第8章　藥芯焊絲焊接工藝

利用藥芯焊絲作熔化極的電弧焊稱藥芯焊絲電弧焊，英文簡稱FCAW。藥芯焊絲分為兩大類：一類是焊接過程中使用外加保護氣體（一般是純CO2或CO2+Ar）的焊接，稱氣體保護藥芯焊絲電弧焊，它與普通熔化極氣體保護電弧焊基本相同：另一類是不用外加保護氣體，只靠焊絲內部的芯料燃燒與分解所產生的氣體和渣作保護的焊接，稱自保護藥芯焊絲電弧焊。

8.1　氣保護藥芯焊絲焊接工藝

8.1.1　工藝原理

氣體保護藥芯焊絲與實心焊絲氣體保護焊的主要區別是所用焊絲的構造不同。藥芯焊絲是在焊絲內部裝有焊劑或金屬粉末混合物（稱芯料），焊接時見圖2-8-1，在電弧熱的作用下熔化芯料、焊絲金屬、母材金屬和保護氣體相互之間發生冶金作用，同時形成一層較薄的液態熔渣包覆熔滴并覆蓋熔池，對熔化金屬構成又一層保護。所以實質上這是一種氣渣聯合保護的焊接方法。

8.1.2　工藝特點

藥芯焊絲氣體保護電弧焊綜合了焊條電弧焊和CO2焊的工藝特點。

（1）焊縫成形美觀　由于藥芯成分改變了純CO2電弧氣氛的物理、化學性質，因而飛濺少，且顆粒細，易于清除。又因熔池表面覆蓋有熔渣，焊縫成形類似于焊條電弧焊，焊縫外觀比實心焊絲CO2焊的焊縫成形美觀。

（2）焊接生產率高　氣保護藥芯焊絲與焊條電弧焊相比，熱效率高，電流密度比焊條電弧焊大，生產率為焊條電弧焊的3～5倍。

（3）適用范圍廣　氣保護藥芯焊絲與實心焊絲CO2焊相比，通過調整藥芯的成分就可以焊接不同鋼種，適應性強，若研制適用同樣鋼種的實心焊絲在技術上將遇到許多困難。

（4）對焊接電源無特殊要求　氣保護藥芯焊絲交流和直流均可使用，平特性和陡降特性都適應，因為藥芯成分能改變電弧特性。

（5）適用各種位置的焊接　氣保護藥芯焊絲具有良好的工藝性能，適用于長輸管道根焊、填充和蓋焊道的各種位置的焊接。

（6）焊絲易潮　藥芯焊絲中的芯料易吸潮，所以藥芯焊絲對保管條件要求較嚴格。

（7）抗風能力差　由于采用氣體作為保護介質，所以抗風能力差，在野外作業時必須采取防風措施。

8.1.3　氣體保護藥芯焊絲焊接工藝

（1）坡口形式與裝配　長輸管道氣保護藥芯焊絲坡口形式、接頭清理及裝配要求與焊條電弧焊基本相同。

（2）焊接工藝參數　藥芯焊絲氣體保護電弧焊的工藝參數主要有：焊接電流、電弧電壓、焊接速度、干伸長度、保護氣體流量和焊絲位置等。

由于藥芯焊絲氣體保護電弧焊使用的藥芯成分改變了電弧的特性，因此，可以按藥芯熔渣的性質在交流或直流電源、平外特性或下降外特性電源中選用。現以采用直流平特性電源的藥芯焊絲CO2焊工藝為例，介紹焊接工藝參數的選定。

①焊接電流。當其他條件不變時，焊接電流與送絲速度成正比。圖2-8-2是藥芯焊絲CO2焊低碳鋼的送絲速度與焊接電流的關系。表2-8-1中不同直徑的藥芯焊絲都有一使用電流范圍，可以根據不同的焊接位置進行選定。當焊絲直徑給定，焊接電流的增減有如下影響：電流增大，焊絲的熔敷速度提高，熔深加大；若過大，則產生凸形焊道，焊絲外觀成形不良；若電流過小，則產生顆粒熔滴過渡，且飛濺嚴重。

②電弧電壓。為了獲得良好的焊縫成形，當改變送絲速度來提高或減小焊接電流時，電源的輸出電壓也應隨之改變，以保持電弧電壓與電流的最佳關系。但是在焊接過程中電弧電壓與弧長密切相關，如果電弧電壓太高，即弧長過長，會造成大的飛濺，焊道變寬，成形不規則；若電弧電壓太低（弧長過短），則產生窄的凸狀焊道，飛濺也變大，熔深變淺。

③干伸長度。干伸長度是指超出導電嘴的未熔化的焊絲長度。它被電阻加熱，其電阻熱與伸出長度成正比。當伸出長度太長時，會產生不穩定的電弧和飛濺過大；若伸出長度太短，飛濺物易堆積在噴嘴上，影響氣體流動或堵塞，使保護不良而引起氣孔等。通常焊絲伸出長度為15～30mm，而噴嘴端到工件距離為18～35mm。

④焊接速度。焊接速度影響焊縫熔深和形狀，其他因素不變時，低焊速的熔深比高焊速的大，大電流焊時低焊速可能引起焊縫金屬過熱：焊速過快將引起焊縫外觀不規則。一般焊接速度在20～60cm/min之間。

⑤保護氣體流量。若流量不足則對熔滴過渡和焊接熔池保護不良，引起焊縫氣孔和氧化；流量過大，可是造成紊流，把空氣卷入，同樣引起焊縫金屬氧化和產生氣孔。正確的流量由焊槍噴嘴形式和直徑、噴嘴到工件的距離以及焊接時環境決定。通常在靜止空氣中焊接時流量在15～25L/min范圍內，若在流動空氣環境中或噴嘴到工件的距離較長時流量應加大，可能達35L/min。表9-4為藥芯焊絲CO2保護焊接碳鋼的工藝參數。

（3）焊接操作　藥芯焊絲的焊接操作與實心焊絲的焊接操作基本相似。半自動焊時，焊槍所處的位置（或焊絲的角度）及其運動，均由手工操作。ф158mm×8mm管6G位置焊接工藝參數見表2-8-2。

8.2　自保護藥芯焊絲焊接工藝

我國的自保護藥芯焊絲半自動焊接技術在長輸管道建設中的應用是20世紀90年代引進、發展起來的。由于自保護藥芯焊絲半自動焊具有生產效率高、焊接質量好、經濟性好、易于掌握和具有較強的抗風能力等優點，自引進中國管道建設中以來便迅速發展起來。目前是我國長輸管道工程最主要的焊接技術，約有70％的長輸管道工程是采用自保護藥芯焊絲焊接技術。

8.2.1　自保護藥芯焊絲半自動焊的工藝特點

（1）焊接效率高　藥芯焊絲把斷續的焊接過程變為連續的生產方式。半自動焊熔敷量大，熔敷率約為0.75，熔化速度為纖維素下向焊的1.5～2倍。焊渣薄，脫渣容易，減少了層間清渣時間。焊接綜合效率約為焊條下向焊的2倍。

（2）焊縫無損檢測合格率高　焊接缺陷多產生于焊道接頭處。同等管徑的鋼管焊條下向焊道接頭數比半自動焊接頭數多，所以焊接缺陷較焊條電弧焊要少。另外，半自動焊的熔深也較焊條電弧焊的熔深大，降低了未熔合和夾渣產生的可能性。所以焊縫的無損檢測合格率高。

（3）焊接成本低　自保護藥芯焊絲半自動焊所用焊接設備和焊絲的價格均比焊條下向焊所使用的設備和焊條價格要高。但自保護藥芯焊絲半自動焊的焊接效率高，熔敷率高，焊層厚度較焊條下向焊厚。以焊接厚8mm鋼管為例，焊條下向焊需要4組（8名）焊工完成，而藥芯焊絲半自動焊只需要3組（6名）焊工，可減少2名焊工，也相應減少了焊接設備數量和輔助工裝數量。綜合計算，每一道焊口的施工成本較焊條下向焊低。

（4）抗風能力強　自保護藥芯焊絲由于不需采用保護氣體，所以具有較強的抗風能力。抗風能力比低氫型焊條好，與纖維素焊條相當。在風速不大于10m/min的情況下，不需采取防風措施，特別適用于長輸管道工程的野外作業。

（5）焊接煙塵大　自保護藥芯焊絲焊接煙塵較大，在車間內和密閉的空間內焊接，應加強通風。

（6）設備和焊材價格較高　自保護藥芯焊絲半自動焊焊接設備的價格為焊條下向焊焊接設備價格的2～3倍，設備的一次性投入較大。自保護藥芯焊絲的價格也較下向焊焊條的價格高。

（7）焊縫沖擊吸收功的離散率較大　自保護藥芯焊絲焊接的焊縫，具有較好的強度和韌性。通常情況下沖擊吸收功的數值也比較高，但沖擊吸收功的離散率較大。

（8）目前的自保護藥芯焊絲只能焊接填充和蓋面焊道　自保護藥芯焊絲20世紀90年代剛引進時，有一種焊接根焊道的自保護藥芯焊絲，但是由于環保或是接頭力學性能的原因停止使用了。現在沒有適用于根焊焊道的自保護藥芯焊絲，只有焊接填充和蓋面的自保護藥芯焊絲。

8.2.2　自保護藥芯焊絲半自動焊焊接工藝參數

自保護藥芯焊絲適用于各種位置的焊接，其工藝參數見表2-8-3。

注：DC-表示焊絲接電源負極。

8.2.3　自保護藥芯絲操作技術

目前，我國采用的自保護藥芯焊絲下向焊工藝，大部分是采用纖維素下向焊焊條進行根焊，填充及蓋面焊采用自保護藥芯焊絲半自動焊焊接工藝。

（1）根焊　由于根焊道的焊接采用纖維素焊條下向焊，在纖維素焊條操作中已講過，這里不再重復，但是采用纖維素焊條焊接根焊，自保護藥芯半自動焊焊接填充蓋面焊道時，纖維素焊條根焊時還要注意如下幾點。

①根焊道的正面成形要平整，如圖2-8-3所示，減少焊道兩側的夾角深度，避免在填充焊道時產生缺陷。

②保證根焊道層的金屬厚度，避免在焊接填充焊時產生燒穿現象。

（2）填充焊　填充焊道在施焊前，應將根焊道的熔渣用角向磨光機清除干凈，接頭過高處打磨平整，然后進行焊接，焊槍角度如圖2-8-4所示。

焊工在施焊時，由于空間位置的限制，大多數焊工都在5點（或7點）位置停弧。因此，填充焊道及蓋面焊道的焊縫接頭容易疊加，使焊道內部易產生密集氣孔。

所以立焊段焊接時，注意焊槍的角度。在蓋面焊道施焊前，將填充焊道的過低處進行補焊，過高處采用砂輪機磨平。最后一層填充焊道厚度要求如圖2-8-5所示。

（3）蓋面焊　焊槍角度如圖2-8-4，在焊接過程中，一般不做橫向擺動，在立焊段可稍做橫向擺動，防止產生咬邊，仰焊段采用左右小擺動運條的方法進行焊接，從而達到控制咬邊和焊縫成形，6點位置收弧時，應將收弧處填滿，然后在熔池中心收弧，這樣可以保證收弧的質量，有利于焊縫接頭。12點處的冷接頭處，焊縫接頭前應用角向磨光機打磨成緩坡狀，如圖2-8-6所示，然后在打磨處前8～10mm處引燃電弧，將熔池吹開填滿弧坑，電弧恢復到正常焊接狀態。6點處的接頭同樣要將弧坑填滿后再停弧，使焊道接頭平整飽滿，接頭處焊縫金屬不至于低于母材金屬，造成外觀缺陷影響焊縫質量。

另外，焊接過程中盡可能控制好干伸長度。較合理的干伸長度為20～25mm，干伸長度過短會造成導電嘴前端氧化金屬飛濺堆積過快，它隨著移動的焊絲一起進入熔池，如圖2-8-7所示，導致產生氣孔或夾渣。干伸長度過長會使電弧電壓降低，影響焊接質量。焊工要養成焊前檢查及清理導電嘴的習慣。

焊接過程中，多數焊工由于最初平焊時的姿勢決定了僅能焊到4（8）點或5（7）的位置，多數焊工一次焊不到6點位置，中間有焊道接頭。

正確的做法是：焊接前焊工首先蹲下確定好仰焊的位置，然后站起來兩腳不要移動，進行焊接。這樣由站姿過渡到蹲姿較容易，可以較自如地一次焊到6點位置，減少了焊縫接頭。

蓋面焊道最好不要超過4個接頭，因為焊道接頭是密集氣孔產生的多發區，各焊道層之間的焊道接頭要安排合理。小于ф610mm的管口最好一次焊到6點位置；大于ф610mm的管口，通常有4個焊道接頭。各焊道間，焊道接頭必須錯開100mm以上，避免焊道接頭疊加，在管線施工中進行施焊時，12點處的接頭，可以采用熱接的方法，即兩名焊工同時焊接。

自保護藥芯焊絲半自動焊，焊接前要認真調整好電弧電壓和送絲速度。經常檢查導線各連接處和導電嘴以及鵝頸管是否有松動現象，送絲管路要經常進行清理，保證焊絲管路暢通無阻。焊接設備經長期使用后，電流表和電壓表的讀數不準確，所以要定期對電流表、電壓表進行校對。

8.3　金屬粉芯焊絲焊接工藝

利用金屬粉芯作為填充金屬的熔化極氣體保護焊稱為金屬粉芯焊。

8.3.1　金屬粉芯焊絲的特點

金屬粉芯焊絲與藥芯焊絲相似，但有區別，主要是金屬粉芯焊絲芯部的95％（質量分數）為金屬粉，可用于長輸管道環焊縫全位置焊接。金屬粉芯焊絲在結構形式和制造工藝上與藥芯焊絲相似，但AWS標準把金屬粉芯焊絲劃為實心焊絲類。

金屬粉芯焊絲與實心焊絲的主要區別是實心焊絲沒有金屬粉，而金屬粉芯的焊芯中加入了金屬粉，通過調整金屬粉的成分，就可改變熔敷金屬的性能。

金屬粉芯焊絲與藥芯焊絲的主要區別是藥芯焊絲中的藥芯成分有造渣劑、造氣劑和金屬粉，而金屬粉芯焊絲的粉芯的主要成分就是金屬粉，其他成分的含量很少。

金屬粉芯焊絲既有高熔敷速度特點，又具備電弧穩定和低飛濺性的特點。

8.3.2　金屬粉芯焊絲焊接工藝

原來金屬粉芯焊絲主要用于堆焊和大型結構件的平焊及平角焊，主要是利用其熔敷率高和易于調整熔敷金屬成分的特點。隨著金屬粉芯焊絲制造工藝和焊接設備性能的不斷發展，目前的金屬粉芯焊絲可用于各種位置的焊接。長輸管道工程也開始應用金屬粉芯焊絲進行焊接，現在的用量較少，主要應用于長輸管道環焊縫根焊道的半自動焊。

從金屬粉芯焊絲的工藝性能和焊接接頭的力學性能上來看，金屬粉芯焊絲將應用于長輸管道全焊道的半自動焊和自動焊。

金屬粉芯焊絲的粉芯中主要是金屬粉，基本不含造氣劑，只含有少量的造渣劑，所以焊接時，必須采用保護氣體。保護氣體主要是CO2和Ar+CO2混合氣。

金屬粉芯焊絲焊接工藝與實心焊絲基本相同。