第三章埋弧焊综述.docx

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第三章埋弧焊综述

第三章埋弧自动焊

埋弧焊是以电弧作为热源的机械化焊接方法。

它由4个部分组成：

1.焊接电源接在导电嘴和工件之间用来产生电弧；2.焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区；3.颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊缝接口区；4.焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等通常装在一台小车上，以实现焊接电弧的移动。

埋弧焊时，连续送丝的焊丝在一层可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧。

当电弧热使焊丝、母材和焊剂熔化以致部分蒸发后，在电弧区便由金属和焊剂蒸气构成一个空腔，电弧就在这个空腔内稳定燃烧。

空腔底部是熔化的焊丝和母材形成的金属熔池，顶部则是熔融焊剂形成的熔渣。

电弧附近的熔池在电弧力的作用下处于高速紊流状态，气泡快速溢出熔池表面，熔池金属受熔渣和焊剂蒸汽的保护不与空气接触。

随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。

焊接时焊丝连续不断地送丝，其端部在电弧热作用下不断的熔化，焊丝送进速度和熔化速度互相平衡，以保持焊接过程的稳定进行。

依据应用场合和要求的不同，焊丝有单丝、双丝和多丝，有的应用中还以药芯焊丝代替裸焊丝，或用钢带代替焊丝。

埋弧焊有自动埋弧焊和手工埋弧焊两种方式，前者焊丝的送进和电弧的移动均由专用焊接小车完成，后者焊丝送进由机械完成，而电弧的移动则由手持焊枪移动完成。

但不管那种方式，焊接时都要求被焊工工件的定位要满足焊剂和熔池金属在凝固前必须保持在原位置，有许多固定和定位装置可以保证这一要求。

埋弧焊焊剂的作用与焊条药皮相似，埋弧焊过程中，熔化焊剂产生的渣和气，有效地保护了电弧和熔池，同时还可起到脱氧和掺合金的作用，与焊丝配合保证焊缝金属的化学成分和力学性能，防止焊缝中产生裂纹和气孔等缺陷，焊后未熔化的焊剂另行清理回收。

3.1埋弧焊的特点：

3.1.1主要优点：

a.生产效率高埋弧焊所用焊接电流大相应电流密度也大。

加上焊剂和熔渣的保护，电弧的熔渣能力和焊丝的熔敷速度都大大提高。

以板厚8～10mm的钢板对接为例，单丝埋弧焊焊接速度可达30～50m/h，若采用双丝和多丝焊，速度还可提高1倍以上，而焊条电弧焊接速度则不超过6～8m/h。

同时由于埋弧焊热效率高，熔深大，单丝埋弧焊不开坡口一次熔深可达20mm。

b.焊接质量好因熔渣的保护，熔化金属不与空气接触，焊缝金属中含氮量降低，而且熔池金属凝固较慢，液体金属和熔化焊剂间的冶金反应充分，减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性。

焊接工艺参数通过自动调节保持稳定，焊工操作技术要求不高，焊缝成形好，成分稳定，力学性能好，焊缝质量高。

c.劳动条件好埋弧焊弧光不外露，没有弧光辐射，机械化的焊接方法减轻了手工操作强度。

3.1.2主要缺点：

a.埋弧焊采用颗粒状焊剂进行保护，一般只适用于平焊和角焊位置的焊接，其它位置的焊接，则需采用特殊装置来保证焊剂对焊缝区的覆盖和防止熔池金属的漏淌。

b.焊接时不能直接观察电弧与坡口的相对位置，需要采用焊缝自动跟踪装置来保证焊炬对准焊缝不焊偏。

c.埋弧焊使用电流较大，电弧的电场强度较高，电流小于100A时，电弧的电场稳定性较差，因此不适宜焊厚度小于1mm的薄件。

3.2埋弧焊的应用

埋弧焊是焊接生产中应用最广泛的工艺方法之一。

由于焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而特别适用于中厚板长焊缝的焊接。

造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造中都是主要的焊接生产手段。

随着焊接冶金技术和焊接材料生产的发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及一些有色金属材料，如镍基合金、铜合金的焊接等，此外，埋弧焊用于抗磨损耐腐蚀材料的堆焊，也是十分理想的工艺方法。

3.3埋弧焊冶金过程特点

3.3.1冶金过程的特点

a.电弧和焊接熔池在熔化了的焊剂所形成熔渣包围下获得可靠性保护，有效防止了空气的入侵，使焊缝金属含氧量及含氮量均极底，因而焊缝金属塑性良好。

b.利用渣相反应能有效地控制焊缝金属的化学成分

1）渗锰渗硅

当焊剂中MnO、SiO2含量足够高时，冶金反应可使焊缝金属的Mn、Si含量明显提高，因而焊缝的抗裂性和机械性能提高。

2）脱碳

由于焊剂中不含有碳的成分，高温下碳与氧的亲和力介于锰和硅之间，因此埋弧焊冶金过程会造成一定量碳元素烧损，且随焊丝中含碳量的增大而加剧，过量时会导致产生CO气体。

因此、埋弧焊用的含碳量必须严格控制。

3）脱氢

母材、焊丝表面的锈污及焊剂的吸潮水分是埋弧焊产生氢气孔的主要原因。

为防止氢气孔，除杜绝氢的来源外，还可利用高温冶金反应时所生成的溶于熔池的HF和OH来达到去氢的目的。

4）焊剂中含硫、磷量稍高时会造成焊缝金属含硫、磷量的增加而导致冷裂、热裂倾向增强，为此焊剂中含硫、磷量应严格控制在0.10%以下。

3.4埋弧焊工艺参数及焊接技术

3.4.1熔池形状

埋弧自动焊时，在电弧热作用下熔化的焊丝和母材金属所构成的液体金属熔池较为稳定，其形状和尺寸与电弧的热输入线能量的大小有关。

3.4.2焊缝形状

通常是指焊缝熔化区横截面形状，一般以熔深H、熔宽B和余高a三个参数表征。

足够的熔深是焊缝质量好坏的重要指标。

B、a应与H有合理的比例。

常用形状系数ψ＝B/H、增厚系数B/a表征焊缝形状。

ψ愈小，则焊缝深而窄，表明焊接电弧热量集中，焊缝热影响区小。

但ψ过小，易出现裂纹和气孔。

通常埋弧焊的ψ>1.3。

B/a为4～8，其值过小，对接头动载强度不利，重要结构甚至还应磨去余高。

3.4.3影响焊缝形状、性能的因素

埋弧焊主要适用于平焊位置焊接，如果采用一定工装辅具也可以实现角焊和横焊位置的焊接。

埋弧焊时影响焊缝形状和性能的因素主要是焊接工艺参数、工艺条件等。

1）焊接工艺参数的影响

影响埋弧焊焊缝形状和尺寸的焊接工艺参数有焊接电流、电弧电压、焊接速度和焊丝直径等。

（1）焊接电流

当其它条件不变时，增加焊接电流对焊缝熔深的影响，无论是Y形坡口还是I形坡口，正常焊接条件下，熔深与焊接电流变化成正比，即电流增加，熔深增加。

焊接电流对焊缝断面形状的影响。

电流小，熔深浅，余高和熔宽不足；电流过大，熔深大，余高过大，易产生高温裂纹。

（2）电弧电压

电弧电压和电弧长度成正比，在相同的电弧电压和焊接电流时，如果选用的焊剂不同。

电弧空间电场强度不同，则电弧长度不同。

如果其它条件不变，改变电弧电压对焊缝形状的影响。

电弧电压低，熔深大，焊缝宽度窄，易产生热裂纹；电弧电压高时，焊缝宽度增加，余高不够。

埋弧焊时，电弧电压是依据焊接电流调整的，即一定焊接电流要保持一定的弧长才可能保证焊接电弧的稳定燃烧，所以电弧电压的变化范围是有限的。

（3）焊接速度

焊接速度对熔深和熔宽都有影响，通常焊接速度小，焊接熔池大，焊缝熔深和熔宽均较大，随着焊接速度增加，焊缝熔深和熔宽都将减小，即熔深和熔宽与焊接速度成反比。

焊接速度对焊缝断面形状的影响。

焊接速度过小熔化金属量多，焊缝成形差；焊接速度较大时，熔化金属不足，容易产生咬边。

实际焊接时，为了提高生产率，在增加焊接速度的同时必须加大电弧功率，才能保证焊缝质量。

（4）焊丝直径

焊接电流、电弧电压、焊接速度一定时，焊丝直径不同，焊缝形状会发生变化。

其它条件不变时，熔深与焊丝直径成反比关系，但这种关系随电流密度的增加而减弱，这是由于随着电流密度的增加，熔池熔化金属量不断增加，熔融金属后排困难，熔深增加较慢，并随着熔化金属量的增加，余高增加焊缝成形变差，所以埋弧焊时增加焊接电流的同时要增加电弧电压，以保证焊缝成形质量。

2）工艺条件对焊缝成形的影响

（1）对接坡口形状、间隙的影响

在其它条件相同时，增加坡口深度和宽度，焊缝熔深增加，熔宽略有减小，余高显著减小。

在对接焊缝中，如果改变间隙大小，也可以调整焊缝形状，同时板厚及散热条件对焊缝熔宽和余高也有显著影响。

（2）焊丝倾角和工件斜度的影响

焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾两种。

倾斜的方向和大小不同，电弧对熔池的吹力和热的作用就不同，对焊缝成形的影响也不同。

焊丝在一定倾角内后倾时，电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部液体金属增厚，故熔深减小。

而电弧对熔池前方的母材预热作用加强，故熔宽增大。

工件倾斜焊接时有上坡焊和下坡焊两种情况，它们对焊缝成形的影响明显不同，上坡焊时，若斜度β角>60～120，则焊缝余高过大、两侧出现咬边，成形明显恶化。

实际工作中应避免采用上坡焊。

下坡焊的效果与上坡焊相反。

（3）焊剂堆高的影响

埋弧焊焊剂堆高一般在25～40mm，应保证在丝极周围埋住电弧。

当使用粘结焊剂或烧结焊剂时，由于密度小，焊剂堆高比熔炼焊剂高出20%~50%。

焊剂堆高越大，焊缝余高越大，熔深越浅。

3）焊接工艺条件对焊缝金属性能的影响

当焊接条件变化时，母材的稀释率、焊剂熔化比率（焊剂熔化量/焊丝熔化量）均发生变化，从而对焊缝金属性能产生影响，其中焊接电流和电弧电压的影响较大。

3.4.4埋弧焊实施方法及工艺参数选择

1）焊前准备

（1）坡口设计及加工

同其它焊接方法相比，埋弧焊接母材稀释率较大，母材成分对焊缝性能影响较大，埋弧焊坡口设计必须考虑到这一点。

依据单丝埋弧焊使用电流范围，当板厚小于14mm，可以不开坡口，装配时留有一定间隙；板厚为14～22mm，一般开V形坡口。

对于锅炉汽包等压力容器通常采用U形或双U形坡口，以确保底层熔透和消除夹渣。

（2）装配点固

埋弧焊要求有接头间隙均匀无错边，装配时需根据不同板厚进行定间距、定位焊。

另外直缝接头两端尚需加引弧板和熄弧板，以减少引弧和引出时产生缺陷。

（3）焊前清理

坡口内水锈、夹杂铁末，点焊后放置时间较长而受潮氧化等焊接时容易产生气孔，焊前需要提高工件温度或用喷砂等方法进行处理。

2）对接接头单面焊

对接接头埋弧焊时，工件可以开坡口或不开坡口。

开坡口不仅为了保证熔深，而且有时还为了达到其它的工艺目的。

如焊接合金钢时，可以控制熔合比；而在焊接低碳钢时，可以控制焊缝余高等。

在不开坡口的情况下，埋弧焊可以一次焊透20mm以下的工作，但要求预留5～6mm的间隙，否则厚度超过14～16mm的板料必须开坡口才能用单面焊一次焊透。

对接接头单面焊可以采用以下几种方法：

在焊剂垫上焊，在焊剂铜衬板上焊，在永久性垫板或锁底接头上焊，以及在临时衬垫上焊和悬空焊等。

3）对接接头双面焊

一般工件厚度从10～40mm的对接接头，通常采用双面焊。

接头形式根据钢种、接头性能要求的不同，可采用I形、Y形、X形坡口。

这种方法对焊接工艺参数的波动和工件装配质量都不敏感，其焊接技术关键是保证第一面焊的熔深和熔池的不流溢和不烧穿。

焊接第一面的实施方法有悬空法、加焊剂垫法以及利用薄钢带、石棉绳、石棉板等做成临时工艺垫板法进行焊接。

4）角焊缝焊接

焊接T形接头或搭接接头的角焊缝时，采用船形焊和平角焊两种方法。

（1）船形焊

将工件角焊缝的两边置于与垂直线各成45℃的位置，可为焊缝成形提供最有利的条件。

这种焊接接头的装配间隙不超过1～1.5mm，否则，必须采取措施，以防止液态金属流失。

（2）平角焊

当工件不便于采用船形焊时，可采用平角焊来焊接角焊缝。

这种焊接方法对接头装配间隙教不敏感，即使间隙达到2～3mm，也不必采取防止液态金属流失的措施。

焊丝与焊缝的相对位置，对平角焊的质量有重大影响。

焊丝偏角δ一般在20℃～30℃之间。

每一单道平角焊缝的断面积不得超过40～50mm2，当焊脚长度超过8mm×8mm时，会产生金属溢流和咬边。

（3）多丝角焊缝

为了提高焊接效率和增大焊角尺寸，可以采用串列多丝角焊。

此时焊丝布置的位置、角度及距离必须设计好，其依据是前后熔池的确定。

如果焊接距离不大，前面熔池的渣会使后面电弧不稳定；距离太小又会使熔渣卷入后面的熔池。

一般串列电弧焊接时，前面电极使用电源较大而后面较小，焊缝成形较好。

5）高效埋弧焊

（1）多丝埋弧焊

多丝埋弧焊是一种高生产率的焊接方法。

按照所用焊丝数目有双丝埋弧焊、三丝埋弧焊等，在一些特殊应用中焊丝数目多达14根。

目前工业上应用最多的是双丝埋弧焊和三丝埋弧焊。

双丝焊和三丝焊的电源联接方式。

焊丝排列一般都采用纵列式，即2根或3根焊丝沿焊接方向顺序排列。

焊接过程中，每根焊丝所用的电流和电压各不相同，因而它们在焊缝成形过程中所起的作用也不相同。

一般由前导的电弧获得足够的熔深，后续电弧调节熔宽或起改善成形的作用。

为此，焊丝间的距离要适当。

（2）带状电极埋弧焊

此种方法具有最高的熔敷速度、最低的熔深和稀释度，尤其是双带极埋弧焊，因此是表面堆焊的理想方法。

带极埋弧焊的关键是要有合适成分的带材、焊剂和送带机构。

一般常用的带宽为60mm。

焊剂宜采用烧结焊剂，并尽可能减少氧化铁含量。

带极埋弧堆焊通常采用直流反接极性。

宽带极埋弧堆焊采用轴向外加磁场或横向交变磁场，可以有效的提高宽带堆焊层的熔宽和熔深均匀性。

（3）附加依靠焊丝电阻热预热的热丝、冷丝、铁粉的埋弧焊方法。

这些方法有较高熔敷率、较低的熔深和稀释率。

仅适用于难以制成带极或丝极的某些合金埋弧堆焊及焊接，也常在窄间隙埋弧焊时被采用。

（4）单面焊双面一次成形埋弧焊

在一定的板厚、坡口及间隙条件下，采用适当的强制成形衬垫可以实现单面焊双面一次成形对接埋弧焊。

这种施焊方法可以免除焊件翻身，提高生产率。

但由于受电弧能量密度的限制，只能在小于25mm板厚条件下实现单面焊双面成形。

埋弧焊的单面焊双面成形的关键是设计合理的强制成形衬垫装置，并使其紧贴焊缝反面。

（5）窄间隙埋弧焊

厚度在50mm以上，焊件若采用普通的V形或U形坡口埋弧焊，则焊接层数、道数多，焊缝金属填充量及所需焊接时间均随厚度成几何级数增长，焊接变形也会非常大且难以控制。

窄间隙埋弧焊就是为了克服上述弊端而发展起来的，其主要特点为：

A.窄间隙坡口底层间隙为12～35mm，坡口角度为10～70，每层焊缝道数为1～3，常采用工艺垫板打底焊。

B.气孔为避免电弧在窄坡口内极易诱发的磁偏吹，通常采用交流方波电源是一种理想的电源。

C.为了提高窄坡口埋弧焊的熔敷和焊接速度，采用串列双弧焊是有效途径。

D.为使焊丝送达厚板窄坡口底层，需设计能插入坡口内的专用窄焊嘴，焊丝外伸长度常取为50～75mm，以获得较高熔敷速率。

E.要采用专用焊剂，其颗粒度一般较细，脱渣性应特别好，为满足高强韧性焊缝金属性能，大多采用高碱度烧结型焊剂。

F.为保证焊丝和电弧在深而窄坡口内的正确位置，采用自动跟踪控制常常是必须的。

3.5埋弧焊主要缺陷及防止

埋弧焊时可能产生的主要缺陷，除了由于所用焊接工艺参数不当造成的熔透不足、烧穿、成形不良以外，还有气孔、裂纹、夹渣等。

3.5.1气孔

埋弧焊焊缝产生气孔的主要原因及防止措施如下：

1）焊剂吸潮或不干净

焊剂中的水分、污物和氧化铁屑等都会使焊缝产生气孔，在回收使用的焊剂中这个问题更为突出。

水分可通过烘干消除，烘干温度与时间由焊剂生产厂家规定。

防止焊剂吸收水分的最好方法是正确的存储和保管。

采用真空式焊剂回收器可以较有效地分离焊剂与尘土，从而减少回收焊剂在使用中产生气孔的可能性。

2）焊接时焊剂覆盖不充分

由于电弧外露并卷入空气而造成气孔。

焊接环缝时，特别是小直径的环缝，容易出现这种现象，应采取适当措施，防止焊剂散落。

3）熔渣粘度过大

焊接时溶入高温液态金属中的气体在冷却过程中将以气泡形式溢出。

如果熔渣粘度过大，气泡无法通过熔渣，被阻挡在焊缝金属表面附近而造成气孔。

通过调整焊剂的化学成分，改变熔渣的粘度即可解决。

4）电弧磁部位偏吹

焊接时经常发生电弧磁偏吹现象，特别是用直流电焊接时更为严重。

电弧磁偏吹会在焊缝中造成气孔。

磁偏吹的方向受很多因素的影响，例如工件上焊接电缆联接位置、电缆接线处接触不良、部分焊接接头电缆环绕接头造成的二次磁场。

在同一条焊缝的不同部位，磁偏吹的方向也不相同。

在接近端部的一段焊缝上，磁偏吹更经常发生，因此这段焊缝的气孔也较多。

为了减少磁偏吹的影响，应尽可能采取交流电源；工件上焊接电缆的联接位置尽可能远离焊缝终端；避免部分焊接电缆在工件上产生二次磁场等。

5）工件焊接部位被污染

焊接坡口及其附近的铁锈、油污或其它污物在焊接时将产生大量气体，促使气孔生成，焊接之前应予清除。

3.5.2裂纹

通常情况下，埋弧焊焊接接头有可能产生两种类型裂纹，即结晶裂纹和氢致裂纹。

前者只限于焊缝金属，后者则可能发生在焊缝金属或热影响区。

1）结晶裂纹

钢材焊接时，焊缝中的S、P等杂质在结晶过程中形成低熔点共晶。

随着结晶过程的进行，它们逐渐被排挤在晶界，形成了“液态薄膜”。

焊缝凝固过程中，由于收缩作用，焊缝金属受拉应力，“液态薄膜”不能承受拉应力而形成裂纹。

可见产生“液态薄膜”和焊缝的拉应力是形成结晶裂纹的两方面原因。

钢材的化学成分对结晶裂纹的形成有重要影响。

硫对形成结晶裂纹影响最大，但其影响程度又与钢中其它元素含量有关，如Mn与S结合成MnS而除硫，从而对S的有害作用起抑制作用。

Mn还能改善硫化物的性能、形态及其分布等。

因此，为了防止产生结晶裂纹，对于焊缝金属中的Mn/S值有一定要求。

Mn/S值多大才有利于防止结晶裂纹，还与含碳量有关。

埋弧焊焊缝的熔合比通常都较大，因而母材金属的杂质含量对结晶裂纹倾向有很大关系。

母材杂质较多，或因偏析使局部C、S含量偏高，Mn/S可能达不到要求。

可以通过工艺措施（如采用直流正接、加粗焊丝减小电流密度、改变坡口尺寸等）减小熔合比；也可以通过焊接材料调整焊缝金属的成分，如增加含Mn量，降低含C、Si量等。

焊缝形状对于结晶裂纹的形成也有明显影响。

窄而深的焊缝会造成对生的结晶面，“液态薄膜”将在焊缝中心形成，有利于结晶裂纹的形成。

焊接接头形式不同，不但刚性不同，并且散热条件与结晶特点也不同，对产生结晶裂纹的影响也不同。

2）氢致裂纹

这种裂纹较多的发生在低合金钢、中合金钢和高碳钢的焊接热影响区中。

它可能在焊后立即出现，也可能在焊后几小时、几天、甚至更长时间才出现。

这种焊后若干时间才出现的裂纹称为延迟裂纹。

氢致裂纹是焊接接头含氢量、接头显微组织、接头拘束情况等因素相互作用的结果。

在焊接厚度10mm以下的工件时，一般很少发现这种裂纹。

工件较厚时，焊接接头冷却速度较大，对淬硬倾向大的母材金属，易在接头处产生硬脆的组织。

另一方面，焊接时溶解于焊缝金属中的氢，由于冷却过程中溶解度下降，向热影响区扩散。

当热影响区的某些区域氢浓度很高而温度继续下降时，一些氢原子开始结合成氢分子，在接头拘束应力作用下产生裂纹。

焊接某些超高强度钢时，这种裂纹也会出现在焊缝金属中。

针对氢致裂纹产生的原因，可以从以下几方面采取措施。

A．减少氢的来源及其在焊缝金属中的溶解，采用低氢焊剂；焊剂保管中注意防潮，使用前严格烘干；对焊丝、工件焊口附近的锈、油污、水分等焊前必须清理干净。

通过焊剂的冶金反应把氢结合成不溶于液态金属的化合物，如高Mn高Si焊剂可以把H结合成HF和OH两种稳定化合物进入熔渣中，减少氢对生成裂纹的影响。

B．正确的选择焊接工艺参数，降低钢材的淬硬程度并有利于氢的逸出和改善应力状态，必须时可采用预热。

C．采用后热或焊后热处理

焊后后热有利于焊缝中的溶解氢顺利的逸出。

有些工件焊后需要进行热处理，一般情况下多采用回火处理。

这种热处理的效果一方面可消除焊接残余应力，另一方面使已产生的马氏体高温回火，改善组织。

同时接头中的氢可进一步逸出，有利于消除氢致裂纹，改善热影响区的延性。

D．改善接头设计，降低焊接接头的拘束应力

在焊接接头设计上，应尽可能消除引起应力集中的因素，如避免缺口、防止焊缝的分布密集等。

坡口形状尽量对称为宜，不对称的坡口裂纹敏感性较大。

在满足焊缝强度的基本要求下，应尽量减少填充金属的用量。

埋弧焊时，焊接热影响区除了可能产生氢致裂纹外，还可能产生淬硬脆化裂纹、层状撕裂等。

3.5.3夹渣

埋弧焊时，焊缝的夹渣除与焊剂的脱渣性能有关，还与工件的装配情况和焊接工艺有关。

对接焊缝装配不良时，易在焊缝底层产生夹渣。

焊缝成形对脱渣情况也有明显影响。

平而略凸的焊缝比深凹或咬边的焊缝更容易脱渣。

双道焊的第一道焊缝，当它与坡口上缘熔合时，脱渣容易；而当焊缝不能与坡口边缘充分熔合时，脱渣困难。

在焊接第二道焊缝时易造成夹渣。

焊接深坡口时，有较多的小焊道组成的焊缝，夹渣的可能性大。