埋弧自动焊工艺设计如何针对不同板厚条件进行焊接坡口设计

埋弧自动焊工艺设计如何针对不同板厚条件进行焊接坡口设计
埋弧自动焊工艺设计如何针对不同板厚条件进行焊接坡口设计

埋弧自动焊工艺设计如何针对不同板厚条件进行焊接坡口设计
1、对接接头双面焊 一般工件厚度从 10 ～ 40mm 的对接接头,通常采用双面焊.接头形式根据钢种、接头性能要求的不同,可采用 I 形、 Y 形、 X 形坡口.
2、焊接规范及其影响
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.所有这些规范,对焊缝成形和焊接质量都有不同程度的影响（表1）此外,在同样焊接规范下焊件倾斜角度也直接影响焊缝成形.操作者必须知道这些规范的影响情况,才能正确选择和调节规范,焊出优质焊缝.
（1）焊接电流 焊接电流是埋弧焊最重要的规范,它直接决定焊丝熔化速
度、熔深和母材熔化量.
增大焊接电流可以加快焊丝熔化速度,提高焊接生产率.同时,电弧吹力随焊接电流而增大,熔池金属被电弧排开,使熔池底部未熔化母材受到电弧直接加
表1 焊接规范及其影响
焊缝特点 ：当以下规范增大时的影响
焊接电流 焊接电压（伏） 焊接速度（米/时） 焊丝直径
1500（安）以内 由22~ 到32~3由34~36到50~60 10~40 40~100
熔深 显著增大 略增大 略减小 无变化 减小 减小
熔宽 略增大 增大 显著增大
（除直流正接） 减小 减小 增大
余高 显著增大 减小 减小 略增大 略增大 减小
形状系数 显著减小 增大 显著增大
（除直流正接） 减小 略减小 增大
熔合比 显著减小 略增大 无变化 显著增大 增大 减小
焊缝特点 当以下规范增大时的影响
焊丝前倾 焊件倾斜 间歇和坡口 焊剂粒度

上坡焊 下坡焊
熔深 显著减小 略增大 减小 无变化 略减小
熔宽 增大 略减小 增大 无变化 略增大
余高 减小 增大 减小 减小 略减小
形状系数 显著增大 减小 增大 无变化 增大
熔合比 减小 略增大 减小 减小 略减小
热,熔深增加.电流过大时会造成烧穿钢板,电流过大还会使焊缝余高过高,热影响区增大和引起较大焊接变形.
电流减小,熔深减小.电流过小时,容易产生未焊透,电弧稳定性不好.
电流变化对熔宽变化影响不大.
（2）焊接电压：焊接电压是焊丝端头与熔化金属表面间的电压,即电弧两
端的电压.由于这个电压难以测量,实际生产中是测量导电嘴与工件间的电压,可由机头上的电压表读出.当焊接电缆较长时,由于电流大,在电缆上有电压降,焊接电源上电压表的指示值,比机头上电压表的指示值要高1~2伏以上.调节焊接电压时,应根据机头上的电压表指示值进行.
焊接电压对焊丝熔化速度影响不大,但对焊缝横截面和外表成形有很大影响.
焊接电压增高时弧长增加,电弧的活动范围增大,熔宽增大,同时焊缝余高和熔深略为减小,焊缝变得平坦.电弧活动范围增大后,使焊剂熔化量增多,如果是含合金的烧结焊剂,向焊缝过渡的合金元素增多.当装配间隙略大时,增高电压有利于焊缝成形.
焊接电压过高,对接焊时会形成“蘑菇形”焊缝,容易在焊缝内产生裂纹；角焊时会造成咬边和凹陷焊缝.如果焊接电压继续增高,电弧会突破熔渣的覆盖,使熔化金属失去保护而与空气接触,造成密集气孔.
焊接电压降低时熔宽减小,焊缝变得高而窄.如果焊接电压过低,会造成母材熔化不足,焊缝成形不良和脱渣困难.
焊接电压应与焊接电流相适应（见表2）.焊接厚板深坡口焊缝和进行高速埋弧焊时,为了减小磁偏吹,焊接电压应选得低一些,以增大电弧的“刚性”.
表2 焊接电流与相应的焊接电压
焊接电流（安） 600~700 700~850 850~1000 1000~1200
焊接电压（伏） 34~36 36~38 38~40 40~42
（3）焊接速度：焊接速度对熔宽及熔深有明显的影响,在其他规范不变的
条件下,焊接速度增大时,电弧对母材的加热减少,熔宽明显减小.与此同时,电弧向后方排斥熔池金属的作用加强,电弧直接加热熔池低部的母材,使熔深略为增加.当焊接速度提高到40米/时以上时,由于电弧对母材加热量显著减少,熔深随焊接速度增大而减小.
焊接速度过高会造成咬边、未焊透、焊缝粗糙不平等缺陷.
降低焊接速度,熔池体积增大而存在时间增长,有利于气体浮出熔池,减小
形成气孔的倾向.但焊接速度过低会形成易裂的“蘑菇形”焊缝,或产生烧穿、夹渣、焊缝不规则等缺陷.
对于角焊缝,增大焊接速度可以提高生产率.对于开坡口的对接焊缝,焊接速度的变化对生产率的影响不大.
（4）焊丝直径： 焊丝直径主要影响熔深.在同样的焊接电流下,不同直径
的焊丝电流密度不同,直径较细的焊丝电流密度较大,电弧的吹力大熔深大.细焊丝时电流密度大,易于引弧.
焊丝越粗,允许采用的电流越大,生产率越高.当装配不良时,粗焊丝比细焊丝的操作性能好,有利于控制焊缝成形,不易烧穿.
焊丝直径应与所用的焊接电流大小相适应,如果粗焊丝用小电流焊接,会造成焊接电弧不稳定；相反,细焊丝用大电流焊接,容易形成“蘑菇形”焊缝,而且熔池不稳定,焊缝成形差.不同直径焊丝适用的焊接电流范围如表3 .
表3 不同直径焊丝适用的焊接电流
焊丝直径（毫米） 2 3 4 5 6
焊接电流（安） 200~400 350~600 500~800 700~1000 800~1200
电流密度（安/毫米） 63~125 50~85 40~63 36~50 28~42
临界电流（安） 280 300 530 700
（5）伸出长度：焊丝伸出长度是指焊丝伸出导电嘴部分的长度,就是导电
嘴下端到熔池表面的距离.为了测量方便,一般将导电嘴下端到焊件表面的距离作为伸出长度.
伸出导电嘴外的焊丝存在一定电阻,埋弧焊的焊接电流很大,在这部分焊丝
上产生的电阻热很大,焊丝受到的电阻热的预热,熔化速度增大,焊丝直径越细或伸出长度越长时,这种预热作用越大.所以,焊丝直径小于3mm时,要严格控制伸出长度；焊丝直径较粗时,伸出长度的影响较小,但也要控制在合适的范围内.伸出长度一般应为焊丝直径的6~10倍.对不锈钢焊丝等电阻较大的材料,伸出长度应小一些,以免焊丝过热.
伸出长度太短,电弧容易返烧到导电嘴上,如果导电嘴是铜材制成的时,焊缝会熔入铜而产生裂纹,所以伸出长度不宜过短.
3、确定规范时应考虑的因素
选择埋弧焊规范的基本原则,是在保证焊缝成形良好,内在质量和接头性能满足要求的前提下,尽可能提高生产率.切不能单纯追求生产率而盲目选用粗焊丝和大焊接电流,必须考虑各种规范之间的配合和每种规范的合理范围.通常要注意以下三方面：
（1）焊缝形状系数：每一道焊缝都有一定的熔宽（b）、熔深（t）和余高（h）
如下图.它们决定了焊缝截面的基本形状：焊缝是深而窄,或是宽而浅等.为了反映各种不同熔宽和熔深时的焊缝横截面形状,常采用焊缝形状系数（ψ）表示：
ψ=b/t
焊缝形状系数大的焊缝,其熔宽较熔深大,形状系数小的焊缝,熔宽相对熔深较小.焊缝形状系数过小的焊缝,焊缝深而窄,熔池凝固时,柱状结晶从两侧向中心生长,低熔点杂质不易从熔池中浮出,积聚在结晶交界面上形成薄弱的结合面,在收缩应力和外界拘束应力作用下,很可能在焊缝中心产生结晶裂纹.因此,选择埋弧焊规范时,要注意控制形状系数,一般以1.3~2左右为宜.
影响形状系数的主要规范,是焊接电压和焊接电流.焊接电流大时熔深大,这时如不相应增高焊接电压,焊缝形状系数就可能太小.当然,对于一定的焊接
电流,过分增高焊接电压也是不必要的,会使焊缝过宽或造成缺陷.埋弧焊时,与焊接电流相应的焊接电压范围见表5 .
表5 焊接电流与相应的焊接电压
焊接电流（安） 600~700 700~850 850~1000 1000~1200
焊接电压（伏） 34~36 38~38 38~40 40~42
（2）母材熔合比：埋弧焊缝是由熔化的母材及填充金属组成的,熔化的母
材在焊缝中所占的比例称为母材熔合比（r）见上图.Am表示焊缝中母材的熔化面积；At表示焊缝中填充金属的面积.则母材熔合比用下式表示：
r=Am/(Am+At)
通常母材中的含碳量和硫、磷杂质的含量比焊丝高,合金元素含量与焊丝也有差别.所以母材熔合比大的焊缝,由母材带入焊缝的碳量及杂质量较多；当母材合金元素与焊丝有较大差别时,母材对焊缝成分有较大影响.
依据焊接规范的不同,埋弧焊缝的母材熔合比为30%~60%.单道焊缝或多层焊时第一层焊缝,母材熔合比较大,母材容合比对焊缝塑性和韧性有很大影响,对于某些材料,应防止在第一层焊缝中熔入过多的母材,而降低焊缝的抗裂性.埋弧堆焊时,为了减少堆焊层数和保证堆焊层成分,必须减少熔合比.
生产中也有采用较大母材熔合比的情况,例如不开坡口埋弧对接焊时,母材熔合比较大,用合金元素含量较低的H08MnA或H08A焊丝,配焊剂431焊接16Mn钢,就可以保证焊缝得到合适的化学成分,保证足够的强度.
影响焊缝熔深的不同规范,对母材熔合比也都有影响,减小母材熔合比的常用措施有：减小焊接电流；采用下坡焊或焊丝前倾布置；用正极性焊接；增大焊丝伸出长度；用带极代替丝极堆焊；不开坡口焊接改成开坡口焊接等.
（3）线能量：焊接接头的性能除与母材和焊缝的化学成分有关外,还受到
焊接加热和冷却过程的影响.焊接时母材受电弧加热的程度,与焊接电弧的功率大小有直接关系,电弧功率是焊接电流和焊接电压的乘积,电弧功率越大,对母材的加热越强烈.但是,母材的加热程度还与电弧移动速度（即焊接速度）有关,焊接速度增大,每段焊缝得到的电弧热量相应减少.可以用线能量综合表示这三个因素的影响.线能量是单位长度焊缝（即焊缝中的任一小段焊缝）得到的电弧热量,用下式可以算出：
q=IU/V
式中 I — 焊接电流 （安）；
U — 焊接电压 （伏）；
V — 焊接速度 （厘米/秒）
q — 线能量 （焦耳/厘米）.
例如,焊接电流700安,焊接电压36伏,焊接速度1厘米/秒（36米/时）时,线能量为25200叫焦耳/厘米.
从线能量计算公式可以看出,线能量与焊接电流和焊接电压成正比,与焊接速度成反比.也就是说,焊接电流、焊接电压越高,线能量越大；焊接速度增大时,线能量减小.由于埋弧焊焊接电流和焊接速度能在较大范围中调节,线能量的变化范围比焊条电弧焊大得多.
线能量增大时,热影响区增大,过热区明显增宽,晶粒变粗,造成焊接接头的塑性和韧性下降.对于低合金钢,这种影响尤其显著.如果用大线能量焊接不锈钢,会使近缝区在“敏化区”范围停留时间增长,影响焊接接头抗晶间腐蚀的性能.焊接低温钢时,大线能量会造成焊接接头的低温冲击韧性明显降低.
所以,埋弧焊时,必须根据母材的性能特点和对焊接接头的要求,选择合适的线能量