第8章　药芯焊丝焊接工艺

利用药芯焊丝作熔化极的电弧焊称药芯焊丝电弧焊，英文简称FCAW。药芯焊丝分为两大类：一类是焊接过程中使用外加保护气体（一般是纯CO2或CO2+Ar）的焊接，称气体保护药芯焊丝电弧焊，它与普通熔化极气体保护电弧焊基本相同：另一类是不用外加保护气体，只靠焊丝内部的芯料燃烧与分解所产生的气体和渣作保护的焊接，称自保护药芯焊丝电弧焊。

8.1　气保护药芯焊丝焊接工艺

8.1.1　工艺原理

气体保护药芯焊丝与实心焊丝气体保护焊的主要区别是所用焊丝的构造不同。药芯焊丝是在焊丝内部装有焊剂或金属粉末混合物（称芯料），焊接时见图2-8-1，在电弧热的作用下熔化芯料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属构成又一层保护。所以实质上这是一种气渣联合保护的焊接方法。

8.1.2　工艺特点

药芯焊丝气体保护电弧焊综合了焊条电弧焊和CO2焊的工艺特点。

（1）焊缝成形美观　由于药芯成分改变了纯CO2电弧气氛的物理、化学性质，因而飞溅少，且颗粒细，易于清除。又因熔池表面覆盖有熔渣，焊缝成形类似于焊条电弧焊，焊缝外观比实心焊丝CO2焊的焊缝成形美观。

（2）焊接生产率高　气保护药芯焊丝与焊条电弧焊相比，热效率高，电流密度比焊条电弧焊大，生产率为焊条电弧焊的3～5倍。

（3）适用范围广　气保护药芯焊丝与实心焊丝CO2焊相比，通过调整药芯的成分就可以焊接不同钢种，适应性强，若研制适用同样钢种的实心焊丝在技术上将遇到许多困难。

（4）对焊接电源无特殊要求　气保护药芯焊丝交流和直流均可使用，平特性和陡降特性都适应，因为药芯成分能改变电弧特性。

（5）适用各种位置的焊接　气保护药芯焊丝具有良好的工艺性能，适用于长输管道根焊、填充和盖焊道的各种位置的焊接。

（6）焊丝易潮　药芯焊丝中的芯料易吸潮，所以药芯焊丝对保管条件要求较严格。

（7）抗风能力差　由于采用气体作为保护介质，所以抗风能力差，在野外作业时必须采取防风措施。

8.1.3　气体保护药芯焊丝焊接工艺

（1）坡口形式与装配　长输管道气保护药芯焊丝坡口形式、接头清理及装配要求与焊条电弧焊基本相同。

（2）焊接工艺参数　药芯焊丝气体保护电弧焊的工艺参数主要有：焊接电流、电弧电压、焊接速度、干伸长度、保护气体流量和焊丝位置等。

由于药芯焊丝气体保护电弧焊使用的药芯成分改变了电弧的特性，因此，可以按药芯熔渣的性质在交流或直流电源、平外特性或下降外特性电源中选用。现以采用直流平特性电源的药芯焊丝CO2焊工艺为例，介绍焊接工艺参数的选定。

①焊接电流。当其他条件不变时，焊接电流与送丝速度成正比。图2-8-2是药芯焊丝CO2焊低碳钢的送丝速度与焊接电流的关系。表2-8-1中不同直径的药芯焊丝都有一使用电流范围，可以根据不同的焊接位置进行选定。当焊丝直径给定，焊接电流的增减有如下影响：电流增大，焊丝的熔敷速度提高，熔深加大；若过大，则产生凸形焊道，焊丝外观成形不良；若电流过小，则产生颗粒熔滴过渡，且飞溅严重。

②电弧电压。为了获得良好的焊缝成形，当改变送丝速度来提高或减小焊接电流时，电源的输出电压也应随之改变，以保持电弧电压与电流的最佳关系。但是在焊接过程中电弧电压与弧长密切相关，如果电弧电压太高，即弧长过长，会造成大的飞溅，焊道变宽，成形不规则；若电弧电压太低（弧长过短），则产生窄的凸状焊道，飞溅也变大，熔深变浅。

③干伸长度。干伸长度是指超出导电嘴的未熔化的焊丝长度。它被电阻加热，其电阻热与伸出长度成正比。当伸出长度太长时，会产生不稳定的电弧和飞溅过大；若伸出长度太短，飞溅物易堆积在喷嘴上，影响气体流动或堵塞，使保护不良而引起气孔等。通常焊丝伸出长度为15～30mm，而喷嘴端到工件距离为18～35mm。

④焊接速度。焊接速度影响焊缝熔深和形状，其他因素不变时，低焊速的熔深比高焊速的大，大电流焊时低焊速可能引起焊缝金属过热：焊速过快将引起焊缝外观不规则。一般焊接速度在20～60cm/min之间。

⑤保护气体流量。若流量不足则对熔滴过渡和焊接熔池保护不良，引起焊缝气孔和氧化；流量过大，可是造成紊流，把空气卷入，同样引起焊缝金属氧化和产生气孔。正确的流量由焊枪喷嘴形式和直径、喷嘴到工件的距离以及焊接时环境决定。通常在静止空气中焊接时流量在15～25L/min范围内，若在流动空气环境中或喷嘴到工件的距离较长时流量应加大，可能达35L/min。表9-4为药芯焊丝CO2保护焊接碳钢的工艺参数。

（3）焊接操作　药芯焊丝的焊接操作与实心焊丝的焊接操作基本相似。半自动焊时，焊枪所处的位置（或焊丝的角度）及其运动，均由手工操作。ф158mm×8mm管6G位置焊接工艺参数见表2-8-2。

8.2　自保护药芯焊丝焊接工艺

我国的自保护药芯焊丝半自动焊接技术在长输管道建设中的应用是20世纪90年代引进、发展起来的。由于自保护药芯焊丝半自动焊具有生产效率高、焊接质量好、经济性好、易于掌握和具有较强的抗风能力等优点，自引进中国管道建设中以来便迅速发展起来。目前是我国长输管道工程最主要的焊接技术，约有70％的长输管道工程是采用自保护药芯焊丝焊接技术。

8.2.1　自保护药芯焊丝半自动焊的工艺特点

（1）焊接效率高　药芯焊丝把断续的焊接过程变为连续的生产方式。半自动焊熔敷量大，熔敷率约为0.75，熔化速度为纤维素下向焊的1.5～2倍。焊渣薄，脱渣容易，减少了层间清渣时间。焊接综合效率约为焊条下向焊的2倍。

（2）焊缝无损检测合格率高　焊接缺陷多产生于焊道接头处。同等管径的钢管焊条下向焊道接头数比半自动焊接头数多，所以焊接缺陷较焊条电弧焊要少。另外，半自动焊的熔深也较焊条电弧焊的熔深大，降低了未熔合和夹渣产生的可能性。所以焊缝的无损检测合格率高。

（3）焊接成本低　自保护药芯焊丝半自动焊所用焊接设备和焊丝的价格均比焊条下向焊所使用的设备和焊条价格要高。但自保护药芯焊丝半自动焊的焊接效率高，熔敷率高，焊层厚度较焊条下向焊厚。以焊接厚8mm钢管为例，焊条下向焊需要4组（8名）焊工完成，而药芯焊丝半自动焊只需要3组（6名）焊工，可减少2名焊工，也相应减少了焊接设备数量和辅助工装数量。综合计算，每一道焊口的施工成本较焊条下向焊低。

（4）抗风能力强　自保护药芯焊丝由于不需采用保护气体，所以具有较强的抗风能力。抗风能力比低氢型焊条好，与纤维素焊条相当。在风速不大于10m/min的情况下，不需采取防风措施，特别适用于长输管道工程的野外作业。

（5）焊接烟尘大　自保护药芯焊丝焊接烟尘较大，在车间内和密闭的空间内焊接，应加强通风。

（6）设备和焊材价格较高　自保护药芯焊丝半自动焊焊接设备的价格为焊条下向焊焊接设备价格的2～3倍，设备的一次性投入较大。自保护药芯焊丝的价格也较下向焊焊条的价格高。

（7）焊缝冲击吸收功的离散率较大　自保护药芯焊丝焊接的焊缝，具有较好的强度和韧性。通常情况下冲击吸收功的数值也比较高，但冲击吸收功的离散率较大。

（8）目前的自保护药芯焊丝只能焊接填充和盖面焊道　自保护药芯焊丝20世纪90年代刚引进时，有一种焊接根焊道的自保护药芯焊丝，但是由于环保或是接头力学性能的原因停止使用了。现在没有适用于根焊焊道的自保护药芯焊丝，只有焊接填充和盖面的自保护药芯焊丝。

8.2.2　自保护药芯焊丝半自动焊焊接工艺参数

自保护药芯焊丝适用于各种位置的焊接，其工艺参数见表2-8-3。

注：DC-表示焊丝接电源负极。

8.2.3　自保护药芯丝操作技术

目前，我国采用的自保护药芯焊丝下向焊工艺，大部分是采用纤维素下向焊焊条进行根焊，填充及盖面焊采用自保护药芯焊丝半自动焊焊接工艺。

（1）根焊　由于根焊道的焊接采用纤维素焊条下向焊，在纤维素焊条操作中已讲过，这里不再重复，但是采用纤维素焊条焊接根焊，自保护药芯半自动焊焊接填充盖面焊道时，纤维素焊条根焊时还要注意如下几点。

①根焊道的正面成形要平整，如图2-8-3所示，减少焊道两侧的夹角深度，避免在填充焊道时产生缺陷。

②保证根焊道层的金属厚度，避免在焊接填充焊时产生烧穿现象。

（2）填充焊　填充焊道在施焊前，应将根焊道的熔渣用角向磨光机清除干净，接头过高处打磨平整，然后进行焊接，焊枪角度如图2-8-4所示。

焊工在施焊时，由于空间位置的限制，大多数焊工都在5点（或7点）位置停弧。因此，填充焊道及盖面焊道的焊缝接头容易叠加，使焊道内部易产生密集气孔。

所以立焊段焊接时，注意焊枪的角度。在盖面焊道施焊前，将填充焊道的过低处进行补焊，过高处采用砂轮机磨平。最后一层填充焊道厚度要求如图2-8-5所示。

（3）盖面焊　焊枪角度如图2-8-4，在焊接过程中，一般不做横向摆动，在立焊段可稍做横向摆动，防止产生咬边，仰焊段采用左右小摆动运条的方法进行焊接，从而达到控制咬边和焊缝成形，6点位置收弧时，应将收弧处填满，然后在熔池中心收弧，这样可以保证收弧的质量，有利于焊缝接头。12点处的冷接头处，焊缝接头前应用角向磨光机打磨成缓坡状，如图2-8-6所示，然后在打磨处前8～10mm处引燃电弧，将熔池吹开填满弧坑，电弧恢复到正常焊接状态。6点处的接头同样要将弧坑填满后再停弧，使焊道接头平整饱满，接头处焊缝金属不至于低于母材金属，造成外观缺陷影响焊缝质量。

另外，焊接过程中尽可能控制好干伸长度。较合理的干伸长度为20～25mm，干伸长度过短会造成导电嘴前端氧化金属飞溅堆积过快，它随着移动的焊丝一起进入熔池，如图2-8-7所示，导致产生气孔或夹渣。干伸长度过长会使电弧电压降低，影响焊接质量。焊工要养成焊前检查及清理导电嘴的习惯。

焊接过程中，多数焊工由于最初平焊时的姿势决定了仅能焊到4（8）点或5（7）的位置，多数焊工一次焊不到6点位置，中间有焊道接头。

正确的做法是：焊接前焊工首先蹲下确定好仰焊的位置，然后站起来两脚不要移动，进行焊接。这样由站姿过渡到蹲姿较容易，可以较自如地一次焊到6点位置，减少了焊缝接头。

盖面焊道最好不要超过4个接头，因为焊道接头是密集气孔产生的多发区，各焊道层之间的焊道接头要安排合理。小于ф610mm的管口最好一次焊到6点位置；大于ф610mm的管口，通常有4个焊道接头。各焊道间，焊道接头必须错开100mm以上，避免焊道接头叠加，在管线施工中进行施焊时，12点处的接头，可以采用热接的方法，即两名焊工同时焊接。

自保护药芯焊丝半自动焊，焊接前要认真调整好电弧电压和送丝速度。经常检查导线各连接处和导电嘴以及鹅颈管是否有松动现象，送丝管路要经常进行清理，保证焊丝管路畅通无阻。焊接设备经长期使用后，电流表和电压表的读数不准确，所以要定期对电流表、电压表进行校对。

8.3　金属粉芯焊丝焊接工艺

利用金属粉芯作为填充金属的熔化极气体保护焊称为金属粉芯焊。

8.3.1　金属粉芯焊丝的特点

金属粉芯焊丝与药芯焊丝相似，但有区别，主要是金属粉芯焊丝芯部的95％（质量分数）为金属粉，可用于长输管道环焊缝全位置焊接。金属粉芯焊丝在结构形式和制造工艺上与药芯焊丝相似，但AWS标准把金属粉芯焊丝划为实心焊丝类。

金属粉芯焊丝与实心焊丝的主要区别是实心焊丝没有金属粉，而金属粉芯的焊芯中加入了金属粉，通过调整金属粉的成分，就可改变熔敷金属的性能。

金属粉芯焊丝与药芯焊丝的主要区别是药芯焊丝中的药芯成分有造渣剂、造气剂和金属粉，而金属粉芯焊丝的粉芯的主要成分就是金属粉，其他成分的含量很少。

金属粉芯焊丝既有高熔敷速度特点，又具备电弧稳定和低飞溅性的特点。

8.3.2　金属粉芯焊丝焊接工艺

原来金属粉芯焊丝主要用于堆焊和大型结构件的平焊及平角焊，主要是利用其熔敷率高和易于调整熔敷金属成分的特点。随着金属粉芯焊丝制造工艺和焊接设备性能的不断发展，目前的金属粉芯焊丝可用于各种位置的焊接。长输管道工程也开始应用金属粉芯焊丝进行焊接，现在的用量较少，主要应用于长输管道环焊缝根焊道的半自动焊。

从金属粉芯焊丝的工艺性能和焊接接头的力学性能上来看，金属粉芯焊丝将应用于长输管道全焊道的半自动焊和自动焊。

金属粉芯焊丝的粉芯中主要是金属粉，基本不含造气剂，只含有少量的造渣剂，所以焊接时，必须采用保护气体。保护气体主要是CO2和Ar+CO2混合气。

金属粉芯焊丝焊接工艺与实心焊丝基本相同。