造船焊接与切割技术-4

苗玉刚2010-3-1哈尔滨哈尔滨工程大学HarbinEngineerUniversity造船焊接与切割技术WeldingandCuttingTechnologyforShipbuilding埋弧焊基础FundamentalsofSubmergedArcWelding第4讲埋弧焊基础授课内容：z埋弧焊原理z埋弧焊接工艺特点z埋弧焊接设备及其焊接材料z埋弧焊的分类和应用埋弧焊：一种能实现机械化焊接的渣保护电弧焊，连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，使焊丝、母材和溶剂部分熔化和蒸发构成一个空腔，电弧在空腔内稳定燃烧。„1940年，乌克兰巴顿焊接研究所发明埋弧自动焊。它具有生产效率高；焊接质量好；改善劳动条件等优点。„现在发展有双丝、多丝埋弧焊„不足：只适用于平焊和横焊埋弧焊埋弧焊原理z在焊剂层下，电弧在熔化的电极与工件之间之间燃烧，电弧热使焊丝、焊剂、母材熔化以致部分蒸发，在电弧区形成蒸气空腔，电弧在空腔内稳定燃烧，底部是金属熔池，顶部是熔渣，随着电弧向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。焊缝形成过程z连续送进的焊丝在可熔化的颗粒状焊剂覆盖下引燃电弧，靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化(I)，这样，颗粒状焊剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝(II)。焊丝不断地送进到电弧区，并沿着焊接方向移动(III)。电弧也随之移动，继续熔化焊件与焊剂，形成大量液态金属与液态焊剂(IV)。待冷却后，便形成了焊缝与焊渣(VI)。优点:1）熔敷速度高，生产效率高；2）焊接质量好，容易实现机械化、自动化；3）无辐射和噪音，是一种安全、绿色的焊接方法。缺点:1）受焊接位置限制，常用于平焊和平角焊位置的焊接，不适合焊小、薄件；2）不便观察，需要焊缝自动跟踪装置，对装配精度要求高；3）设备一次性投资大。埋弧焊优缺点焊剂z作用—稳弧作用：碱金属氧化物，改善电弧导电性—保护作用：焊剂蒸发气及熔渣，保护了电弧和熔池，免受焊缝金属的氧化、氮化以及合金元素的蒸发；—化学冶金作用：去除有害杂质(脱氧)和渗合金，满足化学成分和性能的要求；z要求：—保证电弧稳定燃烧—适合熔点、适当的粘度、良好的脱渣性—S、P含量低，对油污、铁锈以及其他杂质的敏感性小；—吸湿性小，合适的粒度和强度，可重复使用焊剂、焊丝及其配合焊剂的分类：¾制造方法—熔炼焊剂—烧结焊剂—粘结焊剂—机械混合¾化学成分—无锰、低锰、中锰、高锰¾用途：—低碳钢、低合金钢、合金钢¾化学特性：—酸性、碱性和中性焊剂、焊丝及其配合焊剂、焊丝及其配合焊接前先把焊剂铺撒在焊缝上，大约40～60毫米厚,如右图所示。焊接时，焊丝与焊件之间的电弧，完全淹埋在40～60毫米厚的焊剂层下燃烧。靠近电弧区的焊剂在电弧热的作用下被熔化，这样，颗粒状焊剂、熔化的焊剂把电弧和熔池金属严密的包围住，使之与外界空气隔绝。z焊缝必须是直的z焊缝必须干净，事先用砂轮打磨z焊丝的位置非常重要z焊剂应该覆盖整个电弧z焊剂应该干燥焊接过程需要注意的问题埋弧焊工艺埋弧焊参数：¾焊接电流I（A）¾焊接电压U（V）¾焊速v（㎝/min）¾焊丝直径Φ（㎜）¾焊丝干伸长度L（㎜）¾电流种类极性z埋弧焊最主要的焊接规范是焊接电流、焊接电压和焊接速度，其次是焊丝直径、焊丝伸出长度、焊剂和焊丝类型、焊剂粒度和焊剂层厚度等。焊接电流不同焊接电流时焊缝横截面形状¾随着焊接电流的增加，熔深和焊缝余高都有显著增加，而焊缝的宽度变化不大。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。电弧电压¾电弧电压的增加，焊接宽度明显增加，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。焊接速度¾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。焊丝直径与伸出长度¾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。¾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。焊丝直径焊丝伸出长度焊丝倾角¾焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾。倾角的方向和大小不同，电弧对熔池的力和热作用也不同，从而影响焊缝成形。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，而导致焊缝宽而熔深变浅。反之，焊缝宽度较小而熔深较大，但易使焊缝边缘产生未熔合和咬边，并且使焊缝成形变差。焊剂粒度和堆散高度z电流较大时该选择细粒度焊剂，否则焊缝外形成形不良，电流较小时，则应选择粗粒度的焊剂，否则造成透气性不好，焊缝表面容易出现麻坑.z堆散层高度一般在25-40mm范围，随电流、焊丝直径增加而增加。堆放高度太小时对电弧的保护作用不安全并影响焊接质量。堆放高度、宽度太大时，造成透气性不好，易造成焊道内产生气孔和表面焊缝成形不良状态。颗粒度/mm2.5-0.450.28-1.43焊接电流/A600600-1200埋弧焊常用坡口型式埋弧焊接头形式及焊接参数埋弧焊接头形式及焊接参数埋弧焊设备①焊接电源：接在导电嘴和工作之间用来产生电弧；②焊丝：由焊丝直经送丝机构和导出嘴送入焊接区；③颗粒状焊剂：由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊接接口区；④焊丝及送丝机构、焊剂漏斗和焊接控制盘等：通常装在一台小车上，以实现焊接电弧的移动。埋弧焊接设备示意图埋弧焊接设备实物图焊接设备埋弧焊电源埋弧焊电源可以用交流(弧焊变压器)、直流(弧焊发电机或弧焊整流器)或交直流并用。一般直流电源用于小电流范围、快速引弧、短焊缝、高速焊接；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。直流电源交流电源1-陡降特性2-缓降特性3-平特性4-上升特性¾等速送丝：细丝埋弧焊，电弧具有上升的静特性曲线，电源应具有水平外特性。¾变速送丝：粗丝(D3mm)埋弧焊，电弧具有水平静特性曲线，采用下降特性电源。电源外特性•等速送丝：细丝埋弧焊，电流密度大，自身调节作用强，电弧静特性是上升的，电源尽可能为平特性外特性。I1I21243A0A2A1UI等速送丝调节过程等速送丝调节过程送丝速度不变，靠电弧电流调节熔化速度υ1送=υ1熔，L2L1，I2I1，υ熔υ送，恢复到1点电弧长度的调节变速送丝：粗丝埋弧焊，电流密度小，自身调节作用弱，它是通过电压反馈来调节送丝速度。电弧静特性为平特性，电源为下降特性。I1I2A0A1UI电压反馈调节过程电压反馈调节过程：熔化速度基本不变，调节送丝速度υ0送=υ0熔，当受干扰电弧突然变短，由于U1U0，υ送减小，送丝马达转速降低；同时由于I增加，υ熔增加，两者均使L恢复到L0。电弧长度的调节埋弧焊机¾自动埋弧焊机：焊丝送进和电弧的移动均由专用焊接小车完成¾半自动埋弧焊机：焊丝送进由机械完成，电弧移动由手持焊枪完成自动埋弧焊焊件接头开坡口后(30mm以下可不开)，先进行定位焊，并在焊件下面垫金属板，以防止液态金属的流出。接通焊接电源开始焊接时，送丝轮由电机传动，将焊丝从焊丝盘中拉出，并经导电器而送向电弧燃烧区。焊剂也从焊剂斗送到电弧区的前面。在焊剂的两侧装有挡板以免焊剂向两面散开。焊完后便形成焊缝与焊渣。1-焊件；2-V形坡口3-垫板；4-焊剂5-焊剂斗；6-焊丝7-送丝轮；8-导电器9-电缆；10-焊丝盘11-焊剂回收器12-焊渣；13-焊缝埋弧半自动焊主要是软管自动焊，其特点是采用较细直径(2mm或2mm以下）的焊丝，焊丝通过弯曲的软管送入熔池。电弧的移动是靠手工来完成，而焊丝的送进是自动的。半自动焊可以代替自动焊焊接一些弯曲和较短的焊缝，主要应用于角焊缝，也可用于对接焊缝。半自动埋弧焊焊接材料埋弧焊用焊接材料包括焊丝和焊剂。焊丝-焊剂组合的型号编制方法如下：焊接材料¾埋弧焊焊丝的化学成分应符合表1规定。埋弧焊分类1）按电源种类：直流和交流2）按电极数目：单丝和多丝3）按电极形状：丝极和带极4）按送丝方法：等速送丝和变速送丝5）按行走方式：小车式、龙门式、悬臂式6）按自动化程度：半自动、机械化、自动7）按用途：通用型和专用型埋弧焊种类和应用单丝埋弧焊9特征：单丝，一个电源，一套控制系统9优点：熔化效率高9典型的焊接参数：Φ=4㎜，I=600A，U=30V，v=55㎝/min9选择焊接电流的经验公式：I=(100~200)×焊丝直径9估计熔深的经验公式：熔深≈1㎜/100A(I型)，熔深≈0.7㎜/100A(Y型)埋弧焊基本规则焊接电流：I=(100-200)φφ为焊丝直径例如φ4mm焊丝，可使用电流400-800A，平均600A熔深：I型坡口：d=1mm/100A例如500A，熔深约5mmY型坡口：d=0.7mm/100A例如600A，熔深约4.2mm埋弧焊熔敷率与焊丝极性的关系焊丝极性的影响单丝埋弧焊应用z在造船、锅炉、化工容器、桥梁、起重机械及冶金机械的制造中应用最为广泛z板材厚度和焊缝边缘准备—I型接头：-适合于板厚在2-12mm之间的板材—Y型接头：-厚度大于12mm的板材，或者双Y型—焊缝准备必须仔细切割—间隙不能超过1mm—由于埋弧焊接熔深大，接头应该有适当的根部支撑，或者有衬垫、或者手动焊接封底，或者自动焊封底；应用范围双丝埋弧焊并列双丝埋弧焊9特点：双丝，一个电源，一套控制系统9优点：高的熔化效率，好的间隙搭接性，高的焊接速度9典型的焊接参数：Φ=2.5㎜；I=880A；U=32V；v=70～120㎝/min并列焊丝和串列焊丝对焊缝形状的影响1-并列焊丝2-串列焊丝3-并列焊丝焊缝截面形状4-串列焊丝焊缝截面形状双丝埋弧焊纵列双丝埋弧焊9特点：二个焊丝，二个电源，两套控制系统9优点：熔化效率高，焊接速度快，焊缝成形好，机械性能好9典型的焊接参数：焊接速度95㎝/min第一个机头：Φ=4㎜，I=650A，U=30V，DC第二个机头：Φ=4㎜，I=550A，U=32V，AC注：如在管道中焊接，两电源都为交流。双丝埋弧焊双丝埋弧焊双丝埋弧焊三丝埋弧焊实际应用三丝埋弧焊时焊道的形成实际应用带极埋弧焊带极埋弧焊9特征：带状电极，一个电源，一个控制系统9优点：熔深小，稀释率低，堆焊效率较高，表面光滑9典型的焊接参数：焊带60×0.5㎜，v=9~12㎝/min，I=600~650A，U=28~30V¾常用于耐蚀、耐磨合金的堆焊中。实际应用埋弧焊在堆焊方法的应用•埋弧堆焊是埋弧焊接的重要方法之一，在普通碳素钢板上堆覆一层特殊材料，使用该复合板结构具有抗：—腐蚀—磨损的保护作用。•对于堆焊的材料，板厚＞15mm，如果对管子进行堆焊，其管子外径不得小于300mm。•对耐腐蚀层的堆焊采用带极尺寸为60×0.5mm，•对耐磨损层的堆焊采用带极尺寸为30×0.5mm和60×0.5mm。•由于堆焊的耐磨层要求具有较高的硬度，因此可采用药芯焊带或烧结型焊带，以保证达到相应的合金成份。单面埋弧焊¾板材厚度在20mm以下，埋弧焊通常以单面焊缝形式焊成，如船舶底部平面分段、油罐的壁和底等。一、焊前准备1.边缘加工与清理焊前钢板边缘应加工平直且间隙一致，在接缝区域内要进行清理，除锈、油、水等。需要在板缘加工坡口，坡口选择为F坡=F熔/KP其中，F坡——坡口的剖面积，F熔——熔积金属的剖面积，KP——焊缝加强系数，1.1~1.22.钢板的装配装配时保证一定的间隙，装上引弧板和熄弧板。3.装配间隙板厚在20mm以下，可不开坡口，但必须在对接缝中留有(5-6)mm间隙。焊剂铜垫板上焊接(FCB法)焊剂垫上的单面焊(RF法)¾FCB法是在坡口背面放铜板，铜板之上均匀地铺1层焊剂，利用通气软管将铜板压紧在坡口背面，只