埋弧焊工艺及原理

第7章埋弧焊第章埋应用
埋设现象
实际第章埋高效
7.1 埋弧焊原理及应用
1. 埋弧焊原理与特点1
）埋弧焊原理
埋弧焊焊接原理
预先把颗粒状焊剂散布在焊接线上，焊丝通过焊丝装置，自动连续地向焊剂中送进，在焊丝迁都与母材间引燃电弧进行自动电弧焊。

由于电弧掩埋在焊剂里面，从外部看不见，故称为埋弧焊(Submerged Arc Welding: SAW)
2）埋弧焊的主要优点
a)生产效率高；
b)焊接金属的品质良好、稳定；
c)焊缝外观非常美观；
d)焊接成本低；
e)操作环境好。

3）埋弧焊的主要优点
a)设备费用高；
b)对坡口精度有要求；
c)焊接姿势受到限制；
d)适用材料；
e)焊缝金属的冲击韧性普遍不好；
f)主要用于自动焊、长焊缝、中等以上厚度板的焊接2.
埋弧焊的应用
埋弧焊由于其焊接生产率高及其它几项优点，在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械的知足中应用最为广泛。

主要对碳素钢结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢及其复合钢材进行焊接。

7.2 埋弧焊设备1. 埋弧焊设备构成
主要由焊接电源、焊丝
盘及焊丝送进机构、焊
剂送进装置、行走小车、
导轨等
埋弧焊装置构成
2. 埋弧焊自动调节系统
埋弧焊主要采用的是变速送丝弧压反馈调节系统
1）系统静态特性
当电弧长度发生变化使焊接规范偏离原来的稳定值时，利用电弧电压做反馈量，通过转速调节机构，迫使焊丝速度改变，把焊接规范调回到原先的数值。

调节器的静态特性方程为：
)
(g a f
k v −=送丝速度
电弧电压
送丝给定电压
k
：调节器灵敏度
埋弧焊电弧稳定工作条件是f
m v v =并且有
U
k I k v u i m −=
I
k k k U k k k
U u
i g u a +++=下式即为电弧电压反馈调节系统的静态房产。

表示在变速送丝自动焊系统中，送丝给定电压一定时，电弧在稳定工作点燃烧所具备的焊接电流与电弧电压的配比关系。

系统静态特性曲线
2
）系统调节过程
系统调节过程
3
）系统调节精度
弧长变化时的调节精度网压变动时的调节精度
4）系统调节灵敏度
5）变速送丝系统焊接电流和电弧电压的调整方法
7.3 埋弧焊焊接现象
1. 焊接现
象
埋弧焊电弧现象分析
埋弧焊电力和电压示波器波形
埋弧焊电压-电流特性
是一种电弧放电现象
2. 电弧特性
埋弧焊电弧是处在焊剂层下，电弧被引燃后，金属和焊接的蒸发气体及分解气体围绕电弧形成一个气泡，电弧就是在这个气泡中燃烧。

埋弧焊电弧电压与弧长关系埋弧焊的电压-电流特性
3. 熔滴过渡
与焊条电弧焊相比，埋弧焊是在相当高的电流密度下进行焊接。

由于电磁拘束效果的作用，焊丝前端的熔化金属呈细小颗粒过渡。

埋弧焊电弧区与熔滴情况
4. 电极焊丝的熔化特性
焊丝越细以及电流密度越大，
比熔化量也就越大
埋弧焊焊丝熔化速度与电流的关系
焊丝干伸长与熔化速度的关系
焊丝熔化速度随电流密度及干伸长的增加
焊丝干伸长对熔化速度的影响焊丝极性对熔化速度的影响
5. 母材的熔
化
焊接参数与熔深的关系
焊接电流/焊接速度与焊缝截面积的关系
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a w U v I K P ⋅⋅=埋弧焊的特征就是利用大电流得到较大的熔深。

模式Ⅰ是在低电流、低电压、低
焊速下观察到的焊接现象；
模式Ⅱ增加了焊接速度；
模式Ⅲ属于一般的电弧状态，电
弧电压较高，焊速较低；
模式Ⅳ是再次提高焊接速度。

埋弧焊焊接条件与母材熔深及焊丝熔化状态
在对V型坡口进行焊接时，如果坡口截面积一定，即使改变坡口角度，熔深也不发生变化。

这是由于埋弧焊焊接电流大，坡口部分因瞬时热传导而产生大量的熔化，如果焊接条件一定，不论坡口形状如何，母材都会有一定的熔化量。

坡口面界一定情况下的焊接熔深（1200A，40V，30cm/min）
6. 熔化金属与熔渣的反应
1）化学平衡理论
高温熔化金属与熔渣接触，在其接触表面上将产生化学反应。

从理论基础上有两种：一是基于假设熔渣处于电中性分子状态的化学平衡理论；二是基于假设熔渣解离成离子的离子理论。

埋弧焊焊剂的组成是以SiO2为主体，还包含MnO 、CaO 、Al2O3等其他氧化物及氟化物。

其主要问题是Si 和Mn 的氧化反应和还原反应。

①Si 的反应
熔渣中的SiO2与液态Fe 产生还原反应：
SiO2
熔渣中的SiO2及其质量分数
熔化金属中的Si 及其质量分数
平衡常数
2）离子理论
②Mn 的反应
MnO 、Mn 的反应用下式表示：
[Mn]+(FeO)=(MnO)+[Fe]
该反应的平衡常数用下式表示：
K ’Mn=[%Mn]·(%FeO)/(%MnO)
根据粒子理论，熔渣与熔化金属的反应用下式表达：
2(SiO2)=(SiO 44-)+(Si 4+)
(Si 4+)+2[Fe]=[Si]+2(Fe 2+)
Mn 的反应式如下：
(Mn 2+)+[Fe]=[Mn]+(Fe 2+)
7.4 焊接材料
1. 焊丝
1）焊丝标准
埋弧焊用的焊丝，应根据所焊钢材的类别及对应接头性能的要求加以选择，并与适当的焊剂配合使用。

低碳钢和低合金高强钢焊接应选用与母材强度相匹配的焊丝；耐热钢和不锈钢应选用与刚才成分相近的焊丝
2）焊丝尺寸与焊接电流范围
焊丝直径及使用电流范围（低碳钢、低合金钢焊丝）
2. 焊剂
埋弧焊用焊剂的作用有：保护电弧；稳定电弧；对焊缝整形；向焊缝金属补充合金元素；针对特殊姿势比如横向焊接。

焊剂的成分不同，对焊接操作性能、焊缝金属的性质有很大影响。

通常是根据制造方法、成分体系、焊缝金属性能或根据用途等进行分类。

1）熔炼焊剂
把配置后的原料在电炉中溶解，冷却后加以粉碎制成的焊剂。

熔炼焊剂在熔化后急剧冷却，通常呈玻璃状
不能添加大量合金元素，通过冶金反应可以使Mn和Si过渡到焊接金属中
熔炼焊剂的特征有：
a)焊缝外表美观；
b)不易吸潮，通常在使用前不需要干燥；
c)未熔化的焊剂可以重复使用。

2）烧结焊剂
把原料与合金元素混合，通过结合剂制成颗粒状，然后进行烧结。

其特征：
a)大电流下的焊接操作性良好，适合于厚板高生产率焊接；
b)焊缝金属的性能特别是冲击韧性优良；
c)容易添加合金元素；
d)于熔炼焊剂相比，消耗量稍，经济性好；
e)从小电流到大电流，可采用同一粒度的焊剂进行焊接。

3）各种成分系列焊剂的特征
①50％SiO2-30％CaO-10％MgO系
酸性焊剂，与高Mn焊丝组合，用于低碳钢的焊接。

②(40～45)％SiO2-(40～45)％MnO系
与低Mn焊丝、高Mn焊丝组合，用于低碳钢、50公斤级高强钢的焊接
③40％SiO2-20％MnO-20％CaO-CaF2系与各种焊丝配合④30％SiO2-30％CaO-15％MgO-15％Al2O3系
用于低合金耐热钢厚板的焊接，高碱性焊剂，进行厚板焊接时，抗裂纹性能好⑤MgO-SiO2-TiO2系
4）酸性、碱性的尺度
酸性焊剂的焊接操作性好，能得到漂亮的焊缝，但冲击韧性低。

碱性焊剂得到的焊缝冲击韧性高，抗裂纹能力强。

碱性度B1＝碱性成分的质量数(CaO, MgO, MnO, FeO, Na2O%)/
酸性成分的质量数(SiO2, TiO2, Al2O3%)
碱性度B2＝碱性成分摩尔率的总和/酸性成分摩尔率的总和
碱性度B3＝(个成分的摩尔率×碱性系数)的总和，通常用B L 表示
B L ＝60.5nCaO －6.31nSiO2－4.97nTiO2－0.2nAl2O3+4.8nMnO
+4.0nMgO+3.4nFeO
7.5 埋弧焊焊接实际1. 焊接装置的构成
标准的埋弧焊焊接装置构成
2. 接头的坡口形式
坡口形状对接头的强度、可靠性、焊缝外观以及焊接成本都有影响。

在确定坡口形状时，需要对板厚、材质、要求品质、坡口加工及对接精度等考虑
1）对缝焊接接头
①Ⅰ型坡口②V型坡口
适用于12mm以下板厚适用于9～38mm板厚
③X型坡口④U型坡口
适用于16～38mm板厚适用于40mm以上
⑤坡口的精度
为得到可靠性高、品质优良的焊接接头，必须保证坡口精度。

提高坡口精度能够在保证焊缝品质的同时充分发挥埋弧焊高生产率的特点。

2）T型角焊缝接头
T型角焊缝
T型角焊缝的焊接
3）L型角焊缝接头
L型角焊缝的焊接
4）坡口前期处理
①表面清理
②装配焊接
③引入板与引出板
3. 焊接条件的选定
1）焊接电流
(a)800A 40V 30cm/min (b)1200A 40V 30cm/min (c)1600A 40V 30cm/min
2）电弧电压
(a) 30V(b) 40V(c) 50V
3）焊接速度
(a)30cm/min(b)60cm/min(c)90cm/min
4）焊丝直径
(a)丝径3.2mm(b)丝径4.8mm(c)丝径6.4mm 5）焊丝倾角
6）坡口角度
坡口角度越大，根部熔深相应增大，对防止焊接缺陷有利。

但过大，熔覆量增多，增加了焊接热输入及变形。

从效率讲，坡口小好，但易产生熔透不足、裂纹等。

7）母材的倾斜
(a)下坡焊(b)垂直(c)上坡焊
8）焊剂
(a)熔炼焊剂(b)烧结焊剂
焊剂类型差别对焊缝的影响（平板焊接，1200A，30cm/min）
9）焊剂的散布方法
有散布到电弧的前方和与焊丝同轴散布两种。

4. 焊接缺陷及其对策
1）烧穿
2）熔透不良
3）高温裂纹
4）低温裂纹
5）热影响区软化、脆化、耐蚀性能降低6）气孔
7）熔渣卷入
8）咬边
9）焊瘤
5. 单面焊
1）同种金属衬垫方
式
2）铜衬垫方式
3）焊剂衬垫方
式
焊剂衬垫方式
4）铜·焊剂并用衬垫方式
铜·焊剂并用衬垫方式单面焊接头断面形貌5）现场安装用简易衬垫方式
7.6 高效埋弧焊方法
1. 多电极埋弧焊
1）各种多电极埋弧焊
的特征
①单电源、单头方式
②单电源、多头方式
③多电源、单头方式
④多电源、多头方式
2）多电极焊接中的焊接因素①2电极中电流相位差的影响
②3电极接线方法
2. 带状电极堆焊
带状电极的特点：
①熔覆效率高；
②熔深浅而稳定；
③一次焊接可得到很宽的焊道；
④焊接因素对熔透的影响较小；
⑤焊剂的消耗量少。

带状电极堆焊纵截面形貌(母材厚35mm)
3. 板电极埋弧焊
超厚板窄间隙板电极埋弧焊
4. 填充金属焊接
其特征：
①焊接效率高；
②焊接金属性能优良；
③对母材的热影响少，无软化现象；
④焊剂消耗量少；
⑤即使大电流下，电弧稳定、焊缝外观良好。