特殊钢焊接材料和焊接技术发展动向

最近10年间特殊钢处于加紧应对市场国际化和环境保护等问题的剧烈变化中。目前金融危机导致世界经济下滑，同时日本国内的主要特殊钢厂家也在削减产量。在这种背景下，有关特殊钢焊接领域的情况也发生很大变化，出现了激烈的成本竞争和为使企业能够继续生存下去而追求焊接材料和焊接技术的个性化。本文结合具体事例概括介绍焊接材料、焊接·接合技术的最近发展动向。

　　2、焊接材料

　　2.1概述

　　由于建筑用钢、汽车、造船、建筑机械、产业机械等各个行业在国内的缓慢发展和在国外的快速发展，使焊接材料的生产和销售在这10年间一直坚挺增长。

　　图1是根据日本焊条工业协会统计的日本国内4个主要焊接材料品种的生产量。其中约14%(约5万t)为出口。管状焊丝产量2003年以前一直徘徊不前，但最近由于造船业的复苏，产量开始增加，接近实心焊丝产量水平。此外，出现了涂药电焊条产量减少，实心焊丝和埋弧焊用材略有增加的趋势。

　　受国际市场影响，2003年以后，日本实心焊丝的进口量呈现出增长趋势。2007年进口量约5万t，和焊接材料出口量相当。其中来自韩国的进口量最大，约占70%，其余大部分来自中国台湾和中国大陆。

　　焊接材料的研究课题有：“焊接区的高质量化和高性能化的研究”、“高效率焊接”以及近来特别引人重视的“焊接环境的改善”等。

　　2.2软钢和高强度钢用实心焊丝

　　对实心焊丝的研究不仅对焊丝本身进行研究，更多的是将焊丝和保护气体、焊接电源组合起来进行研究。将脉冲活性气体保护电弧焊机和大同公司开发的软钢490MPa级高强度钢用脉冲活性气体保护电弧焊焊丝结合起来，抑制了焊接的飞溅。原因是，由于提高了脉冲波峰值电流的下降速度，使脉冲频率增加(趋肤效应增强，电流集中在焊丝表面，所以，使电磁收缩力增加、熔滴移动顺畅)和将主要含有碱金属的油脂涂敷在焊丝表面产生了抑制飞溅效果。使用这种焊丝还可以改善焊接作业的环境。

　　在进行薄钢板自动焊接的汽车生产线上，要求除了减少上述的焊接飞溅，还要求减少焊接烟尘、焊接部烧穿和焊接线间断等焊接缺陷。因此，今后继续努力开发焊丝是一个重要的工作。

　　2.3铁素体不锈钢焊接材料

　　在汽车制造业，由于世界范围的排气规定严格化和提高燃料利用率的要求，对汽车轻量化的要求日益高涨，在排气系统部件方面，需要耐蚀性、耐热性更优良的部件。

　　汽车排气系统的排气集管已经由铸件改为更多地使用薄板焊接结构件，因此，促进了铁素体焊丝的研究开发。

　　大同公司开发出既有良好的高温强度和耐蚀性，又具有良好的焊接操作性的铁素体焊丝，其中，对焊丝表面进行镀Cu的“WSR系列”焊丝已经商品化，适用于许多部位的焊接。表1列出了新开发焊丝的品牌和化学成分。“WSR系列”焊丝以WSR42K为基本焊丝，并和提高高温性能的WSR42KM、提高耐蚀性的WSR35K、焊接金属晶粒细化抗焊接裂纹性良好的WSR42KF等形成系列化产品。

　　表1 新开发焊丝的化学成分

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　　焊接部件 焊丝 C Si Mn Cr Nb Mo 其它 注

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　　排气集管 WSR42K 0.01 1.03 0.45 18.7 0.18 - - 基本性能

　　WSR42KM 0.01 1.01 0.45 20.7 0.16 0.50 -

　　提高高温性能

　　WSR42KF 0.01 1.12 0.46 18.4 0.40 0.50 Al、Ti、N 细化晶粒

　　排气集管 WSR35K 0.01 0.44 0.30 17.0 0.50 - - 提高抗腐蚀性

　　排气总管

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　　WSR系列产品是在大同公司独有的铁素体不锈钢镀层焊丝生产设备上批量制造的。该设备自动地进行焊丝电解除鳞、镀层、光整拔丝、卷取等操作。母线经H2SO4电解酸洗去除氧化铁皮后，为提高镀Cu层的密着性，实施冲击电镀Ni的处理，然后，紧接着一面镀Cu，一面光整拔丝并利用卷线筒卷取。

　　2.4钛材用焊丝

　　焊接Ti材的电弧焊方法有，TIG焊接法(钨极惰性气体保护电弧焊)、MIG焊接法(熔化极惰性气体保护焊)和等离子焊接法。其中TIG焊接法是一般最常用的方法。但是其缺点是生产效率低。于是，大同公司立足于确保生产效率高的Ti材MIG焊接法，开发出适用于该焊接法的焊丝。

　　对原有的Ti材焊丝课题进行了研究，利用在焊丝表面形成氧的富集层，并适当调整焊丝抗拉强度的方法，开发出了适用于MIG焊接的Ti材焊丝“G-coat”。

　　2.4.1焊丝的输送性

　　新开发焊丝的送丝负荷小于传统焊丝，焊丝喂送可以稳定进行。此外，由于新开发焊丝本身的抗拉强度提高，焊丝的纵向弯曲现象也消失了。

　　2.4.2电弧和焊接熔滴移动的稳定性

　　传统焊丝相比，新开发焊丝可获得定向的稳定电弧。而且，新开发焊丝在一个脉冲内熔滴完全脱离，而传统焊丝几乎所有的熔滴都要多次脉冲(2～10次)才能不连续地脱离，从而导致熔滴长大。

　　由于上述问题的解决，使用新开发焊丝可获得良好的窄焊道。焊接接头的力学性能良好，与TIG焊接材料相当。由于新开发焊丝良好的输送性能，使得这种焊丝可用于喂丝路径严格，动作复杂的机器人焊接，并且，在各种焊接方位下都能获得良好的焊道。此外，对于4mm以上的厚板焊接，角焊缝等可在一个脉冲下完成，大大缩短焊接时间，因此，新开发焊丝的用途可望进一步扩大。

　　在汽车和半导体产业顺利发展的带动下，出现了应用不断增加的激光焊接与电弧焊组合的混合焊接方法，可以预期，新开发焊丝由于进一步提高了焊接速度，将会在混合焊接方法中得到应用。

　　3、焊接·接合技术

　　焊接·接合技术有很多种类。按焊接·接合时生成的相进行分类时，可分为熔融接合法、液相-固相反应接合法和固相接合法三大类。每种方法又可以进一步分类为更多的方法。此外，焊接·接合技术还与各种焊接·接合设备、模拟技术和检查技术有密切关系。

　　3.1液相-固相反应接合技术和固相接合技术

　　3.1.1概述

　　液相-固相反应接合工艺有钎焊和液相扩散接合。固相接合工艺有摩擦压接、摩擦搅拌接合、常温压接、锻接、爆炸压接和超声波压接等方法。本节对液相扩散接合和近年来应用不断扩大的摩擦搅拌接合的开发动向进行介绍。

　　3.1.2液相扩散接合

　　液相扩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状态下使工件接合的方法。液相扩散接合法适用于精密部件、形状复杂部件、特殊材料部件和异种材料的接合。

　　液相扩散接合法可以在比较低的温度下进行接合，其优点是由于液相的作用提高了接合面的密着性。该方法适用于燃气轮机和喷气发动机中一些部件的接合。液相扩散接合法在异种材料的接合方面是一个非常有效的接合方法，可用于难于进行熔融0焊接的Ti合金和钢的接合。大同公司的这种结合技术已用于汽车涡轮机涡轮的制造。

　　3.1.3摩擦搅拌接合

　　摩擦搅拌接合的方法是：一面使作为工具的园柱状机件旋转，一面压入接合部，利用产生的摩擦热和加工热使接合部软化，同时，由于工具的旋转使被接合材发生塑性流动进行接合。工具通常采用的是工具钢。接合部由于塑性流动，其晶粒比母材细密，力学性能得到提高。此外，由于是非熔融焊接，最高加热温度比较低，所以热影响区较小。这是该方法的一个特点。该方法已经在Al合金这类低熔点材料上得到应用，可用于铁道车辆、宇宙航空等多个领域。在汽车制造业，对有Al合金车梁的汽车已经用改进的摩擦搅拌接合—摩擦搅拌点接合技术代替电阻点焊。最近的研究报告指出，提高对工具材质的改进，摩擦搅拌接合可以进行碳素钢、不锈钢、Ti材和Ti合金的接合。

　　3.2表面改质技术

　　3.2.1概述

　　在改变表面材质方面，除了堆焊(电弧、等离子、激光)和真空镀膜(PVD、CVD)，对热喷涂技术也正在进行研究。本节对堆焊技术和最近受人关注的热喷涂技术进行介绍。

　　3.2.2堆焊

　　近年来，为能够在苛刻环境下使用，要求部件具有耐磨性、耐蚀性和耐热性。堆焊是能够廉价满足这些要求的一种方法。同时，堆焊还是修补部件损伤的不可缺少的一种焊接方法。堆焊焊接工艺有：电弧焊堆焊、粉末等离子弧堆焊、粉末激光堆焊等方法。电弧焊堆焊用于土砂磨耗部件和金属模具的修补。粉末等离子弧堆焊，由于可以制造多种功能粉末，所以，除了用于发动机阀门堆焊和石油精练裂化炉炉管的粉末等离子弧堆焊，还可用于很多方面。粉末激光堆焊，由于以激光为热源，所以适用于细小部位的堆焊，今后可望用于精密制品模具修补、喷气发动机修补等许多方面。

　　3.2.3热喷涂

　　表面改质技术有氮化、渗碳等使部件本身表面的组织和性能发生变化的技术和镀层、离子喷镀等使其他高性能材料附着在部件表面的技术。热喷涂法属于第2种技术，适用于提高锅炉管件的耐蚀性、提高轧辊和冷作模具的耐磨性。最近，根据汽车轻量化提高燃料利用率的要求，采用热喷涂技术代替将铸造汽缸套筒压入发动机汽缸的方法，引起人们的关注。

　　热喷涂方法是：用能源(热源)将熔融或半熔融状态的金属或陶瓷等热喷涂材料(细丝、粉末、棒材)高速冲击母材，使之在母材上堆积成膜的技术(见图2)。热喷涂用的能源有：燃料燃烧或爆炸产生的化学能、火花放电和等离子产生的电能。此外，最近仅利用粒子运动能进行成膜的冷喷涂技术引起人们的关注。热喷涂法的特点有，(1)热喷涂材料选择范围宽；(2)对母材的材质和尺寸没有限制；(3)成膜速度快；(4)可生成厚膜；(5)可生成多孔皮膜；(6)可在现场进行施工。

　　3.3焊接的相关技术

　　3.3.1概述

　　对焊接材料一般要进行焊接后的各种评价实验。主要有：微观组织观察、硬度实验、拉伸实验、夏比冲击实验、焊接裂纹实验等等。此外，对焊接过程中的评价和解析在今后开发焊接材料中起着重要作用。在此，对焊接电弧现象的解析技术做一介绍。

　　3.3.2焊接电弧现象的解析技术

　　用高速摄影机对焊接电弧现象进行拍照，不仅可以判断焊接熔滴移动形态，而且可以准确了解焊接过程中产生的电弧形态和焊接熔池的情况。通过对这些图象的解析使更高精度焊接材料和焊接技术的开发成为可能。大同公司开发出独有的焊接电弧现象解析技术，利用该技术可以快捷地测定焊丝前端的振动、熔滴尺寸、电弧长度、熔滴脱离时焊丝前端角度、焊丝喂丝速度、飞溅数等等参数，并可进行高精度的解析工作。

　　可以预期，将该技术得到的解析结果反馈到焊接过程中，可实现更高质量、更高精度的焊接。

　　4、小结

　　焊接领域的市场情况今后将进一步发生变化，焊接技术的应用范围、焊接材料、焊接工艺都会进一步发展下去。因此，在预测时代变化的同时，充分了解最终用途所要求的功能，超越传统模式，提出与之相适应的焊接材料和焊接工艺方案并进行开发将会变得越来越重要。