钢结构埋弧焊焊接技术

1、钢结构埋弧焊焊接技术摘要 随着我国经济的发展，越来越多的国家重点工程采用重型钢结构。其特点是:所用结构件板厚大都在50mm以上，焊接工作量大。如何采用高效焊接方法满足生产需要是摆在各重型钢构企业面前的一道难题。渣相保护的埋弧焊以其焊接效率高、焊缝质量好、操作环境佳等优点在钢结构行业中有广泛的应用。关键词：埋弧焊；钢结构；力学性能；焊接1 前言焊接是一种将材料永久连接，并成为具有给定功能结构的制造技术。焊接的实质就是利用加热、加压或加压的同时加热等方法将两个分离的物体达到原子间相互结合，从而连接成一个整体的过程。几乎所有的产品，从几十万吨巨轮到不足1克的微电子元件，在生产制造中都不同程度地应用焊

2、接技术。焊接已经渗透到制造业的各个领域，直接影响到产品的质量、可靠性和寿命以及生产成本、效率和市场反应速度。到目前为止，还没有另外一种制造工艺比焊接更为广泛地应用于材料间的连接，并对所焊产品产生更大的附加值。 埋弧焊产生于20世纪30年代，其特点是采用大的焊接电流、电弧受熔渣保护、焊接时无弧光等，所以操作工人的劳动环境比较好，受弧光的污染和刺激很小。埋弧自动焊是世界上最早摆脱手工操作走上机械自动化的焊接方法，埋弧焊的熔深大、生产效率高、机械化程度高，非常适合于中厚板结构长焊缝的焊接，埋弧焊在造船、压力容器、桥梁、铁路车辆、工程机械、管道、核电站结构、海洋结构等领域有着广泛的应用，是当今焊接生产

3、过程中应用最普遍的熔焊方法之一。其中双丝埋弧焊是一种先进高效的焊接方法，双丝的引入减少了焊接道次，焊接生产效率得到显著提高，通过调节前、后丝焊接电流，能够在较宽的范围内控制输入的焊接线能量，从而满足不同使用条件下的性能要求。所以80年代中期，双丝埋弧焊已在国际上成为主要焊接方法，而且在先进工业国家的应用比例越来越大。因双丝埋弧焊工艺比较复杂，我国关于其理论的研究尚不成熟，且现场操作人员对这项技术的掌握还处于起步阶段，各种因素对焊接接头最终能的影响还有待进一步研究。2 埋弧焊技术2.1埋弧焊的发展历史 美国国家管道公司根据宾夕法尼亚州麦基斯波特的一家管道工厂的需要发明了埋弧焊技术。当时该技术用于

4、焊接管道中的纵缝。1930年Robinoff获得了该技术专利权，随后又将其卖给Linde气体产品公司，Linde气体产品公司将其更名为Unionmelf焊接技术。1938年，美国的船厂和军械厂都采用了埋弧焊技术。它是比较高效的焊接方法之一，到目前埋弧焊技术得到了进一步的发展和应用。2.2埋弧焊的原理及特点2.2.1弧焊成型原理 预先把颗粒状焊剂散布在焊接线上，通过自动送丝装置把焊丝连续地送进焊剂中，在焊丝前端与母材间引燃电弧进行自动电弧焊(图1) 。埋弧自动焊焊接时，引燃电弧、送丝、电弧沿焊接方向移动及焊接收尾等过程完全由机械来完成。由于电弧被掩埋在焊剂里面，从外部看不见，因此称作埋弧焊。1-

5、焊丝2-电弧3-熔池金属4-熔渣5-焊剂6-焊缝7-焊件8-渣壳图1 埋弧焊焊缝形成过程示意图2.2.2埋弧焊特点1.保护效果好：埋弧焊时，焊丝、电弧、液态熔池以及凝固但仍处于高温的焊缝金属均可以受到颗粒状的焊剂和所生成熔渣壳的保护，熔渣可以隔绝空气，保护效果好，电弧区的主要气体成分是CO，焊缝金属含氮量、含氧量大大降低，所以焊缝成形好，成分稳定，力学性能比较好。2.防护好:较厚的焊剂层遮住了电弧和飞溅，基本消除了弧光和飞测物对焊工的危害。3.生产效率高:埋弧焊生产效率高，一方面是因为其易于实现机械化操作，焊丝导电长度缩短，焊丝电流密度都得以提高。因此，电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都大大提高。

6、另一方面由于焊剂和熔渣的隔热作用，电弧基本上没有热的辐射散失，飞溅也小，因此热效率大大提高，使埋弧焊的焊接速度得以大大提高。以厚度8-10mm的钢板对接接头的焊接为例，单丝埋弧焊速度可达30-50m/h;双丝或多丝埋弧焊还可提高一倍以上1,2，而焊条电弧焊则不超过6-8m/h，所以埋弧焊特别适用于中厚板长焊缝的焊接。4.可供选用的焊丝和焊剂的品种较多。5.焊丝和焊剂的配合使用，易于实现焊缝的成分调整。 2.2.3埋弧焊的工艺参数1.焊接电流当其他参数都不变时，焊接电流对焊缝形状和尺寸的影响较大。一般焊接条件下，焊缝熔深与焊接电流的大小成正比，随着焊接电流的增加，熔深和焊缝余高都有显著增加，而焊

7、缝的宽度变化不大。同时，焊丝的熔化量也相应增加，这就使焊缝的余高增加。随着焊接电流的减小，熔深和余高都减小。2.电弧电压 随着电弧电压的不断增加，焊缝熔宽度明显增加，而熔深和焊缝余高则有所下降。但是电弧电压太大时，不仅使熔深变小、产生未焊透，而且会导致焊缝成形差、脱渣困难，甚至产生咬边等缺陷。所以在增加电弧电压的同时，还应适当增加焊接电流。 3.焊接速度 当其他焊接参数不变而焊接速度增加时，焊接热输入量相应减小，从而使焊缝的熔深也减小。焊接速度太大会造成未焊透等缺陷。为保证焊接质量必须保证一定的焊接热输入量，即为了提高生产率而提高焊接速度的同时，应相应提高焊接电流和电弧电压。 4.焊丝直径与伸

8、出长度 当其他焊接参数不变而焊丝直径增加时，弧柱直径随之增加，即电流密度减小，会造成焊缝宽度增加，熔深减小。反之，则熔深增加及焊缝宽度减小。 当其他焊接参数不变而焊丝长度增加时，电阻也随之增大，伸出部分焊丝所受到的预热作用增加，焊丝熔化速度加快，结果使熔深变浅，焊缝余高增加，因此须控制焊丝伸出长度，不宜过长。 5.焊丝倾角 焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾。倾角的方向和大小不同时，电弧对熔池的力和热作用也不同，从而影响到焊缝的成形。当焊丝后倾一定角度时，由于电弧指向焊接方向，使熔池前面的焊件受到了预热作用，电弧对熔池的液态金属排出作用减弱，而导致焊缝变宽而熔深变浅。反之，焊缝宽度较小而熔深较大，但

9、易使焊缝边缘产生未熔合和咬边，并且使焊缝成形变差。2.2.4埋弧焊机的种类1.多电源串列双丝埋弧焊；2.单电源并列双丝埋弧焊；3.热丝填丝埋弧焊；4.单电源串联双丝埋弧焊；2.2.5埋弧焊的应用范围由于埋弧焊焊接熔深大、生产效率高、机械化程度高，因而特别适用于厚板长缝的焊接，在造船、锅炉与压力容器、化工、桥梁、铁路车辆、起重机械、工程机械、管道、核电设备、海洋结构制造等领域得到广泛应用。随着焊接冶金技术和焊接材料的发展，埋弧焊所能焊接的材料己从碳素结构钢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、铜合金等(表1)。表1埋弧焊的应用范围2.3埋弧焊技术的研究现状及发展前景

10、 我国焊接设备制造业起步比较晚，20世纪50，60年代我国重点企业的大型焊接装备大部分靠进口，到了20世纪70年代，国内才组建一批专门生产焊接装备的制造厂。埋弧焊机电源的发展经历了4个阶段:机械调节型电源、磁饱和放大器电源、晶闸管整流电源和IGB'I，逆变电源。其控制系统的发展也经历3个阶段:机械控制、分离元件控制、集数字控制闸管整流电源、埋弧焊逆变电源，以其高效节能、良好的动特性和弧焊工艺性能等优点成为常规埋弧焊电源的更新换代产品。随着电力电子技术的发展，埋弧焊设备的电路、器件及其控制技术向集成化、高频化、全控化、电路弱电化、控制数字化以及多功能化的方向发展。在埋弧焊接过程控制方面，

11、微机被广泛运用于埋弧焊规范参数的控制、焊接工件的自动定位和埋弧焊焊缝自动跟踪、埋弧焊的过程控制以及焊接生产线的自动化。随着埋弧焊工艺的发展，为适应一些特定的焊接要求，派生出了许多新的埋弧焊工艺，如双丝埋弧焊和多丝埋弧焊、窄间隙埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、添加磁性焊剂埋弧焊等。传统埋弧焊生产中有两种自动调节方法:一是电弧自身调节系统，它采用缓降特性或平特性电源配等速送丝系统，通过改变焊丝熔化速度进行调节，该系统主要用于4mm以下细丝埋弧焊接;二是电弧电压反馈变速送丝调节系统，它采用陡降特性或垂降特性电源配变速送丝系统，利用电弧电压反馈改变送丝速度进行调节。目前国内大多数埋弧自动焊机及焊接

12、操作机仍是采用分离元件模拟控制，由于埋弧自动焊动态过程是一个具有高度非线性、时变性及多变量祸合作用的复杂系统，固定的控制模式和控制参数难以保证各种焊接条件下的焊接性能，难以适应整个调节范围内参数的优化;在较强、较弱的焊接规范下，往往焊接性能不理想，随着焊接技术的发展焊机也不断的发展进步。微机控制多功能晶闸管焊机，微机控制埋弧焊逆变焊机，它们是采用微机控制技术和逆变技术相结合的一种功能齐全、性能稳定、具有多种输出外特性的逆变埋弧自动焊系统。 进入21世纪，随着国家冶金、矿山、起重、锻压、焦炉、塔架等开发投资力度的增加，给我国重型机械金属行业带来了新的发展机遇。尤其是我国加入WTO以后，重型机械行

13、业面临着更激烈的竞争。我们必须清醒地认识到，焊接技术仍然严重制约着重型机械行业的产量、质量、成本和生产周期。结合我国国情，重型机械金属结构行业的发展方向应是努力提高焊接设备和工艺技术水平，平衡发展相关焊接技术，结合新产品开发及新项目立项，研究应用焊接新工艺、新设备、新材料和新技术，进一步提高焊接生产效率和质量，降低成本，缩小与工业发达国家的差距，推动我国焊接技术的不断发展。 埋弧焊作为现代工业的一个重要加工环节，焊接过程的自动化和智能化是保证焊接质量、提高生产效率、改善劳动条件的重要手段，也是未来焊接技术的发展方向。埋弧焊机控制技术随着科学技术的不断进步，尤其是计算机技术的迅速发展，现代智能控

14、制中的专家系统控制方法、模糊控制方法、人工神经网络控制方法和复合控制方法等，在埋弧焊生产过程中得到了广泛的应用。焊接工艺高效化、焊接电源控制数字化、焊接质量控制智能化、焊接生产过程自动化己经是国内外焊接加工技术研究和应用的重要发展趋势。 进入21世纪，科学技术突飞猛进的发展，高效化焊接已经提到日程，埋弧焊焊接高效化己是国内外焊接技术研究和应用的重要方面。以前在高效化焊接中主要以材料焊接方面的问题居多，随着冶金业的进步，焊材的可焊性提高，对线能量不再敏感，允许使用大电流焊接;另外，焊接过程机械化与自动化水平的提高，也要求提高焊接效率。高速焊接和高熔敷率焊接是今后焊接技术的发展方向，而双丝高速高效

15、焊接又是热点之一，它将在工业生产中得到越来越广泛的应用。3埋弧焊实验3.1注意事项 焊接时，先将焊丝由送丝机构送进，经导电嘴与焊件轻微接触，焊剂由漏斗口经软管流出后，均匀地堆敷在待焊处，把导电嘴及焊口埋在焊剂下面。引弧后电弧将焊丝和焊件熔化形成熔池，同时将电弧区周围的焊剂熔化并有部分蒸发，形成一个封闭的电弧燃烧空间，密度较小的熔渣浮在熔池表面上，将液态金属与空气隔绝，有利于焊接冶金反应的进行。随着电弧向前移动，熔池液态金属随之冷却凝固而形成焊缝，浮在表面上的液态熔渣也随之冷却而形成渣壳。焊接时，焊机的启动、引弧、送丝、机头(或焊件)移动等过程全由焊机自动化控制。3.2埋弧焊实验步骤3.2.1焊

16、前准备 埋弧焊在焊接前必须做好准备工作，包括焊件的坡口加工、待焊部位的表面清理、焊件的装配以及焊丝表面的清理、焊剂的烘干等。 1.坡口加工坡口加工要求按有关标准执行，以保证焊缝根部不出现未焊透或夹渣，并减少填充金属量。坡口的加工可使用刨边机、机械化或半机械化气割机、碳弧气刨等，加工后的坡口尺寸及表面粗糙度等必须符合设计图样或工艺文件的规定。 2.待焊部位的清理焊接清理主要是去除锈蚀、油污及水分，防止气孔的产生。一般用喷砂、喷丸方法或手工清除，必要时用火焰烘烤待焊部位。在焊前应将坡口两侧各20mm区域内及待焊部位的表面铁锈、油污、氧化皮等清理干净。 3.焊件的装配装配焊件时要保证间隙均匀，高低平

17、整，错边量小，定位焊缝长度一般大于30mm，并且定位焊缝质量与主焊缝质量要求一致。必要时采用专用工装、卡具。对直焊缝焊件的装配，在焊缝两端要加装引弧板和引出板，待焊后再割掉，其目的是使焊接接头的始端和末端获得正常尺寸的焊缝截面，而且还可避免引弧和收尾容易出现的缺陷。 4.焊接材料的清理埋弧焊用的焊丝和焊剂对焊缝金属的成分、组织和性能影响极大。因此焊接前必须清除焊丝表面的氧化皮、铁锈及油污等。焊剂保存时要注意防潮，使用前必须按规定的温度烘干待用5。3.2.2焊后试样制备 利用线切割机进行试样切割。线切割技术是线电极电火花加工技术，是电火花加工技术中的一种类型，简称线切割加工。线切割机床采用铝丝或

18、硬性黄铜丝作为电极丝。线切割的工件为工件电极，电极丝为工具电极。脉冲电源发出连续的高频脉冲电压，加到工件电极和工具电极上，在电极丝与工件之间加有足够的、具有一定绝缘性能的工作液。当电极与工件间的距离小到一定程度时，工作液介质被击穿，电极丝与工件之间形成瞬时火花放电，产生瞬间高温，生成大量的热，使工件表面的金属局部熔化，甚至汽化;再加上工作液体介质的冲洗作用，使得金属被蚀除下来。这就是线切割机床的加工原理。工件放在机床坐标工作台上，按数控装置或微机控制程序控制下的预定轨迹进行加工，最后得到所需要形状的工件3。 在切割工程中应注意铝丝不能直接接触金属件，利用电压击穿空气来进行切割，注意合理的安排参

19、数尺寸，避免切不出来。脉冲频宽，电压值等等都要设置合理，不能太大也不能太小，切割速度也要控制适当，如果太小就切割缓慢浪费时间，如果太快则可能引起断丝。本次切割的目的是为了获得金相试样、拉伸试样以及冲击试样，三类试样都是以焊缝为中心进行切割，两边对称;拉伸试样和冲击试样则还需进行后续的机加工。 试样制备：对试样进行打磨，分别取型号为80, 120, 180, 240, 320, 400,500型号的砂纸对试样进行打磨，打磨要放在玻璃上进行，首先选择80号的砂纸进行粗磨，依次进行，在打磨时，只能单向的向前磨，不能来回磨，磨了一段时间后换90。后再继续打磨，一般一张砂纸磨20分钟左右，最后直到打磨界

20、面光滑无斑点为止，打磨后进行抛光，两跟手指夹住工件轻轻的放在抛光机上，不要用力压而引发安全事故，抛光一个不能太长时间，这样会使得抛光面温度升高改变晶相组织，抛光直到工件无划痕为止。3.3焊接材料及焊接工艺参数的选择3.3.1焊接材料选择 本实验选用如下材料:焊丝H08A、焊剂HJ431、焊剂SJ4314、母材钢种16Mn。本实验采用成都华远电器设备有限公司生产的MZS-1250型双丝埋弧自动焊焊机在板厚为20mm的16Mn母材上分别进行了单丝直流、交流和双丝埋弧焊。母材加工成70°带V型钝边的坡口，钝边12mm，装配间隙0-lmm。采用双面焊接工艺，第一面施焊时背面采用焊剂垫。焊前对

21、接头坡口周围两侧20mm范围内的铁锈、油污、水分等仔细地进行清理。 MZS-1250型双丝埋弧自动焊焊机为多电源埋弧自动焊焊机，按其焊丝排列可分为并列和串列两种，本次实验选用焊丝串列排布。多电源串列双丝埋弧焊中每一根焊丝由一个电源独立供电，根据两根焊丝间距的不同，其方法有共熔池和双熔池(分离电弧)两种。共熔池特别适合焊丝掺合金堆焊或焊接合金钢;分离电弧能起到前弧预热、后弧填丝及后热作用，以达到堆焊或焊接合金不出裂纹和改善接头性能的目的。在双丝埋弧焊中多用后一种方法(如图2)。本次实验采用共熔池进行试件焊接。 图2双电源串列双丝埋弧焊示意图每根焊丝都有几种选择的可能:或一根是直流，一根是交流;或

22、两根都是直流或两根都是交流。若两根焊丝都通直流，且焊丝都接电源正极，则就可能获得比其他焊丝选择方式大的熔深，也就能获得较大的焊接速度。由于电弧间的电磁干扰和电弧偏吹的缘故，最常采用的布置是一根前导的焊丝反极性和跟踪交流焊丝，或是两根交流焊丝。直交流系统利用前导的直流电弧较大的熔深，来提供较高的焊接速度，通常在略低电流下正常工作的交流电弧，将改善该焊缝的外形和表面光洁度6。3.3.2焊接工艺参数选择 焊接工艺参数的确定:焊接线能量的确定主要取决于过热区的脆化和冷裂两个因素。对焊接含碳偏下限的16Mn时，对线能量基本没有严格的限制，因为这类钢的过热敏感性不大，另外它们的淬硬倾向和冷裂敏感性也不大。

23、 本课题焊接试样采用对接焊，坡口为V形坡口。试验条件，焊前将接头周围坡口两侧各20mm范围内的铁锈，油污等杂质清理干净；将焊剂在300-350烘烤1-2小时，使用时尽量保持干燥无杂物。所有试样均需开坡口，坡口形式及尺寸如图3所示，焊接过程中应注意不断的给所焊位置加焊剂，以阻隔空气进入所焊区域。图3坡口形式及尺寸图本次埋弧焊实验确定如下两种工艺方案： 采用双面焊技术，选择焊接正面及背面时电流的大小一致。焊接工艺参数如表2、表3所示: 1.在相同的焊接速度(48cm/min)和相同的焊接电压(3843V)条件下，采用不同的焊接线能量，在母材16Mn上进行单丝直流、交流与双丝埋弧焊(焊接工艺参数见表

24、2)，并对焊后的熔敷率、焊缝尺寸等数据进行测定。 表2相同焊接速度的焊接工艺参数 表3 相同焊接线能量的焊接工艺参数2.在焊接线能量(4446 kJ/cm)，焊接电压(3843 V)不变的条件下，通过改变焊接电流和焊接速度对单丝直流、交流与双丝埋弧焊所得的焊缝尺寸以及性能数据进行了测定(焊接工艺参数见表3)。4 实验结果讨论与分析4.1焊接接头性能分析 焊接接头的性能是影响焊接结构使用性能的重要因素之一，可以采用各种性能试验对接头在不同载荷下的强度、塑性、韧性、疲劳强度及耐腐蚀性等进行测定，以评价焊接接头的质量。其中力学性能是评价焊接接头性能优良与否的最重要的依据，各种材料、结构的焊接接头力学

25、性能试验及评定结果，对于提高焊接的工艺性及获得优良的焊接接头具有重要的意义。4.1.1焊缝冲击性能分析 采用V型缺口冲击试样，按GB2650-89规定进行焊接接头冲击试样取样，本次实验V型缺口开在焊缝区，进行20冲击试验，冲击试样见图4，沿垂直焊接方向取样，试样的纵向与焊接方向垂直。图4冲击试样图 表4一是相同焊接速度下的焊缝区冲击结果。从表中可以看出，当焊接速度相同时，三种焊接工艺的冲击韧度值都随着焊接电流的增大而增大，单丝直流和单丝交流埋弧焊的焊缝冲击韧度差距很小，且都高于双丝埋弧焊的，表明电流类型对冲击韧度的影响不明显，而电流的大小却起着极其重要的作用。双丝埋弧焊时焊缝的冲击韧度小于单丝

26、直流和单丝交流埋弧焊的，其原因是双丝焊埋弧焊时线能量较大，组织较后二者粗大。双丝埋弧焊冷却速度慢，高温停留时间长，形成的晶粒较粗大。此外，在双丝自动埋弧焊的焊缝区出现了过热现象，部分区域产生了魏氏组织，而魏氏组织的出现造成焊缝区金属的冲击韧性值降低。 表5是相同线能量时的焊缝区冲击结果。从表中可以看出，双丝自动埋弧焊焊缝冲击值与单丝埋弧焊相比变化不大，由于热输入一致，焊后焊缝金属组织也相差不大，因此其冲击韧度就变化不大。由于双丝埋弧焊比单丝埋弧焊焊接电流大，焊接速度快，熔池与母材的接触面积大，在冷却时，晶粒优先从母材相连的半熔化区形核，向液态金属中生长。焊接速度越快，晶粒生长的方向与熔池移动方

27、向的夹角越接近90°，其结果造成晶粒以柱状晶的方向向焊缝中心长大，这样的生长方式，易于在焊缝中心集聚大量的低熔点共晶体和杂质，而这州氏熔点共晶体和杂质将使焊缝区的冲击韧度降低。 表4相同焊接速度时焊缝冲击值表5焊接线能量相同时焊缝冲击值4.1.2焊接接头拉伸性能分析 为了检测焊接接头的力学性能，按照GB2649-1989焊接接头机械性能试验取样方法7截取常温拉伸试样，分别对各组工艺条件下的焊接接头试样进行了剑申试验，拉伸试样图见图5。从图中可以看出断裂的位置基本都在母材，可见实验中焊接接头中母材的抗拉强度较低。 图5常温拉伸试样图表6是相同焊接速度时焊接接头的常温拉伸性能。从表中可以

28、看出，三种工艺方法下焊接接头的常温拉伸性能差距不大，且都优于所用母材的拉伸性能，母材金属的屈服强度=325MPa，抗拉强度为470-630MPa，延伸率=21%。相同速度时接头的屈服强度都在342-359MPa的范围，抗拉强度在497-530MPa的范围，满足实际生产的需要。由于焊接过程中速度一致，当焊接电流增大时，线能量也相应的增大，而大电流结晶时的晶粒也较小电流的大，按照一般的规律是结晶时晶粒较大的焊接接头的抗拉强度较弱。实验中随着焊接电流的增大，单丝直流、交流和双丝埋弧焊的屈服强度和抗拉强度都增加，虽然从数字上比较其增加的很少;说明虽然结晶的晶粒变大，但是晶粒要长大到一定的尺寸时，其力学性能才会降低，因此实验所用工艺参数合理，焊接接头的力学性能较好。表7是相同线能量时焊接接头的常温拉伸性能。从表中可以看出，三种工艺方法下焊接接头的常温拉伸性能同样差距不大，相同线能量时各接头的屈服强度和抗拉强度更为接近。由于焊接过程中线能量相同，在焊缝结晶过程中，单丝直流、交流埋弧焊的晶粒组织大小和双丝埋弧焊的相差不大，因此在拉伸过程中，大小差距不大的晶粒承受的拉应力也就差不多，而由于母材