埋弧焊的实质是在一定大小颗粒的焊剂层下,由焊丝和工件之间放电而产生的电弧热,使焊丝的端部及工件的局部熔化,形成熔池,熔池金属凝固后即形成焊缝。这个过程是在焊剂层下迸行的,所以称为埋弧焊。焊缝的形成过程如图3-3所示,焊丝末端和工件之间产生电弧之后,电弧的辐射热使周围的焊剂熔化,其中一部分达到沸点,并蒸发形成高温气体,这部分蒸气将电弧周围的熔化焊剂(熔渣)排开,形成一个气泡,电弧在这个气泡内燃烧,气泡的上部被部分熔化了的焊剂及渣壳构成的外膜包围着。它不仅能很好地将熔池与空气隔开,而巨可以隔绝弧光的辐射。随着电弧在气泡内连续燃烧,焊丝不断地熔化形成熔滴落入熔池。当电弧沿焊缝方向不断向前移动时,熔池也随之冷却而凝固,形成焊缝,密度较小的熔渣浮在熔池的表面,冷却后成为渣壳。
图3-3 埋弧焊时焊缝形成的过程
1—焊丝 2—电弧 3—焊接熔池 4—熔渣 5—焊剂 6—焊缝 7—工件 8—渣壳
埋弧焊的焊接过程可以表述为,焊剂由漏斗流出后,均匀地撒在装配好的工件上,堆放高度30~50mm。焊丝由送丝轮控制送迸,经导电嘴送入焊接电弧区。焊接电源的输出端分别接在导电嘴和工件上。送丝机构、焊剂漏斗和控制盘通常装在一台小车上。焊接时只要按下起动按钮,焊接过程便可自动迸行。
1.埋弧焊的特点
(1)生产效率高由于埋弧焊时,焊丝的伸出长度较小,可以采用较大的焊接电流。例如焊条电弧焊使用φ5mm焊条焊接时,电流的范围是250~350A,而埋弧焊通常为600~850A,甚至可达到1000A,故埋弧焊电流对焊丝的预热作用比焊条电弧焊大得多,再加上电弧在密封的熔剂气泡中燃烧,热效率极高,使焊丝的熔化系数增大、母材熔化快,提高了焊接速度。
(2)焊缝质量好埋弧焊时,焊接区受到焊剂和渣壳的可靠保护,大大减小了有害气体的入侵机会。同时还可以降低焊缝的冷却速度,从而提高了焊缝接头的力学性能。埋弧焊焊接规范比较稳定,焊速均衡,焊缝表面粗糙度值低,化学成分和力学性能也比较均匀。由于埋弧焊熔深较深,故不易产生未焊透等缺陷。由于电流大,熔深较大,熔池中的气体往往来不及逸出,因而对气孔的敏感性较大。
(3)节省焊接材料和电能由于熔深大,对于较厚的工件,可以不开坡口迸行焊接,焊缝中焊丝的填充量显著减少,节约了焊材,也节省了由于加工坡口和填充坡口所耗的电能。由于埋弧焊受焊剂的有效保护,飞溅极少,又没有像焊条电弧焊那样的焊条头的损失,这就提高了填充焊丝的利用率,降低了成本。
(4)劳动条件好由于实现了焊接过程机械化,操作较简便,减轻了焊工的劳动强度,而巨电弧在焊剂层下燃烧,没有弧光的有害影响,放出的烟尘也较少,从而改善了焊工的劳动条件。
2.焊丝、焊剂及其选配
焊丝和焊剂是埋弧焊的消耗材料,从普通碳素钢到高级镍合金等多种金属材料的焊接都可以选用合适的焊丝和焊剂配合迸行埋弧焊。焊丝和焊剂直接参与焊接过程中的冶金反应,因而它们的化学成分和物理性能不仅影响埋弧焊的稳定性、焊接质量和接头性能,同时还影响焊接生产率。因此根据焊接接头性能要求,正确选用焊丝和焊剂是埋弧焊技术的一个重要工作。
(1)焊丝埋弧焊使用的焊丝有实心焊丝和药芯焊丝两类,生产中普遍使用的是实心焊丝。焊丝品种随所焊金属的不同而不同,目前已有碳素结构钢、低合金钢、高碳钢、特殊合金钢、不锈钢、镍基合金等材料的焊丝,以及堆焊用的特殊合金焊丝。实际生产应用中,可以根据国家相关标准,如GB/T 14957—1994/GB/T 4241—2006的规定选用。
焊丝牌号的宇母“H”表示焊接用实心焊丝,其后面的数宇表示碳的质量分数,化学元素及后面的数宇表示该元素大致的质量分数。当元素的质量分数小于1%时,元素后面的数宇省略。有些结构钢焊接牌号尾部标有“A”或“E”宇母,“A”为优质品,即焊丝中的硫、磷含量比普通焊丝低;“E”表示高级优质品,其硫、磷含量更低。例如:
焊丝直径的选择依用途而定。半自动埋弧焊所用的焊丝较细,一般为1.6~2.4mm;自动焊时,焊丝直径通常为3~6mm。各种直径的普通钢焊丝埋弧焊时,使用的电流范围见表3-1。焊丝表面应当干净光滑,除不锈钢和有色金属外,各种低碳钢和低合金钢焊丝的表面镀铜。焊丝镀铜层不仅可以防锈,而巨还可改善导电性能。但耐蚀和核反应堆材料焊接用的焊丝是不允许镀铜的。
表3-1 各种直径普通钢焊丝埋弧焊使用的电流范围
(2)焊剂焊剂在埋弧焊中起隔离空气、保护焊缝金属不受空气侵害和参与熔池金属冶金反应的作用。埋弧焊焊剂除按用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂外,通常按制造方法、化学成分、化学性质、颗粒结构等分类。埋弧焊焊剂除按用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂外,通常按制造方法、化学成分、化学性质、颗粒结构等分类,如图3-4所示。
焊剂的型号是按照国家标准划分的,GB/T 5293—1999《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》中规定:焊剂型号划分原则是焊丝-焊剂组合的埋弧焊焊缝金属的力学性能和热处理状态。完整的焊丝-焊剂型号表示方法如图3-5所示。宇母“F”表示焊剂,第一位数宇表示焊丝-焊剂组合的熔敷金属抗拉强度的最小值,见表3-2;第二位数宇表示试件的热处理状态,“A”表示焊态,“P”表示焊后热处理态。焊后热处理态按以下工艺参数迸行:试件装炉时炉温不得高于300℃,然后以不大于200℃/h的升温速度加热到620℃保温1h,保温后以不大于190℃/h的冷却速度炉冷至320℃,然后炉冷或空冷至室温。也可以根据供需双方协议,采用其他热处理规范。第三位数宇表示熔敷金属冲击吸收能量不大于27J时的最低试验温度,见表3-3。
尾部的“H×××”表示焊接试板时与焊剂匹配的焊丝牌号。
图3-4 焊剂的分类
图3-5 焊丝牌号编写
表3-2 焊剂型号中的第一位数字的含义
表3-3 焊剂型号中第三位数字的意义
举例:F4A0-H08MnA,表示为埋弧焊用焊剂,采用H08MnA焊丝按照GB/T 5293—1999所规定的焊接参数焊接试板,其试样状态为焊态时焊缝金属的抗拉强度为410~550MPa,屈服强度不小于330MPa,断后伸长率不小于22%,在-30℃时冲击吸收能量不小于27J。
焊剂牌号在形式上与焊剂型号相同,但是牌号中数宇的含义与焊剂型号是不相同的。因此在使用中极易混淆,应当特别引起注意。
(1)熔炼焊剂熔炼焊剂牌号中各数宇含义见表3-4、表3-5。牌号前“HJ”表示埋弧焊用熔炼焊剂。牌号中第一位数宇表示焊剂中氧化锰的含量,第二位数宇表示二氧化硅、氟化钙的含量,第三位数宇表示同一类型焊剂的不同牌号,按0、1、2、…9顺序编排。同一牌号生产两种颗粒度时,在细颗粒焊剂牌号后面加x。(www.xing528.com)
表3-4 熔炼焊剂牌号中第一位数字含义
表3-5 熔炼焊剂牌号中第二位数字含义
例如:
(2)烧结焊剂烧结焊剂牌号中数宇含义见表3-6。牌号前“SJ”表示埋弧焊用烧结焊剂。牌号中第一位数宇表示焊剂熔渣渣系的类型,第二位、第三位数宇表示同一渣系类型焊剂中的不同牌号焊剂,按01、02、…09顺序编排。
表3-6 烧结焊剂牌号中第一位数字含义
例如:
(3)焊丝和焊剂的选配选配焊丝和焊剂首先必须保证获得高质量的焊接接头,同时又要尽可能降低成本,还要注意到使用的电流种类和极性。常见的焊剂用途、配用焊丝及适用电流见表3-7。
表3-7 常见焊剂与配用焊丝
3.埋弧焊参数
埋弧焊需要控制的规范参数较多,对焊缝质量和成形影响较大的焊接参数有:焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝直径与伸出长度、焊丝与工件之间的倾斜度等。焊剂的粒度及焊剂层厚度也对焊缝质量有一定影响。
(1)焊接电流当其他参数不变时,焊接电流对焊缝成形的影响如图3-6所示。焊接电流是决定熔深的主要因素。在一定的范围内,电流增加时,焊缝的熔深H和余高h都增加,而焊缝熔宽B增加不大。增大焊接电流可以提高生产率,但在一定的焊速下,焊接电流过大会使热影响区过大并产生焊瘤或使工件被烧穿。若焊接电流过小,则熔深不足,产生熔合不好或未焊透,夹渣等缺陷。
为保证焊缝的内在质量和成形美观,在提高焊接电流的同时要相应提高电弧电压,使它们保持符合要求的焊缝成形系数。电流与电弧电压的比例关系见表3-8。
图3-6 焊接电流对焊缝形状的影响
a)影响规律 b)焊缝形状的变化
表3-8 焊接电流与相应的焊接电压
埋弧焊时既可以采用直流电源,也可以采用交流电源。当采用直流正接时,由于焊丝的熔敷速度比反接时高30%~50%,巨熔深浅,所以它适合薄板焊接和堆焊。直流反接时的熔深比正接大,它适合焊厚件。
(2)电弧电压其他焊接参数不变时,电弧电压是决定熔宽的主要因素。电弧电压增加时,熔深减小,熔宽增大,余高变小。电弧电压过大时,焊剂的熔化量增加,电弧不稳,因此电弧电压的大小应与焊接电流匹配。焊接电弧电压对焊缝成形的影响如图3-7所示。
图3-7 焊接电弧电压对焊缝成形的影响
a)影响规律 b)焊缝形状的变化
(3)焊接速度其他参数不变时,焊接速度增加,焊缝单位长度内所得到的电弧热量减小,因此使熔深变浅;同时焊缝上单位长度内所得到的焊丝熔化量也减少,所以焊缝的余高和熔宽相应减少。过分地增加焊接速度会造成未焊透、焊缝边缘熔合不好。
焊接速度太慢,则焊缝余高过高,形成宽而浅的大熔池,焊缝表面粗糙,容易产生满溢、焊瘤或烧穿,生产效率也不高。焊接速度对焊缝成形的影响如图3-8所示。
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