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1、电弧焊基础,第七章 埋弧自动焊SAW,7.5.1 SAW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。,7.5 SAW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
2、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
3、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
4、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
5、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： BL6.05nCaO6.31nSiO24.97nTiO20.2nAl2O34.8nMnO 4.0nMgO3.4nFeO 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 有害元素能力较差； 碱性焊剂氧化性弱，能去除部分杂质元素，焊缝力学性能 好，一般用于高强、高韧钢的焊接，但工艺性差、易吸潮。 一般焊剂使用前必须250烘干，
6、并保温1-2h；直流焊剂， 需300-400烘干，并保温2h，烘干后立即使用。,(1) SiO2-CaO-MgO系：组成为SiO2：50%，CaO：30%，MgO：10%，是典型的酸性焊剂。与高锰焊丝组合，用于低碳钢的焊接。大电流下的操作性良好，对铁锈不敏感。向焊缝金属中过渡的Si较多，但不适合多层焊。(2) SiO2-MnO系：组成为SiO2：40%45%，MnO：40%45%，与低锰焊丝到高锰焊丝组合，用于低碳钢、50公斤级高强钢的焊接。该焊剂熔化温度低、流动性好，适合于高速焊及角缝焊接。MnO/SiO2比小于1的组成，对锈铁不敏感，不易产生气孔。该体系中成轻石状、比重小的用在水平角焊缝的
7、焊接中，操作性及熔渣剥离性良好，焊剂的消耗量也少。(3) SiO2-MnO-CaO-CaF2系：组成为SiO2：40，MnO：20，CaO：20，与各种焊丝组配，用于从低碳钢到80公斤级高强钢、低温用钢、耐热钢的焊接，焊缝性能特别是冲击值优良。(4) SiO2-CaO-MgO-Al2O3系：组成为SiO2：30，CaO：30，MgO：15，Al2O3：15，用于低合金耐热钢厚板的焊接。典型的碱性焊剂，进行厚板焊接时，抗裂纹性能优良，焊缝金属的强度、韧性较高。(5) MnO-SiO2-TiO2系：与高锰焊丝组配，用于板厚1.23.2mm的薄板高速焊接。熔渣的剥离性及焊缝外观良好。,焊剂的散布方法
8、焊剂散布方式有散布到电弧的前方和与焊丝同轴散布两种，小电流焊接、熔池较小情况下，两种散布方法都是可以的，焊接上不会产生问题。但在厚板大电流焊接时，以把焊剂散布到电弧的前方为好，如果采用与焊丝同轴散布方式，落下来的焊剂直接压到熔池上面，所形成的焊缝不均匀，不能得到良好的结果。如果焊剂散布量过多，气体的放出是间断的，也容易形成不均匀焊缝、气孔等。,焊丝 埋弧焊用的焊丝，应根据所焊钢材的类别及对接头性能的要求加以选择，并与适当的焊剂配合使用。 低碳钢和低合金高强钢焊接应选用与母材强度相匹配的焊丝；耐热钢和不锈钢的焊接应选用与钢材成分相近的焊丝。,焊丝直径及使用电流范围(低碳钢、低合金钢焊丝）,焊丝与
9、焊剂的组配 焊丝与焊剂的组配对埋弧焊焊缝金属的性能有着决定作用： 低碳钢的焊接可选用高锰高硅型焊剂，配用H08MnA焊丝，或选用低锰低硅型焊剂配用H08MnA、H10Mn2焊丝。 低合金高强钢的焊接可选用中锰中硅型焊剂，配用适当的低合金高强钢 焊丝。 耐热钢、低锰钢、耐蚀钢的焊接可选用中硅过低硅型焊剂，配用相应的合金钢焊丝。 铁素体、奥氏体钢一般选用碱度较高的焊剂，以降低合金元素的烧损及掺加较多的合金元素。,7.5.2 SAW焊接冶金,SAW一般冶金特点：焊缝韧性高（与MAW相比）：埋弧焊隔绝空气效果要优于焊条，焊缝金属含氮量为0.002，约为MAW 1/10，尽管焊缝铸造组织更加明显，但韧性
10、仍然较高；2. 冶金反应更充分，熔池存在时间是MAW的几倍，加强了液态金属与熔渣之间的反应，气孔、夹渣更容易浮出；3. SAW单位时间内熔化的焊剂和金属的数量比较固定，其焊缝化学成分更加稳定。焊缝化学成分与熔池中熔渣与金属的的比例有关。,SAW冶金主要是四方面的问题：1.向焊缝补充合金元素，主要是Si、Mn还原反应及向焊缝金属的过渡；2.保证一部分C的氧化；3.减少S、P含量，防止热裂和冷裂；4.脱H，防止H气孔。,1.Si、Mn还原反应及向焊缝金属的过渡1）.化学平衡理论:假设熔渣处于电中性分子状态,主要考察Si、Mn的氧化反应和还原反应。 Si的反应 (SiO2)FeSi2(FeO) KS
11、iO2%Si(%FeO)2/(%SiO2) .表示熔化金属中的成分；(.)表示熔渣中的成分。 KSiO2:平衡常数，与温度、熔渣的碱性度有关,温度越高数值越大；碱性度越大，数值越小，在一定温度下是恒定数。 熔渣中的SiO2越多，上式的反应越向右边进行，促使一部分SiO2被还原，Si进入熔化金属。,Mn的反应(MnO)Fe Mn(FeO) KMn%Mn(%FeO)/(%MnO) 在一定温度下， KMn也是恒定数，但受熔渣的碱性影响不大。当熔化金属中的Mn含量较少、熔渣中的MnO较多时，反应向右进行，促使Mn从熔渣中还原出来进入熔化金属。,2. 离子理论：假设熔渣解离成离子 2(SiO2)(SiO
12、44-)(Si4+) (Si4+)2FeSi2(Fe2+) Si 从SiO2还原出来，并进入熔化金属中，而铁(Fe)被氧化进入熔渣。当熔渣中含有的O2-离子不足时，Si就向熔化金属中过渡。 (Mn2+)FeMn(Fe2+) Si和Mn的反应是同时进行的，带有高价电荷的阳离子Si4+的反应更为强烈。 类似：化合价降低的为还原，化合价升高的为氧化,焊剂430及渣的化学成分,焊剂变成熔渣后化学成分起了变化，SiO2、MnO含量都降低，FeO增加，说明焊剂中的SiO2、MnO在焊接时被还原，并以Si、Mn形式过渡到焊缝中去。,熔滴过渡过程中，弧柱中Si、Mn还原反应最为剧烈，其次是焊丝端部，再次是熔池
13、前部。在熔池的后部，接近结晶温度时，Si、Mn还原反应向左进行，已经还原出来的Si、Mn由于残留在熔池中的FeO反应，重新生成SiO2、MnO并最终以硅酸锰的形式进入熔渣，同时使熔池脱氧，但这种低温反应比较缓慢，且熔池中的FeO仅仅是高温反应残留的一小部分，因此综合效果是Si、Mn从焊接中向焊缝中过渡。,影响Si、Mn过渡的因素焊剂成份：采用SiO2含量为15-20的焊剂和不含Si的低碳钢焊丝焊接时Si不过渡，当含量增加到40-50时，过渡率增加到0.1-0.12；MnO含量10时（SiO2含量为42-48）Mn会烧损，增加到25-30，过渡量显著增加，继续增加MnO含量意义不大。注意：MnO
14、含量相同的两种焊丝，SiO2含量高的焊丝，Mn的过渡量小，下列反应易向右进行： SiO2 + 2Mn Si + 2MnO 同时SiO2含量增高，渣的粘度增大，MnO向熔池界面扩散的速度降低，妨碍其还原。焊丝和母材中Si、Mn原始浓度：熔池中Si、Mn原始浓度越低越能促进其过渡，反之则阻碍过渡甚至造成烧损。熔滴中的Si、Mn还原反应远比母材金属激烈，同等质量下比母材金属过渡的量高。因而焊缝中焊丝金属的质量分数越大，过渡的Si、Mn越多。焊剂碱度：碱度的提高促进Mn的过渡而抑制Si的过渡。碱度的提高既CaO、MgO等强碱性氧化物增加，替换出MnSiO3（MnO-SiO2）一部分MnO。使自由的Mn
15、O增多而自由的SiO2减少。焊接规范：小电流时，大滴过渡，熔滴存在时间长，加之母材稀释率低，Si、Mn过渡多；适当提高电弧电压，焊剂熔化的多，Si、Mn过渡多。,2. C的氧化焊剂不含碳，只能从焊丝和母材中进入熔滴和熔池，高温时C与O的亲和力比Mn还大，焊丝中的C在熔滴形成与过渡过程中，也发生非常剧烈的氧化反应，当熔滴进入熔池之后，还与母材中的C一起继续氧化生成CO，适当提高液态金属中Si的含量能抑制C的氧化，但Mn与O亲和力小于C没有这种作用。适当提高C的含量，可以生成大量CO，反应剧烈，对熔池的搅拌作用加强，熔池中的气体容易析出，有利于防止H气孔。如果焊剂粒度选择不当，可能产生CO气孔，但
16、SAW 氢气孔是主要问题。,3.S、P的限制 S会引起热裂纹，P会造成冷脆，焊剂中S、P要限制在0.1以内。,4.脱H，防止H气孔 H气孔是SAW焊接一种主要缺陷，防止途径主要有两条：杜绝H的来源，焊前注意清理，去除油、水、锈等；化学反应脱H。 CaF2和SiO2脱H： CaF2 + SiO2 2CaSiO3 + SiF4 CaF2 CaF + F SiF4电弧高温分解：SiF4 SiF3 + 3F H + F HF H、O反应脱H：生成不溶于液态金属的OH MnO + H Mn + OH MgO + H Mg + OH CO2 + H CO + OH SiO2 + H SiO + OH,7.
17、6 SAW焊接现象,7.6.1 SAW是电弧焊而不是电阻焊的证明,7.6.2 SAW电弧特性及熔滴过渡,通过X光透视得到的电弧电压与电弧弧长的关系，两者之间也有良好的线性关系电弧电压随焊接电流的增大而降低，SAW电弧呈现负阻特性,SAW电弧在气泡（空洞、瓢）中燃烧，电弧电压越大、焊接速度越慢，所形成的空洞也就越大，变动也越大。焊接电流、电弧电压、焊接速度一定，焊丝接负时所形成的空洞大于焊丝接正时的情况。 注意：熔炼焊剂不含造气剂，因此所谓的气泡说法并不确切，应该是熔融的液态焊剂薄膜紧紧地把电弧空间包围,电弧电压较低或者焊接速度较慢时，在焊丝的前面有未熔化的焊剂，在焊丝的后部形成空洞。埋弧焊是在
18、相当高的电流密度下进行焊接，由于电磁拘束效果的作用，焊丝前端的熔化金属呈细小颗粒过渡。低速焊接，熔滴多数是沿着前面的熔渣壁产生过渡。焊接速度增大后，熔滴多从后部过渡。由于电流密度低(与GMAW相比)，熔滴的过渡频率达不到喷射过渡程度。电流400A、焊丝接负时每秒约过渡10次。焊丝接正时熔滴过渡的频率是焊丝接负时的数倍。但即使在焊丝接负时，也许是熔滴接触熔渣或电弧气氛的缘故，熔滴的尺寸较小，熔滴的直径大体与电极焊丝的直径相当。,7.6.3 SAW焊丝及母材的熔化特性,DR表示焊丝电阻热对焊丝熔化速度的增加成分，与电弧热对焊丝的熔化速度DR0相比，DR数值是很大的，不能忽略。电流密度、焊丝干伸长l
19、增加时，焊丝的熔化速度亦增加，其增加量与(l)1.22成比例。有效利用焊丝干伸长上的电阻热，能够提高焊接生产率。干伸长达到300mm时，焊丝熔化速度约为普通情况（50mm）的2倍。,干伸长对焊缝形状的影响,焊丝极性对焊丝熔化速度的影响。焊丝接负时的熔化速度约为焊丝接正时的1.5倍。焊丝接正时，焊丝的熔化速度受焊剂成分的影响较小。而焊丝接负时，因焊剂成分的改变，焊丝熔化速度要发生变化。GMAW也有类似现象。,极性对熔深影响,焊接参数与焊接熔深的实验关系式 P为焊接熔深；K为由焊剂确定的常数；I为焊接电流；v为焊接速度；Ua为电弧电压。 焊接熔深除了与焊接电流、电弧电压、焊接速度有关外，还随焊剂的
20、种类而改变。即使是同一成分的焊剂，当粒度改变时熔深亦发生变化，通常使用粗粒焊剂可以得到更大的熔深,模式()是在大电流、低电压、低焊速下观察到的焊接现象。焊丝潜入母材中，电弧在对前方母材进行熔化的同时，已熔化金属上也有一部分电弧，焊丝前端被削成笔尖状。模式()是对模式()的电弧增加了焊接速度，电弧只产生在前方母材未熔化固体面上，焊丝前端呈小刀形。,SAW四种不同的电弧现象,模式()属于一般电弧状态，其电弧电压较高，焊接速度较低。模式()是对模式()的电弧再次提高焊接速度时所产生的现象。模式()的状态可以得到最为稳定的焊缝。在多电极埋弧焊中，即使第1电极处于()()()任一状态下，通过后续电弧对焊
21、缝进行整形，亦可以得到良好的焊接结果。,对V型坡口进行焊接时，如果坡口截面积一定，即使改变坡口角度，熔深(熔化形态)也不发生改变，如图7.23所示。这是由于埋弧焊这样的大电流焊接，坡口部分因瞬时(动态)热传导而产生大量的熔化，如果焊接条件一定，不论坡口形状如何，母材都会有一定的熔化量。,7.7 SAW实际,I对焊丝熔化速度及熔深有很大影响。随焊接电流的增大，熔深及余高随之增加。平板焊接中即使在同一焊接条件下，如果余高过大，将会产生焊瘤。电流再增大，将形成梨形焊缝，焊缝内部将产生高温裂纹。为得到合适的熔化深度及良好的断面形状，必须根据坡口条件进行焊接电流的选择。,焊接电流的影响,(a) 800A
22、 (b) 1 200A (c) 1 600A 40V 30cm/min,电弧电压的影响,(a) 30V (b) 40V (c) 50V 电弧电压对焊缝形状的作用(平板焊接, 焊丝直径4.8mm, 熔炼型焊剂, 1200A, 30cm/min),电弧电压低，电弧潜入母材表面下方，热源处于母材中，形成深而窄的焊缝。如果电弧电压再降低，将形成梨形焊缝，并会产生裂纹。电弧电压提高，焊缝变平，同时焊剂的熔化量增加。,焊接速度的影响,(a) 30cm/min (b) 60cm/min (c) 90cm/min焊接速度对焊缝形状的作用(平板焊接, 焊丝直径4.8mm, 熔炼型焊剂, 1200A, 40V),
23、增大焊接速度，焊缝宽度、熔深同时减小。与宽度相比，余高增加。如果继续增加焊速，将会形成咬边等缺陷。焊接速度很小容易产生熔化金属向前流动现象。由于电弧在熔化金属上燃烧，不能对坡口底部直接加热熔化，使得熔深减小。极端场合会产生熔透不足以及熔渣卷到坡口底部。焊接速度过大容易产生咬边、气孔，得不到良好的焊缝。,焊丝直径的影响,(a) 丝径3.2mm (b) 丝径4.8mm (c) 丝径6.4mm7.37 焊丝直径对焊缝形状的作用(平板焊接, 800A, 35V,30cm/min),在相同的电流、电压条件下，改变焊丝直径也会使熔深、焊缝宽度产生变化。焊丝越细，熔深越大、焊缝宽度越窄。这是由于细径的场合，
24、电流密度大，电磁拘束效果使电弧更为集中、电弧力更强。焊丝越细，焊丝的熔化速度也越大，在效率上是有利的。但采用细丝大电流焊接，容易形成梨形焊缝，熔池不稳定，焊接结果不好。因此必须依据所用电流值选择合适直径的焊丝。,单面焊双面成型,同质衬垫：母材与衬垫间的间隙亦是缺口的一种，不适合在动载荷下使用(疲劳载荷、冲击载荷),铜衬垫：能够进行大电流焊接，背面焊缝均匀。铜衬垫与母材的紧密接触比较困难，容易产生毛刺、飞边，同时适应的焊接条件范围也较小，主要用在薄板的单面焊接中。,用焊剂衬垫实现单面焊双面成型,焊剂衬垫对母材背面的附着性好，能够防止硬性衬垫与母材的密封不良所引起的缺陷。如果只是采用耐火性的焊剂做
25、衬垫，根据其散布状态，对母材的反压力会产生变动，可能形成不均匀的背面焊缝，因此只适合于封底焊应用。目前制造了衬垫专用焊剂，该种焊剂在电弧热及母材热量下以固态化形式附着在母材背面，在电弧正下方总是处于固体形态，其对熔池的压力是稳定的，所以能够得到均匀的背面焊缝。其中有一部分焊剂熔化成为熔渣，而背面焊缝中不会产生缺陷。铜板和焊剂衬垫并用方式，铜板能够抑制过大的熔透，可以进行大电流高效率焊接，而对坡口精度可以降低要求。散布在铜板上的焊剂熔化后成为熔渣，能够帮助形成无缺陷的背面焊缝。 新型衬垫：陶瓷衬垫，使用方便,Backhand Vertical Forehand,The wire angle in
26、fluences both penetration, the weld convexity, and the tendency to undercutting.Backhand gives high penetration, narrow and high weld convexity, and relatively high risk for undercutting.Vertical welding gives normal values.Forehand gives low penetration, wide and low weld convexity, and relatively
27、slight risk for undercutting.,Influence of wire angle,焊接缺陷及其对策烧穿熔透不良高温裂纹低温裂纹HAZ软化、脆化、耐蚀性降低气孔 熔渣卷入 咬边焊瘤,Root defect,Examples of incorrect weld joints,Welding with too high current and / or too slow speed, results in an incorrect cross - section. There is a big risk for cracking.Too high voltage can cause an incomplete penetration,
