埋弧焊焊接技术.docx

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埋弧焊焊接技术

1.埋弧焊过程原理及其特点

弧焊是电弧在焊剂层下进行焊接的方法，这种方法是利用焊丝与焊件之间在焊剂层下燃烧的电弧产生热量，熔化焊丝、焊剂和母材金属而形成焊缝，连接被焊工件。

在埋弧焊中，颗粒状焊剂对电弧和焊接区起保护和合金化作用，而焊丝则用作填充金属。

埋弧过程原理如图1所示。

焊丝和工件分别与焊接电源的输出端相接。

焊丝由送丝机构连续向覆盖焊剂的焊接区给送，电弧引燃后，焊剂、焊丝和母材在电弧热的作用下立即熔化并形成熔池，熔化的熔渣覆盖住熔池金属及高温焊接区，起良好的保护作用，未熔化的焊剂亦具有隔离空气屏蔽电弧光和热的作用，并提高了电弧的热效率。

熔融的焊剂与熔化金属之间可产生各种冶金反应，正确地控制这些冶金反应的进程，可以获得化学成分、力学性能和纯度符合预定技术要求的焊缝金属。

同时焊剂的成分也影响到电弧的稳定性，电弧柱的最高温度以及热分布。

熔渣的特性也对焊道外表的成形起一定的作用。

埋弧焊时可以采用较短的焊丝伸出长度并可在焊接过程中基本保持不变，焊丝可以较高的速度自动给送，因此可以采用大电流进行焊接，从而可达到相当高的熔敷率。

图2对比了手工弧焊和各种埋弧焊方法的熔敷率，埋弧焊的熔敷率可比手工电弧焊高1-10倍；其次，埋弧焊是一种高电流密度焊接法，具有深熔的特点，一次熔透深度可达20mm以上，因此，它是一种高生产率焊接法。

手工埋弧焊时，焊丝由送丝机构通过软管给送，焊头的移动由焊工手工操作并控制焊接速度。

埋弧焊时，整个焊接过程，如启动、引弧、送丝、焊机（或工件）移动以及焊接结束时填满弧坑等全由焊机机械化控制，焊工只需按动相应的按钮。

综上所述，埋弧焊接法具有下列主要特点：

第一，埋弧焊是一种高效焊接法，不仅熔敷率高，而且具有深熔能力，30mm以下的对接接头可以不开坡口或开浅坡口焊成全焊透的焊缝；第二，埋弧焊时电弧及焊接区受到良好的保护、焊缝质量优良，致密性好，且焊缝外观平整光滑，易于控制焊道的成形，能够满足对焊缝各种性能的要求；第三，简化坡口准备，节省大量的焊接材料；第四，焊接过程无弧光刺激，易于实现焊接过程的机械化、自动化，改善了焊工的劳动强度。

埋弧焊工艺方法及其分类

最近10年，埋弧焊作为一种高效、优质的焊接方法有了很大的发展，已演变出多种埋弧焊工艺方法并在工业生产中得到实际应用，埋弧焊按机械化程度、焊丝数量及形状、送丝方式、焊丝受热条件、附加添加剂种类和方式、坡口形式和焊缝成形条件等分类，详见图3。

2.埋弧焊的优缺点及适用范围

3.1埋弧的优缺点

埋弧与其他的焊接方法相比具有下列优点：

1）埋弧焊可以相当高的焊接速度和高的熔敷率完成厚度实际上不受限制的对接、角接和搭接接头，多丝埋弧焊特别适用于厚板接头和表面堆焊；

2）单丝或多丝埋弧焊可以单面焊双面成形工艺完成厚度20mm以下直边对接接头、或以双面焊完成40mm以下的直边对接和单V形坡口对接接头，可以取得相当高的经济效益；

3）利用焊剂对焊缝金属脱氧还原反应以及渗合金作用，可以获得力学性能优良、致密性高的优质焊缝金属。

焊缝金属的性能容易通过焊剂和焊丝的选配任意调整。

4）埋弧焊过程中焊丝的熔化不产生任何飞溅，焊缝表面光洁，焊后无需修磨焊缝表面，省略辅助工序；

5）埋弧焊过程无弧光刺激，焊工可集中注意力操作，焊接质量易于保证，同时劳动条件得到改善；

6）埋弧焊易于实现机械化和自动化操作，焊接过程稳定，焊接参数调整范围广，可以适应各种形状工件的焊接。

7）埋弧可在风力较大的露天场地施焊。

埋弧的缺点：

1）焊接设备占地面积较大，一次投资费用较高，并需采用处理焊丝、焊剂的辅助装置；

2）每层焊道焊接后必须清除焊渣，增加了辅助时间，如清渣不仔细，容易使得焊缝产生夹渣之类的缺陷。

3）埋弧焊只能在平焊或横焊位置下进行，对工件的倾斜度亦有严格的限制，否则焊剂和焊接熔池难以保持。

3.2埋弧焊的适用范围

随着埋弧焊焊剂和焊丝新品种的发展和埋弧焊工艺的改进，目前已可焊接的钢种有：

所有牌号的低碳钢，ωc＜0.6％的中碳钢，各种低合金高强度钢、耐热钢、耐候钢、低温用钢、各种铬钢和铬镍不锈钢、高合金耐热钢和镍基合金等。

淬硬性较高的高碳钢、马氏体时效钢，铜及其合金也可采用埋弧焊焊接，但必须采取特殊的焊接工艺才能保证接头的质量。

埋弧焊还可用于不锈耐蚀、硬质耐磨金属的表面堆焊。

铸铁、奥氏体锰钢、高碳工具钢、铝和镁及其合金尚不能采用埋弧焊进行焊接。

埋弧焊是各工业部门应用最广泛的机械化焊接方法之一。

特别是在船舶制造、发电设备、锅炉压力容器、大型管道、机车车辆、重型机械、桥梁及炼油化工装备生产中已成为主导焊接工艺，对上列焊接结构制造行业的发展起到了积极的推动作用。

埋弧焊用焊接材料

1.埋弧焊的冶金特点

埋弧焊的冶金过程是指液态熔渣与液态金属以及电弧气氛之间的相互作用，其中主要包括氧化、还原反应、脱硫、脱磷反应以及去气等过程。

埋弧焊的冶金过程具有下列特点：

1）焊剂层的物理隔绝作用　　埋弧焊接时，电弧在一层较厚的焊剂层下燃烧，部分焊剂在电弧热作用下立即熔化，形成液态熔渣，包围了整修焊接区和液态熔池，隔绝了周围的空气，产生了良好的保护作用，焊缝金属的ωN仅为0.002％，（用优质药皮焊条焊接的焊缝金属ωN为0.02％-0.03％），故埋弧焊焊缝具有较高的致密性和纯度。

2）冶金反应较完全　埋弧焊接时，由于焊接熔池和凝固的焊缝金属被较厚的熔渣层覆盖，焊接区的冷却速度较慢，熔池液态金属与熔渣的反应时间较长，故冶金反应较充分，去气较完全，熔渣也易于从液态金属中浮出。

3）焊缝金属的合金成分易于控制　埋弧焊接过程中可以通过焊剂或焊丝对焊缝金属进行渗合金，焊接低碳钢时，可利用焊剂中的SiO2和MnO的还原反应，对焊缝金属渗硅和渗锰以保证焊缝金属应有的合金成分和力学性能。

4）焊缝金属纯度较高　　埋弧焊过程中，高温熔渣具有较强的脱硫脱磷作用，焊缝金属中有的硫、磷含量可控制在很低的范围内。

同时，熔渣亦具有去气作用而大大降低了焊缝金属中氢和氧的含量。

2.埋弧焊的主要冶金反应

埋弧焊时的冶金反应主要有：

硅锰还原反应，脱硫、脱磷、碳的氧化反应和去气反应。

2.1硅、锰还原反应

硅和锰是低碳钢焊缝金属中的主要合金元素，锰可提高焊缝的抗热裂性和力学强度，改善常温和低温韧性；硅使焊缝金属镇静，加快熔池金属的脱氢过程，保证焊缝的致密性。

低碳钢埋弧焊用焊剂通常含有较的高的氧化锰[MnO]和氧化硅（SiO2）。

从焊剂中向焊缝金属过渡硅、锰的数据取决于下列四点：

1、焊剂成份的影响；2、焊丝和母材金属中Si和Mn原始含量的影响；3、焊剂碱度的影响；

4、焊接参数的影响。

3.埋弧焊用焊剂

3.1埋弧焊焊剂的分类

埋弧焊剂可按用途、化学成分、制造方法、物理特性和外表构进行分类。

1）用途分类　

焊剂按适于焊接的钢种可分为碳钢埋弧焊焊剂、合金钢埋弧焊焊剂、不锈钢埋弧焊焊剂，铜及铜合金埋弧焊焊剂和不锈钢及镍基合金埋弧堆焊用焊剂，焊剂按适用的焊丝直径分细焊丝（Φ1.6-Φ2.5mm）埋弧焊焊剂和粗焊丝埋弧焊焊剂，按焊接位置可分平焊位置埋弧焊焊剂和强迫成形焊剂，按特殊的用途可分高速埋弧焊焊剂，窄间隙埋弧焊焊剂，多丝埋弧焊焊剂和带极堆焊埋弧焊焊剂等。

2）按化学组分分类　

埋弧焊焊剂按其组分中酸性氧化物和碱性氧化物的比例可分成酸性焊剂和碱性焊剂。

即：

K=SiO2+TiO2CaO+FeO+MnO+Na2O+Al2O3

K>1为酸性焊剂，K<1则为碱性焊剂。

焊剂的碱度可按下式求得:

碱度=∑W碱性氧化物（％）∑W酸性氧化物（％）

焊剂的碱度愈高，合金元素的渗合率愈高，焊缝金属的纯度亦愈高，缺口冲击韧度也随之提高。

按焊剂中SiO2的含量可将其分成低硅焊剂和高硅焊剂。

ωsio2在35％以下者称低硅焊剂；ωsio2大于40％者称高硅焊剂。

按焊剂中的锰含量可分无锰焊剂和有锰焊剂，焊剂中ωMn小于1％者为无锰焊剂，含锰量超过此值者为有锰焊剂。

3）按焊剂的制造方法分类　按制造方法焊剂可分为熔炼焊剂和烧结焊二种。

熔炼焊剂时将炉料组成物按一定的配比在电炉或火焰炉内熔炼后制成的。

而烧结焊剂是配料分碎成粉末再用粘接剂粘合成颗料熔烧制成，这二种焊剂在工业生产中已普遍采用。

4）的物理特性分类焊剂在熔化状态的粘度随温度变化的特性可分长渣焊剂和短渣焊剂。

图3所示为熔渣在高温下粘度变化的曲线。

熔渣的粘度随着温度的降低而急剧增加的熔渣称为短渣，粘度随温度缓慢变化的熔渣称为长渣，短渣焊剂焊接工艺性较好，利于脱渣和焊缝成形，长渣焊剂则相反。

5）按焊剂颗粒构造分类　按焊剂颗粒构造可分为玻璃状焊剂和浮石状焊剂。

玻璃状焊剂颗粒呈透明的彩色，而浮石状焊剂颗粒为不透明的多孔体。

玻璃状焊剂的堆散重量高于1.4g/cm3，而浮石状焊剂则不到1g/cm3，因此，玻璃状焊剂能更好地隔离焊接区不受空气的侵入。

3.2对焊剂性能的基本要求

在埋弧焊中，焊剂对焊缝的质量和力学性能起着决定的作用，故对焊剂的性能提出了下列多方面的要求：

1）保证焊缝金属具有符合要求的化学成分和力学性能；

2）保证电弧稳定燃烧，焊接冶金反应充分；

3）保证焊缝金属内不产生裂纹和气孔；

4）保证焊缝成形良好；

5）保证熔渣的脱渣性良好；

6）保证焊接过程有害气体析出最少。

为达到上述要求，焊剂应具有合适的组分和碱度，使合金元素有效地过渡、脱硫、脱磷和去气完全。

在焊剂中可加适量的碱土金属（钠、钾和钙）以提高电弧燃烧的稳定性。

但焊剂中氟的存在对电弧稳定性不利，氟还可能以氟化氢、氟化硅等有害气体析出。

但焊剂中氟化钙对防止气孔的形成起主要作用，如图4所示，故焊剂中的含量应恰当控制。

焊剂中的含量增加，加强了脱硫作用，提高了焊缝的抗裂性。

焊剂的脱渣性主要取决于熔渣与金属之间热膨胀系数的差异以及熔渣壳与焊缝表面的化学结合力。

因此，焊剂的组分应使熔渣与金属的膨胀系数有较大的差异，并尽量减小其化学结合力。

另外,焊剂的干燥可在烘干炉内进行，烘干温度为350~400℃，某些低氢碱性焊剂要求更高的温度烘干，使焊剂的水分（质量分数）降到0.1%以下。

焊剂烘干时堆散层的高度不应超过40mm。

3.3埋弧焊焊剂型号及标准成分

3.3.1埋弧焊剂型号表示方法

按照GB5293-85《碳素钢埋弧用焊剂》国家标准，焊剂型号的表示方法如下：

HJx1x2x3—Hxxx

HJ表示埋弧用焊剂，其分别为“焊剂”两字拼音的第一个字母。

第一位数字x1为3、4、5。

表示焊缝金属抗拉强度的等级，如表1所示。

表1焊缝金属拉伸力学性能要求（GB5293-85）

焊剂型号

抗拉强度/MPa

屈服强度/MPa

伸长率（%）

HJ3××-H××　

HJ4××-H××

HJ5××-H××

412～550

480～647

≥304

≥330

≥398

≥22.0

第二位数字x2为0或1，表示力学性能试样的状态，“0”表示焊后状态，“1”表示焊后热处理状态。

第三位数字x3表示焊缝金属缺口冲击韧度值小于34J/cm2的最低试验温度，分级标准见表2。

表2焊缝金属缺口冲韧度要求（GB5293-85）

焊剂型号

试验温度

/℃

冲击韧度

/J·cm-2

焊剂型号

试验温度

/℃

冲击韧度

/J·cm-2

HJ××0-H××

HJ××1-H××

HJ××2-H××

HJ××3-H××

—

0

-20

-30

无要求

≥34

HJ××4-H××

HJ××5-H××

HJ××6-H××

-40

-50

-60

≥34

尾部Hxxx表示焊接试板用焊丝牌号。

举例：

HJ403-H08MnA即表示采用H08MnA焊丝，试样在焊后状态的抗拉强度为412-549MPa，屈服强度≥329MPa，伸长度不小于22％，-30ºC的缺口冲击韧度不小于34