环保型无镀铜CO2气体保护焊实心焊丝GMAW生产及应用.docx

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环保型无镀铜CO2气体保护焊实心焊丝GMAW生产及应用

环保型无镀铜CO2气体保护焊实心焊丝（GMAW）生产及应用

贾军1，梁贻谋2

（1.昆山中冶宝钢焊丝厂，江苏昆山215333；2.上海洗霸科技有限公司，上海，200437）

摘要：

本文介绍了无镀铜焊丝和镀铜焊丝的比较、生产实践环节方面的主要技术难点和性能，同时介绍了GMAW无镀铜焊丝的相关特点、同行以及其现场使用方面的情况，并对今后的发展做了一些预测。

文章中的观点鲜明，对焊丝镀铜和防锈的观点作了理论和实践的分析，有说服力，所涉及的工艺、新材料介绍详细，数据准确可靠，可作为同行业研制、生产无镀铜焊丝的技术支持；同时文章的主要观点代表了我国焊材研究和发展的方向，值得发扬光大。

无镀铜焊丝的生产应用是大势所趋，将是我国焊丝生产应用的主流；应大力宣传、推广应用无镀铜焊丝，造福了焊接界和全国人民。

关键词：

环保；无镀铜；焊丝；焊接；存在的问题

ProductionandApplicationofEnvi-protectionNon-CopperCoatedSolidWeldingWireforCO2ShieldedWelding

JIAJun，LIANGYi-mou

（1.KunshanMCCBaosteelWeldingWireFactory，Kunshan215333，China；2.ShanghaiEmperorofCleaningTechCo.,Ltd，Shanghai200437，China）

[Abstract]Thepaperintroducesthecomparisonbetweennon-coppercoatedandcoppercoatedweldingwiresincludingthemajortechnicaldifficultiesandpropertyinproductionandpracticalapplication.Meanwhile,thepaperalsointroducestherelevantcharacteristicsandfieldapplicationofGMAWnon-coppercoatedweldingwires.Furthermore,somepredictationismadeforfuturedevelopment.Theviewpointisquiteobviousbyanalyzingthecopper-coatedwiresandtheanti-corrosionfunctionfromtheoreticalandpracticalperspectiveswhichisconvincing.Theconcernedprocess,newmaterialsbasedonaccuratedatumcanbereferencedbyweldingwiremanufacturerandalsofunctionedastechnicalsupportingforproduction.Meanwhile,themainviewpointstandsforthedevelopingtrendofChineseweldingmaterialresearch.Theproductionandapplicationofnon-coppercoatedweldingwireswillbethemainstreamforfutureweldingwireproduction.Therefore,itisworthwhiletopromoteusingnon-coppercoatedwires.

[Keywords]EnvironmentalProtection,Non-copperCoated;Wire;Welding;ExistingProblems

贾军

一、单位名称

中文名称：

昆山中冶宝钢焊丝厂

英文名称：

KunshanMCCBaosteelWeldingWireFactory

二、个人简历

出生日期：

1977年7月籍贯：

山西省大同市

职称：

主任工程师/生产制造部副部长

学历：

大学本科

性别：

男

主要从事工作：

主持公司的生产制造部相关工作。

日常工作侧重于生产、技术、质量和新品新工艺的开发工作。

一、引言

我国是全世界钢材、焊材生产和消耗量最多的国家，2010年我国的钢产量将达5.7亿吨左右，占世界钢产量将超过47%；焊接材料消耗量将超过440万吨。

在经过近二十多年来的推广应用，CO2气体保护焊工艺（GMAW、FCAW-G）作为一种高效、优质、低成本的焊接技术，已经在造船、压力容器、车辆、建筑工程、矿山机械、钢结构、石油化学、桥梁等诸多行业取得了广泛的应用，赢得了良好的社会效益和经济效益，因此、CO2气体保护焊的焊丝使用也愈来愈多。

2010年我国的CO2气体保护焊（GMAW、FCAW-G）焊丝的产量将超过80万吨，已经成为焊接材料的主流。

随着今后焊接的自动化程度越来越高，其消耗量和在焊材中的比例还将持续较快增加。

在GMAW、FCAW-G焊接中，目前应用最多的焊材是CO2气体保护焊镀铜实心焊丝。

经过近二十年来的使用，其工艺、性能、价格等具有较大的优势，采用CO2镀铜实心焊丝已经成为MAG焊接的标准，因此、在众多场合下CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝还很难被替代。

但是，随着时代的进步，CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝开始面临着无镀铜焊丝新的挑战，这些挑战将会对其产生重大的影响、一定程度上将影响焊接材料生产的方向和主流。

二、绿色制造理念将推动钢结构焊材的变革

顺应我国建筑钢结构技术的发展轨迹，我国焊接材料必定向更加高级的方向发展；节能减排的绿色制造理念必将推动焊接钢结构焊接工艺的变革、以无镀铜焊丝为代表的新型焊材将应运而生。

这是CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝面临的最大外部压力：

（一）、CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝的生产的环保问题。

CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝的生产过程对环境的污染较大，对环境的主要污染源是镀铜液，其次是各种酸碱等化学品的使用及各种酸碱雾气等。

在镀铜液方面，根据其使用的工艺方法不同，其污染程度有所不同，目前行业内一般使用三种工艺进行镀铜生产：

1、是全过程使用电镀；

2、是使用电镀和化镀结合的方式；

3、是全程使用化镀。

一般而言，电镀方式对环境污染较大，尤其是采用了氰化物的场合，对环境危害极大；化镀的方式相对较好。

但无论化学镀还是电镀，其镀液及其蒸气对人体都有极大的危害，同时废弃的酸碱液还会进一步污染环境。

随着国家经济发展方式向可持续发展模式的转化，过去在部分行业那种以牺牲环境求发展的经营模式将被抛弃；环境、健康与安全成为未来制造业发展的重要驱动力之一。

所以、相对应的环保政策也将越来越严厉，对相关生产企业的压力势必将越来越大。

（二）、使用过程中的污染。

我们的认识与行业内通行的一般看法不同：

由于拉丝过程中钢丝表面产生微小凹凸不平，由此增大摩擦力、造成拉丝不稳定、进而影响产品质量；人们为了解决拉丝稳定性的问题、而采用的当时认为和其他技术相比较效果最好的焊丝镀铜技术；因此、实心焊丝镀铜最初的目的只是起到在拉丝过程中的润滑作用，主观目的不是对焊丝起防锈、导电和降低送丝导电嘴的磨损作用；镀铜层这些作用都是后来才被人们逐渐发现的。

正是由于镀铜层的存在，带来了对焊接接头综合性能的影响：

众所周知：

对焊缝而言，铜是有害元素，过多的铜元素对焊接质量是不利的；另外对焊丝本身成分而言，会对焊缝和熔敷金属造成污染，因此人们不希望增加镀铜层厚度；尤其在有些特殊使用场合，为了保证焊接质量需要严格控制焊丝镀铜层厚度。

另一方面，铜层在焊接的时候大部分都形成了铜烟雾；根据德国金属制造业健康与安全委员会编制的《在焊接及相关工艺过程中的有害物质》一文描述：

近95％的焊接烟雾来自于填充金属。

因此焊丝表面镀的铜不可避免的大量进入焊接烟尘中，成为烟尘中的主要有毒物质。

焊工吸入过量含铜烟尘可引起金属铜烟雾热急性综合症，铜盐能引起肠胃功能紊乱，可出现溶血和肝、肾损害，直接对焊工身体造成了损害。

（三）、镀铜CO2实心焊丝本身的质量问题

镀铜CO2实心焊丝在拥有众多优点的同时，在实际使用过程中也暴露出了其三个主要的不足之处：

1、铜层易剥落问题。

这个问题是CO2气体保护焊（GMAW）镀铜实心焊丝在使用过程中暴露的主要问题。

在焊丝的生产过程中：

焊丝表面的铜层经过层绕过程中矫直轮的挤压以及与送丝软管的长时间摩擦后，部分镀铜层与基体剥离，在焊接迭丝的过程中，这部分镀铜层会被刮落，大量的铜屑聚集于送丝软管内，主要是集中在导电嘴附近，造成送丝软管堵塞，影响送丝的稳定性，对焊缝成型产生很大影响；尤其是在精确焊接的机器人全自动焊接工序中，对焊丝的镀铜质量要求非常高；在宝钢机器人全自动焊接实践中，我们发现：

焊丝铜屑会在焊接过程熔入焊道中而无法避免，对焊缝产生不良影响，甚至有的往往使焊接不能正常进行；这也是镀铜实心焊丝无法消除的品质难题。

2、焊接飞溅大，焊缝成型差。

镀铜CO2实心焊丝在焊接过程中飞溅大，焊缝成型差是一个“老、大、难”问题；尤其是在镀铜层与铁基层结合力不好及表面质量不好的时候，反映的尤为明显；从焊接的表观现象看是焊接过程飞溅大、导致的焊缝成型不好，实际上是由于焊丝质量问题造成的焊接参数不稳定造成飞溅而影响成型。

与无镀铜焊丝相比，镀铜焊丝不仅飞溅较大而且焊缝凸起，颜色偏暗。

3、防锈问题。

镀铜焊丝的生锈从表面的理解一般是包装问题、车间湿度问题等，但从本质上讲，镀铜焊丝易生锈的根本原因是电化学腐蚀造成的：

从电化学的原理出发，铜对铁的防蚀是阴极防护，必须致密无孔才能达到防蚀的目的。

但镀铜CO2实心焊丝，焊缝中铜含量较高对焊缝的力学性能不利，各国标准中都有严格的规定。

经检测，φ1.2mm焊丝镀铜层的厚度仅为0.20-0.5μm，远远小于达到致密要求的5μm，而且采用通常的化学镀方法镀铜层和铁基焊丝结合的紧密性难以得到良好控制。

因此这种不很致密的镀铜层，不但不能保护内部铁基焊丝，反而加速了铁基焊丝在腐蚀介质中的腐蚀。

因此采用镀铜层作为气体保护焊丝的防蚀层是不合理的。

基于上述原因，我们从2007年开始进行了无镀铜CO2实心焊丝生产的相关工作，在江苏昆山焊丝厂、浙江精工、上海洗霸、宝钢及相关辅料厂家的大力支持下，现已取得阶段性成果，并且已经实现了一定的批量供货。

现对无镀铜焊丝生产做一个阶段性总结，并于同行做一个交流，希望能对无镀铜焊丝的开发和推广起到一定的作用。

三、CO2气体保护焊无镀铜实心焊丝的生产实践

镀铜焊丝的生产存在三个最大的技术难点：

一是导电性；二是防锈性能；三是送丝性能。

因此无镀铜焊丝的生产要围绕克服这三个问题综合考虑工艺。

国内目前普遍的一种对无镀铜焊丝的理解为特种涂层焊丝，各个厂家的涂层的成分和表面处理方式各有不同，因此影响到最终的焊丝使用性能不同，优良的涂层和表面处理方式不但可以起到防锈及润滑的作用，还可以起到稳定电弧和减少焊接飞溅的作用。

但实际上，通过对国外无镀铜焊丝的分析，应该还有一种理解，即通过适当处理方式使表面暗化或表面增加其他的保护层，同时保证其表面的光洁性，以达到最终的无镀铜要求。

不论采用上述何种思路进行，对半成品的前处理和后处理要求都是很高的，有资料称：

日本厂家采用了极复杂的清洗技术、极复杂涂布方式来处理焊丝，这造成了成本的居高不下。

也造成了推广应用上的困难。

而这些方式也是可以改进的。

我们经过多次的试验研究，最终采取了结合上述两种方法的工艺流程。

（一）、总的工艺流程

用ECH-GZJ清洗和预成膜——拉拔——脱脂和GZJ成膜——抛光及后处理——层绕包装

在一些生产厂家中，采用盐酸酸洗工艺作为钢丝的前置处理，虽然质量能够达标，但仍然没有解决好环保的问题，至少可以说没有彻底的解决排放问题；我们采用的两种特殊清洗液基本上解决了这一难题。

在这一过程中我公司获得了上海洗霸科技有限公司的大力支持和协助。

ECH-GZJ-5清洗液是目前理想的前置处理清洗液，ECH-GZJ-5富含多种无机有机化学药品，按一定比例进行复合反应而成，在常温下约5分钟左右能彻底清除线材表面的氧化物（浮锈、氧化皮）呈现金属本色，为焊丝化学镀膜提供良好的金属基础，经前道处理焊丝拉拔达到要求后，再经ECH-GZJ-6号焊丝专用镀膜剂进行化学镀膜后（约10秒内），焊丝表面形成均匀致密的GZJ膜，在相对湿度不大于70%的环境下，90天内不会二次返锈。

ECH清洗液具有比盐酸更强的除锈能力；PH值不变，清洗速度不变，因此、在清洗过程中可随时补充原液保证PH值而无废液排放。

GZJ环保型多功能高效工业清洗液，也是理想的除锈成膜清洗液；它是由多种无机，有机化学药品按一定比例和工序进行复合反应而成；其中酸性氧化物，缓蚀剂、渗透剂、剥离剂、络合剂、表面活性剂及含H、C、P和N基的特殊杂环化合物相互作用，渗入金属和氧化铁垢的界面、氢离子、氧化性离子及阴离子等快速进行化学反应，并在裸露的金属表面不断形成致密完整的钝化膜，使除锈钝化一次完成，，在使用过程中可视PH的降低添加原液，因而无废液排放；

由于GZJ膜和其他清洗液形成的膜相比较，耐蚀能力最强，因此、最适合无镀铜焊丝清洗成膜（见表1）。

表1五种钝化剂钝化膜成膜情况比较表

序号

钝化膜名称

颜色

致密性

均匀性

自然大气下耐蚀能力

1

联氨膜

棕色

稍松

均匀

维持2周以上不生锈

2

亚硝酸钠膜

钢灰色

致密

均匀

维持1月以上不生锈

3

丙酮（月亏）膜

银灰或灰色

致密

均匀

维持1月以上不生锈

4

EDTA膜

钢灰色

致密

均匀

维持2月以上不生锈

5

GZJ膜

钢灰色

致密

均匀

维持3月以上不生锈

（二）、各工序简介及注意事项

1、清洗和预成膜

该工序的主要作用除去钢丝表面的氧化皮同时形成一定的保护膜。

与普通的镀铜焊丝生产的酸洗要求不同，普通的镀铜焊丝生产的酸洗只需要将氧化皮去除即可，对清除的彻底性要求不是特别高，尤其是在拉细丝的时候。

但对无镀铜焊丝而言其要求就很高，任何的清洗不彻底到最后都会直接反应到成品中去，因此、这道工序特别重要；在清洗环节我厂也经过一定时间的摸索而获得成功；例：

盐酸洗和ECH-GZJ新型清洗液洗方式的比较（见表2、3）：

表2成本方面比较

清洗溶液

盐酸消耗

废酸处理费用（元/吨）

污水处理费（元/吨）

合计（元/吨）

消耗量（kg/吨）

盐酸单价（元/kg）

费用（含税）（元）

盐酸溶液

28.8

0.6

18.2

9.3

1

28.5

ECH-GZJ新型清洗液

10.0

2.5

25.0

0

1

28.5

表3其他方面的对比

清洗溶液

清洗时间

浓度控制方式

清洗效果

有无氢脆现象

对金属基体腐蚀情况

废酸率

盐酸溶液

20分钟

（新酸）

化学溶液测试

良，对锈蚀严重和新材料清洗不彻底

有

较大

70%

ECH-GZJ新型清洗液

5分钟

（新配）

PH试纸测试，调整PH值

优，彻底干净，可配合成膜工序一道进行

无

很小

基本没有

从上可知，清洗液的不同对钢线清洗效果影响很大，同时对环境的影响程度有很大不同。

2、拉拔工序

通过实践可知，在该工序的主要技术难点是润滑粉的选择、表面质量和半成品尺寸的控制。

在润滑粉方面除了要考虑到拉拔工序的要求外，还有考虑到其对后工序的要求，因此在拉拔的不同环节需要做不同的综合考虑。

在半成品尺寸方面也要综合考虑到后工序的要求。

3、脱脂和成膜工序

脱脂工序是实现焊丝表面光洁的极重要工序。

目前国内行业内通用的方式是采用如下流程：

热水洗—电解碱洗—电解酸洗；

该工艺的主要弊端为：

工序之间的交互影响大。

碱液溶液带到酸洗中，从而使酸洗的有效作用大大降低。

浪费了硫酸和碱，能耗大；因此在实际的生产中我们也了解了其他不同的方式，除上述方式外，目前还有如下的方式：

①、采用化学溶液方式，采用新型的清洗液清洗和擦拭的方式。

该方式是我们目前使用的方式。

②、机械擦除的方式。

现有这方面的专门设备，可以达到很好的清洗效果。

4、抛光及后处理

在该环节主要是抛光液的选择，抛光液主要有水性抛光液和油性抛光液，具体的种类很多，因为无镀铜焊丝的半成品抛光的摩擦阻力要比镀铜焊丝大的多，同时因为无镀铜焊丝成品对表面清洁性也有很高的要求，因此对抛光液的选择要求很高，见表4：

表4抛光液比较

抛光液种类

润滑性

成本

清洁性

油性抛光液

良好

较高

差

水性抛光液

不同的类型差异大

较低

不同的差别大

建议使用润滑性和清洁性好的水性抛光液，以获得更加清洁的焊丝，降低对后处理的影响。

无镀铜焊丝的最后处理，主要目的是希望焊丝具有“光洁”的表面，以更好的满足焊丝实际使用的高要求，该方面的工艺尤其是辅料选择很关键。

5、层绕包装：

可以按照镀铜焊丝的包装方式。

四、CO2气体保护焊无镀铜实心焊丝性能测试与应用

无镀铜焊丝的测试主要进行了如下项目：

（一）、焊接工艺测试

1、不同焊接参数下的工艺性能试验，见表5、6:

表5不同焊接参数下的工艺性能试验比较

焊接方法

气体流量（L/min）

电流

（A）

电压

（V）

工艺性能

GMAW

15～20

110

19

导电性良好，工艺性好

GMAW

15～20

270

31

导电性良好，工艺性好

另外，与镀铜焊丝相比，在焊接方面，无镀铜焊丝的飞溅更小，同时在焊缝外观上最直接的表现是其焊缝的润湿性更好，焊缝更加平滑，不像镀铜焊丝那样焊缝金属凸起。

因此无镀铜焊丝焊接后的成型更加美观，光洁性好的无镀铜焊丝焊接出来的焊缝更加白亮。

2、熔敷金属性能测试

表6熔敷金属力学性能测试

焊接

方法

电流（A）

电压（V）

层间温度

0C

抗拉强度（Mpa）

抗拉强度（Mpa）

延伸率（%）

冲击温度0C

冲击值（J）

GMAW

255

31

135-165

575

475

29

-30

87

通过与镀铜焊丝熔敷金属性能的比较，发现两种焊丝的力学性能和化学成分基本相近（个别指标有所区别，无镀铜焊丝较好），均符合国家有关标准要求。

3、工艺评定试验（PQR）

通过现场工艺评定试验，所焊试件焊缝表面成型良好，且通过无损检测、力学性能及理化试验和金相分析，检测结果表明焊缝区域的相关要求均满足国家相关标准的技术要求。

4、防锈性试验

在69%的相对湿度下，没有采用任何包装的焊丝在室内10天后开始出现锈点，室外6天后开始出现锈点。

通过适当的技术处理还可以进一步延长保质期。

（二）、现场使用

通过宝钢现场的机器人焊接使用证实：

无镀铜焊丝的最大优点是成功的解决了镀铜焊丝在全自动焊接过程中焊丝的掉铜屑引起的送丝不稳定的问题。

具体解决了因镀铜焊丝的掉铜屑对送丝管尤其对与导电嘴相连的部分产生阻塞的严重影响；使焊接得以正常进行，提高了焊接效率和减少了操作工作量，同时、现场焊接飞溅、烟雾大大减少，焊缝成型良好；无镀铜焊丝因此在宝钢得到了一定范围较的推广应用，得到好评、获得成功。

结束语

焊接作为对国家发展贡献很大的行业，其快速发展同时必须更加增强对环境保护的意识，今后环保型焊材的开发必将会对焊接产业的环保和可持续发展产生重要的推动作用。

在发达国家，无镀铜焊丝的使用已经有了很大的发展。

随着在我国焊接自动化的快速推广和国家环保的需求，传统的镀铜工序必将面对越来越大的挑战，无镀铜焊丝的大发展只是一个时间问题。