埋弧焊

埋 弧 焊

一、埋弧焊的特点和应用

（一）埋弧焊的特点

埋弧焊是以电弧埋在焊剂下，成为加热和熔化焊丝与工件的热源，焊丝的送进和电弧沿焊接方向的移动都由机械实现的焊接方法。其优点是∶可用较大的焊接电流，较高的焊接速度，生产率高;机械化程度高，质量稳定，对焊工操作水平的依赖程度大大降低;没有弧光辐射，劳动条件较好;焊接成本较低。缺点是∶焊接时必须用焊剂覆盖，除非采取特殊措施，否则只能在平焊位置焊接;埋弧焊接不能直接观察电弧与坡口的相对位置，若没有可靠的自动跟踪装置，则容易焊偏;焊接熔深较大，焊接较薄的焊件容易焊穿;需要的设备较多，除埋弧焊机外，还需焊接操作架、可调速的滚轮架（最好是有自动防轴向位移功能的）、焊剂垫等。

（二）埋弧焊的应用

埋弧焊一般用在锅炉、压力容器制造中和大直径螺旋管和直缝管焊制中的焊接。广泛用于焊接低碳钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢及铜镍有色金属的焊接，还用于耐蚀层或耐磨层合金丝极或带极堆焊。在容器安装中，已有大型储罐横缝埋弧焊的应用实例。

埋弧焊在长期的应用过程中派生出许多新的工艺方法，如单电源双细丝埋弧焊、多丝埋弧焊、带极埋弧堆焊、窄间隙埋弧焊、埋弧堆焊等。

二、埋弧焊设备的分类和组成

（一）埋弧焊设备的分类

（1）按照用途 埋弧焊设备分为通用和专用两种。通用埋弧焊设备广泛用于各种结构的纵、环缝对接、角接。专用埋弧焊设备如埋弧自动角焊机、T形梁焊机、埋弧堆焊机。

（2）按电源类型 埋弧焊设备分为交流和直流两种。

（3）按行走机构形式 埋弧焊设备分为焊车式、悬挂式、车床式、悬臂式以及龙门式等，如图3-41所示。

（4）按送丝方式 埋弧焊设备分为等速送丝式和变速送丝式两种。前者适用细丝高电流密度焊接，后者适用粗丝低电流密度焊接。

（5）按焊丝数量和截面形状 埋弧焊设备分单丝、双丝、多丝和带状。单丝埋弧焊设备运用最广泛，双丝和多丝是为了提高生产率，带状主要用于大面积堆焊。

（二）埋弧焊设备的组成

埋弧焊设备包括埋弧焊机、机头、控制箱、支架或导轨及辅助设备。埋弧焊机由焊接电源、机械系统和控制系统三部分组成。MZ-1000埋弧焊机如图3-42所示。

焊接电源是向焊接电弧提供电能，提供合适的电气特性，参与焊接参数的调节。机械系统的作用是送丝，移动焊接电弧、铺撒焊剂等。控制系统的作用是实现引弧、送丝、移动电弧、停止移动电弧、熄弧等程序自动控制，并进行焊接参数调节，使电弧稳定燃烧。辅助设备是调整工件位置，使焊缝始终处于最佳焊接位置，或是特殊的工艺装置，如焊接夹具、工件变位设备、焊机变位设备、焊缝成形设备及焊剂回收输送设备等。

1.焊接电源

埋弧焊电源有交流电源、直流电源或交直流并用。细丝（直径小于等于3mm）埋弧焊电弧静特性是上升的，要求电源的外特性是平特性，配合等速送丝能通过自身调节来保证焊接参数的稳定。直径大于3mm的粗丝电弧静特性是水平的，通常采用下降特性的电源和变速送丝（电弧电压负反馈调节送丝速度）来保证焊接参数的稳定，并用来焊接厚板。直流电源主要有弧焊整流器如 ZXG—1000R、晶体管电源ZX5-630及逆变整流器如ZX7—1000等。直流电源一般用于单丝小电流（300～600A）焊接，适用快速引弧、短焊缝、高速焊接、所采用的焊剂稳弧性差及焊接参数较高的场合。小容量焊机大多是多功能的，可以进行TIG焊（恒流外特性）、实芯或药芯熔化极气体保护焊（恒压外特性）。由于磁偏吹，直流埋弧焊的焊接电流很少在1000A以上。

交流埋弧焊电源一般为陡降外特性，主要电源有弧焊变压器如 BX1—1000和晶闸管电抗器式矩形波交流电源。弧焊变压器成本低，且无磁偏吹现象，它只适用要求不太高且电流较大的场合。晶闸管电抗器式矩形波交流电源既能满足无磁偏又能满足精度和质量要求如窄间隙焊接。

2.埋弧焊控制系统

埋弧焊基本控制系统由五个部分组成，即送丝速度控制、焊接电源参数给定、焊接启动/停止开关、手动或自动行走选择开关、待焊状态的送进或回抽。其他控制如悬臂式、门架式等埋弧焊机的控制系统还要增加悬臂伸缩、悬臂升降、立柱旋转、工件变位机运转等控制环节。

半自动埋弧焊控制系统相对简单，只需要送丝速度控制。在恒压电源系统中，要保证焊丝的等速送进;在恒流电源系统中，要监控焊接电压，并通过控制送丝速度来保证稳定的焊接电压。

数字式埋弧焊机最大的优点是电流、电压、焊速可以预设，避免焊前试焊，提高了生产率;同时动态反应速度快，焊缝外形整齐。缺点是结构复杂、维修困难。

3.机械系统

埋弧焊机的机械系统包括送丝机构、焊车行走机构、机头调节机构、导电嘴、焊剂漏斗、焊丝盘等部件，通常焊机上还装有控制盒等。各厂家都有各自的设计，但功能大同小异。

（1）送丝机构 送丝机构一般都包括送丝电动机、传动系统、送丝滚轮、矫直滚轮等。焊丝靠送丝滚轮夹紧和转动送入导电嘴。

（2）焊车行走机构 焊车行走机构由电动机、传动机构、行走轮、离合器、车架等组成。行走轮一般采用橡胶绝缘轮，目的是避免焊接电流流经车轮而短路。

（3）机头调节机构 机头调节机构是使焊机能适应各种不同类型焊缝的焊接，并使焊丝对准焊缝，因此送丝机头应有足够的调节自由度。例如，MZ—1000型埋弧焊机的机头有X、Y两个方向的移动调节，调节行程分别为60mm和80mm，还有α、β、γ三个方向的手工转动角度调节，如图3-43所示。机头上有易损件导电嘴，它的结构有三种，如图3-44所示。

（4）埋弧焊的辅助设备

1）焊接夹具。使用焊接夹具的作用在于使工件准确定位并夹紧，以便于焊接。这样可以减少或免除定位焊焊缝和减少焊接变形。焊接夹具往往与其他辅助设备配套使用，如单面焊双面成形装置等，一般都配焊剂垫或铜垫。

2）工件变位设备。这种设备的主要功能是使工件旋转、倾斜、翻转，以便把待焊的焊缝置于最佳的焊接位置，达到提高生产率、改善焊接质量、减轻劳动强度的目的。工件变位设备的形式、结构及尺寸因工件而异。埋弧焊中常用的工件变位设备有滚轮架、翻转机等。

3）焊机变位设备。焊机变位设备也称焊接操作机，其主要功能是将焊接机头准确地送到待焊位置，并在焊接时可在该位置操作，或是以一定速度沿规定的轨迹移动焊接机头进行焊接。一般与工件变位机配合使用，完成各种工件的焊接。

4）焊缝成形设备。埋弧焊的电弧功率较大，钢板对接时，为防止熔化金属的流失和烧穿并促使焊缝背面成形，往往需要在焊缝背面加衬垫。最常用的焊缝成形设备有铜垫、焊剂垫。

5）焊剂回收输送设备。焊剂回收输送设备是用来在焊接过程中自动回收并输送焊剂，以提高焊接自动化程度的装置。

三、埋弧焊的焊接参数的选择

（一）埋弧焊的焊接参数

埋弧焊工艺参数有焊前准备、焊接电源种类和极性、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊丝和焊剂的成分与配合、焊丝伸出长度、焊丝倾角、焊丝与焊件的相对位置、焊剂颗粒、焊剂散堆高度和多丝焊的丝间距等。焊接参数的确定应以其相应的焊接工艺试验结果或焊接工艺评定结果为依据，再进行适当的调整后才能使用。

其中焊接材料的选用参见第四章，本节将重点介绍单丝埋弧焊工艺参数的选择及焊接操作技术。

1.焊接电源种类和极性

埋弧焊时，采用直流电比交流电能更好地控制焊道形状和熔深，且引弧容易。直流反接时可获得更大的熔深（这是由于焊剂中有氟化物，负极时发出的热量比正极多）和最佳的焊缝成形。这与焊条电弧焊正好相反，采用交流焊接时熔深介于反接和正接之间。

因此埋弧焊在采用直流焊机时，一般都采用直流反接，只是要求熔深浅和表面堆焊时才采用正接。

2.焊接电流

焊接电流是决定焊缝熔深的主要因素。在其他参数不变的条件下，随着焊接电流的增大，焊缝的熔深和余高均增加，而焊缝的宽度变化不大，如图3-45所示。通常焊接电流I与熔深 H成正比关系∶H=KI。K为比例系数，由电源种类、极性、焊丝直径及焊剂等来决定，见表3-20。各种直径焊丝推荐的电流范围（直流反极性）及相应的熔敷率如图3-46所示，直流正接时，熔敷率约提高35% 。

焊接电流过大时，会使接头韧性降低。同时电流过大还易导致咬边、焊瘤或烧穿等缺陷。焊接电流过小时，易产生未熔合、未焊透、夹渣等缺陷，使焊缝成形变差。

3.电弧电压的选择

电弧长度决定电弧电压，埋弧焊时电弧长度不可见，只能通过电弧电压控制。在其他参数不变的条件下，随着电弧电压的提高，焊缝的宽度明显地增大，而熔深和余高则略有减小，如图3-47所示。

电弧电压过高形成宽而浅的焊道，从而导致未焊透和咬边等缺陷的产生。此时，焊剂的熔化量增加，使焊缝表面粗糙，脱渣困难。电弧电压过低，会形成高而窄的焊道，使焊缝边缘熔合不良。因此为获得成形良好的焊道，电弧电压与电流应相互匹配，电流增加时电压也相应增加。

4.焊接速度

焊接速度决定了每单位焊缝长度上的热输入。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和填充金属量减少，使熔深、熔宽和余高都相应减小，如图3-48所示。

焊接速度太快，会产生咬边和气孔等缺陷，焊道外形变差;焊接速度太慢，可能引起焊缝烧穿。如果电弧电压同时较高，可能导致焊缝横截面呈蘑菇形。在某些不利条件的共同作用下，也可能导致焊缝产生人字形裂纹或液化裂纹。因此，焊接速度应与所选定的焊接电流、电弧电压适当匹配。

5.焊丝直径及伸出长度

焊接电流一定时，焊丝直径越细熔深越大，焊缝成形系数越小。但对于一定的焊丝直径，使用的电流范围不宜过大，否则将使焊丝发红，影响焊丝的性能及焊接过程的稳定性，图4-46为各种直径焊丝推荐的电流范围。

焊丝伸出长度越长，熔敷率增大，余高增大，而熔深略有减小;焊丝伸出长度太短会反烧到导电嘴，产生粘连。一般合适的焊丝伸出长度为焊丝直径的6～10倍左右。不锈钢等电阻率较大的材料，其伸出长度应小些，但也不宜太短，否则电弧容易反烧到导电嘴上，使焊缝渗入铜而产生裂纹。

为了提高焊接效率且要求获得良好的成形焊道，加长焊丝伸出长度时应适当增加电弧电压与焊速。

6.焊丝倾角和偏移量

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，由于电弧指向待焊金属，减弱了熔池的能量使焊缝变宽，熔深变浅，焊缝余高变小。前倾时电弧指向已焊金属，能量集中，电弧吹力使熔池向后推移，因而形成熔透深、余高大、熔宽小的焊道，并使焊缝成形变差。

对于单丝埋弧焊对接焊缝焊接时，为获得良好的成形焊道焊丝一般不倾斜，与焊件表面垂直，同时焊丝中心线对准接缝中心。T形接头横角焊焊接时，焊丝与立板平面的倾斜角 30°时，成形较好。当底板与立板厚度不等时，焊丝中心线应向底板侧偏移1/4~1/2焊丝直径的距离，焊接时才能减小立板侧的咬边或成形不良或焊脚不等缺陷。

环缝埋弧焊时，为获得良好的成形焊道焊丝应逆焊件旋转方向移适当距离，使熔池凝固时刚好在水平位置。焊丝最佳偏移量取决于焊件的直径和焊速的大小。

7.焊剂粒度和堆散高度的选择

细颗粒焊剂适用于大的焊接电流。如果在低的焊接电流下使用细颗粒，因焊剂层密封性好，焊缝容易引起气孔和表面斑点。在大的焊接电流下使用粗颗粒，因焊剂层保护不好，焊缝表面容易形成凹坑和出现粗糙的波纹。

焊剂堆散高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。太薄，有闪光，电弧燃烧不稳定，降低了熔透深度;太厚，气体不易逸出，焊缝外形会凹凸不平。一般焊剂堆散高度在20~40mm 范围内，焊丝直径越粗，电流越大，堆散高度相应加大。

8.焊丝位置的调整

焊丝相对于接缝的位置也很重要，如图3-49所示。焊丝中心线必须对准坡口的中心线，当接头板厚不等时，焊丝可适当向厚板侧偏移。不恰当的焊丝位置会引起焊缝成形不良，导致咬边、夹渣和未焊透等缺陷的形成。因此，在焊接过程中应随时调整焊丝的位置。使其始终保持在所要求的正确位置上。焊丝的位置包括焊丝中心线与接缝中心线的相对位置，焊丝相对于接头平面的倾斜角及多丝焊时，焊丝之间的距离和相对的倾斜。

在深坡口厚壁接头埋弧焊时，除了根部焊道需对准接缝中心外，焊接填充层焊道的焊丝与坡口侧壁的距离应保持大致等于焊丝的直径，如图3-50所示。间距太小，则很容易产生咬边;间距太大，则会出现未熔合。

9.焊道顺序的排列

在U形坡口和V形坡口厚壁接头的多层多道焊缝中，焊道顺序对保证焊缝的质量也很重要。在平板拼接中，焊道顺序是防止挠曲变形的有效手段。对于某些低合金钢的焊接，焊道顺序可以调整焊接热周期，提高焊缝和热影响区的冲击韧度。

10.其他

1）坡口形状。当其他焊接参数不变时，增加坡口的深度和宽度时，焊缝熔深增加，焊缝余高和熔合比显著减小。

2）根部间隙。在对接焊缝中，焊件的根部间隙增大，熔深也增加。

3）焊件的厚度和焊件散热条件。当焊件较厚和散热条件较好时，焊道宽度会减小，焊缝余高增加。

四、单丝埋弧焊操作技术

（一）对接接头埋弧焊技术

对接焊缝的埋弧焊，是应用最为广泛的一种。对接焊缝包括∶平板的对接，筒体纵焊缝对接、筒体环焊缝的对接等。其对接的焊接方法有以下几种。

1.对接接头双面焊途

对接接头双面焊常见形式有留间隙和不留间隙与开坡口或不开坡口的组合。

（1）不留间隙双面焊 不留间隙双面焊是在焊第一面时焊件背面不加任何衬垫或辅助工具的操作方法，也称悬空焊。悬空焊时一般不留间隙，装配定位焊后，接口上的局部间隙不应大于1mm。焊第一道时，应保证不焊穿，故焊接参数应适当小些，一般熔透深度为焊件厚度的40%~50%。焊接背面时，应保证第一面焊道的根部焊透，故焊接参数应适当大些，一般熔透深度为焊件厚度的60%～70%。同时为了防止焊穿和未焊透，应随时观察背面焊缝表面的颜色和焊丝中心线与接缝的对中情况，做到及时调整。第一面焊道的根部是否需要清根，视第一道焊缝的质量而定。

（2）预留间隙双面焊 这种焊接法是在装配时，根据焊件的厚度预留一定的装配间隙，进行第一面焊接时，为防止熔化金属流溢，接缝背面应加以焊剂垫或其他临时衬垫，并采取措施保证焊接时衬垫与接缝贴合，且压力合适。一般第一面焊接应保证熔透深度为焊件厚度的60%～70%。进行反面焊接时，其焊接参数可与第一面相同，但必须保证完全焊透。对清根的焊缝反面熔透深度可适当减小。对特种设备的对接焊缝焊接采用此焊接法为多。此双面焊还分为带衬垫双面焊和不带衬垫双面焊，带衬垫又分焊剂垫、铜垫。

（3）开坡口双面焊 对于不宜采用较大热输入的钢材或厚度较大的焊件，可采用开坡口焊接。坡口形式由焊件厚度决定，通常焊件厚度在12~22mm时采用Y形坡口。大于22mm时开X形坡口。开坡口的焊件焊接第一面时采用焊剂垫，无法采用焊剂垫的可选用悬空焊，此时坡口应加工平整，装配间隙不应大于1mm。

焊缝的熔透深度在焊接过程中，往往是无法直接测出的。对于焊接5~14mm 厚度的焊件时，可以凭经验来估计，如熔池背面的母材金属呈红色或淡黄，表示熔透深度达到了需要的焊缝厚度。此外，当焊接电流较大、电弧电压较低、焊接速度较快时，焊缝背面加热面积的前端呈尖形，如果此时颜色淡黄或白亮，则表示工件已经接近烧穿，应立即减小电流或适当增加电弧电压（因此时焊接速度已经较快，再增加焊速会使焊缝表面成形变坏）。假如此时颜色较深或较暗时，说明焊速太快，应降低焊接速度或适当增加焊接电流。而在焊接电流较大、电弧电压较低、焊接速度较慢时，如加热面积的前端呈圆形，若颜色为浅色，则应适当增加焊接速度。若颜色为深色，则应适当增加焊接电流。

2.对接接头单面焊E

对接接头单面焊分临时衬垫（焊剂垫、铜垫、热固化焊剂垫）和永久性衬垫。

（1）焊剂垫上焊接 在焊剂垫上焊接时，焊缝成形的质量主要取决于焊剂垫托力的大小和均匀与否以及装配间隙的均匀与否，如图3-51 所示。焊剂垫托力太小，背面焊缝余高过高或焊穿。焊剂垫托力太大，根部焊缝内凹、夹渣或焊缝成形不良。

（2）铜垫上焊接 在铜垫上焊接，是采用带沟槽的铜垫板，沟槽中辅撒一薄层焊剂。焊接时这部分的焊剂起焊剂垫的作用又保护铜垫，免受电弧直接作用。沟槽起焊缝背面成形的作用。这种工艺对工件装配质量、铜垫上焊剂的托力均匀与否较不敏感，板材可用电磁平台固定。

铜垫的形状如图3-52所示，各种工件厚度的铜垫板成形槽的尺寸见表3-21。

铜垫板应用适当的机械方法紧贴在工件背面，使其有效地承托熔池金属。但是，为使具有刚性的铜垫达到可靠紧贴，对工件装配精度要求较高。为了避免局部区域铜垫板没有贴紧而使液态金属流失，可在铜垫上撒一层很薄的粉状焊剂，这种方法称为焊剂铜垫法。

根据铜垫的尺寸和贴紧的方法不同，铜垫可分为固定式和移动式两种。固定式铜垫板的长度稍长于焊缝。在焊接过程中，铜垫板不动，为使垫板与工件紧贴，除用龙门架式压力机压紧外，还可借助压缩空气带动顶杆，将铜垫顶向工件。这种形式的特点是，焊缝长度受垫板长度限制，拼板的宽度不能太大。

移动式铜垫板长度只需略大于焊接熔池的长度。在焊接过程中，铜垫紧跟焊接小车，在焊缝底部一起滑动（因此又称铜滑块），铜滑块由小车上的拉紧弹簧通过工件的装配间隙使它紧贴在焊缝背面。这种铜垫的特点是∶焊缝长度不受限制，机动灵活。但因滑块太短，容易受热氧化，必须采用水冷却。滑块需通过焊缝间隙拉紧，焊缝坡口要有一定的间隙，并有专门设计的小车。

（3）热固化焊剂衬垫 对于焊件位置不固定的曲面接缝，可采用热固化焊剂垫法进行焊接。热固化焊剂是在一般焊剂中，加入一定比例的热固化物质——酚醛树脂或苯酚树脂和铁粉等。

热固化焊剂的特点是∶当它被加热至80~100℃时，树脂软化（或液化），将周围焊剂等粘在一起，当温度继续上升到100～150℃时，树脂固化，使焊剂垫变成有一定刚度的板条。焊接时，它仅生成少量的熔渣，并能有效地阻止金属流溢。帮助焊缝背面成形。

使用时，将热固化焊剂垫紧贴在焊缝背面。热固化焊剂垫的熔渣少，避免产生大量熔渣而使焊缝高低和宽窄不均匀现象的形成。

（4）永久性垫板或锁边上焊接 在永久性垫板或锁边上焊接，当焊件结构允许焊后保留永久性垫板时，厚度在10mm以下的焊件可采用永久性垫板单面焊的方法。对接接头永久性垫板的尺寸和厚度与焊件厚度的关系见表3-22。装配时垫板必须紧贴焊件表面，垫板与焊件板面间的间隙不得大于1mm。厚度大于10mm可采用锁边结构。

（5）封底焊单面埋弧焊 对不能使用衬垫或不便翻转的焊件，可采用其他焊接方法（如氩弧焊、焊条电弧焊或CO2焊）进行打底或封底焊，再进行埋弧焊。打底层或封底层的最小厚度不小于5mm，以免埋弧焊时焊穿。

厚度较厚的焊件对接焊缝时，一般采用多层多道焊。对开V形或U形坡口进行埋弧焊时，头两层或头三层焊缝中每层可焊一道焊道，施焊时焊丝中心对准接缝坡口中心线时。随着层数的增如，坡口宽度的增大，每层分两道焊道进行焊接，此时焊丝应偏移接缝坡口中心线，偏移量为焊丝边缘与相近一侧坡口的边缘一倍的焊丝直径距离，以焊缝成形良好不咬边为准。当两道焊不满，可增加每层的焊道数，此时应先焊坡口两侧的焊道，后焊中间的焊道，同时应保证相邻焊道重叠1/3~1/2，如图3-53所示。每道焊完后，应清除焊渣，观察填充层的每一焊道是否窄而焊肉饱满、无咬边现象，如有咬边和夹渣，应彻底清除缺陷经修补后再自动焊，直至焊满。盖面层焊道应保证焊缝圆滑过渡。

（二）角接接头埋弧技术

T形接头和搭接接头的焊缝均是角接接头，用埋弧焊时可采用船形焊和斜角焊两种形式。小焊件及焊件易翻转时多用船形焊。大焊件及不易翻转时则用横角焊。

1.船形焊

船形焊时，由于焊丝处在垂直位置，如图3-54所示，熔池处于水平位置，能保证焊缝成形和质量。但对工件装配要求严格，当工件装配间隙超过1.5mm时，容易发生熔池金属流失和烧穿现象。当装配间隙大于1.5mm时，一般可在背面进行封底补焊或采用石棉垫、焊剂垫等措施，防止熔化金属的流失。在选择确定焊接参数时，焊接电压不能太高，以免工件产生咬边。

2.斜角焊

斜角焊的焊丝与工件的位置如图3-55所示。由于工件太大，不容易翻转或有其他原因，不能在船形位置进行焊接时，才采用斜角焊。斜角焊的优点是对装配间隙的要求不是很高，但焊丝的位置对角接焊缝成形和尺寸有很大影响。斜角焊时，焊丝相对于立板平面的倾斜角可调整到30°~40°，每一道斜角接焊缝的焊脚高度不超过8mm×8mm，否则会产生金属流溢和咬边。对焊脚高度超过8mm的工件，应采取多层多道焊，如图356所示为双道焊的工艺。另外，焊丝相对于工件的位置要适中，否则容易造成焊偏和咬边。

五、埋弧焊常见的缺陷和防止措施

埋弧焊常见的缺陷有裂纹、气孔、夹渣、未焊透、咬边、焊穿及焊缝成形不良等，它们产生原因及防止措施见表3-23。