埋弧焊工艺特点及研究现状

埋弧焊工艺特点及研究现状

单旭光

中车青岛四方机车车辆股份有限公司

摘要：埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法[1]。其固有的焊接质量稳定、焊接生产率高、无弧光及烟尘很少等特点，使其成为压力容器、管段制造、箱型梁柱等重要钢结构制作中的主要焊接方法。在焊接过程中，焊剂除了对熔池和焊缝金属起机械保护作用以外，还与熔化金属发生冶金反应[2]。这种方法生产率高、焊缝质量高、能节省焊接材料和能源，广泛用于造船业、冶金机械业、化工容器制造以及特殊军工业的大面积拼版和大厚度板焊接。

关键词：埋弧焊；工艺特点；研究现状

1.1 埋弧焊工艺简介

埋弧焊的焊接过程主要由以下四个部分组成：

(1)焊接电源：接在导电嘴与工件之间。其作用是使通过导电嘴送出的焊丝与工件之间生成电弧，为焊接过程提供热能。

(2)焊丝：由焊丝盘经过送丝机构和导电嘴，送入焊接区。在电弧高温及电弧力的作用下熔化，形成熔滴，并且过渡到熔池中，进行冶金反应，以及作为填充金属而成为焊缝金属的组成部分。

(3)焊剂：颗粒状的焊剂由焊剂漏斗经过软管均匀地堆敷在待焊区域。

(4)焊接小车：焊丝、焊丝盘及送丝机构；焊剂及焊剂漏斗；焊接控制盘等，通常装在一台焊接小车上，以实现焊接电弧的移动。在正常的焊接条件下，焊接小车的移动速度就是该工艺条件下的焊接速度。

1.1.1 埋弧焊工艺原理

埋弧焊的焊接过程如图1-1所示。连续送进的焊丝在预先堆敷的颗粒状焊剂层下燃烧电弧。电弧的热量使焊丝、焊剂及工件母材金属熔化。此时，在电弧区由于金属及焊剂的蒸气形成一个空腔，电弧就在该空腔内稳定燃烧。空腔的底部是焊丝与母材金属熔化形成的液体熔池。空腔的顶部熔融态焊剂形成熔渣。熔池金属中进行着激烈而复杂的焊接冶金反应，形成的气泡快速逸出熔池表面。所以，高温下的液体熔池金属，受到熔渣、电弧区气氛的保护，从而不受空气的作用。焊接过程中，随着焊接电弧不断地向前移动，电弧力将会把液态金属推向熔池的尾部，并且逐渐的冷却、凝固而形成焊缝。同时敷盖在高温液体金属上面的熔渣，也不断冷却、凝固，最终敷盖在焊缝金属上而形成渣壳。

在埋弧焊接过程中，由于焊丝连续不断地送进到电弧区；焊丝端部在电弧热量的作用下不断熔化；焊接小车也以一定的速度沿待焊部位向前移动；所以在埋弧焊工艺中，送丝速度、焊丝熔化速度、焊接速度三者之间应当相互配合，以达到最佳的平衡状态，才能保持焊接过程的稳定性，确保焊接结构的优良品质。

图1-1  埋弧焊焊接过程

1-焊件  2-焊剂  3-焊剂漏斗  4-焊丝

5-送丝导轮  6-导电嘴  7-焊缝  8-渣壳

1.1.2 埋弧焊工艺优点

(1)生产率高：由于埋弧焊所使用的焊接电流值比较大，相应的电流密度也比较大。焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较，见表1-1 [3]。因此，这种工艺的电弧熔深能力以及焊丝的熔化速度都是非常高的，如图1-2所示[4]。在一般情况下，I型坡口，单面一次熔深可达20mm。同时，埋弧焊的焊速比较高，厚8~10mm的钢板对接，单丝埋弧焊工艺的焊速可达50~80cm/min，而焊条电弧焊仅为10~30cm/min。

(2)焊接质量高：由于气、渣保护作用，使得熔化的液体高温金属不与空气接触。因此，焊缝金属中含氮、氧量比较低。而且熔池金属凝固结晶比较慢，使得焊接冶金反应进行的比较充分[5]。减少了焊缝中产生气孔、裂纹的可能性。此外，对于焊工技术水平要求不高；焊缝成形好；焊缝成分稳定；焊接接头力学性能好。总之，焊接质量高。

(3)可以自动调节：在埋弧焊过程中，焊接工艺参数可以自动调节并保持稳定的工作状态。因此既保证了焊接质量，又减轻了劳动强度。

(4)劳动条件好：埋弧焊的弧光不外露，没有弧光辐射。此外，机械化的焊接工艺减轻了焊工的劳动强度。这些都是埋弧焊独特的优点。

总之，埋弧焊可以采用比较大的电流。与焊条电弧焊相比，最大的优点就是焊缝质量优良，焊接速度快[6]。因此，埋弧焊特别适用于大型工件的直缝和环缝焊接，而且易于实现机械化。

表1-1  焊条电弧焊与自动埋弧焊的焊接电流、电流密度比较

1.1.3 埋弧焊工艺缺点

(1)埋弧焊采用颗粒状的焊剂以堆积的形式进行保护。因此，该工艺一般只适用于平焊和角焊位置的焊接。对于其他空间位置的焊接，则应采用特殊装置等技术措施，以确保焊剂对焊接区的覆盖，并且防止液体熔渣及熔池金属的流淌，才能获得优质的焊接接头。

(2)埋弧焊时，不能直接观察到电弧与坡口的相对位置，应该特别注意防止焊偏。如有特殊要求应采用焊缝自动跟踪装置，以保证从导电嘴送出的焊丝对准焊缝。

(3)埋弧焊使用的焊接电流比较大，电弧的电场强度也比较高。当焊接电流小于100A时，则电弧的稳定性较差。因此，该工艺方法不适宜焊接薄板结构。

(4)由于埋弧焊焊剂的主要成分是MnO、SiO2等金属及非金属氧化物。因此，难于焊接铝、钛等氧化性强的金属及其合金。

(5)该工艺适宜于长焊缝的焊接。由于埋弧焊机的机动灵活性比较差，焊接设备也比较复杂，短焊缝的焊接体现不出生产效率高的特点。

1.2 埋弧焊工艺的研究现状

1.2.1 多丝埋弧焊

为提高弧焊的效率，20世纪50年代就提出了多种双丝埋弧焊方法，发展到现在有些方法在实际生产中已得到了广泛应用。并出现了一些新的多丝埋弧焊方法。其中主要有：多电源串列双丝埋弧焊，单电源并列双丝埋弧焊及单电源串联双丝埋弧焊三种工艺方法。

各种多丝埋弧焊方法均可以提高埋弧焊的焊接效率，但各有特点。单电源串联双丝埋弧焊可得到的最小的焊缝稀释率和最小热输入；单电源并列双丝埋弧焊实际是用两根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝，但可以获得较快的焊接速度和良好的焊缝质量；多电源串列双丝埋弧焊实际上是多个单丝埋弧焊的叠加，但具有熔深最大，熔敷速度较高，焊缝金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点；这些方法中对电源串列双丝埋弧焊和热丝填丝埋弧焊在实际生产，特别是我国的管道和压力容器制造中应用日益广泛，并受到了较好的效果，而单电源串连双丝埋弧焊和单电源并列双丝埋弧焊应用不多。

1.2.2 热丝填充埋弧焊

早在20世纪60年代末70年代初，美国、英国等国家就已相继开始热丝填充埋弧焊的方法，最早是为提高TIG焊效率，随着在TIG焊上的成功应用，后又发展到埋弧焊中。热丝焊工艺就是焊丝从导电嘴送出以后，先受到一个“预热电流回路”的作用，是焊丝在预热电流通过以后，由于电阻热而使焊丝本身的温度升高。这种处于较高温度的焊丝，在进入焊接区后，其融化速度、熔化量均有显著的提高。因此，提高了埋弧焊的熔敷率及生产效率，而且热丝的填充相对降低了熔池的温度，故焊缝热影响区小，接头力学性能优良。热丝填充埋弧焊在国内外研究和应用较多。

1.2.3 添加合金粉末埋弧焊

添加合金粉末埋弧焊是一种既能提高熔敷速率，又可以细化焊接接头组织，提高接头性能的高效率焊接技术。

添加合金粉末埋弧焊的基本原理是将焊接接头需要的合金元素按比例配制成合金粉末，焊接前在坡口中预先敷放一层合金粉末，然后进行埋弧焊。该工艺广泛应用于船舶、压力容器、重型机器等较厚钢板结构的焊接过程中。

1.2.4 脉冲埋弧焊

脉冲埋弧焊是利用焊接电流周期性的变化改变焊接加热方式，同时利用周期性的脉冲电流对熔池金属进行震荡来改善细化晶粒。最早发表使用脉冲电流控制的是Erdmarm-Jesnitzer和Weinschenk。其后不久，Anderson，Needham和Jackson以及其他一些业内人士把脉冲的思想应用于气保护电弧焊(GMAW)中，开拓了弧焊电源及工艺发展的新领域。

脉冲埋弧焊过程中，焊接电流周期性的变化，使作用在熔池的电磁力也作周期性变化，形成有规律的震荡，增强了熔池的搅拌，使熔池边缘的液态金属温度升高，熔池中的温度场变得相对均衡，从而减小其表面张力系数，有利于液态金属和母材充分润湿、铺展。同时，在周期性变化的电弧力、熔滴冲击力和表面张力合力作用下的熔池振荡将对熔池金属的结晶产生作用，在各种力的震荡作用下，有利于焊缝晶粒细化，同时提高质量。将焊接电流由直流变为脉冲，可有效地消除由于热输入增大而造成的焊缝质量下降问题。

采用脉冲埋弧焊技术的优点有：

(1)在提高焊接效率的基础上，细化焊缝的晶粒，提高焊接质量。

(2)为满足焊缝的成形要求，可通过调节峰值电流、基值电流、脉冲频率、脉宽比、峰值电压、基值电压等诸多脉冲参数，最终得到满意的焊缝。

参考文献

[1]中国国家标准GB/T3375-1994“焊接术语”．

[2]陈玉川．焊工手册[M]．北京：机械工业出版社，2007．

[3]王成文，张承德．SJ101焊剂在重型机器生产中的应用[J]．焊接，1991，（5）：26-27．

[4]尹士科，王振家译．[日]焊接学会方法委员会编．窄间隙焊接[M]．北京：机械工业出版社，1988．1-2．

[5]王占英．脉冲埋弧焊接头力学性能研究及工程应用[D]．天津：天津大学，2007．

[6]张富巨，罗传红．窄间隙焊接技术中焊接方法特性的遗传[J]．焊接技术，2002，31(4)：8-10．

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