焊接方法与设备第3版

第三单元埋弧焊焊接方法与设备第3版书名：焊接方法与设备第3版书号：978-7-111-44030-7作者：雷世明出版社：机械工业出版社学习目标通过本单元的学习，要使学生明确埋弧焊的特点及应用；掌握埋弧焊的电流种类与极性的选择；熟悉埋弧焊焊接工艺等内容；并对其他埋弧焊方法有一定的了解。综合知识模块一埋弧焊的原理及特点埋弧焊是目前广泛使用的一种生产效率较高的机械化焊接方法。它与焊条电弧焊相比，虽然灵活性差一些，但焊接质量好、效率高、成本低，劳动条件好。能力知识点一埋弧焊的工作原理埋弧焊的焊接过程和焊缝的纵、横向剖面如图3-1所示。焊接时，焊机的起动、引弧、送丝、机头（或工件）移动等过程全由焊机进行机械化控制，焊工只需按动相应的按钮即可完成工作。图3-1埋弧焊焊接过程a)焊接过程b)纵向剖面c)横向剖面能力知识点2埋弧焊的特点1．埋弧焊的主要优点（1）焊接生产率高埋弧焊的焊接电流大，热效率高，焊接速度快，因此焊接生产率高。埋弧焊的焊接速度最高可达60～150m/h，而焊条电弧焊则不超过6～8m/h，故埋弧焊与焊条电弧焊相比有更高的生产率。（2）焊缝质量好这首先是因为埋弧焊时电弧及熔池均处在焊剂与熔渣的保护之中，保护效果比焊条电弧焊好，因而可使焊缝金属中氮含量、氧含量大大降低；焊剂的存在也使熔池金属凝固速度减缓，液态金属与熔化的焊剂之间有较多的时间进行冶金反应，减少了焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性；埋弧焊时，焊接参数可通过自动调节保持稳定，焊缝质量对焊工技艺水平的依赖程度亦可大大降低；焊缝成分稳定，表面成形美观，力学性能好。（3）焊接成本较低埋弧焊时工件可不开坡口或开小坡口，因而既节约了因加工坡口而消耗掉的工件金属和加工工时，也减少了焊缝中焊丝的填充量；焊接时金属飞溅极少，又没有焊条头的损失，所以也节约了填充金属；埋弧焊的热量集中，热效率高，故在单位长度焊缝上所消耗的电能也大大减少。（4）劳动条件好由于埋弧焊实现了焊接过程的机械化和自动化，操作较简便，焊接过程中操作者只是监控焊机，因而大大减轻了焊工的劳动强度；焊工的劳动条件好。2．埋弧焊的主要缺点（1）难以在空间位置施焊（2）对工件装配质量要求高（3）不适合焊接薄板和短焊缝埋弧焊由于受焊车的限制，机动灵活性差，一般只适合焊接长直焊缝或大圆弧焊缝；对于焊接弯曲、不规则的焊缝或短焊缝则比较困难。能力知识点3埋弧焊的分类及应用1.埋弧焊方法分类埋弧焊按送丝方式、焊丝数量及形状、焊缝成形条件等分成多种类型，见下表所示。按送丝方式：等速送丝、变速送丝按焊丝形状及数目：单丝、双丝、多丝、带级按成形条件：双面焊单面焊双面成形（需要反面衬垫）2．应用（1）焊缝类型和工件厚度凡是焊缝可以保持在水平位置、或倾斜度不大的工件，不管是对接、角接和搭接接头，都可以用埋弧焊焊接。埋弧焊可焊接的工件厚度范围很大。除了厚度在5mm以下的工件由于容易烧穿，埋弧焊焊接的最大厚度已达650mm。（2）焊接材料种类适合埋弧焊的材料已从碳素结构钢发展到低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及某些非铁金属，如镍基合金、铜合金等。此外，埋弧焊还可在基体金属表面堆焊耐磨或耐腐蚀的合金层。铸铁一般不能用埋弧焊焊接。铝、镁及其合金目前还不能使用埋弧焊焊接。铅、锌等低熔点金属材料也不适合用埋弧焊焊接。综合知识模块二埋弧焊设备能力知识点1埋弧焊机的功能和结构特点1．埋弧焊机的主要功能（l）建立焊接电弧，并向电弧供给电能。（2）连续不断地向焊接区送进焊丝，并自动保持确定的弧长和工艺参数不变，使电弧稳定燃烧。（3）使电弧沿接缝移动，并保持确定的行走速度。（4）在电弧前方不断地向焊接区铺撒焊剂。（5）控制焊机的引弧、焊接和熄弧停机的操作过程。2．埋弧焊机的分类常用的埋弧焊机有等速送丝式和变速送丝式两种类型。按照不同的工作需要，埋弧焊机可做成不同的型式。常见的有焊车式、悬挂式、车床式、悬臂式和门架式等。图3-2为各种型式的埋弧焊机（不带焊接电源）简图。表3-5为常用国产埋弧焊机的主要技术数据。图3—2常见埋弧焊机的型式a）焊车式b）悬挂式c）车床式d）门架式e）悬臂式表3-5常用国产埋弧焊机的主要技术数据。3.埋弧焊机的结构特点埋弧焊机主要由送丝机构、行走机构、焊接电源和控制系统等部分组成。（1）送丝机构如图3－3所示。它应能可靠地送进焊丝并具有较宽的调速范围，以保证电弧稳定。图3-3送丝机构示意图（2）焊车行走机构如图3-4所示。行走轮一般采用橡胶绝缘轮，以免焊接电流经车轮而短路。离合器合上时由电动机拖动，脱离时焊车可用手推动。图3-4焊车行走机构示意图（3）焊接电源埋弧焊电源的额定电流在500～2000A之间（一般为1000A），负载持续率为100％。常用的交流电源为同体式弧焊变压器，直流电源为硅弧焊整流器。从发展看，矩形波交流弧焊电源、晶闸管式、逆变式弧焊整流器等电子弧焊电源在埋弧焊设备中的应用将日趋扩大。埋弧焊机可配用交流或直流弧焊电源。直流电源适用于小电流，快速引弧，短焊缝、高速焊接以及所采用焊剂的稳弧性较差和对焊接参数稳定性有较高要求的场合。采用交流电源时，焊丝熔敷效率及焊缝熔深介于直流正接与反接之间，而且电弧的磁偏吹最小。因而交流电源多用于大电流埋弧焊和采用直流时磁偏吹严重的场合。（4）控制系统常用的埋弧焊机控制系统包括：送丝拖动控制、行走拖动控制、引弧和熄弧的自动控制等。大型专用焊机还包括横臂升降、收缩、主柱旋转、焊剂回收等控制系统。一般埋弧焊机常用一控制箱来安装主要控制电器元件，但也有一部分元件安装在焊车上的控制盒和电源箱内。在采用晶闸管等电子控制电路的新型埋弧焊机中已不单设控制箱，控制系统的电器元件就安装在焊车上的控制盒和电源箱内。能力知识点二埋弧焊机的自动调节原理（一）埋弧焊机自动调节的必要性和方法1.埋弧焊机自动调节的必要性埋弧焊时，为了保证获得稳定可靠的焊缝质量，特别是焊接电流和电弧电压要能稳定不变。要求按下起动按钮后焊机就会按预先给定的工艺参数进行焊接，直到按下停止按钮结束焊接过程。为了保证获得稳定可靠的焊缝质量，要求焊接过程中工艺参数稳定，特别是焊接电流和电弧电压要能稳定不变。但是，焊接过程中某些外界因素常会使工艺参数偏离预定值，导致焊接过程不稳定。焊接过程的外界干扰主要来自弧长波动和网压波动两个方面。当埋弧焊过程受到上述干扰时，操作者往往来不及或不可能采取调整措施。因此，埋弧焊机除了应具有各种动作功能外，还应具有自动调节的能力，以消除或减弱外界干扰的影响，保证焊接质量的稳定。在上述的影响因素中，弧长波动最常见，发生变化最频繁，因此弧长变化对焊接电流和电弧电压稳定性的影响最为严重。因此，埋弧焊焊接过程的自动调节是以消除电弧长度变化的干扰作为自动调节的主要目标。2.埋弧焊自动调节的方法在自动焊接状态下，电弧长度是由焊丝的送进速度和焊丝的熔化速度共同决定的。当外界干扰使电弧长度发生变化时，可通过两种方法使电弧长度自动恢复到原来的长度。一种方法是自动调节焊丝的熔化速度，另一种方法是自动调节焊丝的送进速度。只要使焊丝的送进速变与熔化速度相等，焊接过程就能保持平衡状态，电弧长度不变，从而达到稳定焊接电流和电弧电压的目的。埋弧焊机的电弧长度自动调节按送丝方式的不同分为两种调节系统：等速送丝式焊机采用电弧自身调节系统；变速送丝式焊机采用电弧电压反馈自动调节系统。这种系统在焊接时，焊丝以预定的速度等速送进。它的调节作用是利用电弧焊时焊丝的熔化速度与焊接电流和电弧电压之间固有的关系这一规律而自动进行的。图3－7是这种调节系统的静特性曲线。它实际上就是焊接过程中电弧的稳定工作曲线。图3-7电弧自身调节系统的静特性曲线(二)熔化极电弧的自身调节系统1．弧长波动如图3-8所示。这种系统的调节作用是基于等速送丝时弧长变化导致焊接电流变化，进而导致焊丝熔化速度变化使弧长得以恢复的，所以应用于等速送丝式埋弧焊机。图3-8电弧自身调节系统的调节作用网压波动将使焊接电源的外特性曲线发生移动，从而对电弧自身调节系统造成影响，如图３－9所示。电弧自身调节系统的调节能力不能消除网压波动对焊接参数的影响。图3-9网压波动对电弧自身调节系统的影响2．网压波动采用电弧自身调节系统的埋弧焊机适宜配用缓降或平外特性的焊接电源。这一方面是因为缓降或平外特性的电源在弧长发生波动时引起的电流变化大，导致焊丝熔化速度变化快，因而可提高电弧自身调节系统的调节速度；另一方面是缓降或平外特性电源在电网电压波动时，引起的弧长变化小，所以可减小网压波动对焊接参数，特别是对电弧电压的影响。这种调节系统是利用电弧电压反馈来控制送丝速度的，也称为均匀调节系统。这种系统的调节作用是在弧长变化后主要通过电弧电压的变化而改变焊丝的送进速度，从而使弧长得以恢复的，因而应用于变速送丝式埋弧焊机。图3-10是这种调节系统的静特性曲线。图3-10电弧电压反馈自动调节系统静特性曲线3.电弧电压反馈自动调节系统这种系统在弧长波动时的调节过程可由图3－11说明。这种调节系统需要利用电弧电压反馈调节器进行调节。目前埋弧焊机常用的电弧电压反馈调节器主要有以下两种。图3-11电弧电压反馈自动调节系统的调节作用（1）弧长波动：1）发电机-电动机电弧电压反馈自动调节器这种调节器的调节系统电路原理如图3-12所示。图3-12发电机-电动机电弧电压反馈自动调节系统电路原理图2）晶闸管电弧电压反馈自动调节器这种调节器的调节系统电路原理如图3-13所示。图3-13晶闸管电弧电压反馈自动调节系统电路原理图（2）网压波动网压波动将使焊接电源的外特性曲线发生移动，从而对电弧电压反馈调节系统造成影响，如图３－14所示。电弧电压反馈调节系统的调节能力不能消除网压波动对焊接参数的影响。图3-14网压波动对电弧电压反馈自动调节系统的影响电弧电压反馈自动调节系统在网压波动时，引起的焊接电流变化的大小与焊接电源外特性形状有关。陡降的外特性曲线在网压波动时引起的电流波动小，反之，缓降的外特性曲线则引起的电流波动较大。所以，为了防止因网压波动引起焊接电流波动过大，这种调节系统宜配用具有陡降外特性的焊接电源。同时，为了易于引弧和使电弧燃烧稳定，焊接电源应有较高的空载电压。比较内容调节方法电弧自身调节作用电弧电压反馈自动调节作用1．控制电路及机构2．采用的送丝方式3．采用的电源外特性4．电弧电压调节方法5．焊接电流调节方法6．控制弧长恒定的效果7．网路电压波动的影响8．适用的焊丝直径(mm)简单等速送丝平特性或缓降特性改变电源外特性改变送丝速度好产生静态电弧电压误差0．8～3．0复杂变速送丝陡降或垂降特性改变送丝系统的给定电压改变电源外特性好产生静态焊接电流误差3．0～6．0两种调节方法的特点比较能力知识点3典型埋弧焊机目前国内使用较多的埋弧焊机是MZ－1000型，它采用发电机一电动机反馈调节器组成自动调节系统，是一种变速送丝式埋弧焊机。这种埋弧焊机适合于水平位置或与水平面倾斜不大于15°的各种有无坡口的对接、角接和搭接接头的焊接，也可借助滚轮转胎焊接圆筒形工件的内外环缝。1.焊机结构MZ-1000型埋弧焊机主要由自动焊车、控制箱和焊接电源三部分组成，相互之间由焊接电缆和控制电缆连接在一起。MZ-l000埋弧焊机配用的焊车是MZT-1000型，它由送丝机构、行走小车、机头调整机构、控制盒、导电嘴、焊丝盘和焊剂斗等部分组威。焊车的外形结构如图3-15所示。图3—15MZT-1000型自动焊车（1）自动焊车（2）控制箱MZ-1000型埋弧焊机配用的控制箱是MZP-1000型。控制箱内装有电动机一发电机组、接触器、中间继电器、变压器、整流器、镇定电阻和开关等元件，用以和焊车上的控制元件配合，实现送丝和焊车拖动控制及电弧电压反馈自动调节。（3）焊接电源MZ-1000型埋弧焊机可配用交流或直流电源。配用交流电源时，一般用BX2－1000型同体式弧焊变压器；配用直流电源时，可配用ZX5-1000型或ZXG－1000R型弧焊整流器。2.电路原理MZ-1000型埋弧焊机配用交流焊接电源的电路原理见图3-16。图3-16MZ