自保护药芯焊丝的技术经济特点及工程应用前景

专题讨论　谴珲拽　第４１卷　

１．２　自保护药芯焊丝的力学性能　

自保护药芯焊丝的力学性能已今非昔比，其力　学性能已不低于气保护药芯焊丝和焊条。自保护药　

芯焊丝由于电弧指向性好，故熔深较深，与母材熔　

合较好。碱性自保护药芯焊丝有着优良的低温冲击　

韧性。自保护药芯焊丝在扩散氢上有了新突破，有　

市售Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ－８Ｋ６型号的自保护药芯焊丝，其　

扩散氢控制到了５　ｍｌ／１００　ｇ。　

Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ一８Ｊ型自保护药芯焊丝熔敷金属　

一４０℃冲击吸收功达到２００　Ｊ；Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ一８Ｋ６型　自保护药芯焊丝熔敷金属－４０　ｏＣ冲击吸收功达到　

４００　Ｊ。在镍含量较低的情况下通过降低铝含量，调　

整合金系可获得低温高韧性。表ｌ给出了典型市售　

自保护药芯焊丝熔敷金属力学性能实测值。　

表１典型自保护药芯焊丝力学性能实测值　

Ａ５．２０　Ｅ７ｏｒ＿６　５８０　４８０　２６　４ｏ（－３０　）　Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ－８Ｊ　５３０　４３０　３１　２００卜４０℃）　１　Ａ５　２９　Ｅ７１Ｔ８－Ｋ６　５４０　４３０　３ｌ　ｌ６Ｏｆ＿３０ｃＣ１　

Ａ５．２９　Ｅ８１Ｔ８－Ｇ　６００　５３０　２５　Ｉ３６（－３０℃）　

２　自保护药芯焊丝的技术先进性　

２．１　自保护药芯焊丝的碳排放　

自保护药芯焊丝焊接过程不需要ＣＯ２气体保　

护，可减少碳排放。自保护药芯焊丝的药芯组成中　

含有１０％～２０％的碳酸盐，其平均填充率约为２０％。　

以Ｅ５０１Ｔ－一８Ｌ（Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ－一８Ｊ）型自保护药芯焊丝为　

例计算其碳排放量。药芯中的碳酸盐（主要是ＣａＣＯ３）　

质量百分比取最大值２０％，填充率取２０％，则１　ｋｇ　

自保护药芯焊丝在焊接冶金反应中所产生的ＣＯ　

气体可计算如下　Ｍｃ．ｃｏ￣＝１　０００　ｇｘ２０％ｘ２０％＝４０　ｇ　

ＣａＣＯ３＝ＣａＯ＋ＣＯ２　

分子量　１００　４４　

质量　４０　ｇ　依比例关系得ＣＯｚ质量ｘ＝１７．６０　ｇ，可近似认为　

１　ｋｇ自保护药芯焊丝碳排放为１７．６Ｏ　ｇ（忽略ＣＯｚ与　合金元素参与氧化还原反应的消耗量）。　

以Ｅ５０１５（Ｊ５０７）低氢型焊条为例计算其碳排放　量。其药皮配方为大理石４４％、萤石２４％、钛铁１３％、　

锰铁４％、低度硅铁２．５％、钛白粉２％、纯碱１％、石　

英７％ｃ　４ｌ。药皮质量系数取４０％，即药皮占焊条的质　量百分比为２８．５７％。则１　ｋｇ低氢焊条在焊接冶金反　

应中所产生的ＣＯ：气体可计算如下　Ｍｃ．ｃ￣＝１　０００　ｇｘ２８．５７％ｘ４４％＝１２５．７　ｇ　

ＣａＣＯ３＝ＣａＯ＋ＣＯ２　

分子量　１００　４４　

质量　１２５．７　ｇ　

依比例关系得ＣＯ：质量ｘ＝５５．３０　ｇ，可近似认为　

ｌ　ｋｇ焊条碳排放为５５．３０　ｇ（忽略ＣＯ　与合金元素参　与氧化还原反应的消耗量）。　

对于焊丝而言，工程应用上大都采用焊丝厂家　

推荐参数的上限甚至超过上限焊接。鉴于此，焊丝　的熔敷速度按照厂家推荐参数的上限进行选取。以　

Ｅ５０１Ｔ－一ｌ（Ａ５．２０　Ｅ７１Ｔ一１）型１００％ＣＯ２保护　１．６　ｍｍ　药芯焊丝为例计算其碳排放量。在３０　Ｖ、３５０　Ａ焊接　

规范下，气体流量按２２　Ｌ／ｍｉｎ，熔敷效率约８８％，熔　

敷速度约１８０　ｇ／ｍｉｎ，０℃在一个大气压下ＣＯ２气体　的密度取１．９８　，则１　气保护药芯焊丝所需ＣＯｚ，　

气体可计算如下　

Ｍ气药＝　兰＿皇　正（＿！Ｌ×　×ｐ　ｃ０）　（１）　Ｏ／Ｈ气药　

：—１　０＿＿１００。ｘ　８８％×２２ｘ１．９８　上ＤＵ　＝２１２．９６　ｇ　

式中　气药为气保护药芯焊丝所需的Ｃ０２质量；ｍ乞药　为气保护药芯焊丝质量；卵为气保护药芯焊丝平均　

熔敷效率；　气药为气保护药芯焊丝平均熔敷速度；　

为气体流量；Ｐ　ｃｏ２为ＣＯｚ气体密度。　

可近似认为ｌ　ｋｇ　ＣＯ２保护药芯焊丝碳排放为　

自保护药芯焊丝碳排放为２１２．９６　ｇ（忽略ＣＯｚ与合　

金元素参与氧化还原反应的消耗量）。　

以　１．２　ｍｍ　１００％ＣＯ　保护实心焊丝为例计　

算碳排放，在２９　Ｖ、３００　Ａ焊接规范下，熔敷效率约　

９５％，熔敷速度约９０　ｇ／ｍｉｎ，依式（１）可知１　ｋｇ　Ｃ０２保　

护实心焊丝所需ＣＯ２气体约４５９．８０　ｇ。可近似认为　

ｌ　ｋｇ　ＣＯ　保护实芯焊丝碳排放约为４５９．８０　ｇ（忽略　

ＣＯ　与合金元素参与氧化还原反应的消耗量）。　

由以上计算可知，焊接时每千克焊材的碳排放　

分别为：自保护药芯焊丝１７．６０　ｇ；焊条５５．３Ｏ　ｇ；　■誉蠢　辜

　专鹰讨论　栗卓新等：自保护药芯焊丝的技术经济特点及工程应用前景　第２期　

１００％Ｃ０２保护　１．６　ｍｍ药芯焊丝２１２．９６　ｇ；１００％　

ＣＯ２保护　１．２　ｍｍ实一ｔｌ，焊丝４５９．８０　ｇ，如图５所示。　

焊接材料　图５不同焊材的碳排放　

２００８年我国药芯焊丝产量３０万ｔ，ＣＯ２实心焊　

丝产量１１０万ｔ，焊条产量２００万ｔ翻，其中ＣＯ２保护　

药芯焊丝约占２４万ｔ，自保护药芯焊丝约占６万ｔ。　

根据上文计算的每千克焊材碳排放量数据可算得　２００８年焊接材料碳排放量之和约为６６．８５万ｔ。相　

比于焊条而言，不仅自保护药芯焊丝碳排放少，而　

且大大地减少了因焊机空载造成的电力资源浪费。　

同时由于熔敷速度高缩短了焊机的工作时间，节　省了电力资源。间接地减少了电厂因燃煤而造成的　

碳排放，起到了节能减排的作用。　传统石油钻探法获得的石油，每桶石油碳排放　

约５０　ｋｇ，２００８年全国焊材碳排放相当于１　３３７万　

桶石油的碳排放量。相当于年发电量６．７亿ｋＷ・ｈ的　

火力发电站一年的碳排放量。但与汽车、大型火力发　

电厂等相比焊接材料的碳排放较少。　

２．２　自保护药芯焊丝的特性　

与气保护焊丝相比，自保护药芯焊丝不需要气　

体保护，无需气瓶的管理和更换，省时省钱。只需要　

简易的焊枪和送丝机，节约维修成本。无需四面遮盖　焊接场地，节约遮盖材料费用。　

自保护药芯焊丝与焊条电弧焊相比，主要是把断　

续的焊接过程变为连续的生产方式，从而减少了接　

头数目，提高了焊缝质量和生产效率，节约了能源。自　

保护药芯焊丝与焊条电弧焊特性比较如表２所示。　自保护药芯焊丝与实心焊丝相比：第一，自保　

护药芯焊丝在其药芯中加入了稳弧剂、造渣剂、造　

气剂、合金剂等，因此使电弧燃烧稳定，熔滴过渡平　

稳，操作工艺性能优良。第二，焊缝成形美观，几何　

尺寸正确，力学性能好，冲击韧性高，可用于重要的　

焊接结构。第三，自保护药芯焊丝品种多，包括低碳　低合金系列、堆焊合金系列、不锈钢系列等。　

表２不同焊材每米焊缝的焊接综合成本　

焊缝成形　好　好　飞溅　较小　小　工艺性能　脱渣性　良好　良好　

电弧稳定性　好　好　全位置性　良好，操作灵活；连续、自动　良好，操作灵活；断续、手工　

力学性能　

耗电量　耗电少，较焊条电弧焊节约３０％以上　耗电多，空载损耗大　填充金属量　熔深大，可使用小角度（４５。）、大钝边的坡口，较　熔深较小，需使用大角度（６Ｏ。）坡口　手工焊节省４Ｏ％填充金属　兵他　熔敷效率８１％　６０％　

熔敷速度　平均１５０ｇ／ｍｉｎ　平均４０　ｇ／ｍｉｎ　对焊工技术要求　较低　较高　

３　自保护药芯焊丝的经济性　

自保护药芯焊丝的发展还与其经济性关系密　

切。自保护药芯焊丝能得到广泛的应用主要有三个　

原因：（１）自保护药芯焊丝无需保护气体，焊接方便，　

适合室外作业，碳排放量少。（２）自保护药芯焊丝对焊　工操作技能要求较低，可节省焊工培训费用，顺应　

熟练焊工少的趋势。（３）当焊接结构的制造费用中人　

工费用和材料费用达到１：１或人工费用占的比例　

更高时，使用熔敷速度高的自保护药芯焊丝，其焊　

接综合成本较低的优势更加明显。　

荡　彩　茹　・ｌ９・

　专题讨论　雹珲梭　第４１卷　

焊接结构的制造费用应以焊接综合生产成本　

来衡量，焊接综合生产成本常以每米焊缝的总成本　

来评价。每米焊缝的总成本包括材料费用、人工费用、　

能耗、设备折旧等同。　

在材料费用中，从目前焊材的市场价来看，以　

５０　ｋｇ级普通碳钢为例，自保护药芯焊丝的价格约　

２．５万元／ｔ，气保护药芯焊丝约１．２５万元／ｔ，实心焊　

丝约７．５千元／ｔ，焊条约４．３千元／ｔ。从价格上看，药　芯焊丝和实心焊丝的价格比焊条高。但药芯焊丝、　

实心焊丝焊接的坡口角度较小，钝边大，因而填充　金属量比焊条少约３０％￣５０％，即１　ｔ的焊丝相当　

于２　ｔ的焊条。　

在能耗方面，焊条因其断续工作，每根焊条需　

去掉４０－６０　ｉｎｔｏ的焊条头，造成材料的浪费。同时焊　

机的负载持续率低，空载损耗大，浪费了电力和时　

间。自保护药芯焊丝把断续的工作变为连续工作，没　有焊丝的损失。焊机的负载持续率高，空载损耗小，　

节约了能源。另一方面焊条熔敷效率低，因为焊条　

的质量系数约为３０％－５０％，因此大量的热被用来熔　

化药皮。实心焊丝全部热量都用于熔化焊丝，熔敷效　

率约为９５％。白保护药芯焊丝虽然药芯中有部分造　渣剂、造气剂，但比例较少，通常为药芯的１０％，且　

大部分为铁合金或铁粉，因此用于熔化矿物粉的热　

量比焊条少，而电流密度比实心焊丝的高，所以熔　化速度快。　

在人工费用中，焊条电弧焊的工资费用高于焊　丝电弧焊，按目前我国焊工中等实际收入，即焊丝　

电弧焊每人每小时２５元，焊条电弧焊每人每小时　

３０元计。使用焊条填充量大、熔敷效率低，每米焊　缝人工费用最高。Ｃ０ｚ保护实心焊丝熔敷速度虽高　

于焊条但低于药芯焊丝，每米焊缝人工费用低于焊　

条高于药芯焊丝。Ｃ０ｚ保护药芯焊丝熔敷速度高，　

作业时间短，每米焊缝的人工费用较少。药芯焊丝　设备磨损费、电力费均较低，实心焊丝和焊条磨损　

费、电力费均较高。　

采用大焊接参数计算不同焊材的焊接综合成　

本，表３给出了２０　ｍｉｌｌ厚普通结构钢对接，５０　ｋｇ不　同焊材焊接１　ｉｎ焊缝的焊接综合成本：焊条电弧焊　

每米焊缝５５．３５元，自保护药芯焊丝５１．７７元，ＣＯ２　

保护药芯焊丝２９．９１元，ＣＯ：保护实心焊丝２８．０１　元。即自保护药芯焊丝的焊接综合成本与焊条相　

当，Ｃ０ｚ保护药芯焊丝与实心焊丝相当。　

表３不同焊材每米焊缝的焊接综合成本　

直径／ｍｍ　２　＠　１．６　Ｉ．２　Ｅ７１Ｔ－８　

：　３２８　０　。。　３　５。０　Ｄ　ｔ．．ＲＩ　１２６２０　銎　篓　

气体流量几．ｍｉｎ－｛　一　２２　１　１　一　例　５　填充金属质量／ｋｇ　１．４９３　１．４９３　９５．　１．９２６　消耗量包含焊条头浪费部　熔敷效率／％８３　８８　９０　６０　３）５１２　熔敷速度／ｇ－ｒａｉｎ－￣　１８０　ｌｌ≯　薯１８３　ｌｌ　０　ｊ　１．５７２　３６　单价，包含工资　Ｊｌ，￣Ｉ士十壁Ｂ　Ｆ科　，７《　’　…　焊材消耗量／ｋｇ　１．７９９　１．．７　…。一　。　，＾　等０　）母材厚度２０　ｍｍ，　１１　擎丝　僻靛单侩ｆ元・ｋ　２５　董。１２．５　－－－“一１６．５９。。　４・３　焊接坡口４５。，焊条焊接坡口６０￣，　句为　焊材费用／元　４４，９８　２１．２１　０　１６．２５　１．６　ｍｍ钝边。２．５　ｍｍ间隙。　燃弧时ＩＮ／ｒａｉｎ　８．２９　１６　８０　５３，５０　、一　＾　＼　／　辅助时间／ｍ细　２．５　１．　３８０．　工资费用　工作效率　８０　一８０　－　工资单价，元・ｈ。　２５　。ｌｌ０　５　ｌ４－７４≯。　－“—　’　５ｒ。ｎ３０　１．６ｒａｍＩ　ｌ