鍍銅質量對氣保焊絲的防鏽性能有多重要？

氣體保護實芯焊絲(簡稱焊絲)鍍銅的一個重要目的就是提高焊絲的防鏽性能, 因為使用鏽蝕的焊絲會給焊接接頭帶來諸如氣孔、夾渣、裂紋等一系列致命的缺陷。實踐證明, 鍍銅焊絲在存放過程中出現的鏽蝕現象非常普遍, 從而造成焊絲生產企業的大量退貨。特別是那些鍍銅質量不好的焊絲, 在潮濕季節存放時間大多不超過兩個月, 給焊絲企業的生產造成極大的困難。如何解決鍍銅焊絲防鏽性能低的問題已成為焊絲生產企業最棘手的技術難題之一。

1.焊絲鏽蝕原因

焊絲鍍銅的主要目的是提高焊絲的防鏽性、增加焊絲的導電性。焊絲防鏽能力主要依賴於表面鍍銅層, 而銅在空氣中具有較好的抗銹能力。按照常理, 焊絲表面的銅保護層只要緻密, 即使只有非常薄的一層就足以保護焊絲免受潮濕空氣的鏽蝕, 在潮濕空氣環境中的抗鏽蝕能力能滿足焊絲在半年內正常庫存的需要。雖然有時鍍銅層表面會因氧化而輕微變色, 但這種鍍銅層的氧化並不影響焊絲的正常使用。如果鍍銅層完全覆蓋焊絲鋼基體, 焊絲就不會在數月之內鏽蝕。

研究結果已經充分證明, 焊絲的鏽蝕並非表面銅層的鏽蝕, 而是焊絲鋼基體的鏽蝕。鍍銅焊絲一旦裸露鋼基體(即使是微小的一點), 由於鋼基體的電負性要比銅大得多, 在潮濕空氣環境中裸露點的鋼基體必然會與銅組成Cu-Fe原電池,造成鋼基體的電化學腐蝕, 從而加速裸露鋼基體腐蝕。特別是在有外來電解質的情況下(如手汗或裸露點存在易吸潮的潤滑劑污斑), 這種電化學腐蝕速度會成數倍增大。這說明只要銅層對焊絲鋼基表面保護不全(銅層覆蓋不全), 那麼鍍銅層的存在反而會加速焊絲的腐蝕, 這已被許多實驗所證實。有些企業利用苯並三氮唑處理鍍銅焊絲表面來提高焊絲防鏽能力的做法是缺乏依據的, 因為苯並三氮唑只能提高銅層表面的抗變色和抗銹能力, 卻不能提高裸露鋼基體的抗鏽蝕能力。對鏽蝕原因主要是鋼基體鏽蝕而非銅層鏽蝕的焊絲防鏽處理來說, 利用苯並三氮唑處理顯然不會有太好的效果。

2.焊絲鍍銅質量對其防鏽性能的影響

以上分析可知, 焊絲銅層覆蓋不全是造成焊絲快速腐蝕的主要原因, 焊絲鋼基體裸露點數量越多、裸露面積越大, 焊絲的腐蝕速度就越快, 腐蝕程度越嚴重。決定成品焊絲鍍銅層覆蓋程度的主要因素是焊絲表面的鍍銅層厚度和鍍銅層結合力。

在分析焊絲表面的鍍銅層厚度和鍍銅層結合力對焊絲防鏽能力的影響時, 要關注鍍銅層厚度穩定性和結合力穩定性對焊絲防鏽能力的影響。

2.1鍍銅層厚度及其穩定性的影響

鍍銅層厚度主要由焊絲在鍍槽中鍍銅時間和鍍液的鍍銅速度決定, 而鍍銅速度則取決於鍍液溫度和鍍液性能。由於焊絲鍍銅過程是電化學過程, 受鍍銅反應本身性質所限, 鋼基焊絲表面不可能獲得完整緻密的鍍銅層, 總是存在裸露的焊絲鋼基體, 即存在所謂的「針孔」現象, 這是焊絲鍍銅過程產生的正常現象, 無法避免。由於鍍前清洗的問題, 焊絲表面或多或少存在如潤滑劑、氧化物殘留斑等污斑, 從而阻礙了這些區域焊絲表面正常的置換鍍銅反應,也使焊絲表面存在一些鍍不上銅的區域, 所以焊絲表面的鍍銅層是一層不完整的保護層。

帶有「針孔」或污斑的鍍銅焊絲還要進行一道拋光工序, 鍍銅層在拋光過程中會產生程度很大的塑性變形。如果焊絲表面鍍銅層較厚, 在塑性變形過程中所有的針孔及絕大部分細小分散的污斑就會被流動的銅層覆蓋;如果鍍銅層過薄, 銅層在拋光過程中不足以覆蓋整個焊絲表面時造成焊絲表面銅層覆蓋不全。鍍銅層越薄, 拋光後焊絲表面鋼基裸露面積就越大, 存放過程中焊絲產生鏽蝕的機會越大,焊絲鏽蝕的速度和程度也會隨之增加。表1是在同一鍍液(含分子篩型添加劑)中經不同時間鍍銅後獲得的不同鍍層厚度的焊絲, 經拋光後的鹽霧試驗結果。

試驗結果表明, 鍍層厚度對焊絲防鏽能力的影響非常顯著。國內化學鍍銅方法生產的焊絲表面鍍層厚度大多為0.20～0.30 μm,與國際標準對焊絲銅層厚度的規定(對直徑1.20 mm焊絲相當於1.25 μm銅層厚度)相比, 銅層明顯偏薄, 加上又存在許多裸露區域, 銅層對焊絲的保護能力就差。研究發現, 焊絲的防鏽能力與表面鍍銅層的厚度呈正比關係。只有鍍銅層厚度達到5μm以上時, 才可能達到完全緻密。雖然目前的鍍銅焊絲生產工藝很難獲得大於5 μm的鍍銅層, 但在國家標準限定的範圍內, 如何提高鍍層厚度, 加強焊絲拋光過程中銅層對裸露點的覆蓋能力, 對提高現行焊絲的防鏽能力非常重要。

受焊絲鍍銅槽體積和連續在線鍍銅的生產方式所限, 再加上生產效率的要求, 焊絲在鍍槽內的鍍銅時間大多在1～3 s。要提高鍍層厚度, 單純依靠提高鍍銅時間幾乎是不可能的, 只能依靠提高鍍液的鍍銅速度來獲得。

焊絲鍍液鍍銅速度的提高可以藉助加熱鍍液,但在沒有合適鍍液添加劑的情況下, 鍍液溫度的提高會顯著粗化焊絲鍍銅層的晶粒度, 增加脆性,從而導致銅層結合力的下降, 加劇拋光和送絲過程中的掉銅現象, 不利於焊絲的防鏽。另外, 隨著溫度的增加, 鍍液穩定性會急劇下降, 焊絲表面鍍銅層內Cu2 O等析出夾雜物數量會劇增, 也會嚴重影響鍍銅層結合力, 而且導致鍍銅槽中沉積的銅含量增加。據此, 要通過對鍍液加溫的方法來保證鍍銅速度, 必須要在能對鍍銅層晶粒度實行有效控制(添加鍍銅添加劑)的基礎上才可行。但是, 市場上的鍍銅添加劑大多是通過絡合銅離子、降低銅離子的電極電位、抑制鍍液的鍍銅速度來細化鍍層晶粒、改善鍍銅質量的。這類添加劑在提高鍍層質量的同時勢必降低鍍液的鍍銅速度, 從而降低焊絲鍍層厚度, 對焊絲的防鏽性能帶來不利影響。這種鍍液的鍍銅速度對添加劑濃度非常敏感, 鍍液中允許的添加劑濃度範圍很窄, 而鍍液中添加劑濃度的檢測又非常困難。使用過程中, 添加劑濃度的變化會給鍍層厚度帶來波動, 造成鍍層厚度均勻性下降。

分子篩型鍍液添加劑完全克服了絡合型鍍銅添加劑的弊端,不僅可以顯著提高鍍銅層與焊絲結合力、光亮度,完全消除焊絲表面銅銹和鍍槽「結銅」現象, 而且還可保持CuSO4·H2SO4水溶液的原有快速鍍銅速度。這種添加劑只存在一個最低使用濃度, 只要鍍液中添加劑濃度大於最低濃度, 焊絲的鍍銅速度和鍍層質量就可保持穩定(與添加劑濃度無關)。即使冬、夏季節使用, 也無須加熱或冷卻鍍液, 可保持相對穩定的鍍銅速度和鍍層質量, 因而使用非常方便。這種分子篩添加劑完全抑制鍍液中Cu2O等雜質的生成,提高鍍液穩定性,有效屏蔽Fe2 +的有害作用, 延長鍍液使用壽命。

2.2鍍銅層結合力及其穩定性

焊絲鍍層結合力是衡量焊絲鍍銅層與焊絲鋼基體結合強度的一個直觀指標。GB8110中規定採用纏繞試驗來檢驗焊絲鍍銅層的結合力, 鍍銅層結合力不好的直接表現是鍍層結合力纏繞試驗時銅層起毛或開裂, 或者在焊絲拋光和繞絲過程中掉銅。

焊絲鍍層結合力及其穩定性對焊絲銅層覆蓋程度和防鏽能力有很大影響。鍍層結合力穩定性不好的焊絲, 即使鍍層結合力很好, 防鏽能力很高, 仍難以保證整批焊絲鍍層質量的均勻性, 在焊絲的某些地方可能會出現掉銅而鏽蝕, 所以, 焊絲鍍層結合力的穩定性指標實質上是一種焊絲的質量可靠性指標, 其重要程度並不低於鍍層結合力。

2.3焊絲鍍前表面質量的影響

由於焊絲是由熱軋盤條經剝殼-鹼洗-酸洗-拉拔-清洗-鍍銅-拋光而成的, 焊絲表面因剝殼、酸洗不徹底殘留的氧化皮碎片、拉拔過程中由於各種原因造成的焊絲表面潤滑劑殘留, 特別是那些非水溶性的鈣基潤滑劑的殘留, 都會成為阻礙鍍液對焊絲鋼基表面潤濕的天然屏障。如果鍍前清洗不徹底, 這些污物所在的焊絲表面就會成為鍍銅反應的空白點, 在隨後的拋光過程中, 這些區域雖然有可能被流動的銅層覆蓋, 但由於銅層與焊絲鋼基表面之間有一層污物隔膜, 因而該處的銅層與焊絲的結合力很低, 在隨後的纏繞和送絲過程中也容易剝落。由此可見, 焊絲鍍前表面質量對焊絲鍍銅層結合力至關重要。

2.4鍍液性能的影響

鍍液性能主要包括鍍液對焊絲表面的潤濕能力、均鍍能力、鍍液穩定性以及鍍液的鍍銅速度。

鍍液的潤濕能力主要反映了鍍液的表面張力以及對焊絲表面常見污染物的清除或滲透能力。潤濕能力強的鍍液可顯著降低焊絲鍍前表面質量波動對鍍銅質量的不利影響, 從而提高焊絲鍍銅質量的穩定性。均鍍能力高的鍍液, 鍍出的焊絲表面鍍層內應力低、晶粒細密、平整性好、延展性高, 拋光時不易掉銅。使用分子篩型鍍液添加劑可以顯著提高鍍液的潤濕能力、均鍍能力及鍍液的穩定性, 從而提高鍍層結合力及其穩定性。

3.結論

(1) 提高焊絲鍍層厚度可以顯著提高焊絲表面銅層的覆蓋程度, 從而提高焊絲的防鏽能力。提高焊絲鍍層厚度主要依靠提高鍍液鍍速和溫度, 但鍍速和溫度的提高則需通過選用合適的鍍液添加劑才能實現, 如果在沒有添加劑條件下單純通過提高鍍液溫度來提高鍍銅速度, 則會因鍍層脆性的增加及鍍液穩定性的下降而使鍍層質量顯著惡化。

(2) 焊絲鍍銅層結合力及其穩定性明顯影響焊絲防鏽性能, 而影響結合力及其穩定性的最主要因素是焊絲的鍍前表面質量和鍍液性能。

(3) 使用分子篩型鍍液添加劑對提高鍍層厚度、鍍層結合力及其穩定性都非常有利, 因而會對提高焊絲鍍銅質量穩定性及整體的防鏽性能產生顯著效果。