第七章-埋弧焊PPT课件

.,1,第三章埋弧焊（SAW）,.,2,第一节埋弧焊的特点及应用,一、埋弧焊(Submergedarcwelding)的焊接过程定义：电弧在焊剂层下燃烧以进行焊接的熔化极电弧焊方法。（国内俗称埋弧自动焊；国外也称其为焊剂层下电弧焊）,埋弧焊视频埋弧焊过程动画,.,3,二、埋弧焊的特点,优点：生产效率高（熔敷效率高、电弧热效率高、自动化）焊缝质量好（熔渣保护好、参数稳定，冶金反应稳定、缺陷少；劳动条件好（无光、热辐射，劳动强度低）,缺点：难以全位置焊；对焊前装配要求高；不适宜焊接薄板短缝；适焊材料有限；,.,4,三、埋弧焊的分类及应用范围,1、分类按送丝方式：等速送丝变速送丝；按焊丝形状及数目：丝极单丝、双丝、多丝、带极；,按成形条件：双面焊、单面焊双面成形（需要反面衬垫）,.,5,材料：碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢；结构：具有长而规则焊缝的大型结构，如船舶、压力容器、桥梁、起重机械等；位置：平、横位置；,2、应用焊缝类型和焊件厚度：5mm以上的长直缝/对接、角接和搭接接头。,.,6,第二节埋弧焊设备,一、设备的构成,埋弧焊多用较粗的焊丝，常用电弧电压自动调节的变速送丝式焊机（陡降外特性电源）；细丝时可用电弧自身调节的等速送丝式焊机（缓降外特性电源）多用交流电源（可减小电弧的磁偏吹）；新式焊机用逆变电源（体积小、重量轻、能耗低）,主要由焊接电源、焊丝盘及焊丝送进机构、焊剂送进装置、焊接控制装置、行走小车、导轨、辅助装置等组成。通常把焊接电源之外的集成体称作焊接机。,1、焊接电源,.,7,.,8,.,9,2、焊接机,属于通用型集成体，配导轨使用。其中包括送丝行走驱动装置、焊剂斗、焊丝盘和控制面板等。一般多用内绕式焊丝盘（也可以用开式焊丝盘）。焊机机头上的导电嘴有滚动式、夹瓦式和管式，以夹瓦式多见。,.,10,滚轮架：用于圆筒形结构焊缝的焊接；变位器：用于把空间焊缝置于平焊位置；升降机构：用于提升焊接机与工件高度相适应；焊剂垫：用于在背面承托熔池，有带式、盘式和热固化焊剂垫等多种形式。夹紧机构：用于固定焊件，多用于专机上；另外，在有的埋弧焊机（特别是各种专机）上还会有焊剂回收装置和焊缝跟踪传感器等。,3、辅助设备,.,11,第三节埋弧焊的自动调节系统,1、稳定的关键焊接过程中保持参数（主要是电流、电压）基本不变。其关键在于实现送丝速度=熔化速度。2、必要性焊接过程中许多因素如板材变形、网压波动等，会影响电弧工作点（电弧电流、电弧电压）的稳定，从而影响焊缝质量。3、稳定的要素由于埋弧焊多采用粗焊丝熔敷和变速送丝方式，配用陡降外特性的焊接电源，所以稳定的要素是保持电弧电压基本不变。自动调节的焦点：保持弧长稳定！,一、埋弧焊过程的稳定,.,12,优点：设备简单，无须另加专门的调节机构；缺点：调节灵敏度取决于电流密度，粗焊丝的调节灵敏度低；适用场合：细丝（约0.82.5mm），配用平（或缓降）外特性焊接电源,1、电弧自身调节系统自动调节思路：采用等速送丝系统，即焊接过程中保持送丝速度不变。当外部干扰使电弧长度（电弧电压）发生变化时（比如拉长），则促使焊接电流产生相应变化（变小）。焊丝的熔化就会变化（比原来变慢），由于送丝速度不变，最后电弧长度就缩短回来（电弧电压降低）。等速送丝熔化极电弧焊配用平外特性曲线电源，能够产生较好的自动调节效果。,二、熔化极弧焊的两种自动调节系统,.,13,2、电弧电压反馈自动调节系统自动调节原理：采用闭环反馈控制系统，即以电弧电压作为被调量，以送丝速度作为操作量，将电弧电压信号反馈到送丝电机中构成送丝速度自动调节器。焊接过程中电流（熔化速度）基本保持不变，当外部干扰使电弧长度（电弧电压）发生变化时（比如拉长电弧电压增加），则反馈回送丝电机的电压产生相应变化（也升高），促使送丝速度变化（增加），使电弧长度逐渐被压缩（电弧电压降低）。焊接过程中送丝速度会产生变化变速送丝系统。,优点：不论粗、细丝，调节灵敏度均高；缺点：须另加专门的调节机构，设备复杂；适用场合：粗丝（约3.06.0mm），配用陡降外特性焊接电源,.,14,（1）系统的静态特性当电弧长度发生变化使焊接参数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，迫使送丝速度改变，把焊接参数调回到原先的数值。调节器的静态特性方程为：保持焊接过程稳定的条件是：并且综合得到,k为调节器灵敏度；Vm为焊丝熔化速度，它正比于焊接电流，并随电弧电压的增加而减小。ki为熔化速度随电流的变化系数；ku为熔化速度随电压的变化系数。,.,15,上式称作电弧电压反馈调节系统的静态特性方程；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需具备的焊接电流与电弧电压的配比关系。,在系统内部参数调定以后，对应一定直径的焊丝、一定数值的送丝给定电压和一种电弧条件(焊丝干伸长、保护情况等)，只有一条系统静态特性曲线与其对应。,.,16,严格地讲，该静态特性曲线并非一条直线，因为在给定Ug的情况下，ki和ku是随电流或电压变动的，即曲线的截距和各点处的斜率仍然会受到电流和电压数值的影响。,k和ki值对直线的斜率影响较大，k增大，调节灵敏度增大，直线斜率也减小；焊丝直径减小、干伸长增大，ki值增大，直线斜率增大。此外，焊丝材质，保护气成份也会对直线斜率产生影响。,（2）系统调节过程、精度、灵敏度,.,17,系统的调节精度分为两个方面：弧长变化时的调节精度a）调节过程结束后，如果焊丝干伸长没有改变，则系统不出现静态误差。b）调节过程结束后，如果焊丝干伸长发生了变化，则电弧将在一新的稳定工作点下燃烧，并产生误差。,影响调节精度的因素有：焊丝干伸长变化量；焊丝直径、焊丝电流密度、焊丝电阻率；焊接保护条件以及电源外特性形状等；,.,18,电网电压变动时的调节精度电网电压变动时会导致电源外特性近似平移，系统对此变化的调节能力很有限，最终产生的误差或调节精度与下列因素有关：,a）调节器系统的灵敏度灵敏度高，产生较大的电流误差；反之产生较大的电压误差；b）电源外特性形状陡降型外特性的电流、电压误差都较小；,.,19,系统调节灵敏度系统调节灵敏度取决于弧长变化时系统送丝速度变化量的大小。而vf=k.Ua，所以：a）调节器灵敏度k越大，系统调节灵敏度越高。但调节器灵敏度的值也不宜过大，否则会造成系统振荡，出现超调；b）弧柱电场强度E越大，单位弧长变化引起的电弧电压改变量也就越大,系统灵敏度会提高；,应当指出：实际应用中，埋弧焊多采用粗丝，焊接电流密度较低，ki值较小，而系统的k值较大。这样配用陡降外特性（极少配用恒流特性）电源，可以获得很好的综合效果。,.,20,变速送丝系统焊接电流与电弧电压的调定方法：通过调节电源外特性来设定焊接电流；通过调节送丝给定电压Ug来设定电弧电压。,（3）变速送丝系统焊接电流、电压的调定方法,需要注意：不同直径焊丝对系统静特性斜率有一定影响，如果系统调定不到适用的焊接参数，应通过改变系统调节器灵敏度进行调整。,.,21,一、电弧及熔滴过渡现象由于埋弧焊时直接观察不到电弧，所以当初出现这种焊接方法时，有人认为是电流流过液态熔渣产生电阻热的作用。然而通过示波器观察，发现电流没有被熔渣分流，从而确认这是完全的电弧焊方法。,第四节埋弧焊的物理冶金过程,.,22,电弧被引燃后，金属和焊剂的蒸发气体及分解气体围绕电弧形成一个气泡，电弧就在焊剂层下的这个气泡中燃烧。X光透视检测也能清楚看到气泡的存在。此外，通过对焊接过程中电流、电压参数的测量，其变化规律也符合电弧的特性。,.,23,低速焊接时，熔滴多数是颗粒过渡；焊速增大后，熔滴多数沿前部渣壁过渡；由于电流密度较低，熔滴的过渡频率较MIG焊的低，焊丝接负时的过渡频率更低；过渡熔滴的尺寸较小，其直径大体与电极焊丝的直径相当。此外熔渣的化学成分、物理性质对熔滴的大小、过渡频率有较大影响。,.,24,二、焊丝的熔化特性,以下图表显示几种因素对熔化速度的影响。,.,25,图中显示了焊丝干伸长电阻热对熔化速度的贡献以及对比熔化量的影响。,.,26,.,27,三、母材熔化,右式是实验得到的母材熔深与焊接参数的经验公式。,.,28,四、熔池冶金反应,1、冶金特点冶金过程主要发生在熔池与液态熔渣之间，焊剂释放气体的参与作用很微弱。a）无空气参与焊剂熔化后可周密覆盖熔池、隔绝空气，焊缝金属中的N含量很低，可提高韧性；b）反应充分焊接热输入大，熔渣覆盖减少散热，熔池停留时间长，易于气体、杂质析出；c）焊缝化学成分稳定焊接过程稳定，参与反应的熔敷金属与熔渣量比值恒定；,.,29,2、主要反应以碳素钢、低合金钢母材为例，常用高锰高硅型焊剂（主要成份为MnO、SiO2，如HJ430、HJ431焊剂配H08A、H08MnA焊丝。（1）Si、Mn参与的反应Si、Mn是此类焊缝金属的重要合金元素，反应式如下：Fe+SiO2FeO+SiFe+MnOFeO+Mn正向为还原反应，在弧柱区的熔滴及焊丝端部的熔池高温区进行，生成Si、Mn渗入焊缝，成为合金化元素；反向为氧化反应，即Si、Mn被氧化，在熔池后部结晶区进行，可脱去焊缝中的一部分FeO，生成物MnO.SiO2进入熔渣；,.,30,影响Si、Mn还原的因素：a）焊剂成份焊剂中的MnO、SiO2含量越多，Si、Mn的还原量也越多；Mn的生成量还与焊剂中的SiO2相对含量有关，SiO2越少，越有利于Mn的生成（SiO2多，熔渣粘度大，防碍MnO扩散参与反应；还有SiO2+MnSi+MnO）；b）焊丝及母材中的Si、Mn含量Si、Mn含量越高，反应生成就越少；两者的相对量也有影响，以维持一定的Mn/Si比值；,.,31,c）焊剂的碱度碱度提高，Mn的生成量增加，而Si的生成量减少（因为其中的CaO、MgO含量多，可置换出MnO.SiO2中的MnO；d）焊接参数电流减小、电压增大，有利于Si、Mn的生成（熔滴过渡经历的时间长，反应充分；焊剂熔化量增多；熔池小、冷凝快，逆向反应进行少；）；,.,32,（2）C的烧损因焊剂中不含C，焊丝及熔池中的C在电弧中会被强烈氧化，生成CO气体（有观点认为，CO气体的生成析出，对熔池有搅拌作用，有利于H2的析出，可减少焊缝中的H）。焊丝中Si量增加，可减少C的烧损，因为高温下Si对O的亲和力较大。（3）S、P偏析S、P会在熔池的结晶中偏析形成低熔共晶产物存在于晶界上，导致热裂纹和冷脆性。（4）熔池脱H使用高硅高锰焊剂时，焊缝易产生气孔，一般观点认为主要是H2气孔。防止措施：烘烤去除焊剂中的水分及焊件上的油污；利用冶金反应将H化合成一种不溶于熔池的化合物，如下列反应：F+HHF，H+MnOMn+OHH+CO2CO+OH,.,33,第五节埋弧焊材料,1、焊丝选择埋弧焊所用焊丝的成分及规格，各国都有自己的标准；国际焊接学会（IIW）、国际标推化组织（ISO）也有焊丝标准，分别用于焊接不同的材料及各种形式的焊缝。我国标准：GBT14957-1994熔化焊用钢丝YBT5092-1996焊接用不锈钢丝GBT10045-1998碳钢药芯焊丝GBT17493-1998低合金钢药芯焊丝埋弧焊用的焊丝，应根据所焊钢材的类别及对接头性能的要求加以选择，并与适当类型的焊剂配合使用。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；耐热钢和不锈钢的焊接应选用与钢材成分相近的焊丝。,一、焊丝(wire),.,34,2、焊丝直径与焊接电流,直径系列（mm）：熔化焊用钢丝、焊接用不锈钢丝：1.6、2.0、2.5、3.0、3.2、4.0、5.0、6.0碳钢药芯焊丝、低合金钢药芯焊丝：1.2、1.4、1.6、2.0、2.4、2.8、3.2、4.0,.,35,一、焊剂(flux),2、焊剂的作用：掩盖电弧、保护熔池；参与熔池冶金与焊缝金属的合金化；对焊缝整形；焊剂的成分不同，对焊接操作性能、焊缝金属的性质有很大的影响。,1、焊剂应具备的性能熔化产生的气体有利于电弧的稳定；熔点、熔渣粘度合适，还原性、脱渣性好；含PS要低，吸湿性小；便于造粒；,.,36,我国焊剂标准：GBT5293-1999埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂GBT12470-1990低合金钢埋弧焊用焊剂GB7854-1999埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂,3、焊剂分类通常是根据焊剂的制作方法、成分体系、或焊缝金属性能及用途等进行分类。如下列各种类型：熔炼型、非熔炼型（粘结或陶质、烧结）；酸性、碱性；无锰、低锰、中锰、高锰；,.,37,4、各类焊剂的特点,（1）熔炼焊剂将配制好的原料在电炉中熔化，冷却后粉碎制成颗粒。因在熔化后急速冷却，所以通常呈咖啡色玻璃状。其中不能大量添加合金元素，但可以通过冶金反应使Mn、Si过渡到焊接金属中。特点：a）焊缝外表美观；b）不易吸湿，通常在使用前不需要干燥；c）未熔化的焊剂可以重复使用；牌号：HJ，如HJ430、HJ431、HJ350、HJ260等,.,38,（2）烧结焊剂把原料粉与合金元素混合，通过粘合剂制成颗粒状，再进行烧结。特点：a）制造过程消耗能源较少，经济、环保性好；b）大电流下的焊接适应性好，适合于厚板高生产率工况；c）焊缝金属的力学性能较好（尤其是冲击韧性高）；d）容易添加合金元素，可以通过焊剂对焊缝进行合金化；牌号：SJ，如SJ601、SJ603等；,.,39,（3）各种成分系焊剂,a）SiO2-CaO-MgO系各组分为50、30、10，是典型的酸性焊剂。与高锰焊丝搭配，用于低碳钢的焊接；大电流下的操作性良好，对铁锈不敏感；向焊缝金属中过渡较多的Si，不适合多层焊。b）SiO2-CaO-MgO-Al2O3系各组分为30、30、15、15，适用于低合金耐热钢厚板的焊接。属于高碱性焊剂，进行厚板焊接时，抗裂纹性能优良，焊缝金属的强度、韧性较高。c）SiO2-MnO-CaO-CaF2系各组分为40、20、20，可与各种焊丝搭配，用于从低碳钢到80公斤级高强钢、低温用钢、耐热钢的焊接，焊缝力学性能优良，特别是冲击韧性高。,.,40,d）SiO2-MnO系各组分为4045、4045，与低锰焊丝到高锰焊丝组合，用于低碳钢、50公斤级高强钢的焊接；熔化温度低、流动性好，适合于高速焊及角缝焊接；MnOSiO2小于1的组分对锈铁不敏感，不易产生气孔；体系中比重小的组分用在水平角焊缝的焊接中，操作性及熔渣剥离性较好；e）MnO-SiO2-TiO2系属于高锰酸性，与高锰焊丝组配，适用于1.23.2mm的薄板高速焊接，熔渣的剥离性及焊缝外观较好。,.,41,5、焊剂的酸碱性,焊剂熔渣呈碱性还是呈酸性，对焊缝金属的力学性能、焊接操作性都有很大的影响。一般酸性焊剂的脱渣性好，能得到平滑的焊缝，但焊缝冲击韧性较低。而碱性焊剂得到的焊缝冲击韧性较高，抗裂纹能力强，但脱渣性不太好。通常用碱性度作为衡量熔渣酸碱性的尺度。碱性度有几个计算公式，列举两个：碱性度碱性成分的质量分数酸性成分的质量分数BL6.05nCa0-6.31nSi02-4.97nTi02-0.2nAl2O3+4.8nMnO+4.0nMgO+3.4nFeO式中n为各成分的摩尔率；当BL0时呈碱性，BL0时呈酸性。,.,42,原则：焊丝、焊剂要匹配选用，在满足技术要求的前提下考虑经济性。结构钢按等强原则选用焊丝，专业用钢（不锈钢、耐热钢等）按化学成分相同或相近的原则选用焊丝，有时焊丝的合金元素含量要比母材的稍高。熔炼焊剂价格便宜，成分均匀，不易吸潮，但合金过渡系数低，通常只适宜于碳素结构钢和某些低合金结构钢的焊接；焊接合金钢时应选用氧化性低的焊剂，以减小合金元素的烧损。烧结焊剂价格较高，容易吸潮，但合金过渡系数高，适用于高合金钢和不锈钢等钢种的焊接。,6、焊丝与焊剂的搭配,.,43,焊丝、焊剂选用示例：碳素结构钢：不开坡口，可选用HJ431+H08A开坡口，可选用HJ431+H08A或HJ431+H08MnA16Mn钢：不开坡口，可选用HJ431+H08A或HJ431+H08MnA开坡口，应选用HJ431+H08MnA或HJ431+H10Mn2,焊丝与焊剂的组配对埋弧焊焊缝金属的力学性能有着决定作用。低碳钢的焊接可选用高锰高硅型焊剂，配用H08MnA焊丝，或选用低锰低硅型焊剂配用H08MnA、H10Mn2焊丝。低合金高强钢的焊接可选用中锰中硅型焊剂配用适当的低合金高强钢焊丝。耐热钢、低锰钢、耐蚀钢的焊接可选用中硅、低硅型焊剂，配用相应的合金钢焊丝。铁索体、奥氏体钢一般选用碱度较高的焊剂以降低合金元素的烧损及渗入较多的合金元素。,.,44,第六节埋弧焊工艺,一、埋弧焊工艺的内容和编制,1、埋弧焊工艺的主要内容工艺方案的选择；工艺装备的选用；坡口的设计与加工；焊接材料的选用；工艺参数的制订；焊件组装工艺编制；工艺措施的制订；焊接缺陷的检查与修补；2、编制焊接工艺的原则和依据在保证满足技术要求的前提下尽可能使工艺简单，提高效率、降低成本。编制的依据是焊件材料的牌号和规格、焊件的形状和结构、焊接位置以及对焊接接头性能的技术要求等。,.,45,二、接头坡口形式及焊前处理,1、对接焊缝坡口I型坡口，V型坡口：,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重要影响。因此，在确定坡口形状时，需要对板厚、材质、质量要求、坡口加工及对接精度等种种条件做出充分的考虑。,.,46,X型坡口，U型坡口：坡口尺寸参数：,.,47,2、角接焊缝坡口T型角接L型角接,.,48,3、焊前处理a）坡口表面清理；b）装配定位；c）设置引入板、引出板、工艺试板；,1-引弧板2-工件3-工艺试板4-引出板,.,49,三、焊接工艺参数及焊接缺陷,1、主要参数焊丝直径、焊接电流、焊接电压、焊接速度；,.,50,.,51,.,52,对接接头环缝埋弧焊,.,53,2、接头缺陷,焊缝烧穿、未熔合、结晶裂纹、冷裂纹、气孔、熔渣卷入、咬边等；热影响区软化、脆化、耐蚀性降低等；,根据b、等，然后根据、焊层厚度（熔深）I，根据所在的层数（熔宽）U；在以上基础上，配以合适的v；工艺参数之间的合理匹配：一般达到成形系数：1.32，熔合比：通常在3060%之间）,选用参数的一般方法：,.,54,四、单面焊工艺,对接焊缝要得到完全的熔透，最可靠的办法是进行双面焊接。然而有时侯构件的结构形状不具备双面焊的条件，或巨大的结构，受到工场空间、设备等因素制约不变翻转而实施双面焊接。因此，开发单面焊技术很有必要。单面埋弧焊有多种实施方法，分别应用于不同的对象。1、金属衬垫方式采用与母材同材料的衬垫，在母材熔化的同时，衬垫亦产生熔化，并成为焊缝的一部分，应用于较薄板对缝焊接及L型角接头完全熔透的焊接中。由于接头完成后衬垫留在接头上，其间隙是应力集中源，因此不适合在受动载荷（疲劳载荷、冲击裁荷）的结构上应用。,.,55,2、铜衬垫方式,在母材背面设置厚的紫铜衬板，两者紧密接触，能够在大电流焊接时得到平滑的背面焊缝。主要应用于较薄的板件。要求铜衬垫与母材紧密接触，这往往难以做到。,.,56,铜衬垫,固定式铜衬垫顶紧机构,移动式水冷铜滑块结构,.,57,3、焊剂衬垫方式,软管式焊剂垫垫,把耐火性焊剂放置在母材背面，通过气路加压使之与母材紧密接触，该方式能防止熔化金属的脱落。然而使用颗粒状耐火焊剂难以得到背面平滑的焊缝，因此制造出衬垫专用焊剂，该焊剂受工件传热后能以固态化形式附着在母材背面，在电弧正下方总是处于固体形态，其对熔池的托力是稳定的，所以能够得到均匀的背面焊缝。,热固