国产实心焊丝发展态势之我见
国产实心焊丝发展态势之我见
天津大学机械学院 张 智
前 言
近年来，气保护实心焊丝作为焊接材料中占比最大的品种增长迅速，成为焊接实现自动化、智能化的主导型焊材。但它的发展也承受着来自环保、质量、成本等方面的巨大压力，为应对挑战，业界不断推出生产新技术、新工艺。近年新开发的环保型高速镀铜生产线作为国内首创的系统性集成技术，引起了业界积极的回应，被众多国内焊丝新项目所采用。预计产能规模将超百万吨级，给国内实心焊丝产业未来的发展带来深刻的影响。
天津作为国内的焊材生产基地，集聚了包括天津金桥、天津大桥这样产量排名世界前列的焊材生产企业，也有天津大学等高水平科研机构和一批先进的焊接结构制造企业。置身于当前实心焊丝生产技术变革的转折时期，天津焊协主办的《天津焊接》杂志开辟专栏，关注实心焊丝生产工业技术的创新，评点产业发展方向非常必要和及时。本文表达的个人观点意在抛砖引玉，共聚业界各方人士智慧，为我国焊接行业的健康发展建言献策，为更快、更好地做强天津的焊材产业、中国的焊材产业贡献力量。
1 国产气保护实心焊丝的应用及其发展历程
气保护实心焊丝是二十世纪五十年代发展起来的一种高效焊接材料。具有焊接效率高、成本低、焊接变形小、适用范围广以及焊后清渣量小等优点，大量应用于碳钢、低合金钢和不锈钢材料的焊接。对不同厚度工件的全位置焊接具有良好的适用性。易于实现焊接自动化生产，带动了焊接机器人的推广应用，近二十年来发展迅速。目前它已经替代手工焊条成为国内焊接材料产销量最大的品种。2020年国内气保护实心焊丝产量198万吨，在焊材总量中占比43.5%。气保护实心焊丝中产销量最大的品种是ER50-6，它的制造工艺水平代表着焊丝产业的基础能力。本文讨论的实心焊丝生产工艺技术创新聚焦于此。
回顾国内气保护实心焊丝的发展历程，可以大致分为四个阶段：
1.1 探索阶段：从上世纪六十年代至八十年代初期，以天钢制品厂为代表的国内焊材企业沿用前苏联焊丝标准体系，生产以08Mn2SiA为代表的CO2气保护实心焊丝。产品主要供应前苏联援建的汽车车桥厂、机车车辆厂、桥梁厂、锅炉厂和自行火炮、装甲车辆军工厂。经过十几年的发展，形成了第一个焊丝产品的国家标准GB/T1300-1977《焊接用钢丝》，正式确立实心焊丝纳入国家标准体系。
1.2 起步阶段：从上世纪八十年代中期至九十年代后期，国内改革开放带来焊材行业的快速发展。国内焊材企业先后从国外引进了气保护实心焊丝的多种生产装备和工艺，国内科研院所参与消化、吸收、仿制的设备建立了国产实心焊丝生产的设备平台。同时以青钢、首钢和酒钢为代表的钢厂积极研发焊丝用盘条，提供了原材料保障。中日合资唐山松下焊机公司的成立引进了国外成熟的机型、提供了可靠的焊接平台。各地举办的CO2焊接新技术推广会和历年的北京埃森国际焊接展深化了业界对实心焊丝应用的认识。台湾锦泰公司推出的高质量气保焊实心焊丝占得市场先机、引发市场投资热潮等多种利好因素的推动建立了相对完备的焊丝生产和应用体系。
1.3 快速增长阶段：在2000-2020年期间，国内实心焊丝产销进入快速增长阶段。焊接高效率的旺盛需求和焊接工艺自动化程度的提高都极大地拉动了实心焊丝的国内消费市场，同时实心焊丝出口量也在逐年递增。到2016年实心焊丝的产量已经与手工焊条相当各占40%左右。随后它超过手工焊条成为焊材中占比最大的品种。焊材行业出现了天津金桥、天津大桥、江苏华通、四川大西洋、山东聚力和山东索力得等一批实心焊丝产量超十万吨的企业。
国内制造业的高速增长也带来了巨大的环保压力。国家开始调整产业政策，严格限制企业的污染物排放。企业排污处理成本大幅增加。实心焊丝生产由于涉及大量的废液处理和排放问题，成为各地环保部门监控的重点。企业面临严峻的生存压力，必须把环保指标要求当作头等大事，对焊丝生产线进行绿色化生产工艺改造。陆续推出了机械除锈取代酸洗除锈、涂硼工艺，酸洗、碱洗废液经处理后循环使用等环保措施，并积极开展镀铜工序取消酸洗、碱洗前处理的试验。在关注焊丝生产过程绿色化的同时，业界也在推动焊丝使用过程的环保性研究，美国伊萨公司从药芯焊丝表面处理工艺中得到启发，首推实心焊丝无镀铜生产工艺，通过展会将产品推向国内市场。它的优点是焊丝生产过程中去除镀铜环节，消除了有害镀液排放问题，焊接烟尘中无铜污染，减轻了对工人的身体伤害，同时兼具焊接飞溅小、送丝稳定、防锈性能好的特点。其后日本神钢、奥地利伯乐公司也都推出了相应产品。国内生产厂家也在积极跟进，天津金桥、河北鑫宇等公司也有批量产品问世。但目前焊丝在使用过程中仍有导电嘴过度磨损，送丝机结构不匹配容易出现焊丝打滑等问题，因此焊丝生产技术有待改进，应用市场尚待开发。
1.4 绿色化优质发展阶段：在2019年北京埃森国际焊接展会上，杭州星冠公司推出的焊丝高速镀铜生产线采用电化镀铜技术，以无酸洗、无碱洗、无涂硼作为环保工艺宣传亮点，将成品拉丝速度提高到30m/s，引起了业内极大的关注。随后上海效玄和河南西工等公司也相继推出了各自的焊丝高速镀铜生产线。产品在天津金桥、常州华通和天津大桥等公司开始试用，一批焊丝新项目也选用了该机型，实心焊丝生产向环保生产模式转型，开始进入绿色化优质发展新阶段。
2 国内实心焊丝生产线应用状况及其特点
以往国内实心焊丝的生产线以镀铜工艺划分为电镀、化学镀两种方式，在化学镀工艺中又有先后出现的三种机型。近几年，国内推出了两种形式相结合的电化镀工艺和焊丝高速镀铜生产线：
2.1采用化学镀工艺生产线
1）翻转式水箱拉丝镀铜生产线：工艺特点是水箱式拉丝机配五格镀槽。该机型的优点是生产线占地面积小、投资少，及拉丝、镀铜、收线于一体，设备自动化程度高。缺点是受线材质量、模具、润滑材料等外部条件制约，实际生产中拉丝速度不超过7m/s。易形成断线和废丝，并且断丝后接头、穿线费时费力。同时镀槽清洗效果不稳定，镀层质量不佳影响产品质量。但这种机型在生产辅料条件较好的欧洲仍大量存在，并能生产出优质焊丝成品。
2）直线式拉丝机（干拉）+镀铜生产线
国内在上世纪九十年代初期，从德国引进该机型，它以拉、镀、收一体化及高速化(20m/s）、自动化的特点进入国内焊丝行业。它的优点是设备一体化、智能化程度高、单机产量大。直线拉拔、焊丝无扭转有益于提高挺直度。缺点是生产线的工艺条件对盘条质量、拉丝模与润滑剂配套要求高，国内当时的技术水平难以满足。从镀槽设计角度看，焊丝镀前清洗不够充分，镀层质量易受影响，同时镀槽内采用焊丝往复式穿线增加镀铜时间，造成焊丝弯曲太多，穿线不方便，断线后更是麻烦，给设备运行带来不便。有合资企业采用该机型替代展开式多丝化镀生产线后，虽然生产效率提高，生产成本有所降低，但产品质量一直难以恢复到最佳状态。
3）展开式化镀生产线
上世纪九十年代中后期，以台资企业锦泰公司为代表的展开式多丝化镀工艺引起行业极大的关注，它生产效率高，焊丝质量优异，很快成为国内市场实心焊丝的标杆。国内科研机构通过消化、吸收、自主开发成功这项技术，生产线得到推广应用，成为实心焊丝生产的主流设备。其特点是焊丝镀铜前采用酸洗+碱洗+清水洗的组合，焊丝表面清理干净，有助于提高镀铜质量。缺点是产线涉及酸、碱液排放量大，增加了生产企业的环保指标控制压力。
2.2 电镀工艺
主要分为氰化电镀和无氰化电镀，它们或因环保条件限制，或因产品质量局限都没有成为焊丝生产的主流工艺，但其中积累的理论知识和实践经验为今后探索新的镀铜工艺提供了启发。
2.3 电化镀工艺
采用电化镀工艺的环保性高速镀铜生产线的工艺路线：盘条放线->机械剥壳->机械清理->拉拔->酸洗活化->电化镀- >清洗->烘干->抛光->收线。它在国外直线式拉丝+镀铜一体机基础上发展而来。在盘条前处理、酸洗和镀铜工艺上做了重大改进。采用电化镀技术取代单纯的化学镀，提高了镀铜速度，将酸洗活化槽和镀槽中的往复式绕线变成了直线式过渡，减少了焊丝弯曲，使出线速度由20m/s提高到30m/s，大大提高了生产效率。对酸洗槽和镀槽工作原理进行了环保性设计，减少了镀液排放量。在拉丝机上采用伺服直驱电机取代变频调速电机，明显降低能耗。多项环保、节能技术的应用打破了过去焊丝生产设备一直沿用仿制设备的历史，朝着自主开发的方向迈出了重要一步。
由于新技术从出现到推广应用不过短短3年时间，在产品的技术水平、质量稳定性、原材辅料的适应性、劳动生产率的提升、生产成本控制和节能减排的表现都有待进一步观察。通过与以往生产线对比和已投入使用生产线的运行效果分析，可以得出以下初步结论：
1）电化学复合镀技术提高产线镀铜速度，并且在镀前去除了碱洗工序可能带来焊丝清理不够干净、镀层质量不稳定的问题。这在以往的直线高速机型中也同样存在，它是通过往复绕线增加化学镀时间来克服。目前新工艺的复合镀能否解决问题是实现高速生产的关键，解决不好会引起焊丝质量出现掉铜、送丝不稳定等问题。
2）提高设备运行速度后，对盘条、拉丝模具及润滑剂的配合要求更高，可选择性降低。
3）设备高速运行时，生产优化工艺参数窗口变窄，产品质量波动性增大。
4）操作工人要负责整条生产线所涉及的各工序工艺执行，对于工人的操作技能要求提高，因此，新生产线在具有焊丝生产经验的企业运行会更加顺畅，新上项目企业需要采用循序渐进的方式做好工人的操作培训工作，方能保证设备的稳定运行和产品质量。
3 我国实心焊丝产业发展面临的挑战和机遇
3.1产业面临的挑战
我国实心焊丝产业经过20余年的高速增长，虽产销量已居世界首位，但世界经济发展放缓的外部环境和国内经济转型的过程，使我国实心焊丝产业发展面临绿色环保、质量水平提升和控制成本三方面的挑战。
国家的环保政策限制使实心焊丝生产企业面临污水处理和废料排放的巨大成本，新上焊丝项目面临难以通过环评而不能开工的困境，解决实心焊丝生产的环保问题首当其冲。
提高实心焊丝的技术水平和质量稳定性一直是困扰国内焊材企业的难题，焊丝的质量问题尤其表现在焊丝的送丝稳定性、焊接飞溅和焊缝成形等方面，国内一些高端制造业所需的焊丝仍需采用进口高端品牌产品，并且在焊丝、焊机和焊接工艺优化组合获得最佳焊接效果的能力上，国内企业的差距更大。
提升企业的产品市场竞争力，加大市场份额的压力促使各厂家在提高焊丝生产效率、降低人工和辅料成本上下功夫，这也是目前企业工艺技术创新的重点。
3.2产业发展的机遇
今后我国焊材行业的发展趋势将是总量保持相对稳定，实心焊丝继续逐渐取代手工焊条，占比可能达到60%，接近工业发达国家水平，产量较目前仍有50万吨左右的增量空间，所以实心焊丝产业仍是各大焊材企业竞争的主战场。企业面对激烈的市场竞争环境，综合考虑国家产业政策、企业规模、产品和企业定位、品牌效应和创新能力等多方面因素，选择适合自身的发展模式至关重要，在此主要从产品技术创新的角度分析实心焊丝的发展方向。
1）目前大多数企业的实心焊丝生产采用的主力机型是展开式多丝化镀生产线，虽然有排污成本高的压力，但它所具有的生产高质量焊丝的潜力仍未释放。企业应瞄准高端市场需求，加强技术公关，专心做好技术基础工作，运用产、学、研、用相结合的联动式创新机制，对焊丝生产关键技术形成突破，生产优质焊丝替代进口产品占领技术高地，增强企业品牌效应，带动产品的销量和溢价能力的提升。
2）对于正处在推广初期的环保型高速镀铜生产线，考虑它的初始设计目标是以改进焊丝生产的环保性和提高生产效率为主，在这两方面产线也确实表现出良好的势头，有助于减轻企业焊丝生产的环保压力。但对于新产线在生产的技术水平和质量稳定性上还需要做大量的工作，减少设备高速运行带来的残次品。先稳定的占领通用型产品市场，再优化生产工艺路径和参数，获得生产过程绿色和产品优质并举的效应，为实心焊丝生产技术的更新换代提供方向。
3）继续着力开展无镀铜焊丝的生产工艺技术研究，研发方向朝着将环保型焊丝高速生产线与无镀铜焊丝生产工艺相结合的道路，去除焊丝镀铜环节，使整条焊丝生产线真正实现无酸、无碱、无镀液废液排放，生产过程中的粉尘能够收集成固体废弃物，大大减轻焊丝生产的环保压力，实现绿色化生产无镀铜焊丝的全新模式，这将是实心焊丝产业升级的又一个台阶，进入产业的可持续发展阶段。
作者简介： 张智 天津大学机械学院 博士 副教授
1994年毕业于天津大学，长期从事焊接冶金和焊接材料产品的研究和开发。参与天津三英焊业公司的技术开发质量管理工作十余年，现在主要研究方向是低合金高强钢、不锈钢用药芯焊丝、实心焊丝、埋弧焊丝和焊剂类产品及其相关焊接工艺，产品主要应用领域涉及造船、钢结构、桥梁及海洋工程装备行业。
