埋弧自动焊原理、设备及材料

埋弧自动焊原理、设备及材料

一、埋弧自动焊的原理与特点

1.原理

埋弧自动焊实质是一种电弧在颗粒状焊剂下燃烧的熔焊方法，如图 4—1 所示。其原理如下;

焊丝送入颗粒状的焊剂下，与焊件之间产生电弧，使焊丝与焊件熔化形成熔池，熔池金属结晶为焊缝;部分焊剂熔化形成熔渣，并在电弧区域形成一个封闭空间，液态熔渣凝固后成为渣壳，覆盖在焊缝金属上面。随着电弧沿着焊接方向移动，焊丝不断地送进并熔化，焊剂也不断地撒在电弧周围，使电弧埋在焊剂层下燃烧，由此实现自动的焊接过程。

2.特点

埋弧自动焊与焊条电弧焊相比，其主要特点如下∶

（1）焊接生产率高 埋弧自动焊所用焊接电流大、加上焊剂和熔渣的隔热作用，热效率高、熔深大。在焊件不开坡口的情况下，单丝埋弧自动焊一次可熔透20mm。焊接速度高，以厚度8～10mm 钢板对接焊为例，单丝埋弧自动焊速度可达50～80 cm/min，焊条电弧焊则不超过10～13cm/min。

（2）焊接质量好 焊剂和熔渣的存在不仅防止空气中的氮、氧侵入熔池，而且使熔池较慢凝固，使液态金属与熔化的焊剂间有较多时间进行冶金反应，减少焊缝中产生气孔、裂纹等缺陷的可能性。焊剂还可以向焊缝渗合金，提高焊缝金属的力学性能。另外，焊缝成形美观。

（3）劳动条件好 埋弧自动焊的焊接过程实现机械化，使操作显得更为便利，而且烟尘少，没有弧光辐射，劳动条件得到改善。

由于埋弧自动焊采用颗粒状焊剂，一般仅适用于平焊位置，其他位置的焊接则需采用特殊措施，以保证焊剂能覆盖焊接区。埋弧自动焊主要适用于低碳钢及合金钢中厚板的焊接，是大型焊接结构生产中常用的一种焊接技术。

二、电弧长度自动调节系统与调节方法 

1.电弧长度自动调节系统的组成

焊条电弧焊时，焊工用眼睛观测电弧，当发现弧长变化时，随即调整焊条的送进，以保持理想的电弧长度和熔池状态。这是一种人工调节方式。它是依靠焊工的肉眼和其他感官对电弧和熔池的观测，通过大脑的分析比较，判断弧长和熔池状态是否合适，然后支配手臂调整运条动作来完成的，如图4—2所示。焊条电弧焊的焊接质量取决于焊工个人的焊接能力及对电弧及焊接状态的判断力。

埋弧自动焊时，焊接电弧经常会受到诸如网路电压的波动、焊件表面不平整、焊件坡口加工不规则及定位焊缝的存在等因素的干扰，使电弧长度不断地发生变化。这种弧长的变化会造成电弧燃烧的不稳定。因此在焊接过程中，总是希望当弧长变化时，能迅速得到调整，恢复到原有的长度。埋弧自动焊以机械方式送进焊丝和移动电弧的自动调节方式代替焊条电弧焊的人工调节方式。因此，埋弧自动焊机自动调节系统就必须具有与人的眼—脑—手相对应的3 个基本机构，即∶

（1）检测机构  检测机构如同人的眼睛一样，能在整个焊接过程中连续检测弧长变化面需要调节的量。

（2）比较机构  比较机构能起到人脑的作用。它将测量出的被调量，通过与操作者从外部预先给定值进行比较，然后输出偏差信号。

（3）执行机构  它根据输出的偏差信号数值，自动完成调整动作（如自动调整焊丝的下送或上抽）。

为了提高自动调节系统工作的灵敏度，在检测、比较、执行机构中经常包含有放大器。 3 个基本机构加上放大器组成了弧长自动调节器 （通常把调节对象以外的，为实现自动调节目的而加入的测量、给定、比较、放大和执行等环节总称为自动调节器）。

2.电弧长度自动调节方法

焊接时，电弧长度由焊丝给送速度和焊丝熔化速度决定。只有保证焊丝给送速度与焊丝熔化速度同步，才能保持电弧长度稳定不变。因此，可通过2 种途径来达到稳定电弧长度的目的，即调节焊丝给送速度和调节焊丝熔化速度。焊丝给送速度是指在单位时间内送人焊接区的焊丝长度。焊丝熔化速度是指在单位时间内熔化送入焊接区的焊丝长度。

埋弧自动焊机和其他自动焊机一样，采用2 种能够自动调节弧长的方式，即电弧自身调节和电弧电压自动（强制）调节。根据上述2种不同调节原理，设计和制造了等速送丝式埋弧自动焊机 （焊机型号有MZ1—1000 型）和变速送丝式埋弧自动焊机 （焊机型号有MZ-1000 型）。

三、等速送丝式埋弧自动焊机 

1.工作原理

等速送丝式埋弧自动焊机的特点是;选定的焊丝给送速度在焊接过程中恒定不变。当电弧长度变化时，依靠电弧的自身调节作用，相应地改变焊丝熔化速度，以保持电弧长度的不变。

（1）等熔化速度曲线 等速送丝式埋弧自动焊机的电弧自身调节作用，关键在于焊丝熔化速度。而焊丝熔化速度与焊接电流、电弧电压有关，其中焊接电流的影响更大些。当焊接电流增大时，焊丝的熔化速度显著地增高;当电弧电压升高时，焊丝的熔化速度却略有减慢（电弧长时，较多的热量用于熔化焊剂）。

如果选定焊丝给送速度和焊接工艺条件（如焊丝直径和伸出长度不变，焊剂牌号不变等）相同，调节几个适当的焊接电源外特性曲线位置，并分别测出电弧稳定燃烧点的焊接电流和电弧电压值，以及相应的电弧长度;连接这几个电弧稳定燃烧点，就可以得到曲线C（图4—3）。这条曲线称为等熔化速度曲线。曲线上每一个电弧燃烧点都对应着一定的焊接电流和电弧电压，而且当电弧电压升高时，焊接电流也相应增大。这样，当电弧电压升高使焊丝熔化速度减慢时，可由增大的焊接电流来补偿，达到焊丝熔化速度与焊丝给送速度同步，保持电弧在一定的长度下稳定燃烧。

（2）电弧自身调节原理 根据等熔化速度曲线的含义，等速送丝式埋弧自动焊机的电弧稳定燃烧点应是电源外特性曲线、电弧静特性曲线和等熔化速度曲线的相交点，如图4—4 所示0;点。

假设电弧在 O₁点稳定燃烧，由于受某种外界因素的干扰，电弧长度突然发生变化，从L₁拉长到L₂，此时电弧燃烧点从O₁点移到O₂点，焊接电流从L₁减小到L₂，电弧电压从U₁增大到U₂。电弧在O₂点燃烧是不稳定的。这是因为焊接电流减小（L₂<L₁）和电弧电压升高（U₂>U₁），都会减慢焊丝熔化速度，而焊丝给送速度是恒定不变的。其结果是使电弧长度逐渐缩短，电弧燃烧点将沿着电源外特性曲线，从O₂点回到原来的O₁点，这样又恢复了电弧稳定燃烧状态，保持原来的电弧长度。反之，电弧长度突然缩短时，由于焊接电流随之增大，电弧电压降低，加快焊丝熔化速度，而送丝速度不变。使电弧长度增加，同样也会恢复到原来的电弧长度。

（3）影响电弧自身调节作用的因素

1）焊接电流 电弧的自身调节作用主要 是依靠焊接电流的增减实现。电弧长度改变后，焊接电流的变化越显著，则电弧长度恢复得越快。从图4—5中可以看出，当电弧长度变化相同时，选用大电流焊接比小电流焊接的电流变化值要大（ΔI₁>Δl₂）。因此采用大电流焊接时，电弧的自身调节作用较好，即电弧自动恢复到原来长度的时间就短。

2）电源外特性 从图4—5中还可以看出，当电弧长度变化相同时，较为平坦下降的电源外特性曲线1 要比陡降的电源外特性曲线2 的电流变化值大些。这说明电源下降外特性越平坦，焊接电流变化值越大，电弧的自身调节作用就越好。所以，等速送丝式埋弧自动焊机的焊接电源要求具有缓降的电源外特性。

2.MZ1—1000型埋弧自动焊机

MZ1—1000 型埋弧自动焊机是根据电弧自身调节作用设计的典型的等速送丝式埋弧自动焊机。其控制系统简单，可使用交流或直流焊接电源，主要用于焊接各种坡口的对接、搭接焊缝，船形焊缝，容器的内、外环缝和纵缝，特别适用于批量生产。该焊机由焊接小车、控制箱和焊接电源3 部分组成。

（1）焊接小车焊接小车如图4—6 所示。送丝机构和行走机构共同使用一台交流电动机，电动机两头出轴，一头经焊丝给送机构减速器输送焊丝;另一头经行走机构减速器带动焊车。

焊接小车的前轮和主动后轮与车体绝缘，装有橡胶轮。主动后轮的轴与行走机构减速器之间装有摩擦离合器，脱开时可以用手推拉焊车。焊接小车的回转托架上装有焊剂漏斗、控制按钮板、焊丝盘、焊丝校直机图4—6 MZ1—1000 型埋弧自动焊机的焊接小车构和导电嘴等。焊丝从焊丝盘经校直机构、送给轮和导电嘴送人焊接区。所用的焊丝直径为1.6～5.0mm。

焊接小车的传动系统中有2 对可调齿轮，通过改换齿轮速比，可调节焊丝给送速度和焊接速度。焊丝给送速度调节范围为0.87～6.7m/min。焊接速度调节范围为16～126 m/h。

（2）控制箱 控制箱内装有电源接触器、中间继电器、降压变压器、电流互感器等电气元件，在外壳上装有控制电源的转换开关、接线板及多芯插座等。

（3）焊接电源 常见的埋弧自动焊机交流电源采用BX2—1000 型同体式弧焊变压器，有时也采用具有缓降外特性的弧焊整流器。

四、变速送丝式埋弧自动焊机

1.工作原理

变速送丝式埋弧自动焊机的特点是∶通过改变焊丝给送速度来消除外界因素对弧长的影响。即焊接过程中电弧长度变化时，依靠电弧电压的自动调节作用，相应改变焊丝给送速度，以保持电弧长度的不变。

（1）电弧电压自动调节原理 在图4—7 中，送丝电动机MF 是他励式直流电动机，它的电枢由直流发电机GF 供电。直流发电机有2个磁通方向相反的励磁线圈L1 和L2。其中，L1 是由直流电源供电，并用电位器RP2 来调节给定电压U_g产生磁通Φ₁在焊接回路中的U_A反馈给L2，产生磁通Φ_2。Φ₁与Φ₂的磁通方向相反，Φ₁和Φ₂的合成磁通控制直流发电机的电压极性和电压，即控制焊丝给送的方向和快慢。

焊接时，如果电弧电压升高（电弧变长），磁通 更，大于磁通Φ₁，则合成磁通方向和Φ₂一致，这时发电机的电压极性使电动机MF 正转，焊丝下送。而且，电弧电压越高，反馈到励磁线圈L2 产生的磁通Φ₂也越大，焊丝下送的速度就加快。反之，电弧电压越低 （电弧变短），则磁通Φ₂小于磁通Φ₁合成磁通的方向和Φ₁一致，这时发电机的电压极性使电动机MF 反转，焊丝就上抽。

在图4—7 所示电弧电压调节电路中，直流发电机GF 的励磁线圈L2 为检测机构，它实时地检测U_A的波动，并转化为Φ₁的变化;电位器RP2 为给定机构，当RP2 调定后，L1 两端电压U_g一定，磁通更Φ₁一定;GF的2个他励线圈L2 和L1 组成比较机构，比较结果Φ_合= Φ₂-Φ₁改变GF 的输出电势的大小和极性;送丝电动机MF 为执行机构，由GF 的输出电势大小和极性决定MF 的转速和送丝方向，从而达到自动调节的目的。

（2）电弧电压自动调节静特性曲线 在确定的工艺条件下。调节电位器RP2，选定一个适当的给定电压U_g然后调节几个电源外特性曲线位置，焊接时分别测出电弧稳定燃烧时的焊接电流和电弧电压，连接这几个电弧稳定燃烧点。可以得到一条电弧电压自动调节静特性曲线A（图4—8）。

曲线A表明电弧在这条曲线上燃烧时，其焊丝的熔化速度等于焊丝给送速度。但是，变速送丝式的焊丝给送速度不是恒定不变的，因此在曲线上的各个不同点都有不同的焊丝给送速度，并对应着不同的焊丝熔化速度，以使电弧在一定的长度下稳定燃烧，这和等速送丝式的等熔化速度曲线是有区别的。

（3）电弧电压自动调节作用 变速送丝式焊机的电弧稳定燃烧点，是电源外特性曲线、电弧静特性曲线和电弧电压自动调节静特性曲线的三线相交点，如图4—9 所示0₁点。假设电弧在0₁点稳定燃烧，当受到外界干扰时，使电弧长度突然从l₁拉长至l₂。这时，电弧燃烧点从0₁点移到0₂点，电弧电压从U₁增到U₂因电弧电压升高，使焊丝给送速度加快，焊接电流由I₁减小到I₂焊丝熔化速度减慢，电弧长度将相应缩短，从而使电弧的燃烧点又从0₂点回到原来的0₁点，保持了原来稳定燃烧时的电弧长度。反之，如果电弧长度突然缩短，电弧电压随之减小，焊丝给送速度相应减慢。引起焊接电流增大，焊丝熔化速度加快，从而使弧长变长，结果也是恢复到原来的电弧长度。

（4）影响电弧电压自动调节性能的因素 主要的影响是电路电压波动。当电路电压升高时，电源外特性曲线相应上移（图4—10），电弧从原来稳定燃烧点0₁移到新的稳定燃烧点0₂相应地。焊接电流由7增至I，，电弧电压由U，升高到U2。由于O2点在电弧电压自动调节静特性曲线上。因此变速送丝式焊机不能使焊接工艺参数恢复到原值。

由图 4—10 可以看出，电弧电压自动调节静特性曲线近似于水平，则电弧电压变化受电路电压波动的影响很小。却使焊接电流变化较大。因此，为了减小电路电压波动对焊接电流的影响，变速送丝式焊机适宜采用陡降外特性的焊接电源。

2. MZ-1000 型埋弧自动焊机

MZ—100 型埋弧自动焊机是根据电弧电压自动调节原理设计的变速送丝式埋弧自动焊机。它在焊接过程中自动调节灵敏度较高，而且调节焊丝给送速度和焊接速度较方便，可使用交流和直流焊接电源，主要用于水平位置或水平面倾斜不大于10°的位置的各种坡口的对接、搭接和角接焊缝的焊接，并可借助滚轮胎架焊接筒形焊件的内、外环缝。MZ—1000 型埋弧自动焊机主要由MZT—1000 型焊接小车和MZP—1000 型控制箱及焊接电源组成。

（1）MZT——1000 型焊接小车 由机头、控制盘、焊丝盘、焊剂漏斗和台车等部分组成，如图4-11 所示。 

机头的功能是给送焊丝，它由一台直流电动机、减速机构和给送轮组成，焊丝从滚轮中送出，经过导电嘴进入焊接区。控制盘和焊丝盘安装在焊接小车的横臂一端，控制盘上有用来调节小车行走速度和焊丝给送速度的电流表和电压表，以及控制焊丝上下的按钮、电流调节按钮等。焊剂漏斗功能是将焊剂经软管撒在焊丝周围。台车由直流电动机通过减速箱和离合器驱动。为适应不同形式的焊缝，焊接小车可在一定的方位上转动。

（2）MZP—1000 型控制箱 控制箱内装有电动机和发电机组。以供给送丝用和台车的直流电动机所需的直流电源，还装有中间继电器、交流接触器、降压变压器、整流器、镇定电阻和开关等电气元件。

（3）焊接电源 采用交流电源时，一般配用BX2—1000 型弧焊变压器;采用直流电源时，可配用具有陡降外特性的弧焊整流器。

五、埋弧自动焊的焊接材料

1.焊丝

目前，埋弧自动焊焊丝的国家标准包括《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》 （GB/T 5293— 1999）、《埋弧焊用低合金钢焊丝和焊剂》（GB/T 12470—2003）、《埋弧焊用不锈钢焊丝和焊剂》（GB/T 17854—1999）。按照焊丝的成分和用途，可分为碳钢焊丝、低合金钢焊丝和不锈钢焊丝3类。

常用的焊丝直径有φ1.6、d2.0、φ2.5、d3.2、φ4.0、φ5.0、φ6.0 mm等。埋弧自动焊时，各种直径的普通钢焊丝使用的电流范围见表4—1。 

焊接碳素结构钢和某些低合金结构钢时，推荐使用焊丝 H08MnA、H10Mn2 等。焊接合金钢或高合金钢时，应采用与母材成分相同或相近的焊丝。

焊丝表面应当干净光滑，从而保证焊接时能顺利地送进。以免给焊接过程带来干扰。除不锈钢焊丝和有色金属焊丝外，各种低碳钢和低合金钢焊丝的表面镀铜。镀铜层既可起防锈作用，又可改善焊丝与导电嘴的接触状况。但是，焊接耐腐蚀和核反应堆材料所用的焊丝不允许镀铜。

为了使焊接过程稳定进行并减少焊接辅助时间，焊经通常用盘丝机整齐地盘绕在焊丝盘上，按照国家标准《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》（GB/T5293—1999）规定，每盘焊丝应保证能在埋弧自动焊机上连续送丝。焊丝盘的包装尺寸和质量见表4—2。

2.焊剂

焊剂是颗粒状焊接材料。它是焊接时能够熔化形成熔渣和（或）气体，对熔化金属起保护和冶金物理化学作用的一种物质。埋弧自动焊用焊剂的作用如同焊条的药皮，起着隔绝空气、保护焊缝金属不受空气污染和参与熔池金属冶金反应的作用。焊剂应具有良好的冶金性能和工艺性能，与选用的焊丝相配合，通过适当的焊接工艺保证焊缝金属能够获得所需的化学成分和力学性能以及抗热裂和冷裂的能力;具有良好的稳弧、造渣、成形、脱渣等性能，并且在焊接过程中生成的有害气体少。

（1）焊剂的分类 埋弧自动焊焊剂除按其用途分为钢用焊剂和有色金属用焊剂外，通常按制造方法、化学成分、化学性质、颗粒结构等分类，如图4—12 所示。

1）熔炼焊剂 将一定比例的各种配料干混均匀后在炉中熔炼，随后注水激冷，再干燥、破碎和筛选制成。目前，熔炼焊剂应用最多。其缺点是∶制造过程要经过高温熔炼，合金元素易被氧化，因此不能依靠焊剂向焊缝大量添加合金元素。

2）非熔炼焊剂

①烧结焊剂。它是将一定比例的各种粉状配料拌匀，加入水玻璃调成湿料，在400～1 000℃温度下烧结成块，再经粉碎、筛选而成。

②黏结焊剂（又称为陶质焊剂）。它是将一定比例的各种粉状配料加入水玻璃，混合拌匀，然后经粒化和低温（400℃ 以下）烘干制成。

后两种焊剂没有熔炼过程，所以化学成分不均匀，会导致焊缝性能不均匀。可在焊剂中添加铁合金，以改善焊缝金属的合金成分。

（2）碳钢焊剂型号 根据国家标准《埋弧焊用碳钢焊丝和焊剂》（GB/T 5293—1999）的规定，碳钢焊剂型号根据焊丝一焊剂组合的熔敷金属力学性能、热处理状态进行划分。

1）型号的表示与含义

①字母"F"表示焊剂。

②字母后第一位数字表示焊丝一焊剂组合的熔敷金属抗拉强度的最小值，数值见表4-3。

③第二字母表示试件的热处理状态，"A"表示焊态（试件焊后不热处理），"P" 表示焊后热处理状态（620±15℃保温）。

④第三位数字表示熔敷金属冲击吸收功不小于27J时的最低试验温度，见表4—4。

⑤短线"—"后面表示焊丝牌号，牌号按GB/T 14957—1994 规定。

2）型号示例 如图4—13 所示。

F4A2—H08A 表示这种焊剂采用 H08A焊丝。按标准所规定的焊接工艺参数焊接试件，其试样为焊态时测试，熔敷金属的抗拉强度为415-550MPa;屈服点不小于330 MPa;伸长率不小于22%;在-20℃时冲击吸收功值不小于27J。

（3）焊剂牌号 焊剂牌号形式为"H×××"。"HJ"后面有3 位数字，具体内容如下∶

1）第一位数字表示焊剂中氧化锰的平均质量分数，见表4—5。

2）第二位数字表示焊剂中二氧化硅、氟化钙的平均质量分数，见表4—6。

3）第三位数字表示同一类型焊剂不同的牌号，从0～9 顺序排列。

4）同一牌号焊剂生产2种颗粒度时，在细颗粒焊剂牌号后面加"细"字。 

5）焊剂牌号示例如图4-14 所示。

另外，烧结焊剂的牌号表示方法为;牌号前"SJ"表示埋弧自动焊用烧结焊剂;字母后第一位数字表示焊剂熔渣的渣系，见表4—7;字母后第二位、第三位数字表示同一渣系类型焊剂中的不同牌号，按01、02、09 顺序排列。

（4）焊剂颗粒度 通常焊剂供应的粒度为10～60 目（烧结焊剂）、8～40 目 （熔炼焊剂），亦可提供特种颗粒的焊剂。一般大电流焊接时，选用细颗粒度焊剂可使焊道外观成形美观;小电流焊接时选用粗颗粒度焊剂，有利于气体逸出，避免麻点、凹坑甚至气孔出现。高速焊时，为保证气体逸出，也选用相对较大粗颗粒度的焊剂。

（5）焊剂的使用、烘干与保管 常见焊剂的用途及配用焊丝见表4—8。为保证焊接质量，使用前应对焊剂进行烘干，熔炼焊剂要求200～250℃下烘焙1～2 h;烧结焊剂要求300～400℃下烘焙1~2 h。回收的焊剂应清除其中的渣壳、碎粉及其他杂物，并与新焊剂混匀后使用。使用直流电源时，应采用直流反接。焊剂在保管时应防止受潮，搬运时防止包装破损。