第四章 埋弧焊

Y Mp
输出响应
输出响应 Y
±5%
输入
tr
ts
时间t
（a）
输入 (b)
时间t
4.5.2 熔化极电弧的自身调节系统
等速送丝式焊机采用电弧自身调节系统；变速送丝式焊机采用电弧电压 反馈自动调节系统。
一 熔化极电弧自身调节系统的静特性
1
稳定焊接的条件： V f Vm
熔化系数аm的影响因素：焊接电流、焊丝直径、焊丝干伸长。
V f k(UC U g )
（1）
2 焊丝熔化速度与焊接电流之间的关系
Vm ki I kuU
（2）
3 自动调节系统的静特性曲线
V f Vm
（3）
由（1）、（2）、(3)可得：
UC
k k ku
Ug
ki k ku
I
上式表明了弧压反馈调节系统中焊接电流与焊接电压之间的关系，称为 弧压反馈调节系统静特性曲线方程。
一 焊前准备
1
坡口加工：δ< 14mm 不开坡口
δ= 14～22mm, V型，а=50 ～60°
δ= 22～50mm, X型，重要结构U型。
埋弧焊焊缝坡口的基本形式已经标准化，各种坡口适用的厚度、基本尺 寸和标注方法见GB986一1988的规定
２ 焊件的清理
坡口及附近区域表面上的锈蚀、油污、氧化物、水分等清理干净。
对直缝的工件装配，须在接缝两端加装引弧板和引出板。
二 工艺及规范参数选择
1
双面对接焊缝
a. 优点：对装配要求、规范波动要求低。
b. 主要问题：第一面施焊时保证一定熔深，又要防止熔化金属的流 溢和烧穿。
c. 常采用的施焊方法：悬空焊（间隙小于１mm，正面焊接H到一 半，反面到60%～70%）、焊剂垫及临时性工艺垫（正面第一次 焊接H大于60%～70%）。
1 焊剂的作用：保护、脱氧、渗合金。
2 焊剂分类：
1） 熔炼焊剂：缺点不能大量渗合金，脱氧不完全。
2）非熔炼焊剂：烧结和粘结，无定型产品。
3 焊剂与焊丝的选配
注意：焊剂的烘干温度。
二 冶金特点
（一） 一般特点
1
焊接区域保护ቤተ መጻሕፍቲ ባይዱ，空气不易侵入；
2
熔池停留时间长，反应充分；
3
焊缝化学成分稳定。
（二）主要冶金反应（低碳钢） 液态金属中某一元素被焊剂中某一元素取代的反应。 1 Si、Mn的还原反应 １） Si、Mn的作用：
４） 只增加焊丝干伸长时， C曲线平行向左移动。
二 电弧自身调节系统原理
１ 调节过程
弧长变短，电源提供的电流远大于等熔化特性曲线（自身调节系统静
特性曲线）与电弧静特性曲线交点的电流（保证送丝速度等于熔化速
度的电流）
电源外特性曲线
U
自身调节系统静特性曲线
电弧静特性曲线
O
L
O2
O1
L1
I I2 I0 I1
一般焊接方法要求I变化范围：±25～50A；U变化范围：±2V. 对于气体保护焊要求更严格。 ２ 影响I、U的外界因素 1）电弧静特性曲线变化：送丝不均匀、焊炬高度变化、焊剂成分不稳。 2）电弧外特性：网压波动、电源内部元件标称值变化。 弧长变化引起的焊接过程不稳最突出， 原因：弧长短（几十mm）；电场强度大（10～40V/cm)，弧长变化
二 优缺点
1 埋弧焊的主要优点 1）焊接生产率高 。
原因：干伸长短，可用大电流焊接（H大：厚度20mm钢板，不开坡口一 次焊透）；热效率高。
结果：焊速大。厚度8～10mm工件，手弧焊：Vw<6～8M/h 埋弧焊：Vw=30～50M/h
焊条电弧焊与埋弧焊的焊接电流和电流密度比较
2）焊缝质量好 保护好（O、N含量低）；减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的
P：冷脆。 措施：降低焊剂、母材、焊丝的S、P 5 脱H 1）来源：焊丝、母材中的水分、铁锈、油污； 2）危害：H在高温时溶解度大，低温小，焊缝结晶来不及析出，产
生H气孔和H脆。 3）措施 a. 杜绝来源 b. 将熔池中的H结合成不溶于熔池的化合物：HF、OH
焊剂中有CaF2和SiO2,能提供F；形成HF 存在O,形成OH
过程稳定，离开曲线上 C
的点时，送丝速度不等
A 熔化特性曲线
B
I
于熔化速度，焊接过程不稳定。
２）电弧稳定工作点应该是：电源外特性曲线、电弧静特性曲线和 自身调节系统静特性曲线三者的交点。
４ 曲线特点
１） 长弧时，C曲线几乎垂直于电流轴，kU小，可忽略。 V f Vm ki I ；用处？
２） Vf增加或减小时，C曲线平行向右或左移动。 ３） 只增加焊丝直径时， C曲线平行向右移动。
可能性；焊接过程稳定（成分、机械性能）
3）焊接成本较低： 工件可不开坡口或开小坡口，减少了焊缝中焊丝的填充量； 飞溅极少，又没有焊条头的损失； 热效率高，故在单位长度焊缝上所消耗的电能也大大减少
4）劳动条件好： 机械化和自动化 没有弧光的有害影响，放出的烟尘和有害气体也较少
2 埋弧焊的主要缺点
1） 焊接位置受限 2） 焊剂氧化性强，不适合焊接活泼金属如铝、钛及其合金等。 3）机动灵活性差 ，适于长、直焊缝。 4）难以焊接薄板。电流小于100A时电弧稳定性不好
焊接过程控制。
三 MZ-1000焊机电气原理
1
组成：主电路、小车拖动电路、送丝电路、顺序控制电路、焊接电
流调节电路、弧压反馈电路、辅助电路。
2
空载调节
1）焊丝调节； 3） 电流大小调节； 3 整个焊接过程简介 4 常用埋弧自动焊机简介
2）小车调节 4） 反馈深度调节
4.4 埋弧焊工艺及规范参数选择
第四章 埋弧焊
４.1 埋弧焊的特点和应用
一、埋弧焊的焊接过程及基本特点
定义：埋弧焊是利用焊丝与工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的熔化极电弧焊方法。
焊丝
送丝滚轮
焊剂漏斗
导电嘴 Vw
焊剂 工件
电弧
熔渣
焊接小车 渣壳
熔池
埋弧焊的焊接过程如上图所示。焊接时电源的两极分别接在导电嘴 和工件上，焊丝通过导电嘴与工件接触，在焊丝周围撤上焊剂，然 后接通电源，则电流经过导电嘴、焊丝与工件构成焊接回路。焊接 时，焊机的起动、引弧、送丝、机头（或焊件）移动等过程全由焊 机进行机械化控制，焊工只需按动相应的按钮即可完成工作。 基本特点: 1） 电弧在气泡（熔化焊剂形成）中燃烧：隔绝熔池与空气、防止弧光。 2） 焊接过程自动进行：焊丝送进、电弧引燃、小车行走。
Mn的作用：降低焊缝热裂纹的危险性，改善机械性能。 Si的作用：使熔池镇静，并保证取得致密的焊缝。 ２）冶金反应方程式
2Fe + (SiO2) 2(FeO) + Si Fe + (MnO) (FeO) + Mn 还原出来的Si、Mn过渡到熔池中去。 ３） Si、Mn的还原反应发生在温度较高的区域：首先是弧柱，其次
很小就可使电压变化很大。
3 保证参数不变的调节系统 1） 人工调节系统（手弧焊为例）
脑
手
焊接电弧
眼 2）自动调节系统
比较环节 参考输入
偏差
控制器
控制量
输出
被控对象
检测环节
4 自动控制系统的三个主要环节 比较环节、控制器（执行环节）、检测环节
二 对自动调节系统的基本要求 1 稳定性； 2 动态特性； 3 稳态性能（稳态误差）
3 应用范围
1）焊缝类型和工件厚度 ：可以保持在水平位置、或倾斜度不大的 对接、角接和搭接接头 ；5mm ～ 650mm 。
2）焊接材料种类 能焊：碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及某些有色
金属（如镍基合金、铜合金等） 不能焊接：铸铁、铝、镁、铅、锌 等
4.2 埋弧自动焊的冶金特点
一 焊剂、焊丝及其配合
电压反馈自动调节系统静特性曲线于电弧静特性曲线交点为O2,稳定
弧压不稳，用处？（细丝时增大k，粗丝时减小k。）
二 弧压反馈自动调节系统的工作原理
利用电弧电压来控制送丝速度，使送丝速度随弧压的增加而增 加，从而自动补偿弧长的波动，保证弧长不变。
三 自动调节过程
电源外特性曲线
U
弧压反馈调节系统静特性曲线
O
L
O2
O1
L1
电弧静特性曲线
I
I2
I0
I1
稳定工作点为O点，弧长变端为L1时，实际工作点在O1点，由于电弧
2
熔化速度与焊接电流、焊接电压之间的关系
Vm ki I kuU
3
静特性曲线
V f Vm ；
Vm ki I kuU
由此可得静特性曲线方程为：
I
1 ki
(V f
kuU )
它表示在给定的送丝速度下，弧长稳定时，焊接电流与焊接电压之间的
关系。
C曲线（静特性曲线）： U 1）曲线上的点，送丝速
度等于熔化速度，焊接
三
原则 1
2
焊材的选用
低碳钢采用高Si、Mn焊剂配低C焊丝H08A，主要结构可用 H08MnA. 合金钢、不锈钢采用低氧化物焊剂或陶质焊剂，以高Si、低 Mn或无Mn焊剂配合H08Mn2。
4.3 埋弧自动焊机
一 分类
用途：专用、通用
送丝方式：等速和变速
行走方式：小车式、门架式、悬臂式。
二 结构特点
3）焊剂中的碱度增加， Mn过渡增加，而Si过渡减少
4）焊接规范参数：
小电流： Si、Mn过渡增加
大电压： Si、Mn过渡增加
3 C的烧损
1）来源：焊丝、母材；
2） 反应
3） 发生在熔滴过渡过程中； 4）危害：CO气孔。
5） 解决措施：提高Si含量；降低C含量。
4 S、P的限制 危害：S：形成低熔共晶，导致热裂纹。
电弧弧长变化（加长或缩短）时，能够自动恢复。 系统的调节作用是基于等速送丝时弧长变化导致焊接电流变化， 进而导致焊丝熔化速度变化使弧长得以恢复的 。
注意：与电弧固有自调节作用区分。 ２ 电弧自身调节的灵敏度 １）焊丝直径和电流密度 ２）电源外特性形状： ３）弧柱的电场强度。 注意：该种系统适合于小直径，并且采用平或缓降特性电源匹配等速送
由弧压反馈调节系统静特性曲线方程得出的表示焊接电流与焊接电压之 间的关系的曲线称为弧压反馈调节系统静特性曲线
UC
k
k ku
Ug
斜率：
ki k ku
弧压反馈调节系统静特性曲 线
I
４ 曲线的物理意义及其特点 １）物理意义：曲线上的点送进速度等于熔化速度，系统稳定，否
则不稳定。 ２）特点： a) 当ｋ足够大时，曲线斜率近似为０，因此弧压越稳定，问题？ b) 当Ug增加或减小时，曲线平行上移或下移，有何用处？ c) 焊丝直径减小或干伸长增加时，ki增加，从而曲线斜率增加，
丝。
三 误差
1 弧长波动时：焊炬高度不变时无误差；焊炬高度变化时，引起干伸长 发生变化，平特性误差比下降特性误差小。（主要是电压误差 P108)
2 网压波动：采用平特性电源的焊接电压误差比下降特性小。
四 电弧自身调节系统规范参数的调节方法
１ 焊接电流：送丝速度 ２ 焊接电压：电源外特性 注意：调节范围的确定。
基本构成：机械部分、电源部分及控制系统部分。
1
机械部分：送丝机头、小车、机头调整机构、导电咀及焊剂回收器
等。
2
电源：交流或直流（根据焊剂、强度要求）。低Mn、低Si、中F及
以上的焊剂，基本采用直流（什么接性？），外特性：一般采用下
降外特性。
3
控制系统：焊机外特性控制、送丝控制、自动焊接小车的控制以及
是焊丝端部，再次为熔池前部。 ２ 影响Si、Mn过渡的因素 １） 焊剂的成分
MnO、SiO2含量增加， Si、Mn过渡增加 焊剂的氧化性增强（Fe2O3、Mn2O3增加)， Si过渡减少 MnO相同时， SiO2含量增加， Mn过渡减少 2） 焊丝、母材中Si、Mn的原始浓度
Si、Mn的原始浓度增加（任意一种或两种）， Si、Mn过渡增加
大量生产时可用喷丸处理方法；批量不大时也可用手工清理，即用钢丝刷、风动 和电动砂轮或钢丝轮等进行清除；必要时还可用氧一乙炔火焰烘烤焊接 部位，以烧掉工件表面的污垢和油漆，并烘干水分。
３ 装配时必须保证接缝间隙均匀，高低平整不错边，特别是在单面焊双面成形 的埋弧焊中更应严格控制。定位焊的位置一般应在第一道焊缝的背面， 长度一般应大于30mm。
２ 单面焊双面成形
a. 优点：效率高。 b. 常采用的施焊方法：焊剂垫法、铜垫法及热固焊剂衬垫法。
二 角接焊缝：通常采用船形位置施焊。
三 其它高效埋弧焊方法简介。
四 埋弧焊的常见缺陷及防止方法：自学
4.5 埋弧自动焊调节系统
4.5.1 自动调节基本原理
一 焊接过程的稳定性
１ 概念：是指焊丝熔化、熔滴过渡、母材熔化、冷却结晶等过程稳定， 取决于：I、U、VW等参数的稳定性。
4.5.3 电弧电压反馈自动调节系统
问题的提出：焊丝越小，电弧自身调节系统调节灵敏度越高；但当焊丝 直径较大，采用陡降特性电源时，只靠电弧自身调节系统就不能满 足要求了。
一 电弧电压反馈自动调节系统的静特性曲线
Q1 Ug
D
F
～
焊丝
送丝滚轮
Q2
电源 导电嘴 工件
Vf
UC
1 电弧电压Uc与送丝速度Vf、 送丝电动机电压USD之间的关系。