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1、 埋弧焊的发展及应用 摘要：埋弧焊（含埋弧堆焊及电渣堆焊等）是一种电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。它具有熔敷率高、焊接质量好等优点，是当今焊接生产中普遍使用的熔焊方法之一。本文主要介绍了多丝埋弧焊、带极埋弧焊、添加合金粉末埋弧焊、窄间隙埋弧焊、冷丝和热丝填丝埋弧焊等多种高效埋弧焊方法，并就各自的工艺特点、国内的应用情况和未来发展进行了分析与总结。 关键词：多丝埋弧焊；带极 ；合金粉末 ；窄间隙 ；冷丝和热丝 Abstract ：SAW (submerged are welding and electroslag welding with, etc.) is an are welding fl
2、ux layer burning under way. Thy are welding has the advantages of high deposition rates and good welding quality, it is one of the widespread fusion welding processes in the welding production. The various high efficiency submerged arc welding methods was introduced , including multiple wires submer
3、ged arc welding, band electrode submerged arc welding, submerged arc welding with alloyed metal powders, narrow gap submerged arc welding, cold and hot wire filled submerged arc welding. The respective technology characteristics and domestic application situation were analyzed and summarized. Key wo
4、rds ：multiple wire submerged are welding; band electrode; alloyed metal powder; narrow gap; cold and hot wire正文： 埋弧焊具有生产效率高、焊接质量高、劳动条件好等优点，在造船、压力容器、桥梁、铁路车辆、管道、海洋结构等领域有着广泛的应用，适用于低碳钢 、低合金钢、不锈钢、铜及其合金的焊接。进入21 世纪，科学技术突飞猛进的发展，高效化焊接已提上日程，埋弧焊接高效化已是国内外焊接加工技术研究和应用的重要趋势。众所周知，能提高埋弧焊焊接效率的方法有改变电极数量或形状的，如多丝埋弧焊、带极埋
5、弧焊；有添加辅助填充金属的，如坡口内添加合金粉末的埋弧焊；有改变坡口形状尺寸的，如窄间隙埋弧焊；此外还有冷丝和热丝填丝埋弧焊等。首先说埋弧焊机控制系统的进展 在埋弧焊接过程控制方面，微机（单片机）被广泛应用于焊接工件的自动定位和埋弧焊焊缝自动跟踪、埋弧焊的过程控制以及焊接生产线的自动化系统控制；而埋弧焊规范参数的数字控制则由数字信号处理器（DSP）完成。随着埋弧焊工艺的发展，为适应一些特定的焊接要求，派生出了许多新的埋弧焊工艺，如窄间隙埋弧焊、双丝和多丝埋弧焊、带极埋弧焊、添加粉末埋弧焊、热丝埋弧焊、添加磁性焊剂埋弧焊等这些新埋弧焊工艺方法都要求使用适用于各自特点的焊接生产自动化控制系统。传统
6、埋弧焊生产中有两种弧长自动调节方法：一是电弧自身调节系统，它采用缓降特性或平硬特性电源，配等速送丝系统，通过改变焊丝熔化速度进行调节，该系统主要用于细丝埋弧焊；二是电弧电压反馈变速送丝调节系统，它采用陡降特性或垂降特性电源、配变速送丝系统，利用电弧电压反馈改变送丝速度进行调节。在传统的变速送丝系统基础上，引进微机和DSP芯片控制后，使焊机具有了以下新特点：电源功能拓宽：同一电源采用不同的算法，能很好地实现一机多用，通过灵活地软件编程使电源外特性获得恒电流特性、恒电压特性、斜率不同的输出外特性和恒功率的任意控制；动特性控制好：借助于调节器组成的软件电子电抗器对焊接过程的短路电流上升率进行控制，从
7、而得到一个优化范围；微机控制的弧焊机通 操作性好：常具有较好的操作界面，根据不同的焊丝直径、焊接的板厚进行焊接参数预置、再现、记忆和监控。根据不同需要变换参数，并具有数字显示等功能，是一种埋弧焊机的控制屏与显示的焊接参数，包括焊接电流、电压和焊接线能量；实现协同控制：根据工件厚度不同，实现按所需的电弧电压、电流、送丝速度、电感量的一元化调节而不必逐个调节这些焊接参数；稳定性好：电源特性由控制算法决定，不会出现因模拟控制中零漂及元件分散性等因素造成性能下降或不一致。下面则分别介绍各种埋弧焊的工艺及发展：1 多丝埋弧焊为提高焊接效率，自20世纪50年代就陆续提出了多种多丝埋弧焊方法，发展到了今天有
8、些方法已经在实际生产中得到了广泛应用。下面对各种多丝埋弧焊方法进行简要介绍 。1.1 多电源串列多丝埋弧焊多电源串列多丝埋弧焊实际上是由多个单丝埋弧焊装置组合而成，理论上可以串列很多丝，但当前研究和应用最多的是串列双丝或三丝系统。每根焊丝均可为直流和交流，但双丝系统中最常采用的是导前焊丝反极性+后接交流焊丝，或是两根交流焊丝，其可避免电弧间的电磁干扰和电弧偏吹。串列双丝埋弧焊中每一根焊丝均有一个独立电源供电，根据两焊丝间距的不同，其方法有共熔池 和双熔池两种，二者区别在于两焊丝间距大小，是否具有共同的电弧空间。两种方 式的前端电弧均有预热及造成熔深的作用，前者后端电弧能提高生产率，易于通过焊丝
9、匹配调整焊缝成分，调节接头组织与性能，特别适合焊丝掺合金堆焊或焊接合金钢；而后者除此之外，还可延缓焊冷却速度和后热处理前一层焊缝达到堆焊或焊接合金不出裂纹和改善接头性能的目的。 工作人员以MZS-1250 型通用双弧双丝焊机为例，对其工艺特点进行了说明，而且对D6A 钢厚壁筒体进行了双丝埋弧自动焊工艺研究，分析了各种因素对焊接接头的影响，还结合实际生产情况，对中厚板对接双丝埋弧焊接工艺进行了探讨。此外该方法在我国制管厂也得到了一定应用，如浙江双羊集团的王晓东就双丝埋弧自动焊在螺旋输送钢管制造中的应用进行了介绍 。 三丝系统中通常采用“直流+交流+交流”，前导焊丝采用大电流、低电压保证良好熔深；
10、跟踪焊丝采用小电流、大电压以得到光洁焊缝表面；中间焊丝的焊接规范在上述两者之间。这避免了直流+直流组合引起的电弧磁偏吹现象 ，减少气孔、夹渣、焊偏等缺陷出现的几率；同时，也克服了交 流组合时对焊材碱度的限制，有利于电弧稳定焊接，提高接头抗裂性能，达到深熔目的，提高焊接 速度与焊接质量。司的上海冠达尔钢结构有限公工作人员介绍了三丝埋弧焊技术应用于厚板焊接的工艺技术和特点，并通过试验进行了工艺评定 。 1.2 单电源多丝埋弧焊 单电源多丝埋弧焊是用多根较细的焊丝代替一根较粗的焊丝，以同一速度且同时通过共用的导电嘴向外送出，在焊剂覆盖的坡口中熔化。这些焊丝的直径和化学成分可以相同也可以不相同，不同材
11、质的焊丝进行焊接，可有效调节焊缝金属的合金化。焊丝平行且垂直于母材，相对焊接方向，根据焊丝数目既可横向排置也可纵向排置或成任意角度，其焊丝之间的距离影响着焊缝形成、金属粉末消耗和金属熔化效率等。这种方法焊接时电流和电流密度都很大，不仅焊丝熔敷速率高，而且也可提高焊接速度，单位功率所达到的熔敷率在各种埋弧焊方法中较高。当焊丝沿焊缝轴线排列时，形成窄而深的焊缝；当焊丝横向排列时，焊缝根部的位置改变，形成宽而浅的焊缝；焊丝之间的距离愈大，则焊缝的形状和尺寸变化愈显著。当焊丝之间的距离加大到一定程度后，可形成“马鞍状”焊缝 。根据需要将焊丝沿焊接方向以不同角度排列时，则形成不同熔深、熔宽的焊缝。 其交
12、 / 直流电源均可使用，但直流反接能得到最好的效果。 单电源多丝埋弧焊既可适用于稀释率要求较低的耐磨或耐腐蚀表面的埋弧堆焊，亦可适用于各种对接、角接焊缝的单道或多道埋弧焊。经过很多研究人员的研究结果表明该方法可满足大直径全焊接阀体球阀的制造要求。他们还比较了单、双丝和三丝之间的不同点，说明了三丝系统适用于厚长板。但是尽管此方法拥有众多优势，仍然没有应用于实际生产。三丝埋弧焊系统，通常为串列三丝焊嘴结构形式，采用“直流/交流/交流”或“交流/交流/交流”两种系统。前导焊丝采用大电流、低电压保证良好的熔深；跟随焊丝采用小电流、较高电压以得到光洁的焊缝表面；而中间焊丝的焊接规范则介于两者之间；四丝埋
13、弧焊系统，通常为双嘴双丝焊嘴结构形式，这是由著名的ESAB公司近年开发的，其主要设计思路是：设两个导电嘴，每个导电嘴中安排两根焊丝，其目的是减小焊丝直径，结果是单根焊丝采用了更小电流，这就可进一步减小焊接线能量。因此，其焊接质量可提高，而且可减小或避免出现焊接裂纹。 2带极埋弧焊 带极埋弧焊是利用带状电极代替焊丝不断熔化，形成熔深大、焊缝宽的焊接接头。其是为解决多丝埋弧焊焊丝承载电流能力低，多丝设备复杂，快速焊易产生缺陷等问题而出现的一种新方法。此方法改善了结晶条件，减少了焊缝中的气孔和结晶裂纹，焊缝质量好，力学性能高，热影响区不易出现过热组织，焊接电流较大，生产效率高，经济价值大，劳动条件好
14、，而且容易实现自动化、机械化生产，是一种值得大力推广的新方法。带极埋弧焊可使用交流或直流具有下降外特性的焊接电源。焊接过程中，带极厚度、宽度、伸出长度、极性以及焊接速度、电流、电压等因素均对焊缝成形有不同程度的影响。在实际应用中，带极埋弧焊比普通埋弧焊在技术、冶金和经济效益方面均有优点。此种方法具有最高的熔敷速度，最低的熔深和稀释度，尤其是双带极埋弧焊，因此是表 面堆焊的理想方法。带极埋弧堆焊的关键是要有合适成分的带材、焊剂和送进机构。一般常用的带宽为 60 mm。 带极埋弧堆焊工艺的关键是：要选用合适成分的带材，一般常用的带宽为60mm。带材的化学成分要根据被堆焊基体材料、堆焊层材料以及堆焊
15、层的层道（第一层还是第二、三层）来配套选用。因为凡是需堆焊的工件，肯定是重大压力容器部件，其工作条件往往是高温、高压、气液腐蚀介质、放射性等苛刻环境，因此，国外对应用于电站（特别是核电）设备、化工设备、船载动力（特别是核动力）设备中的带材堆焊材料都有严格的行业规定，ASME就规范了压力容器部件堆焊带材的材料牌号和堆焊层化学成分的要求；焊剂也要根据被堆焊基体材料、堆焊层材料和保证良好的脱渣性来选用；带极的送进机构必须稳定又可靠，否则，难以保证稳定的堆焊过程；对较宽的带极埋弧堆焊，有时还可采用轴向外加磁场或横向交变磁场，来有效地提高宽带堆焊层的堆高和熔深均匀性。 其应用要点：进行埋弧堆焊的工件主要
16、有筒节和封头两种。筒节内表面埋弧堆焊，完成大型筒节内表面带状电极埋弧堆焊，必须与焊接辊轮架（也称转胎）相配套，这时，焊接辊轮架不仅是筒体件的支架，还要通过摩擦，以辊轮的旋转来带动筒体件一起旋转，完成筒节的堆焊环缝。辊轮架辊轮的旋转速度乘以减速比（辊轮直径与筒体外径之比），就是环缝焊接速度。因此，对焊接辊轮架的要求是：辊轮的旋转速度要平稳且可调速，以适用于不同外径筒体工件的焊接；左右两边的辊轮架（如果是使用两套辊轮架）必须有或机械或电气的“同步”旋转速度控制，否则，必造成筒体工件纵向中心线的偏斜，随之是工件上的环缝歪斜。因此，在选购焊接辊轮架时，必须考察焊接辊轮架是否具有“同步转速控制”系统和控
17、制精度是否满足堆焊要求。封头内表面埋弧堆焊 大型封头工件的带状电极埋弧堆焊，一般必须用大型焊接变位机。大型变位机，其工作台面的旋转是采用调速精度较高的直流电动机调速系统，而工作台面的倾斜也可电动调整，还会给出速度和倾斜角的数字显示。但凡碰到大型封头工件的埋弧堆焊，一般多是重要结构上的封头部件。这种大型封头工件的堆焊，对焊接工艺、焊接设备、焊接材料的选择都要求做到细致周到。其中，对焊接变位机的选用就必须注意以下几点：1）焊接变位机在大承重条件下,能否保证工作台面旋转速度的稳定性和精度因这个工作台面旋转速度就是封头圆周方向的堆焊速度2）焊接变位机必须以数显方式给出工作台面的倾角变化的差值（因这个倾
18、角的变化差值是改变封头径向堆焊焊道偏移量的依据之一）；3）焊接变位机的控制系统是否考虑了与焊接主机的接口（因焊接变位机要与焊接主机联动）；4）大型封头工件堆焊用焊接变位机是否考虑了封头可靠装夹的问题；5）除焊接变位机的主控制箱外,是否考虑了遥控盒，因大型封头工件堆焊时还要将工件进行加热（150200），这样，操作现场温度很高,不便人员近前操作；基于以上几点，大型封头工件堆焊用的焊接变位机，虽说是附属设备,但却是焊接关键部件用的重大装备之一，要达到以上几点要求，通常使微机控制系统对焊接变位机与埋弧机进行联动控制。这种高性能的大焊接变位机目前国内尚不能生产。4.2.2 封头内表面埋弧堆焊目前带极埋
19、弧焊主要应用于平板对接焊缝、容器的环 / 横缝以及角焊缝中。研究人员就不锈钢带极埋弧堆焊的工艺特点、焊材选用和常见焊接缺陷进行了分析，取得了良好的应用效果；而且对带极埋弧堆焊的电弧磁控技术进行了说明 ，指出了其作用；带极埋弧堆焊对母材稀释率低 、易保证堆焊层的成分及性能 ，尤其适用于耐腐蚀层的堆焊，因此在化工容器生产中得到越来越广泛的应用 。 3添加合金粉末埋弧焊 添加合金粉末埋弧焊是在已有埋弧焊方法的基础上，利用某些方法向焊接熔池内添加合金粉末，使精细的合金粉末被电弧热和电弧辐射热同时熔化，电弧能量利用率大幅增加，粉末浪费量减少，增加了熔敷效率并改善了焊接接头的力学性能。20 世纪90年代斯
20、洛文尼亚的TusekJ 博士对并列多丝埋弧焊方法进行了较系统的研究后，首先提出了金属粉末双丝埋弧焊。Hoganas 公司成功将其推广到多丝埋弧焊上。解决了用常规埋弧焊焊接中厚板结构，加大线能量，提高熔敷速率所产生的缺点，如熔池变大，母材熔化量增加，焊缝组织粗化，热影响区扩大并且性能变坏 。作为一种既能提高熔敷速率，又不使焊接接头性能变差的高效焊接技术， 该工艺可以通过控制金属粉末的粒度及合适的送粉系统来实现金属粉末基本在电弧周围熔化。早期所用的大颗粒，效果不是很好，将颗粒直径做得很小后，它的优点逐渐被人们所认识，Hoganas 公司成 功研制了一种颗粒非常细小的金属粉，在焊接过程中可以被电弧的
21、吹力吹到电弧四周，使金属粉在电弧和其四周均熔化，大大提高了电弧能量的利用率，提高了熔敷率并增加了接头的力学性能。但是金属粉末亦不能过细，以免在气流作用下受力飘走。研究得出合适的粒度范围是0.080.22 mm，这种适当小的颗粒，才能被电弧的机械力推开，而且金属颗粒不会停留在电弧的上、下方，而是散布在电弧周围。文献中指出 ，双丝焊时可用多种方法送进金属粉末。最简单的是在双丝前方送粉，其优点是设计简单，缺点是送入焊接区的金属粉末量不精确，熔敷效率低，这种方法仅用于表面或宽坡 口焊接；第二种方式是通过位于两丝间的小管送进，金属粉末直接送到两电弧之间的熔池中，特别适合于焊丝设置成一前一后的情况，热效率
22、很高，焊剂消耗很少；第三种方式是金属粉末沿着焊丝送进，电弧位于焊丝和工件之间，而金属粉末在电弧周围熔化，当电弧功率减小时，焊剂的消耗也随之减少。国外从20世纪60年代末至今一直在研究、开发和应用这种技术，目前广泛用于造船、压力容器、重型机器、桥梁、建筑和海洋石油平台等领域。而我国添加粉末的双丝埋弧焊则处于实验阶段，有待进一步的研究和开发。兰州大学研究人员用该技术焊接了Q235钢和16MnR钢，并应用于实 际焊接生产；也通过焊接20G和16MnR钢，比较了普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技术。 4 窄间隙埋弧焊窄间隙埋弧焊是在已有的埋弧焊接方法和工艺的基础上，加上特殊焊丝向狭窄坡口内的导入技术以及
23、焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种新的熔敷方法。 其目的是为了克服50mm 以上的大厚度焊件采用普通的“V”、“U”型坡口焊接层 / 道数多，焊缝金属填充量及所需焊接时间均随厚度成几何级数增长，焊接变形大且难以控制等弊端发 展起来的，是近年来出现的一种高效、省时、节能的埋弧焊方法。其所用焊丝直径在25mm之间，最佳尺寸为 3mm。窄间隙埋弧焊装配质量要求高，要有精确的焊丝位置，保证坡口侧壁均匀焊透，而且要求熔渣在窄坡口内应具有良好的脱渣性。与宽坡口埋弧焊相比，窄间隙埋弧焊坡口窄、焊材消耗量少、热输入量低、焊接时间短，焊接变形和焊接应力小，降低了开裂倾向，接头具有较高的抗延迟冷裂能力，强度和冲击
24、性能均优于传统宽坡口埋弧焊接头，实现了高效率、低成本 、高质量焊接。窄间隙埋弧焊主要应用领域是低合金钢厚壁容器及其它重型焊接结构 ， 其在大厚度板和超大 厚度板对接焊的高效率、低成本、优质量的突出特点是业内所公认的。随着其关键技术（接触式光电跟踪器）日益成熟，其可焊间隙越来越小，坡口深度越来越深，特点更明显，应用更广泛。武汉大学的张国栋等人分析了窄间隙埋弧焊的技术难点，应用现状及其发展。上海交通大学的卢庆华等对细丝窄间隙埋弧焊进行了工艺参数寻优，提供 了有益的经验。这些研究均说明即使在新型焊接设备不断出现的今天，相对某些行业的大厚度板焊接，为满足高效率的要求，还是窄间隙埋弧焊更适合。5 冷丝和
25、热丝填丝埋弧焊冷丝和热丝填丝埋弧焊是在普通埋弧焊基础上，附加一套送丝机构，从侧面给焊接熔池填充焊丝，如图3所示。冷丝填丝埋弧焊的填充焊丝无电源供电，故称“冷丝”；热丝填充焊丝则由预热电源加热至接近熔化状态后均匀送入埋弧自动焊所形成的熔池内，称为“热丝”。冷丝填丝埋弧焊设备是由ESAB公司在2000年上海埃森焊接展览会、韩国ESABSEAH公司在200年韩国国际焊接博览会上分别推出，引起了与会人士的特别关注。冷丝填充方法由于焊接电流增大，在得到深熔池的同时可保证成形良好，减小了焊接热影响区。这对热敏材料非常需要，既可减少过热损害，又可节约电能，提高生产率。兰州理工大学张鹏贤等提出了一种由80C1
26、96KB 单片机构成的数字控制冷丝填充埋弧焊系统的软、硬件设计方法，实现了一种冷丝充埋弧自动焊接新工艺的电源和过程控制。热丝填充是一种可提高焊接时填充金属熔化量进而提高焊接效率的好方法， 特别适宜于焊接厚度在20 mm以上的开坡口工件，是一种简单、方便、可行的新工艺。它可用1个电源，也可用个电源，靠电阻热将焊丝加热到接近于熔点温度熔入焊接熔池，大幅度提高了焊接效率。该技术加热范围小，消耗能量少，焊接材料的损失率最小，大大降低了焊接成本，取得了很大的经济效益；此外由于温度场热循环的改变，焊接热影响区小，接头力学性能优良，焊接质量有很大的提高。因为不存在其他双丝焊所存在的两电弧相互干扰问题，又具有
27、熔敷率高，焊接质量好等优点，热丝填丝埋弧焊在国内外研究和应用都较多。目前该方法在实际生产，特别在我国管道和压力容器制造中的应用日益广泛，并收到了较好的效果。6用于大型封头工件埋弧堆焊的悬臂式埋弧焊大型封头工件埋弧堆焊时，堆焊的焊头要伸入到凹型封头中，这样，就需要在悬臂式横梁的端部安装增加焊头垂直方向移动距离的可伸缩立向杆，以便随凹型封头工件倾角改变，调节立向杆立向移动距离；堆焊时，焊机的悬臂也必须随凹型封头工件倾角改变调节横向伸缩距离，由于每道堆焊焊道之间的距离（即邻近堆焊焊道的重叠量）有一定的精度要求，因此悬臂横向伸缩距离的调节最好是数字式调节，这样一来，与通用型悬臂式埋弧焊机通常采用直流电
28、机调速系统就不尽相同了，即堆焊用悬臂式埋弧焊机注重的是悬臂伸缩位置量控制，至于能否调速则不必要。7结语埋弧焊目前主要用于焊接各种钢板结构。可焊接的钢种包括碳素结构钢，不锈钢，耐热钢及其复合钢材等。埋弧焊在造船，锅炉，化工容器，桥梁，起重机械及冶金机械制造业中应用最为广泛。此外，用埋弧焊堆焊耐磨耐蚀合金或用于焊接镍基合金，铜合金也是较理想的。埋弧焊是目前工业领域应用最为广泛的焊接方法之一，其高效化焊接方法的研究与应用，可在保证焊接质量的前提下大幅度地提高熔敷率，从而对在实际生产中提高焊接效率，节约能耗具有重大意义。 另外，焊接工艺方法正不断地向高效、优质、精密、低成本方向发展，目前已成为重大装备
29、制造业中不可缺少的先进制造技术之一。现代晶体管逆变焊接电源、计算机控制技术和网络数字通信技术为先进焊接工艺方法的新发展提供了强有力的支撑。随着我国工业现代化的快速发展,焊接技术必将发挥愈来愈重要的作用,探索优质、高效、低成本的先进焊接工艺方法始终是焊接工作者面临的重要任务。参考文献：1 周友龙，王元良，胡久富细丝双弧埋弧焊的材料工艺选择及调整焊接 技术 ，【J】.2002（31 ）：2 20-22 .2 蔡立民MZS-1250 型双弧双丝埋弧焊设备及工艺J电焊机，2006 ， （36）：4 29-313 郭鹏，黄文荣，施军丽，等.厚壁筒体双丝埋弧焊工艺研究 J焊接技术，1998，（6）：20-21 4 李奋昆，吴文军，杜永前不锈钢带极堆焊焊材选择和焊接缺陷的防止J甘肃科技 2004 20 12 64-655 周旭辉，胡传顺，王革等电极堆焊中的电弧磁控技术研究进展J抚顺石油学院学报 2003 2 43-466 胡炜，刘荣军16MnR 管板带极埋弧堆焊工艺J中国化工装备 2005 7 1 16-197 尹克明，邹世斌管板耐蚀层的埋弧带极堆焊J中氮肥 2008 2 49-528 王志锋，陈佩寅，吴伟等厚板带极埋弧堆焊温度场的有限元模拟J .焊接学报 2009 1 89-92.焊接技术结课论文 学生姓名： 学 号： 专 业： 班 级：
