第七章埋弧焊(哈工大)

《电弧焊基础》第七章埋弧自动焊SAW7.1SAW原理及设备•预先把颗粒状焊剂散布在焊接部位，焊丝通过送丝装置，自动连续地向焊剂中送进，在焊丝前端与母材间引燃电弧，电弧热使母材、焊丝和焊剂熔化，以致部分焊剂蒸发，熔化的金属和焊剂蒸发的气体形成了气泡，电弧在气泡中燃烧。气泡上部被一层熔化的焊剂-熔渣所覆盖，不仅隔绝了空气与电弧和熔池的接触，同时具有稳弧和冶金作用，而且隔绝了电弧弧光辐射出来。(SubmergedArcWelding:SAW)SAW设备SAW设备焊剂漏斗电极焊丝送丝机电源焊剂回收管优点：•生产率高–电流大，可以达到2000A，熔深大，一次不开坡口可焊20mm；–热效率高，可达90％–熔渣去除容易–速度快，6-8mm钢板，30-50m/h•质量高–保护好，焊缝金属O,N低，规范稳定–焊缝外形美观，成分稳定，机械性能均一•成本低–生产率高、缺陷少、品质稳定，返修少•环保，劳动条件好–几乎没有烟尘、弧光–全自动焊接，容易操作，对焊工要求低7.2SAW特点特点不足：•基本上只能平焊和横焊•不能焊接Al、Ti等活性金属•只适用于自动焊，机动性差，设备成本高、复杂•适合于长直焊缝，短焊缝效率不明显•小电流（100A）稳定性差，电流强度大，不适合焊接薄板•单层大电流焊接焊缝金属晶粒粗大，韧性较差7.4SAW分类及应用根据电极形状的分类焊丝电极卷带电极板状电极根据电极数的分类单电极多电极根据行走装置的分类牵引式小车行走式侧挂导轨式行走装置导轨式•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•中厚板一般采用交流电源，500－2000A；薄板焊接时多采用陡降特性直流电源。•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，以免焊漏。应用应用•SAW应用注意事项：①SAW电流大、焊接时间长，为了防止其它用电设备对焊接条件的影响及影响其他设备，最好采用专用供电设备。②电流大电缆有温升问题，各直径电缆应在安全电流值下使用。③埋弧焊常使用交流焊接电源，由于是单相较大的负荷，在使用台数较多时，必须考虑电源三相平衡问题。应用实例SAW焊接示例7.5埋弧焊自动调节系统•已经学过的调节系统回顾：TIG、PAW：电源控制和弧长控制稳定焊接参数（通过直流负反馈获得恒流输出，通过外部机构稳定弧长，如弧压信号控制、弧光信号控制以及接触式信号检测等）中等细直径焊丝的GMAW：平特性或缓降特性电源配备等速送丝机构，通过电弧自身调节作用保持弧长的稳定。铝合金亚射流过渡GMAW：等速送丝配备恒流特性电源，通过电弧固有的自身调节作用稳定电弧长度能否用于SAW？调节的必要性•否！Why？•埋弧焊通常采用较粗直径的焊丝，直径一般4mm以上，仍然依靠电弧自身调节作用保持弧长的稳定，则由于系统对粗丝的调节灵敏度低、反应慢，无法满足参数稳定的要求－焊丝的熔化速度与I成线性关系，然而焊丝电流密度是与焊丝的截面积成反比，在焊丝直径增加一倍时，即使焊接电流增加两倍，也不能达到何时的电流密度值。因此从电弧调节灵敏度角度考虑，电弧自身调节系统不适合使用粗焊丝。•电弧自身调节作用，弧长变动时和调节过程中，焊接电流有较大的变动，将造成焊缝成形不均，这一点对于埋弧焊这种大热输入量的焊接在保证熔透稳定性方面是极为不利的。•这种情况同样在粗丝GMAW焊接中存在调节原理•SAW调节系统——弧压反馈变速送丝调节系统•电弧长度发生变化使焊接规范偏离原来的稳定值时，利用电弧电压做反馈量，通过转速调节机构（调节器），迫使送丝速度改变，把焊接规范调回到原先的数值。这是一种典型的外部反馈闭环调节系统。调节器的静态特性方程为：Vf=k(Ua-Ug)k:调节器灵敏度，取决于系统机电结构;Ua:电弧电压；Ug:送丝给定电压,从电路上给予调节器的初始输入电压。Vf:送丝速度，由电弧电压与送丝给定电压的差值决定。电弧稳定工作条件：Vm＝Vf且Vm＝KiI－KuU弧压反馈调节系统静态特性方程，表示在变速送丝自动焊系统中，送丝给定电压一定时，电弧在稳定工作点燃烧所需具备的焊接电流与电弧电压的配比关系。iaguukkUUIkkkk弧压反馈调节系统静态特性曲线－等熔化速度曲线•按等熔化速度曲线方式理解系统静态特性曲线：电弧在该条曲线上燃烧时，焊丝熔化速度与焊丝送进速度相等。•在系统内部参数调定以后，对应一定直径的焊丝、一定数值的送丝给定电压和一种电弧条件（干伸长、保护情况等），只有一条系统静态特性曲线与其对应。•严格讲，因为ki和ku是随I或U变动的，该曲线并非一条直线，即使在送丝给定电压不变的情况下，U0和各点tgβ仍然会受到I和U数值的影响。但这种变化对系统的调节特性影响不大，不影响系统调节作用的发挥。U0：曲线截距tgβ：曲线斜率曲线特征①k变化，静特性斜率tgβ随之变化。当k趋于足够大时，tgβ趋于为0此时系统具有最高的调节灵敏度。通常k值是由调节器电路参数值决定的，设定后一般情况下不做调整，但K值随焊丝材料、保护条件不同而变化；②Ug增加，系统静态特性曲线上移；反之下移；③焊丝直径减小或焊丝干伸长增加，Ki值增加，使曲线斜率tgβ加大。调节过程•W：已调定的电源外特性；A：系统静态特性；l0代表初始稳定状态下的电弧静特性。Q0是电弧稳定工作点。•现在弧长缩短至l1，电弧工作点改变到Q1，由于Q1不在A线上，将发生Vm≠Vf，系统展开调节：由于U1U0，（Ua-Ug）值下降，将使送丝速度Vf下降，甚至回抽（Ua下降过多），于是电弧长度逐渐回复，最后重新回到Q0点。•在上述调节过程中，Q1点的电流值I1大于Q0点的电流I0（I1I0），也会使焊丝熔化速度增加，促使弧长拉长，即电弧自身调节也在发挥作用，但弧压反馈调节的作用更大。调节精度•弧长变化时的调节精度：影响因素有焊丝干伸长、焊丝直径、焊丝电流密度、焊丝电阻率、焊接保护条件以及电源外特性变化率等。•以干伸长Ls为利：调节过程结束后，如果Ls没有改变，则系统不出现静态误差。调节过程结束后，如果Ls发生了变化，则电弧将在一新的稳定工作点下燃烧，并产生误差。如：Ls增加-tgβ增大，调节完成后，产生电弧电压的正偏差，电弧长度的正偏差，焊接电流的负偏差。弧压反馈调节系统通常采用陡降特性电源进行焊接（为了获得较大的弧压变化量以满足调节灵敏度的要求），所以焊接电流的改变量较小。电源外特性下降率越大，电流的变化量越小；恒流特性电源几乎没有电流的改变，但埋弧焊很少采用恒流特性电源，陡降特性对于埋弧焊焊缝成形的稳定性更为有利。一般弧压反馈调节系统多采用粗丝进行焊接，焊丝电流密度较低，即ki值和tgβ值较小，而调节器灵敏度k较大，使得系统调节后的电压值误差和电流值误差都很小,甚至可以忽略不计。•网压变化时的调节精度网压变动时，如果调节器灵敏度较低，将产生较大的电弧电压变化；如果调节器灵敏度较高，将产生相对较大的焊接电流变化。而缓降特性电源相对于陡降特性电源，电弧电压和焊接电流的变化都比较大。从这一点考虑，为了不降低系统调节灵敏度，也希望采取陡降特性电源进行焊接。调节灵敏度•系统调节灵敏度取决于弧长变化时，系统送丝速度变化量的大小。ΔVf=k.Δua•所以：(1)调节器灵敏度k越大，系统调节灵敏度越高。但由于系统中有惯性环节（机械惯性、电感电容的电惯性、热容的热惯性），K值也不宜过大，否则会造成超调过大引起系统振荡，目前已开始采用转动惯性特别小的印刷电路电机作为送丝电机。(调节系统基本要求：稳定性、动态品质、精度)(2)电弧电场强度E（弧柱）越大，单位弧长变化引起的电弧电压改变量也就越大，系统灵敏度提高。所以同等直径粗丝SAW比MIG弧压调节器的放大倍数可以小一些调整方法•通过调节电源外特性来调整焊接电流；通过调节送丝给定电压来调整电弧电压。电源外特性所涵盖范围与送丝速度所涵盖范围的重叠区间就限定了焊接电流和电弧电压的调整范围。•注意：不同直径焊丝对系统静特性斜率有明显影响，可能使调节范围产生移动，如果放大器放大倍数不变，用于细焊丝时U、I调节范围将变成U很高的一个区域（所示虚线规范区间），这与一般地降低I则U也要相应降低的工艺要求是不相适应的。如果系统调整不到适用的规范应通过改变系统调节器灵敏度做出调整，即当用于细焊丝时，增大调节其放大倍数，使调节器静态斜率降低，但放大倍数不能太大，否则容易形成震荡，即这种调节方法不适用于太细的焊丝。变速送丝调节系统结构确定以后，只能在一定焊丝直径范围内使用。•7.5.1SAW焊接材料•焊剂埋弧焊用焊剂对焊接操作性能、焊缝金属的性质有很大的影响，其作用有如下几点：1）产生气和渣，保护电弧和熔池，防止焊缝金属的氧化、氮化；2）稳定电弧；3）脱氧、补充合金元素并防止烧损；4）焊缝整形；5）减少气孔和裂纹等缺陷。焊剂的基本要求：1.杂质元素P、S要少；2.对油、锈、水等不敏感；3.要有合适的熔点和粘度（流动性）；4.要有良好的脱渣性；5.不应析出有害气体；6.要有合适的粒度，颗粒具有合适的强度便于回收利用；7.吸湿性要小。7.5SAW焊接材料及冶金原理•焊剂通常是根据制造方法、成分体系、焊缝金属性能或根据用途等进行分类。按制造方法分：熔炼焊剂、非熔炼焊剂（烧结焊剂、粘接焊剂）熔渣化学特性分：碱性、中性、酸性焊剂成分分类：无锰型、低锰型、中锰型、高锰型•熔炼焊剂：原料在炉中熔化（1500-1600℃），经过碳酸盐分解、高价Mn还原成MnO并与SiO2形成硅酸盐以及硫酸烧损等系列化学反应后，迅速倒入室温水中使焊剂成为颗粒状（水化处理，湿法）或用压缩空气将熔融的焊剂吹成小颗粒（干法）。也可干湿法混用，但水化后应烘干，水份不超过0.1%。熔炼焊剂在熔化后急速冷却，通常呈玻璃状。其特征有如下几点：(1)焊缝外表美观；(2)不易吸湿，通常在使用前可以不干燥；(3)未熔化的焊剂可以重复使用；(4)电流不同，采用的焊剂粒度不一样。•粘接焊剂、烧结焊剂：在焊剂中加入大量的合金元素和变质剂，通过接合剂制成颗粒状（粘接焊剂），进行烘烤或烧结（烧结焊剂）。有利于改善焊缝的组织和性能，克服熔炼焊剂脱氧不完全、不能大量渗合金的缺点。其特征有如下几点：(1)大电流下的焊接操作性良好，适合于厚板高生产率焊接；(2)焊缝金属的性能特别是冲击韧性优良；(3)容易填加合金元素，比如采用低碳钢焊丝，通过改变焊剂即可对低合金钢进行焊接；(4)与熔炼焊剂相比，消耗量少，经济性好；(5)从小电流到大电流，可以采用同一粒度的焊剂进行焊接。•机械混合焊剂•粘接焊剂制造简单、成本便宜、节省能源，国外大量使用，国内使用很少，个别企业自用自配。国内大多使用熔炼焊剂。•焊剂的种类、焊剂的成分对焊缝形状有影响，最为明显的是熔炼焊剂与烧结焊剂的差别，通常熔炼焊剂熔深更大。•熔炼焊剂有各种粒度，对粒度的选择应与焊接电流相适应。如果大电流下使用粗粒度焊剂，后方的波纹会很粗，外观不好。如果小电流下使用细粒度焊剂，气体的放出不顺利，焊缝尺寸不均，容易产生气孔。通常使用粗粒度焊剂可以得到熔深大、熔宽窄的焊缝；使用细粒度焊剂，可以得到熔深浅、熔宽大的焊缝。(a)熔炼焊剂(b)烧结焊剂•按酸碱性分类：通常用碱性度作为衡量熔渣碱性、酸性的尺度：碱性度B1＝碱性成分的重量总和(CaO,MgO,MnO,FeO,Na2O的重量％)/酸性成分的重量总和(SiO2,TiO2,Al2O3的质量％)碱性度B2＝碱性成分摩尔率的总和/酸性成分摩尔率总和碱性度B3＝(各成分的摩尔率×碱性系数)的总和B3是过碱性表示法，通常用BL作记号，计算式如下：BL＝6.05nCaO―6.31nSiO2―4.97nTiO2―0.2nAl2O3＋4.8nMnO＋4.0nMgO＋3.4nFeO式中：n代表各成分的摩尔率。当BL0时呈碱性，当BL0时呈酸性。酸性焊剂工艺性好，但氧化性强，合金元素烧损大，去除有害元素