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　　1、埋弧焊方法概论1. 埋弧焊过程原理及其特点弧焊是电弧在焊剂层下进行焊接的方法，这种方法是利用焊丝与焊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，连接被焊工件。在埋弧焊中，颗粒状焊剂对电弧和焊接区起保护和合金化作用，而焊丝则用作填充金属。埋弧过程原理如图1所示。焊丝和工件分别与焊接电源的输出端相接。焊丝由送丝机构连续向覆盖焊剂的焊接区给送，电弧引燃后，焊剂、焊丝和母材在电弧热的作用下立即熔化并形成熔池，熔化的熔渣覆盖住熔池金属及高温焊接区，起良好的保护作用，未熔化的焊剂亦具有隔离空气屏蔽电弧光和热的作用，并提高了电弧的热效率。熔融的焊剂与熔化金属之间可产生各种冶金反应

　　2、，正确地控制这些冶金反应的进程，可以获得化学成分、力学性能和纯度符合预定技术要求的焊缝金属。同时焊剂的成分也影响到电弧的稳定性，电弧柱的最高温度以及热分布。熔渣的特性也对焊道外表的成形起一定的作用。埋弧焊时可以采用较短的焊丝伸出长度并可在焊接过程中基本保持不变，焊丝可以较高的速度自动给送，因此可以采用大电流进行焊接，从而可达到相当高的熔敷率。图2对比了手工弧焊和各种埋弧焊方法的熔敷率，埋弧焊的熔敷率可比手工电弧焊高1-10倍；其次，埋弧焊是一种高电流密度焊接法，具有深熔的特点，一次熔透深度可达20mm以上，因此，它是一种高生产率焊接法。手工埋弧焊时，焊丝由送丝机构通过软管给送，焊头的移动由焊工

　　3、手工操作并控制焊接速度。埋弧焊时，整个焊接过程，如启动、引弧、送丝、焊机（或工件）移动以及焊接结束时填满弧坑等全由焊机机械化控制，焊工只需按动相应的按钮。综上所述，埋弧焊接法具有下列主要特点：第一，埋弧焊是一种高效焊接法，不仅熔敷率高，而且具有深熔能力，30mm以下的对接接头可以不开坡口或开浅坡口焊成全焊透的焊缝；第二，埋弧焊时电弧及焊接区受到良好的保护、焊缝质量优良，致密性好，且焊缝外观平整光滑，易于控制焊道的成形，能够满足对焊缝各种性能的要求；第三，简化坡口准备，节省大量的焊接材料；第四，焊接过程无弧光刺激，易于实现焊接过程的机械化、自动化，改善了焊工的劳动强度。2. 埋弧焊工艺方法及其分

　　4、类最近10年，埋弧焊作为一种高效、优质的焊接方法有了很大的发展，已演变出多种埋弧焊工艺方法并在工业生产中得到实际应用，埋弧焊按机械化程度、焊丝数量及形状、送丝方式、焊丝受热条件、附加添加剂种类和方式、坡口形式和焊缝成形条件等分类，详见图3。3. 埋弧焊的优缺点及适用范围3.1埋弧的优缺点埋弧与其他的焊接方法相比具有下列优点：1） 埋弧焊可以相当高的焊接速度和高的熔敷率完成厚度实际上不受限制的对接、角接和搭接接头，多丝埋弧焊特别适用于厚板接头和表面堆焊；2） 单丝或多丝埋弧焊可以单面焊双面成形工艺完成厚度20mm以下直边对接接头、或以双面焊完成40mm以下的直边对接和单V形坡口对接接头，可以取得

　　5、相当高的经济效益；3） 利用焊剂对焊缝金属脱氧还原反应以及渗合金作用，可以获得力学性能优良、致密性高的优质焊缝金属。焊缝金属的性能容易通过焊剂和焊丝的选配任意调整。4） 埋弧焊过程中焊丝的熔化不产生任何飞溅，焊缝表面光洁，焊后无需修磨焊缝表面，省略辅助工序；5） 埋弧焊过程无弧光刺激，焊工可集中注意力操作，焊接质量易于保证，同时劳动条件得到改善；6） 埋弧焊易于实现机械化和自动化操作，焊接过程稳定，焊接参数调整范围广，可以适应各种形状工件的焊接。7） 埋弧可在风力较大的露天场地施焊。埋弧的缺点：1） 焊接设备占地面积较大，一次投资费用较高，并需采用处理焊丝、焊剂的辅助装置；2） 每层焊道焊接后

　　6、必须清除焊渣，增加了辅助时间，如清渣不仔细，容易使得焊缝产生夹渣之类的缺陷。3） 埋弧焊只能在平焊或横焊位置下进行，对工件的倾斜度亦有严格的限制，否则焊剂和焊接熔池难以保持。3.2埋弧焊的适用范围随着埋弧焊焊剂和焊丝新品种的发展和埋弧焊工艺的改进，目前已可焊接的钢种有：所有牌号的低碳钢，c0.6的中碳钢，各种低合金高强度钢、耐热钢、耐候钢、低温用钢、各种铬钢和铬镍不锈钢、高合金耐热钢和镍基合金等。淬硬性较高的高碳钢、马氏体时效钢，铜及其合金也可采用埋弧焊焊接，但必须采取特殊的焊接工艺才能保证接头的质量。埋弧焊还可用于不锈耐蚀、硬质耐磨金属的表面堆焊。铸铁、奥氏体锰钢、高碳工具钢、铝和镁及其合金

　　7、尚不能采用埋弧焊进行焊接。埋弧焊是各工业部门应用最广泛的机械化焊接方法之一。特别是在船舶制造、发电设备、锅炉压力容器、大型管道、机车车辆、重型机械、桥梁及炼油化工装备生产中已成为主导焊接工艺，对上列焊接结构制造行业的发展起到了积极的推动作用。埋弧焊用焊接材料1. 埋弧焊的冶金特点埋弧焊的冶金过程是指液态熔渣与液态金属以及电弧气氛之间的相互作用，其中主要包括氧化、还原反应、脱硫、脱磷反应以及去气等过程。埋弧焊的冶金过程具有下列特点：1）焊剂层的物理隔绝作用埋弧焊接时，电弧在一层较厚的焊剂层下燃烧，部分焊剂在电弧热作用下立即熔化，形成液态熔渣，包围了整修焊接区和液态熔池，隔绝了周围的空气，产生了良

　　8、好的保护作用，焊缝金属的N仅为0.002，（用优质药皮焊条焊接的焊缝金属N为0.02-0.03），故埋弧焊焊缝具有较高的致密性和纯度。2）冶金反应较完全埋弧焊接时，由于焊接熔池和凝固的焊缝金属被较厚的熔渣层覆盖，焊接区的冷却速度较慢，熔池液态金属与熔渣的反应时间较长，故冶金反应较充分，去气较完全，熔渣也易于从液态金属中浮出。3）焊缝金属的合金成分易于控制埋弧焊接过程中可以通过焊剂或焊丝对焊缝金属进行渗合金，焊接低碳钢时，可利用焊剂中的SiO2和MnO的还原反应，对焊缝金属渗硅和渗锰以保证焊缝金属应有的合金成分和力学性能。4） 焊缝金属纯度较高埋弧焊过程中，高温熔渣具有较强的脱硫脱磷作用，焊缝金

　　9、属中有的硫、磷含量可控制在很低的范围内。同时，熔渣亦具有去气作用而大大降低了焊缝金属中氢和氧的含量。2. 埋弧焊的主要冶金反应埋弧焊时的冶金反应主要有：硅锰还原反应，脱硫、脱磷、碳的氧化反应和去气反应。2.1硅、锰还原反应 硅和锰是低碳钢焊缝金属中的主要合金元素，锰可提高焊缝的抗热裂性和力学强度，改善常温和低温韧性；硅使焊缝金属镇静，加快熔池金属的脱氢过程，保证焊缝的致密性。低碳钢埋弧焊用焊剂通常含有较的高的氧化锰MnO和氧化硅（SiO2）。 从焊剂中向焊缝金属过渡硅、锰的数据取决于下列四点：1、 焊剂成份的影响；2、焊丝和母材金属中Si和Mn原始含量的影响；3、焊剂碱度的影响；4、焊接参数的

　　10、影响。3. 埋弧焊用焊剂3.1埋弧焊焊剂的分类埋弧焊剂可按用途、化学成分、制造方法、物理特性和外表构进行分类。1） 用途分类焊剂按适于焊接的钢种可分为碳钢埋弧焊焊剂、合金钢埋弧焊焊剂、不锈钢埋弧焊焊剂，铜及铜合金埋弧焊焊剂和不锈钢及镍基合金埋弧堆焊用焊剂，焊剂按适用的焊丝直径分细焊丝（1.6-2.5mm）埋弧焊焊剂和粗焊丝埋弧焊焊剂，按焊接位置可分平焊位置埋弧焊焊剂和强迫成形焊剂，按特殊的用途可分高速埋弧焊焊剂，窄间隙埋弧焊焊剂，多丝埋弧焊焊剂和带极堆焊埋弧焊焊剂等。2） 按化学组分分类埋弧焊焊剂按其组分中酸性氧化物和碱性氧化物的比例可分成酸性焊剂和碱性焊剂。即：K = SiO2+TiO2 C

　　11、aO+FeO+MnO+Na2O+Al2O3K1为酸性焊剂，K1则为碱性焊剂。焊剂的碱度可按下式求得:碱度= W碱性氧化物（）W酸性氧化物（）焊剂的碱度愈高，合金元素的渗合率愈高，焊缝金属的纯度亦愈高，缺口冲击韧度也随之提高。按焊剂中SiO2的含量可将其分成低硅焊剂和高硅焊剂。sio2在35以下者称低硅焊剂；sio2大于40者称高硅焊剂。按焊剂中的锰含量可分无锰焊剂和有锰焊剂，焊剂中Mn小于1者为无锰焊剂，含锰量超过此值者为有锰焊剂。3） 按焊剂的制造方法分类按制造方法焊剂可分为熔炼焊剂和烧结焊二种。熔炼焊剂时将炉料组成物按一定的配比在电炉或火焰炉内熔炼后制成的。而烧结焊剂是配料

　　12、分碎成粉末再用粘接剂粘合成颗料熔烧制成，这二种焊剂在工业生产中已普遍采用。4） 的物理特性分类 焊剂在熔化状态的粘度随温度变化的特性可分长渣焊剂和短渣焊剂。图3所示为熔渣在高温下粘度变化的曲线。熔渣的粘度随着温度的降低而急剧增加的熔渣称为短渣，粘度随温度缓慢变化的熔渣称为长渣，短渣焊剂焊接工艺性较好，利于脱渣和焊缝成形，长渣焊剂则相反。5） 按焊剂颗粒构造分类按焊剂颗粒构造可分为玻璃状焊剂和浮石状焊剂。玻璃状焊剂颗粒呈透明的彩色，而浮石状焊剂颗粒为不透明的多孔体。玻璃状焊剂的堆散重量高于1.4g/cm3，而浮石状焊剂则不到1g/cm3，因此，玻璃状焊剂能更好地隔离焊接区不受空气的侵入。3.2对

　　13、焊剂性能的基本要求在埋弧焊中，焊剂对焊缝的质量和力学性能起着决定的作用，故对焊剂的性能提出了下列多方面的要求：1）保证焊缝金属具有符合要求的化学成分和力学性能；2）保证电弧稳定燃烧，焊接冶金反应充分；3）保证焊缝金属内不产生裂纹和气孔；4）保证焊缝成形良好；5）保证熔渣的脱渣性良好；6）保证焊接过程有害气体析出最少。 为达到上述要求，焊剂应具有合适的组分和碱度，使合金元素有效地过渡、脱硫、脱磷和去气完全。在焊剂中可加适量的碱土金属（钠、钾和钙）以提高电弧燃烧的稳定性。但焊剂中氟的存在对电弧稳定性不利，氟还可能以氟化氢、氟化硅等有害气体析出。但焊剂中氟化钙对防止气孔的形成起主要作用，如图4所示，

　　14、故焊剂中的含量应恰当控制。焊剂中的含量增加，加强了脱硫作用，提高了焊缝的抗裂性。焊剂的脱渣性主要取决于熔渣与金属之间热膨胀系数的差异以及熔渣壳与焊缝表面的化学结合力。因此，焊剂的组分应使熔渣与金属的膨胀系数有较大的差异，并尽量减小其化学结合力。另外,焊剂的干燥可在烘干炉内进行，烘干温度为350400，某些低氢碱性焊剂要求更高的温度烘干，使焊剂的水分（质量分数）降到0.1%以下。焊剂烘干时堆散层的高度不应超过40mm。3.3埋弧焊焊剂型号及标准成分3.3.1埋弧焊剂型号表示方法按照GB5293-85碳素钢埋弧用焊剂国家标准，焊剂型号的表示方法如下：HJx1x2x3HxxxHJ表示埋弧用焊剂，其分

　　15、别为“焊剂”两字拼音的第一个字母。第一位数字x1为3、4、5。表示焊缝金属抗拉强度的等级，如表1所示。表1 焊缝金属拉伸力学性能要求（GB5293-85）焊剂型号抗拉强度/MPa屈服强度/MPa伸长率（%）HJ3-HHJ4-HHJ5-H33039822.0第二位数字x2为0或1，表示力学性能试样的状态，“0”表示焊后状态，“1”表示焊后热处理状态。第三位数字x3表示焊缝金属缺口冲击韧度值小于34J/cm2的最低试验温度，分

　　17、215; -40 -50 -60 34尾部Hxxx表示焊接试板用焊丝牌号。举例：HJ403-H08MnA即表示采用H08MnA焊丝，试样在焊后状态的抗拉强度为412-549MPa，屈服强度329MPa，伸长度不小于22，-30C的缺口冲击韧度不小于34J/cm2。在实际工业生产中，习惯采用焊剂的商品牌号。其编制方法与焊剂型号不同，所列牌号主要表征焊剂的主要化学成分。熔炼焊剂牌号的表示方法如下:HJx1x2x3其中HJ表示焊剂两字汉语拼音的第一个字母，第一位数字x1，以数码1到4表示，代表焊剂的类型及MnO的平均质量分数，详见表3。表3 熔炼焊剂牌号中x1的含义焊 剂 牌 号焊 剂

　　19、0HJx173低硅高氟1030HJx183HJx193中硅高氟其它类型10-3030举例：低碳钢焊接常用的高锰高硅低氟焊剂：焊剂牌号为HJ431X，其含义如下：HJ 埋弧焊用熔炼焊剂第一位数字4表示高锰第二位数字3表示高硅低氟第三位数字1表示高锰高硅低氟焊剂一类中的序号X 表示细颗粒度烧结焊剂牌号表示方法如下：SJ x1x2x3其中，SJ为“绕结”二字汉语拼音的第一个字母，表示埋弧焊用烧结焊剂。第一位数字x1以数码1-6表示，代表焊剂熔渣渣系，如表5所示，表5 烧结焊剂牌号中x1的含义焊剂牌号熔渣渣系类型主要组分SJ1xx氟碱型CaF215%,CaO

　　20、+MgO+CaF250%，SiO20%SJ2xx高铝型Al2O320，Al2O3CaO+MgO45%SJ3xx硅钙型CaO+MgO+SiO260%SJ4xx硅锰型MnO+SiO250%SJ5xx铝钛型Al2O3+TiO245%SJ6xx其它型第二、第三位数字x2x3表示同一渣系类型中的几种不同的牌号，依自然顺序排列。举例：普通碳素结构钢、低合金钢埋弧焊用硅钙型烧结焊剂SJ301，其含义如下：SJ埋弧焊用烧结焊剂第一数字3表示硅钙型渣系第二、三位数字01表示该渣系的第1种烧结型焊剂352常用埋弧焊焊剂的标准成分目前，我国各工业部门常用的碳钢、低合金

　　28、剂，以保证焊缝金属通过冶金反应得到必要的硅锰渗合金，形成致密的具有足够强度和韧性的焊缝金属。2）焊接对接头韧性要求较高的厚板时，应选用中锰中硅焊剂（如HJ350、SJ301等）和H10Mn2高锰焊丝。直接由焊丝向焊缝金属渗锰，并通过焊剂中SiO2的还原反应，使焊缝金属适量渗硅，可以是冲击韧度较高的焊缝金属。3）对于中板对接大电流不开坡口单面焊工艺，应选择氧化性较高的高锰高硅焊剂配H08A或H08MnA低碳焊丝，以便尽量降低焊缝金属的碳含量，提高抗裂性。4）对于工件表面锈蚀较多的焊接接头，应选择抗锈能力较强的SJ501焊剂并按强度要求选择相应牌号的焊丝。5)薄板高速埋弧焊应选用SJ501烧结焊剂

　　29、配相应强度等级的焊丝，在这种情况下，对接头的强度和韧性一般无特殊要求，主要考虑在高的焊接速度下保证焊缝良好的成型和熔合。42低合金钢埋弧焊焊剂的选择原则低合金钢焊接时，由于钢材的强度较高，对淬硬较敏感，接头热影响区和焊缝金属对冷裂纹或氢致延迟裂纹的倾向较高，虽然埋弧焊的热循环有利于防止冷裂纹的产生，但在厚板的焊接中由于焊缝残余应力高，加上氢在焊缝中逐层积累，仍容易产生氢致延迟裂纹。因此在低合金钢埋弧焊时首先应选择碱度较高的低氢型HJ25系列焊剂。因这些焊剂均为低锰中硅焊剂，在焊接冶金反应中，Si和Mn还原渗合金的作用不强，这样必须采用硅含量适中的合金焊丝，如H08MnMo,H08M

　　30、n2Mo和H08CrMoA等。其次为保证接头的强度和韧性不低于母材的相应指标，亦应选用硅锰还原反应较弱的高碱度焊剂，如HJ250和SJ101焊剂，在这种焊剂下焊接的焊缝金属纯度较高，非金属夹杂物较少，接头的韧性易于保证。在低合金钢厚板多层道焊时，应选用脱渣性良好的焊剂，由于高碱度熔炼焊剂的脱渣性不良，而高碱度的烧结焊剂却具有良好的脱渣性，因此，在这种应用场合多半选用烧结焊剂。4.3不锈钢埋弧焊焊剂的选择原则不锈钢埋弧焊时，焊剂的主要任务是防止合金的过量烧损，因此应首先选用氧化性低的焊剂，我国常用的不锈钢埋弧焊用熔炼焊剂为HJ260低锰高碱中氟型焊剂，因焊剂仍有一定的氧化性，故需配用铬镍含量较高

　　31、的铬镍钢焊丝。HJ150、172型焊剂亦可用于不锈钢的埋焊，这类焊剂虽氧化性较低，合金元素烧损较少，但焊接工艺性能尚佳，脱渣性能不良，故很少用于不锈钢厚板多层多道焊工艺。SJ103氟碱型烧结焊剂，不仅能保证焊缝金属具有足够的合金含量，而且具有良好的工艺性，脱渣良好，焊缝成形美观。5.焊剂的贮存与烘干埋弧焊焊剂在大气中存放时，会吸收水分。焊剂中的水分是焊缝产生气孔和冷裂纹的主要原因，故应控制在0.1以下，熔炼焊剂与烧结焊剂的吸潮性不同，烧结焊剂的吸潮性比熔炼焊剂高得多，如图6所示。因此，烧结焊剂在使用前应按产品说明书的规定温度进行烘干。熔炼焊剂也有一定的吸潮性，如在大气中长时间存放时，水分含量亦

　　32、会超过标准规定。因此，熔炼焊剂同样应注意焊前的烘干。焊剂的干燥可在烘干炉内进行，烘干温度为350400，某些低氢碱性焊剂要求更高的温度烘干，使焊剂的水分（质量分数）降到0.1%以下。焊剂烘干时堆散层的高度不应超过40mm。6.埋弧焊用焊丝国产埋弧焊用焊丝已列入国家GB/T14957-94，其中可分低碳结构钢焊丝、合金结构钢焊丝和不锈钢焊丝。低碳结构钢焊丝分低硅低锰和低硅中锰二种。因此必须配用高硅高锰或中锰高硅焊剂。合金钢焊丝除H10Mn2焊丝之外，其余均为中硅高锰和中硅中锰焊丝。故应与中锰中硅焊剂或低锰中硅焊剂相配用。不锈钢焊丝都是中硅中锰或中硅高锰焊丝，故可采用低锰中硅中氟或无锰低硅高氟焊剂

　　33、焊接。埋弧焊焊丝的规格有2mm、3mm、4mm、5mm，焊丝表面可分光焊丝和镀铜焊丝。对于光焊丝应采用不影响焊缝质量的涂料防锈。7.埋弧焊剂与焊丝的选配埋弧焊焊剂与焊丝的选配是焊制高质量焊接接头的决定性因素之一,是埋弧焊工艺过程的重要环节。在进行埋弧焊剂与焊丝的选配时，应着重考虑埋弧焊的工艺特点和冶金特点，第一是稀释率高，在不开坡口对接缝单道焊或双面焊以及开坡口对接缝的根部焊道焊接时，由于埋弧焊焊缝熔透深度大，母材大量熔化，混入焊缝金属，稀释率可高达70。在这种情况下，焊缝金属的成分在很大程度上取决于母材的成分，而焊丝的成分不起主要作用，因此选用合金元素含量低于母材的焊丝进行焊接，并不降低接头

　　34、的强度。例如16Mn钢不开坡口对接接头，可选用锰含量比母材低的H08MnA焊丝和HJ431焊剂。第二是热输入高。埋弧是一种高效焊接方法，为获得高的熔敷率，通常选用大电流焊接，因此，焊接过程中就产生了高的输入热量，结果降低了焊缝金属和热影响区的冷却速度，也就降低了接头的强度和韧性。因此在厚板开坡口焊缝填充焊道焊接时，应选用合金成分略高于母材的焊丝并配用中性焊剂。第三是焊接速度快，埋弧焊一般的焊接速度为25m/h，最高的接速度可达100m/h，在这种情况下，焊缝良好的成形不仅取决于焊接参数的合理选配，而且也取决于焊剂的特性，硅钙型、锰硅型及氧化铝型焊剂的特性能满足高速埋弧焊的要求。推荐采用的各种常

　　38、接工艺的原则是，首先要保证接头的质量完全符合焊件技术条件或标准的规定。其次是在保证接头质量的前提下，最大限度的降低生产成本，即以最高的焊接速度，最低的焊材消耗和能量消耗以及最少的焊接工时完成整个焊接过程。编制焊接工艺的依据是焊件材料的牌号和规格，工件的形状和结构，焊位置以及对焊接接头性能的技术要求等。根据上述基本原始资料，可制定出初步的工艺方案，即结合工厂生产车间现有焊接设备和工艺意志力，选择焊接工艺方法（如单丝焊或多丝焊、加焊剂衬垫或悬空焊、单层焊或双面焊，多层多道焊等），焊剂/焊丝组合、焊丝直径、焊接坡口设计以及组装工艺等。焊接工艺参数的制定应以相应的焊接工艺试验结果或焊接工艺评定试验结果

　　39、为依据。埋弧工艺参数分主要参数和次要参数。主要参数是指那些直接影响焊缝质量和生产效率的参数。它们是焊接电流、电弧电压、焊接速度、电流种类及极性和预热温度等。对焊缝质量产生有限影响或无多大影响的参数为次要参数。它们是焊丝伸出长谈时丝倾角、焊丝与工件的相对位置，焊剂粒度，焊剂堆散高度和多丝间距离等。有关操作技术的参数有引弧和收弧技术，焊接衬垫的压紧力、焊丝端的对中以及电弧长度的控制等。焊接工艺参数从两方面决定了焊缝质量。一方面，焊接电流、电弧电压和焊接速度三个参数合成的焊接线能量影响着焊缝的强度和韧性；另一方面，这些参数分别影响到焊缝的成形，也就影响到焊缝的抗裂性，对气孔和夹渣的敏感性。这些参数的

　　40、合理匹配才能焊出成形良好无任何缺陷的焊缝。对于操作者来说，最主要的任务是正确调整各工艺参数，控制最佳的焊道成形，因此，操作者应清楚了解各工艺参数对焊缝成形影响的规律性以及焊接深池形成，焊缝形状和结晶过程对焊缝质量的影响。1.1 焊缝形成和结晶过程的一般规律焊缝的形成是焊接熔池建立，熔池连续前移和凝固的过程，焊缝纵向和横向截面的形状是由熔池的瞬态形状决定的。在埋弧焊时，焊丝及母材在电弧热作用下熔化，而形成液态金属熔池，其形状和尺寸如图7所示，主要决定于电弧的热能: Q=IU/w式中Q 单位焊缝长度上的焊接线能量(J/cm) 热效率（）I 焊接电流（A）U 电弧电压（V）w 焊接速度(mm/s)由

　　41、上式可知，熔池尺寸的大小与电流电压的乘积成正比，与焊接速度成反比。焊缝的形状通常是指焊缝横截面的形状，如图8所示，以熔深H、熔宽B和余高a三个尺寸量表征，为保证焊缝的机械强度，焊缝必须有足够的熔深。但大量的实验结果和生产经验证明，焊缝的熔深H与熔宽B及余高a应成适当的比例。通常，焊缝的形状以形状系数B/H和增厚系数B/a来表征。小的形状系数表示焊缝横截面形状深而窄、易出现热裂纹和气孔；大的形状系数表示焊缝横截面浅而宽，易形成未焊透或夹渣。因此，形状系数应有一个合适的范围，对于埋弧自动焊焊缝，通常应将形状系数控制在1.31.5。增厚系数应控制在4-8，以使接头具有足够的静载和动载强度。增厚系数过

　　42、大，即焊缝余高过小，将减弱接头的静载强度，增厚系数过小，即焊缝余高过大，则将降低接头的动载强度。上述焊缝形状对焊缝质量的影响与焊缝的结晶密切相关。焊缝金属的结晶总是以熔池底部边缘母材半熔化状态的晶粒为晶核。晶体生长反向于散热方向，即垂直于熔池壁方向。故焊缝金属的结晶方向取决于熔池的形状，在形状系数小的焊缝中，从两侧生长的晶粒几乎对向相交于焊缝中心，结果使低熔点杂质聚集于该部位而极易诱发裂纹和气孔等缺陷。在形状系数较大的焊缝中，其结晶方向有助于将低熔点杂质推向焊缝顶部，如图9a）所示，因而可抑制裂纹和气孔的产生。从焊缝的纵向截面看，熔池底部愈细长，两侧生长的晶粒在焊缝中心的夹角愈大，焊缝中心的杂

　　43、质偏析愈严重，不仅降低焊缝的强度，而且促使形成纵向凝固裂纹。熔池底部如呈椭圆形，就不易出现纵向热裂纹。因此，控制焊缝成形是防止焊缝缺陷形成的先决条件，富有经验的焊工，可从焊缝的我形判断焊缝内部是否存在缺陷，并通过规范参数的调整，使焊缝达到最佳的成形。1.2 焊接工艺参数对焊缝成形的影响影响焊缝成形的主要因素是焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类及其极性。1.2.1 焊接电流焊接电流是决定焊丝熔化速度、熔透深度和母材熔化量的最重要的参数。焊接电流对熔透深度影响最大，焊接电流与熔透深度几乎是直线示出I形对接焊和Y形坡口对接焊时，焊接电流与熔透深度的关系曲线。如以数学式表示HkmI

　　44、式中H 熔透深度km 熔深系数I 焊接电流（A）熔深系数km取决于焊丝直径和电流种类，对于2mm直径的焊丝，km=1.01.7,对于5mm焊丝，km=0.71.3。采用交流电埋弧焊时，km一般在1.11.3范围之内。焊接电流对焊缝横截面形状和熔深的影响示于图11，即在其它参数不变的条件下，随着焊接电流的提高，熔深和余高同时增大，焊缝形状系数变小，为防止烧穿和焊缝裂纹，焊接电流不宜选得太大，但电流过小也会使焊接过程不稳定并造成未焊透或未熔合，因此，焊接电流对于不开坡口对接缝，按所要求的最低熔透深度来选定即可。对于开坡口焊缝的填充层，焊接电流主要按焊缝最佳的成形为准则来选定。此外，焊丝直径决定了焊

　　45、接电流密度，因而也对焊缝横截面形状产生一定的影响，采用细焊丝焊接时，形成深而窄的焊道，采用粗焊丝焊接时，则宽而浅的焊道。1.2.2 电弧电压电弧电压与电弧长度成正比关系。在其他参数不变的条件下，随着电弧电压的提高，焊缝的宽度明显增大，而熔深和余高则略有减小。电弧电压过高时，会形成浅而宽的焊道，从而导致未焊透和咬边等缺陷的产生。此外焊剂的熔量增多，使焊波表面粗糙，脱渣困难。降低电弧电压，能提高电弧的挺度，增大熔深，但电弧电压过低，会形成高而窄的焊道，使边缘熔合不良。电弧电压对焊缝形状的影响示于图12。为获得成形良好的焊道，电弧电压与焊接电流应相互匹配。当焊接电流加大时，电弧电压应相应提高。1.2

　　46、.3 焊接速度焊接速度决定了每单位焊缝长度上的热输入能量。在其他参数不变的条件下，提高焊接速度，单位长度焊缝上的热输入能量和填充金属量减少，因而使熔深、熔宽及余高都相应地减小，如图13所示。焊接速度太快，会产生咬边和气孔等缺陷，焊道外形恶化。如焊接速度太慢，可能引起烧穿。如电弧电压同时较高，则可能导致横截面呈蘑菇形焊缝。而这种形状的焊缝对人字形裂纹或液化裂纹敏感。图14示出这种焊缝中产生的典型凝固裂纹。此外，还会因熔池尺寸过大而形成表面粗糙的焊缝。为此，焊接速度应与所选定的焊接电流，电弧电压适当匹配。1.2.4 焊接电源及其特性采用直流电源进行埋弧焊，与交流电源相比，能更好地控制焊道形状、熔深

　　47、，且引弧容易，以直流反接（焊丝接正极）焊接时，可获得最大的熔深和最佳的焊缝表面。以直流正接（焊丝接负极）焊接时，焊丝熔化速度要比反接高35，使焊缝余高，熔深变浅。因为在正接时，电弧最大的热量集中于焊丝的顶端。直流正接法埋弧焊可用于要浅熔深的材料焊接以及表面堆焊。为获得成形良好的焊道，直流正接法焊接时，应适当提高电弧电压。1.3 其他工艺参数对焊缝成形的影响其他工艺参数对焊缝成形也有一定的影响，这些参数有：焊丝伸出长度，焊剂粒度和堆散高度及焊丝倾角和偏移量。1.3.1 焊丝伸出长度焊丝的熔化速度由电弧热和电阻热共同决定的。电阻热是指伸出导电嘴一段焊丝通过焊接电流时产生的加热量(I2R)。因此焊丝

　　48、熔化速度与伸出长度的电阻加热成正比，图15示出焊丝伸出长度的电阻加热与焊丝熔化速度的关系。伸出长度超长，电阻热愈大，熔化速度愈快。当电流密度高于125A/mm2时，焊丝伸出长度对焊缝形状的影响变得更大。在较低的电弧电压下，增加伸出长度。焊道宽度变窄、熔深减小、余高增加。在焊接电流保持不变的情况下，加长焊丝伸出长度，可使熔化速度提高2550。因此，为保持良好的焊道成形。加长焊丝伸出长度时，应适当提高电弧电压和焊接速度，在不要求较大熔深的情况下，可利用加长伸出长度来提高焊接效率，而在要求较大深熔时不推荐加长焊丝伸出长度。为保证焊缝成形良好，对于不同的焊丝直径推荐以下最佳焊丝伸出长度和最大伸出长度：

　　49、1) 对于直径2.0、2.5和3.0mm焊丝，最佳焊丝伸出长度为30mm50mm；最大焊丝伸出长度为75mm。2) 对于直径4、5和6mm的焊丝；最佳焊丝伸出长度为50mm80mm；最大焊丝伸出长度为125mm。1.3.2 焊剂粒度和堆敷高度焊剂粒度和堆散高度对焊道的成形也有一定的影响，焊剂粒度通常以过筛的目数表示。例如848表示9095的颗粒能通过每英寸8孔的筛，25的颗粒能通过每英寸48孔的筛。焊剂粒度应根据所使用的焊接电流来选择，细颗粒焊剂适用于大的焊接电流，能获得较大的熔深和宽而平坦的焊缝表面。如在低电流下使用细颗粒焊剂，因焊剂层密封性较好，气体不易逸出，而在焊缝表面留下斑

　　50、点，相反，如在大电流下使用粗颗粒焊剂，则因焊剂层保护不良而在焊缝表面形成凹坑或出现粗糙的波纹。焊剂粒度与所使用的焊接电流范围之间最合适的关系列于下表9。表9焊剂粒度与焊接电流的关系颗粒度84812651215020200焊接电流/A6000焊剂堆密度太薄或太厚都会在焊缝表面引起斑点、凹坑、气孔并改变焊道的形状。焊剂堆密度太薄，电弧不能完全埋入焊剂中，电弧燃烧不稳定且出现闪光、热量不集中，降低焊缝熔透深度。如焊剂堆散层太厚、电弧受到熔渣壳的物理约束。而形成外形凹凸不平的焊道，但熔透深度增加。因此焊剂层的

　　51、厚度应加以控制，使电弧不再闪光，同时又能使气体从焊丝周围均匀逸出为准。按照焊丝直径和所使用的焊接电流，焊剂层的堆散高度通常在25mm40mm范围内。焊丝直径愈大，电流愈高，堆散高度应相应加大。焊丝倾角和偏移量焊丝的倾角对焊道的成形有明显的影响，焊丝相对于焊接方向可作向前倾斜和向后倾斜。顺着焊接方向倾斜称为前倾，背着焊接方向倾斜称为后倾，焊丝前倾时，电弧大部分热量集中于焊接熔池，电弧吹力使熔池向后推移，因而形成熔透深，余高大，熔宽窄的焊道。而焊丝后倾时，电弧热量大部分集中于未熔化的母材，从而形成熔深浅、余高小、熔宽大的焊道。表10列出焊丝倾角对焊道成形的影响。角焊缝焊接时，焊丝与工件之间的夹角对

　　52、焊道成形亦有影响，如图16所示。减小焊丝与底板的夹角，可使熔透深度增加。，夹角为30时，可获得最大的熔深。环缝埋弧焊时，焊丝与焊件中心垂线的相对位置结焊道的成形有很大的影响，如图17所示，环缝焊时，焊件在不断地旋转，熔化的焊剂和金属熔池由于离心力的作用倾向于离开电弧区而流动。因此，为防止熔化金属溢流和焊道成形不良，应将焊丝逆焊件旋转方向后移适当距离，使焊接熔池正好在焊件转到中心位置时凝固。后偏量过大则会形成熔深浅，表面下凹的焊道，而后偏量过小，则会形成熔透深而窄的焊道，焊道中间凸起，有时还可能出现咬边。焊丝最佳偏移量主要取决于所焊工件的直径。但也与工件的厚度，所选用的焊接电流和焊接

　　53、速度有关。表11列出不同直径工件的焊丝偏移量。1.3.4 工件的倾斜表11 环缝焊时焊丝离工件中心垂线最佳偏移量工件外径/mm焊丝偏移量/mm工件外径/mm焊丝偏移量/mm在埋弧过程中，工件的倾斜对焊道的成形也有一定的影响，埋弧自动焊大多是在平焊位置进行的，但在某些特殊应用场合必须在工件略作倾斜的条件下进行焊接。当工件倾斜方向与焊接方向一致时，称为下坡焊。相反，则称为上坡焊。下坡焊时，工件的倾斜度愈大，焊道中间下凹，熔深减小，焊缝宽度增大，焊道边缘可能出现未熔合。上坡焊时，工件的倾斜

　　54、度对焊道成形的影响与下坡焊相反。工件倾斜愈大，熔深和余高随之增大，而熔宽则减小，见图18。薄板高速埋弧焊时，将工件倾斜15，可防止烧穿，焊道成形良好。厚板焊接时，因焊接熔池体积增大，工件倾斜度应相应减小。上坡焊时，当焊接电流达到800A，工件的倾斜度不应大于6，否则焊道成形就会失控。2 埋弧焊接头的设计埋弧焊可在平焊位置和横焊位置完成对接、角接、搭接和塞接焊缝。接头形式是由焊件的结构形式决定的。其中对接接头和角接接头是埋弧焊的最主要的接头形式。从结构的强度观点考虑，对接接头可以达到与母材等强的效果，而角接接头是焊接梁柱等金属构件的主要连接元件。根据接头在结构中的受力条件

　　55、，对接接头和角接接头可以加工成V形、I形、U形、J形、Y形、X形、K形及组合形坡口。2.1 埋弧焊接头和坡口形式的设计原则埋弧焊接头和坡口形式的设计应充分利用埋弧焊接法深熔、高熔敷率的特点。焊接接头设计应首先保证结构的强度要求，即焊缝应具有足够的熔深和厚度。其次是考虑经济性，即在保证熔透的前提下，昼减少焊接坡口的填充金属量，缩短焊接时间。从经济观点出发，埋弧焊接头应尽量不开坡口，或少开坡口。因埋弧焊可使用高达2000A的焊接电流，单面焊熔深可达18mm20mm，因此，40mm以下的钢板，可采用I形直边对接形式进行埋弧自动焊而获得全焊透的对接缝。但这种高效焊接法在实际生产中受到各种限制。首先，普

　　56、通结构钢厚板不可避免存在杂质的偏析，提高了深熔焊缝热裂纹的敏感性，其次，采用大电流焊接时，焊接线能量大大超过了各种钢材所容许的极限，不仅使焊缝金属结晶增大，而且热影响区晶粒急剧长大，这两个区域金属的冲击韧度明显下降。因此，这种工艺只能用于对接头质量要求不高，或无冲击韧性要求的焊接结构中。对于重要的焊接结构，如锅炉、受压容器，船舶和重型机械等。板厚大于20mm的对接接头就要求开一定形状的坡口，以达到优质和高效的统一。在厚度超过50mm的厚板结构中，坡口的形状对生产成本有相当大的影响，图19对比了各种形式坡口的横截面积。其中U形坡口，虽然加工较费时，但焊缝截面减少很多，焊材的消耗明显减少。双V形坡

　　57、口与单V形坡口相比，在相同的板厚下，焊缝截面可减少一半。对于厚度超过100mm的特厚板结构，即使焊接坡口打用U形，焊缝金属的填充量仍相当可观。为降低生产成本，目前已广泛采用坡口倾角仅13的窄间隙接头形式。在角接接头中，在保证角焊缝强度的前提下，可将角接边缘开成一定深度的坡口来减小焊缝的截面积。如图20所示。这与对接接头的情况有所不同。图21示出三种不同形式等强度角焊缝的相对成本比较。当板厚超过25mm时，开坡口角焊缝的生产成本反而低于直角角焊缝。2.2 埋弧焊接头坡口标准埋弧焊接头坡口的基本形式和尺寸已由国家标准GB986-88埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸加以标准化，

　　58、该标准规定了25种碳钢及低合金钢埋弧焊接头的坡口形式和尺寸，详细内容见表12。这些坡口开形式可根据板厚、焊件结构、焊接工艺方法来选定，对于一些特种焊接结构，可以根据其结构特点和具体要求自行设计坡口形式。坡口的制备可以采用热切割、火焰气刨、电弧气刨和机械加工等方法来完成。坡口尺寸的加工精度可按焊件的尺寸、钢种和对接头的要求来确定。2.3 焊接衬垫埋弧自动焊是一种深熔焊接法，且熔池体积较大，处于液态的时间较长，因此，通常采用各种衬垫，完成衬垫常用于要求全焊透的各种接头。焊接衬垫可分为两种，一种是固定衬垫，它作为接头的一部分，与接头其余部分形成一个整体。固定衬垫有：垫板、锁边坡口、底层焊缝。另一种是

　　59、临时衬垫，它是焊接工艺装备的一部分，焊后可立即拆离焊缝。例如，铜衬板、焊剂垫和柔性衬带均属临时衬垫。2.3.1 垫板某些焊接结构的焊接接头只容许从单面进行焊接，且要求接头全焊透，在这种情况下，可以采用永久性钢衬垫，点固在焊缝背面，垫板的材料牌号应与焊件钢材相近或完全相同。焊接过程中，焊缝熔透到垫板上，焊缝底部与垫板接触面熔合。按设计要求，焊后将垫板永久保留或采用机械加工法把垫板去掉。永久性垫板的尺寸可按表13的规定选用。表13 永久性钢垫板尺寸接头板厚垫板厚度垫板宽度36(0.50.7) 4+5614(0.30.4) -2.3.2 锁边坡口在GB986-88国家标准中，列出两种锁边坡口。当焊件

　　60、厚度大于10mm，且只能从单面焊接时（例如小直径厚壁筒环缝），可以采用各种形式的锁边坡口（参见表12）。焊接过程中应保证底层焊缝与锁边完全熔合。为此，锁边坡口的钝边尺寸不宜过大，对接接缝应留有一定的间隙。2.3.3 底层焊道在一些组合式焊接坡口中，如不对称双V形坡口，VU形坡口或UV形坡口以及不对称双U形坡口等，通常采用手工电弧焊、气体保护焊或药芯焊丝气体保护焊等方法完成底层焊缝的焊接。这种底层焊缝成为从另一面进行埋弧焊的支托。底层焊缝的厚度，即不对称双面坡口中小坡口的深度按照正面焊缝埋弧参数来确定，既要保证双面焊缝之间完全焊透，又要避免烧穿，在这种情况下，双面坡口之间的钝边是很重要的坡口参数

　　61、，加大钝边尺寸可降低烧穿的机度，减少填充金属量，但焊缝中母材的比例增高，使母材中的大量杂质混入焊缝，导致裂纹等缺陷的产生。图22示出修正钝边尺寸可有效地防止底层埋弧焊焊缝中的结晶裂纹。在不开坡口I形直边对接接头中，当边缘加工误差较大，装配间隙宽窄不均时，往往在埋弧焊缝的反面先用焊条电弧焊封底一层至二层，正面埋弧焊焊缝完成后，再用电弧气刨或其它加工方法把手工封底焊缝清除掉，然后焊上埋弧焊焊缝。2.3.4 铜衬垫铜衬垫可分成固定式铜垫板和移动式铜滑块二类。铜垫垫板主要用于中厚薄板对接缝单面焊双面成型焊工艺。固定式铜垫板一般安装在装配平台的顶紧支架上，从钢板的背面与接缝贴紧。如焊缝背面要求有一定的余

　　62、高，在铜垫板的中间可加工出图23所示的凹槽。铜垫板应有足够的体积。以防止铜衬板表面在焊接过程中被电弧熔化。铜衬板的尺寸可按所焊铜板的厚度，即所选用的焊接规范确定，表14列出几种常用的铜衬板尺寸。表14 铜垫板截面尺寸 （mm）铜板厚度槽宽b槽深h凹槽半径r4610 2.57.06812 3.07.581014 3.59.5101418 4.012对于连续批量生产的应用场合，最好在铜垫板内部通水冷却，防止铜垫板过热而引起焊缝表面渗铜。铜垫板亦可安装在焊接小车的辅助夹紧支架上，而形成移动式铜滑块。这种铜滑块的典型结构如图24所示，因铜滑块的体积较小，故应通循环冷却水加以冷却。移动式铜滑块也可做成滚轮结构，这样可以避免焊接电弧热量在一个部位过分集中而无需通水冷却。2.3.5 焊剂垫焊剂垫是单面焊双面成形埋弧焊中应用较广的一种衬垫。焊剂垫通常由焊剂槽、加压元件、支架三部分组成(图25)。焊剂槽可用薄板卷制而成，使其有一定的柔性，便于在顶紧力的作用下与焊件背面贴紧。焊剂槽中充满颗粒度较细的焊剂，焊剂层下亦可放些纸屑，以增加焊剂层的弹性。加压元件通常采用橡皮软管或橡皮膜，通以0.3MPa0.6MPa的压缩空气。焊剂垫支架可采用型钢或薄板压制而成，正确使用焊剂衬垫可以焊

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