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药芯焊丝气体保护焊
基本工作原理与普通熔化极气体保护焊一样，是以可熔化的药芯焊丝作为一个电极（通常接正极，即直流反接），母材作为另一极。通常采用纯CO2或CO2 -Ar气体作为保护气体。
与普通熔化极气体保护焊的主要区别在于焊丝内部装有焊剂混合物。焊接时，在电弧热作用下，熔化状态的焊剂材料、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，对熔化金属形成了又一层的保护。实质上是一种气渣联合保护的方法。
综合了焊条电弧焊和普通熔化极气体保护焊的优点：
　 (1)采用气渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小。
　 (2)焊丝熔敷速度快，熔敷效率（大约为85%^-90%）和生产率都较高（生产率比手工焊高3^}5倍）。
　　 (3)焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例可提供所要求的焊缝金属化学成分。
缺点：
　　(1)焊丝制造过程复杂。
　　(2)送丝较实心焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构等。
(3)焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此，需要对焊丝的保存严加管理。
药芯焊丝电弧焊的发展历史
（1）药芯焊丝的发展现状与趋势
表9-1 2008年全球主要国家和地区焊材使用状况（%）
焊条 % 实芯焊丝 % 药芯焊丝 % 埋弧焊丝
及其他 %
中国 51 28 8 13
欧洲 17 62 14 7
北美 18 58 19 5
日本 14 48 27 11
东盟 60 30 5 5
韩国 20 34 36 10
几种焊接方法综合成本比较
国家 药芯焊丝值（比值） 实芯焊丝值（比值） 焊条手工焊（比值）
中国16mm板 3.32元/米（1.00） 3.54元/米（1.07） 6.7元/米（2.02）
美国16mm板 4.4美元/（1.00） 5.2美元/（1.18） 14.1美元（3.20）
图9-1几种焊接方法不同焊接位置熔敷速率对比
今后我国和世界药芯焊丝的生产研发主要集中在以下四个方面:
① 全位置焊接用的钛型药芯焊丝
② 高效率、厚板用金属芯焊丝
③ 涂漆钢板用金属芯焊丝
④ 多品种全位置焊接用不锈钢药芯焊丝
药芯焊丝的应用
（a）芜湖长江大桥 （b） 30万吨超大原油船
图9-2 药芯焊丝应用实例
药芯焊丝及其制造
（1）药芯焊丝(Flux-Cored Wire)
图9-3 几种药芯焊丝的结构
图9-4几种常见的药芯焊丝的截面形状
无缝型药芯焊丝
熔渣系的药芯焊丝
金属型的药芯焊丝
表9-4 不同渣系的药芯焊丝焊接工艺性能比较
焊丝类型 飞溅量 脱渣性 全位置性 焊缝
力学性能
氧化钛型 少 好 好 好
钛钙型 较少 较好 较好 好
钙型 多 差 差 非常好
（2）药芯焊丝的质量
① 内在质量
含有适量的硅，锰，钛，铝等合金元素；
焊丝中的C含量不能太高；
药粉要彻底烘干，接口要结合严密 ；
良好的焊接工艺性能 。
② 焊丝表面质量
表面要清洁；规则的层绕成盘；有一定的硬度。
（3）药芯焊丝制造技术
先在一条钢带的一面上喷镀或涂敷一层焊剂，干燥后把钢带卷成圆管，粘有焊剂层的一面位于管内；
一种带芯丝的药芯焊丝制造方法，芯丝上压涂一层膏状药皮，就成了焊丝中的药芯。
图9-6 药芯焊丝制造工艺
药芯焊丝
有缝型
盘元成型法
钢带成型法
连扎法
分体传动式
集体传动式
扎拔法
分体传动式
集体传动式
被动式
无缝型
钢管拔制法
在线焊合法
图9-7 药芯焊丝制造技术
① 连轧法
是指药芯焊丝从钢带到成品焊丝的全部加工过程都在一套连轧机器上连续完成。
② 轧拔法
采用轧制和拉拔相结合的方法制造药芯焊丝。
③ 盘元法
④ 药芯焊丝制造技术的发展趋势
冷轧带钢轧–拔法
图9-8 扎丝机示意图
药芯焊丝的分类
药芯焊丝
制造方法
保护气体
用途
药粉填充
有缝药芯焊丝
无缝药芯焊丝
气保护药芯焊丝
自保护药芯焊丝
CO2
Ar+ CO2
金属粉型
熔渣型
钛型
钙型
钛钙型
高强钢用药芯焊丝
耐热钢用药芯焊丝
低温钢用药芯焊丝
耐腐蚀钢用药芯焊丝
不锈钢用药芯焊丝
低碳钢、490MPa级钢用药芯焊丝
硬面堆焊用药芯焊丝
(2) 药芯焊丝的标准
① EXXXT–1和EXXT–1M类焊丝
② T–2和T–2M类焊丝
③ T–3类焊丝
自保护型 喷射过渡
④ T–4类焊丝
自保护类型，颗粒状过渡
⑤ T–5和T–5M型焊丝
粗滴过渡
表示焊丝
熔敷金属抗拉强度为50kg/mm2
适合于全位置焊接
熔敷金属成分分类代号
E 50 1T - 1ML
药芯焊丝电弧焊的基本原理
药芯焊丝电弧焊基础
熔化速度
(2) 药芯焊丝电弧焊的基本原理
图9-10 药芯焊丝气体保护焊原理图
(3) 药芯焊丝电弧焊的保护机制
① 造气保护
加有造气剂如碳酸钙
② 金属蒸气保护
加有镁和铝–镁合金
③ 造渣保护
一般药芯中都加有造渣剂
④ 合金元素保护
加有对氧和氮亲和力较强的脱氧、脱氮元素，如铝、钛、锆、硅和锰等元素
（1）气保护药芯焊丝熔滴过渡
图9-11 高速摄影下的药芯焊丝熔滴过渡
① 大滴排斥过渡
当焊接电流较小和电弧电压较高（160A，30V）时；
② 细颗粒过渡
CO2气体保护下，随焊接电流的增加，斑点面积也增加，熔滴所受的等离子流力和电磁力增加，熔滴过渡频率也增加。
③ 射滴过渡
使用Ar作保护气体，弧根面积扩大并包围熔滴，使斑点压力和电磁收缩力都有利于熔滴过渡，熔滴容易下落，并被电磁收缩力，等离子流力，重力等加速，形成射滴过渡。
（2）自保护药芯焊丝熔滴过渡
附渣过渡（包括短路附渣过渡和非短路附渣过渡）、颗粒过渡、爆炸过渡和射滴过渡。
药芯焊丝的电弧稳定性及飞溅
（1）飞溅产生的原因
① 电弧力引起的飞溅
② 气泡放出时引起的飞溅
③ 气体爆炸引起的飞溅
（2）降低飞溅的方法
① 限定药芯中一些成分的含量，如C、S 等；
② 限定钢带和药芯的填充量，提高药芯填充均匀性；加入适当品种和适当数量的稳弧剂，如K、Na、Li等。
药芯焊丝的焊接烟尘
几种焊接材料的平均发尘速率及飞溅量对比
（1）发尘机理
一般认为焊接烟尘是焊接区蒸发出来的金属及其冶金反应物蒸汽远离焊接区后凝结而成，以气溶胶的形式存在。
焊条 CO2实芯焊丝 药芯焊丝
发尘速度mg/min 200～450 400～600 500～850
飞溅g/min 2～3 2.5～3.5 0.7～1.2
（2）影响药芯焊丝发尘量的因素
① 焊接材料的因素
药芯成分中含有的铁粉和锰越多，产生的焊接烟尘越多；焊丝的发尘量与焊丝中的C含量密切相关
② 工艺因素
影响气体保护焊时焊丝发尘率的因素有：熔滴过渡形态、电弧形态、保护气体组分及焊接飞溅等。
（3）焊接烟尘的测定和降低焊接烟尘的方法
将烟尘利用特定的装置收集起来，对焊接烟尘按照粒度分为13级进行收集。
图9-12 焊接烟尘收集装置
降低焊接烟尘的方法：
① 控制药芯中易蒸发物质及造气物质的含量；
② 在金红石型药芯焊丝中把锰以化合物的形式加入到药粉中，并且在药芯中加入铝粉，有利于促进锰的过渡，抑制其氧化损失，有利于降低发尘量；
③ 降低药芯焊丝中铁粉的加入量。
药芯焊丝气体保护焊的设备
图9-13 气保护药芯焊丝焊接设备
焊接电源
有旋转式和整流式两种。生产中应用比较多的是整流式电源，其中包括抽头式硅整流电源，自饱和电抗器式电源，晶闸管式电源，晶体管式电源，逆变式电源等。
供气系统
包括气源（钢瓶或者供气管道或者供气槽车）、预热器、减压阀、干燥器、流量计和电磁气阀。
1二氧化碳气瓶，2预热器，3干燥器，4减压器，5流量计，6气阀
图9-14 气体保护焊的供气系统
送丝系统
（1）送丝机
（2）送丝轮
（3）送丝电动机
（4）送丝盘
焊枪
（1）焊枪的种类及结构
按其应用方式分为半自动焊枪和自动焊枪；按照送丝方式分为推丝与拉丝两种；按照冷却方式可分为空冷式和水冷式。
实芯焊丝的送丝轮 药芯焊丝的U型沟槽送丝轮
图9-15 实芯焊丝与药芯焊丝的送丝轮
图9-16 焊枪的构造
（2）送丝软管
将焊丝从送丝机导向焊枪，有两种类型：一种是送丝，送气和导电三者分开的分离式软管；另一种为三者合为一体的一线式软管。
（3）喷嘴和导电嘴
喷嘴的作用是向焊接区域输送保护气体，导电嘴是直接向焊丝传导电流的。
焊接参数
主要有焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量、电流极性、干伸长度、焊枪角度等。
焊接工艺参数对焊接质量的影响
（1）焊丝直径
药芯焊丝CO2气体保护焊：Φ0.8mm～Φ2.4mm间，Φ1.6mm以下多用于半自动焊，超过Φ1.6mm多用于自动化焊接。
自保护药芯焊丝的直径范围主要分布在1.6mm～3.0mm间，用的较多的是2.0mm、2.4mm，但细直径的焊丝多用于薄板全位置焊接，且用量较少。
（2）焊接电流
必须能满足焊接过程药芯成分进行冶金反应所需要的温度。当焊接电流过大，造成焊接区过热、药芯合金成分的烧损，产生较大的烟尘。
图9-17 焊接电流与送丝速度的关系
（3）电弧电压
图9-18 合适的电弧电压与焊接电流范围
（4）焊接速度
在焊速较高时会出现较大的飞溅，产生的烟尘也增多，焊速过快易导致熔渣包敷不均匀，出现咬边，使焊缝的形状变坏；焊速较低，熔深增加，焊道变宽，易导致熔化的合金成分与母材熔合不良等缺陷，甚至出现液态金属导前，造成焊瘤。
（5）保护气体流量
流量过小，保护效果变差，焊缝易出现凹坑和气孔。流量过大会产生紊流，从而破坏气保护。气体流量的设定，取决于保护气体的种类、气嘴直径和焊接电流等因素。
气体流量与气孔的关系
喷嘴高度/mm 气体流量/L/min 外观气孔 焊缝内部气孔
20 25 无 无
20 无 无
15 无 无
10 微量 少量
5 少量 多量
（6）电流极性
CO2气体保护焊主要是采用直流反极性，电弧稳定，焊接过程平稳，飞溅小。采用直流正极性，在相同的电流下，焊丝熔化速度大大提高，熔深较浅，余高较大，飞溅很大。
堆焊铸铁补焊和大电流高速CO2，大部分自保护药芯焊丝焊接焊等则采用直流正极性接法。
（7）干伸长度
在焊接电流相同时，增加焊丝的干伸长引起熔化速度的增大。在送丝速度不变时，增加干伸长会导致焊接电流减小，易造成未焊透和熔合不良，同时伸长过大电弧不稳，飞溅增大，甚至产生气孔；
在送丝速度不变时若减小干伸长度则会导致焊接电流增大，熔深变大，同时飞溅易粘在喷嘴上使送丝受阻，气流不畅。
图9-21 干伸长度示意图
干伸长度
表9-9 焊丝干伸长度对各性能的影响
性能 影响
熔化速度 在电流相同的情况下，干伸长度越长，熔化速度越快
电弧稳定性 若干伸长度过长，电弧不稳，飞溅增多
熔深 干伸长度加长，熔深变浅
气孔 干伸长度过长，喷嘴高度加高，气保护变坏，很容易产生气孔
其他 长度过短，喷嘴遮挡，看不清坡口及熔熔状态，另外喷嘴内附着的飞溅物影响气体保护，容易损耗导电嘴和喷嘴
（8）焊枪角度：指喷嘴与垂直焊接方向的夹角。
焊枪角度及焊道断面形状
焊接方法 右焊法 左焊法
焊枪角度
焊道断面形状
药芯焊丝电弧焊右焊法与左焊法的特征
条件 右焊法（推荐采用） 左焊法
熔池的可见性 熔池清晰可见 不易看清熔池
余高 余高大， 焊缝宽度窄 余高小，
焊缝呈扁平形状
里层焊道稳定性 得到稳定的里层焊道 得到稳定的里层焊道
飞溅 飞溅产生少 向前飞出较大的飞溅
熔合 熔敷金属不向前行，熔合深 熔敷金属易向前行，熔合浅
保护效果 保护效果好 保护效果欠佳，
易产生气孔
9.4.3药芯焊丝电弧焊的操作
对于平焊，如表9-10所示，推荐采取右焊法。当焊接水平角焊缝时，可按图9-22所示焊接。
图9-22 水平角焊缝时焊枪的指向位置
向上立焊时 ，焊枪大致上应垂直于焊接工件（如图9-23所示），通常进行摆动焊接。
图9-23 向上立焊时焊枪的角度
仰焊时，焊枪应对准坡口中心，如图9-24所示，类似于右焊法。
图9-24 平面仰焊时焊枪的角度与位置
当有垫板时，仍为短路过渡。操作时，焊枪应对准坡口中心，保持如图9-25所示的角度，以右焊法迅速移动。
图9-25 有垫板时仰焊的焊枪角度与位置
注意事项
（1）施焊前，彻底清理打磨焊接工件，去除铁锈，水分，有效防止气孔产生。
（2）不同位置施焊选择合适的焊枪操作角度。并合理控制干伸长度。
（3）对于不同的焊接坡口，选择合适的道次、层数对最终的焊接质量有重要的影响。
（4）施焊时，层间温度的控制对焊接质量也有很大的影响。
药芯焊丝气体保护焊的焊接质量
药芯焊丝的选用
（1）药芯焊丝选用的一般原则
① 工件的物理、力学性能和化学成分
② 工件的工作条件和使用性能
③ 工件的复杂程度、刚度大小、焊接坡口制备和焊接部位
④ 施焊条件
⑤ 经济性、效率和人体健康
（2）焊接工艺性、适应性的选择
（3）不同钢种药芯焊丝的选用
① 低碳钢及高强钢用药芯焊丝
② 不锈钢用药芯焊丝
③ 耐磨堆焊用药芯焊丝
④ 自保护药芯焊丝
常见缺陷及防止措施
（1）气孔
表9-15 气孔的分类
① 气孔的形成机理
是液态焊缝金属在结晶过程中，由于气体的作用所形成的空穴或孔洞。分为“凹坑”和“气孔”两类。
分类方式 气孔特点
气孔成因 氢气孔；氮气孔；一氧化碳气孔
气孔形态 单个的、成串的；针状的、蜂窝状的；圆形的，椭圆形的
气孔位置 表面气孔；内部气孔；贯穿性气孔
气孔颜色 乌黑的；白亮的
② 气孔的危害及防止
若焊缝中产生气孔或表面有凹坑,将降低焊接接头严密性和塑性，降低焊接接头机械强度；
如果是焊缝根部气孔和垂直气孔，可能造成应力集中，成为焊缝裂源；
如果制造和修复压力容器，因气孔问题返修次数超标，使容器报废。
防止气孔措施：
①彻底清理焊件上的油、水、锈或其他有机物;
②真空包装药芯焊丝，防止受潮；
③防止焊接电流过大，使合金元素锰、硅大量烧损，以至于脱氧反应，只能靠碳元素来完成，从而可能出现一氧化碳气孔；
④焊接线能量不要太小，焊接速度要适中等。
（2）未熔合、未焊透
未熔合发生在焊道之间或焊道与母材之间，通常是因为液态金属在热源和工件之间流动所造成的。
（3）热裂纹
指焊接过程中，焊缝和热影响区金属冷却到固相线附近的高温区时所产生的裂纹。
产生机理:
药芯焊丝带陶瓷衬垫焊接的根部焊缝中出现热裂纹，是因焊接电弧热作用引起陶瓷衬垫熔化，增加了焊缝中的氧化物夹杂，凝固结晶过程中氧化物夹杂偏聚在焊缝中心，导致形成热裂纹。
含硼量高的焊丝根部焊缝热裂纹倾向加大，是因为硼化物本身属低熔点共晶物，与氧化物夹杂形成交互作用，加剧了焊缝的热裂纹倾向。
(4) 冷裂纹
焊接接头冷却到较低温度时产生的焊接裂纹，称冷裂纹，也叫延迟裂纹。
① 冷裂纹的特征
a.产生的温度和时间，产生冷裂纹的温度通常在马氏体转变的温度范围。
b.产生的部位，冷裂纹多发生在接头热影响区或熔合线上，个别情况下出现在焊缝上。
c.外观特征，冷裂纹多数是纵向裂纹.
d.金相结构上的特征，冷裂纹一般为穿晶裂纹。
② 角焊缝冷裂纹的防止措施
a.控制母材成分，保证焊丝质量，优选焊丝品种。
b.保证气体纯度、控制焊接工艺。

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