材及填充金属形成高温高压的蒸气，其与大气接触后所形成的气、固微粒混合物。焊接镀铜焊丝时，焊丝表面的铜镀层会产生大量的铜烟雾。

户志国[16]进行了无镀铜焊丝与镀铜焊丝飞溅率的比较试验，试验结果见表1。由表1可知，无镀铜焊丝的平均飞溅率要小于镀铜焊丝，所以活性剂对焊接飞溅有一定的抑制作用。这主要是由于一些活性剂的电离电压比二氧化碳气体低，使电弧更容易产生带电粒子，有利于形成射滴过渡。另外，活性剂可以降低热损失，同时能够细化熔滴，所以其一定程度上可以降低飞溅率。

方乃文等人使用ER506N无镀铜焊丝进行了飞溅率测试试验，试验结果表明无镀铜焊丝飞溅率稳定，其试验用焊丝的飞溅率均未超过5%。通过高速摄像发现，无镀铜焊丝熔滴过渡频率高、规则性好，且熔滴细小，这是飞溅减少的原因。

N.Bothma等人[17]对镀铜焊丝与无镀铜焊丝SEA50S焊接烟尘排放率进行了对比试验。结果表明，当焊接电流由250 A增加至300 A时，镀铜焊丝的铜烟雾排放率会增加。然而，在两种规范下焊接无镀铜焊丝SEA50S的铜烟雾排放率均几乎为零。

与镀铜焊丝相比较，无镀铜焊丝的飞溅量及颗粒均较小，在一定程度上可以提高熔敷效率，并且铜烟雾排放率几乎为零，操作人员进行焊接作业时免受含铜烟雾的伤害。随着国家环保政策的实施及焊接健康相关标准的逐步制修定，低污染、低毒害的无镀铜焊丝应用会越来越广泛。

2.3 导电嘴磨损

导电嘴磨损是目前制约无镀铜焊丝广泛应用的主要瓶颈问题。焊接无镀铜焊丝时，焊接电流在焊丝与导电嘴接触时产生大量焦耳热使无镀铜焊丝表面油膜的黏度和润滑性发生改变，进而对导电嘴产生一定量的磨损。H. Shimizu 等人[18]测量了5种不同表面处理方式的无镀铜焊丝焊接时导电嘴的磨损量，发现1200 K以下无电流时导电嘴的磨损与焊丝表面处理状态几乎无关，如图HYPERLINK"http：//html.rhhz.net/CLGC/html/20171220.htm"＼l"Figure6"7所示;而有电流时导电嘴的磨损量与焊丝表面处理状态关系密切，如图HYPERLINK"http：//html.rhhz.net/CLGC/html/20171220.htm"＼l"Figure7"8所示。此时无镀铜焊丝焊接时导电嘴的耐磨性远远低于镀铜焊丝，可以认为电流是影响导电嘴磨损的重要原因。

[18] Shimizu H，Yokota Y， Mizunom M， et al. Wear mechanism in contact tube[J]. Science and Technology of Welding and Joining， 2006， 11 （1）： 94-105.

[19] Lopez L A， Perez G Y， Garcia F J， et al. Study of GMAW process parameters on the mechanisms of wear in contact tips C12200 alloy[J]. MRS Proceedings， 2015， 1766： 53-62.

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