第十章电渣焊.doc

第十章电渣焊 内容提示 电渣焊是能够一次焊成厚度很大工件的熔焊方法，从理论上，能焊接的工件厚度是无限的（实际上受设备、电源容量和操作技术等方面限制）。电渣焊不仅是一种优质、高效、低成本的焊接方法，还为生产、制造大型构件和重型设备开辟了新途径，一些外形尺寸和重量受到生产技术条件限制的大型铸造和锻造构件，可借助于电渣焊方法，用铸焊、锻焊或轧焊结构来代替，大大提高生产能力。本章重点讲述电渣焊的基本原理、工艺过程及热源特点、冶金特点和丝极电渣焊工艺方法，并简要介绍了板极电渣焊，熔嘴电渣焊、管极电渣焊和带极电渣堆焊等方法特点。第一节 电渣焊的特点及应用 一、电渣焊的方法原理及其基本过程 是借助电流通过液态熔渣时产生电阻热来作为热源的一种熔化焊接方法。如图所示，焊前焊件是垂直放置，在两工件间留有一定间隙(一般为2040mm)。焊件上下两端分别装有引出板和起焊槽，两侧安装有强迫成形滑块，焊接电源分别接在电极的导电嘴和焊件上。 电渣焊接过程可分为三个阶段。 1引弧造渣阶段 开始时先将电极与引弧板短路起弧，并且不断加入固体焊剂，利用电弧热量使之熔化，形成液态熔渣。当渣池达到一定深度时将电极插入渣池，电弧熄灭。由于液态熔渣具有一定的导电性，利用电流通过时产生的电阻热来熔化焊剂和被焊工件，即转入电渣焊接过程。 由于电渣焊过程尚不稳定，渣池温度不高，焊缝金属与母材熔合不好，因此焊后应把起焊部分割除。 2正常焊接阶段 当电渣过程稳定后，焊接电流通过渣池产生的电阻热可使渣池温度达到16002000。同时由于渣池内部剧烈的涡流作用，迅速把热量带到熔池四周，从而使电极和焊件边缘熔化并同时渐渐地沉积到熔池下面，形成金属熔池。随着电极送进，金属熔池和渣池逐渐上升，而远离热源的液体金属则冷却凝固形成焊缝。由于熔渣始终浮在熔池上部，不仅保证了电渣焊过程的顺利进行，而且对熔池起到了保护作用。随着熔池不断上升和焊缝的形成，电极送进机构和强迫成形装置也随之向上移动，从而保证了焊接过程的继续进行。 3引出阶段 在被焊工件上部装有引出板，以使在焊接终止时易产生缩孔和裂纹的那部分焊缝金属引出焊件。在引出阶段，为了减少产生缩孔和裂纹，应逐渐降低电流和电压，焊后应将引出部分割除。二、电渣焊特点（一）电渣焊热源特点 焊剂在熔融状态时，其电导率大小与温度有关。当熔渣温度低于12001300时，其导电性差，但与温度变化关系不明显；当熔渣温度高于1400时，其导电性则随温度上升而剧增。经测试得知，由于电渣焊渣池体积较大，其温度分布也是不均匀的。渣池下部与金属熔池接近及接触，故温度较高，导电性也好，而上部导电性差。另外，当熔池内流过的电流越大时，产生的电阻热也就越多，温度也就越高，电导率越大，从而使得电流也就更容易通过。这样相互作用并达到动态平衡状态时，从电极末端经熔池底部向熔池的电流约为焊接电流的60以上，而从电极四周侧边流向渣池的电流是很少的。根据测量得知：自电极末端向上靠近工件断面处的渣池温度约为14001500，而自电极末端向下靠近金属熔池助渣池温度约为17002000。可见，电渣焊热源的温度比一般电弧焊低得多，且其分布也是不均匀的。 电渣焊热源的温度虽然较低，但由于焊接速度缓慢，高温停留时间长，焊接线能量大，母材在较长时间内逐渐升温；而当热源移开后，又使母材缓慢冷却。因此加热和冷却速度比电弧焊低得多，热影响区大。 （二）电渣焊结晶过程特点 线能量大，加热和冷却速度低，高温停留时间长，所以焊缝的一次结晶晶粒为粗大的树枝状组织（可以得到01级的粗大组织），HAZ也严重过热。在焊接低碳钢时焊缝和近缝区会产生粗大的魏氏组织。为了改善接头力学性能，焊后要进行热处理。 三、焊接材料和冶金特点 （一）焊接材料 电渣焊时所用的焊接材料包括电极（焊丝、熔嘴、板极、管极等）、焊剂及管极涂料。 1电极材料 焊缝化学成分和力学性能主要是通过调整焊接材料的合金成分来实现。此外，还要考虑到母材的稀释作用。 在焊接碳钢和低合金钢时，为使焊缝具有良好的抗裂和抗气孔能力，电极材料不仅要限制硫、磷等杂质的含量，通常还应具有低于母材的含碳量（一般控制在0.1左右）。如果由此引起力学性能降低，可通过选择含猛、硅和其他合金元素较高的电极材料来进行补偿。 在丝极电渣焊中，焊接含碳量低于0.18曲低碳钢，可采用H08A或H08MnA焊丝；焊接含碳量为0.180.45的碳钢及低合金钢时，可采用H08bMnMoA或H10Mn2焊丝。 板极和熔嘴电渣焊电极材料也可按上述原则选用。 管极电渣焊所用的电极管状焊条，由焊芯和涂料层（药皮）组成。焊芯一般选用10、15或20号冷拔无缝钢管。 2焊剂 同埋弧焊焊剂不同，电渣焊焊剂的主要作用是在熔融状态时具有适当的电阻，并使电能转化成熔化电极和母材的热能。同时还起到了预热焊件、延长金属熔池存在时间和使缓冷的作用。对焊缝金属的渗合金作用是比较微弱的。因此，电渣焊一般不通过焊剂来向焊缝金属过渡合金。对焊剂有如下要求： （1）熔渣电导率 其高低影响到焊接区域内热输入的多少。太低会导致焊接过程无法进行；太高，将会增加电流向电极周围的分流，从而减弱了高温锥体区内液流的对流作用，这将导致焊缝熔宽减小，甚至产生未焊透。 （2）熔渣粘度 太稠将会在焊缝金属中产生夹渣和咬肉现象；太稀时则会从焊件边缘与滑块之间缝隙流失，严重时会破坏焊接过程而中断焊接。 （3）焊剂的蒸发温度 焊剂的组分不同，其沸点也不相同。熔渣开始蒸发的温度取决于熔渣中最易蒸发的成分。Si、Ti、Al、Na和K的氟化物沸点最低，它们将降低熔渣开始蒸发温度，使熔渣产生飞溅和增加发弧的可能性，影响电渣过程的稳定性。 电渣焊用焊剂一般由硅、锰、钛、钙、镁、和铝的复合氧化物组成。 3管极涂料 采用管状电极时，其钢管的外常涂23mm厚涂料。管极涂料应具有一定的绝缘性能，以防止管极与焊件发生电接触。为细化晶粒，提高综合力学性能，涂料中可适当加入合金元素如锰、硅、钼、钛、钒等，加入量可根据工件材质与采用的焊丝成分而定。（二）电渣焊的冶金过程特点在电渣焊方法中，虽然有大量的电极材料熔化后部通过渣池进入熔池，但由于熔池是随着金属熔池的上移而同时上移，焊接过程中加入新焊剂的数量很少，只是用于补偿部分渣的损失，以维持渣池深度不变，所以熔渣的更新率很低。此外电渣焊熔池温度较低，熔渣与液体金属间的冶金反应较弱，所以电渣焊焊缝的化学成分的调整主要是通过改变电极林料中合金成分来实现的。 电渣焊时熔渣对熔池的机械保护作用是不完全的，是由于熔渣表面始终与空气接触，会产生气相与渣相之间冶金反应，使合金元素被氧化烧损。因此，在采用电渣焊接合金钢或含有较活泼元素（钛、铝等）金属时，可在渣池上面采用惰性气体保护，用以隔绝空气。 四、电渣焊的应用范围 同其它熔化焊接方法比，要有以下特点： （1）适宜于在垂直位置焊接 当焊缝中心线处于垂直位置时，电渣焊形成熔池及焊缝成形条件最好。也可用于倾斜焊缝（与地面垂直线夹角小于30）的焊接。 （2）厚大焊件能一次焊成 由于整个渣池均处于高温下，热源体积大，故不论焊件厚度多大，都可以不开坡口一次焊接成形。生产率高，与开坡口的熔焊方法（如埋弧焊）相比，焊接材料消耗少。 （3）焊缝成形系数调节范围大 通过调节焊接电流和电压，可在较大范围内调节焊缝成形系数，有利于防止焊接热裂纹的产生。 （4）渣池对被焊工件有较好的预热作用 焊接碳当量较高的金属不易出现淬硬组织，冷裂倾向小。焊接中碳钢、低合金钢时均可不进行预热。 （5）焊缝和热影响区晶粒粗大 这是由于焊缝和热影响区在高温条件下停留时间长，引起晶粒粗大并导致焊接接头冲击韧度低。一般焊后应进行正火和回火热处理，以细化晶粒，提高冲击韧度。第二节 丝极电渣焊 电源一极接在焊丝导电杆上，另一极与焊件相连。焊丝由机头上送丝机构的送丝滚轮驱动，通过导电杆送入渣池。当焊接过程由引弧造渣阶段转入正常焊接阶段之后，要使机头上的送丝导电杆与金属熔池液面之间的相对距离保持不变，即机头的上升速度应该与金属熔池的上升速度相等。由于用焊丝作为熔化电极，可按焊件厚度不同采用13根或更多的焊丝进行焊接。 一、焊接工艺过程 （一）焊前准备 焊件待焊边缘的加工质量、表面状态和工件装配时的相对位置（错边量）是影响焊缝质量的重要因素。焊件厚度在200mm以下时通常用自动气割，切割面偏斜星最大不得超过4mm。切割面上不应有沟槽，表面不平度要控制在23mm；焊件厚度超过200mm时，通常用刨削，有时也可用自动气割。焊件边缘应在焊前清理干净。 设计间隙和装配间隙如表。实际装配间隙要比设计值大，以补偿焊接变形。电渣焊时设计间隙和装配间隙间隙（mm）板厚（mm）1630308080500500100010002000设计间隙2024263030装配间隙20212627283236404042 多数情况下间隙要呈上宽下窄的楔形，这是为防止焊接收缩变形而设计的。如图，根据所焊的材料、焊接条件和拘束度不同，值一般取12，装配位置由形铁固定。 直缝焊接时，错边不应超出23mn，以防止溶渣和熔池金属流失。如果被焊板的厚度差大于10mm，在装配前应把厚板刨成等厚度，或者在薄板上贴焊一条板使与厚板等厚，焊后再去掉。 为了防止熔渣和熔池金属的流失，在工件两侧必须有强迫成形装置。实际上是和机头一起移动的铜滑块，也可以是固定的水冷成形铜块，或者是在焊件侧面焊上密封钢板。 1）铜滑块可以是整体式的，也可以是组合式的。使用铜滑块要求焊件表面光滑平整。 2）固定式水冷铜决，在焊缝较长时通常只装在焊件的一侧，在另一侧则用较短的成形铜块替换使用，以便使导电嘴伸入间隙和检测熔池深度。固定式水冷铜块可用于外表面曲率有变化或者轮廓有突变焊件的焊接，与滑块相比可允许有较大的错边。 3）钢质密封侧板不需水冷，焊后切除。这种方法浪费较大，不能重复使用。 如果成形装置与焊件贴合不严，则要用石棉、泥等堵漏。 焊件底部应装有起焊槽，在起焊槽内建立渣池。为了保证工件焊缝的质量，起焊槽要有一定的高度。在焊缝结尾处应装有引出板，藉以引出渣池和易于产生缩孔、裂纹和杂质较多的收尾部分。 电渣焊过程开始之后就应连续进行到底，因此，焊前应准备好所需的焊丝用量和一切工具，电源及设备应能连续正常工作。（二）焊接过程（略）二、环缝丝极电渣焊的工艺特点 与直缝电渣焊在焊接工艺上的主要不同点是；焊件在施焊过程中连续转动；焊缝首尾封闭，因此开始焊接和收尾工作比较复杂，如图。起焊处不能引至焊缝之外，要从焊件上建立渣池起焊，然后在焊接过程中把起焊处未焊透部分切除。收尾时与直焊缝相似，要把收尾处引出，引出模要在焊接过程中装上。收尾时把渣池及收尾金属熔池全引出之后再停止焊接，并及时割除引出模及引出部分焊接金属。 环缝焊接也要装形铁以保证间隙，同时还要采取反变形措施以减小焊接变形。安装上的形铁在焊接过程中要及时切除，以保证焊接的连续性。厚壁工件的环缝焊接时由于焊接部位线速度的不同，金属熔池将从内圆向外圆方向流动，结果使焊缝靠内圆处的熔深增大，而靠外圆的熔深缩小，甚至可以产生末焊透，为此需要采取适当措施来解决。第三节 其它电渣焊方法 一、板极电渣焊 是采用金属板条作为电极。由于板极很宽，所以不需作横向摇动。此外，因板极断面积大，刚度大，自身电阻小，故板极干伸长度可以很大，这就有可能使板极由焊件上方送进，可以省略导电嘴、电极校直机构、机头爬行机构和冷却滑块装置等，从而使得板极电渣焊的设备及工艺大为简化。 此外，轧制板、锻造件、铸造件或工件的边料均可作板极用，因而易于获得所需材质的板极材料，扩大了板极电渣焊的使用范围，常用来焊接钢、铝、钛、耐蚀钢和高温钢等。 板极电渣焊由于沿着板极宽度方向热能分布不均匀，距离板极的中心越远，母材熔深越小，所以焊缝横断面呈明显腰鼓形。增加板极数目可使焊缝熔宽的不均匀性得到改善，通常焊件厚度不大于300mm时多采用单板极，焊件厚度更大时可用多板极。右图为大断面板极电渣焊示意图。二、熔嘴电渣焊 是适于变断面、厚大截面及丝极难施焊的工件进行焊接的一种方法。它的熔化电极除焊丝外，还包括固定于装配间隙中并与工件绝缘而又起导丝导电作用的熔嘴。焊缝是依靠熔嘴和焊丝金属熔化后共同填充的。 （一）熔嘴电渣焊的特点 1）由于熔嘴安置在装配间隙中不用送进，故可以制作成与焊接断面相似的形状，使这种方法便于焊接变断面的工件，如水轮机叶片、座环导水瓣等。 2）因装配间隙（焊缝）是依靠熔嘴和连续送进的焊丝熔化后来填充的，使焊接断面尺寸不像板极电渣焊那样受板极长度所限制，所以采用多熔嘴电渣焊可以焊接断面尺寸比板极电渣焊更大。3）因熔嘴固定在装配间隙中，不易发生与焊件短路，所以操作方便可靠。但熔嘴的制作和安装较费时间。 （二）熔嘴形式 熔嘴的结构形式如图所示。 三、管极电渣焊 管极电渣焊与熔嘴电渣焊的基本原理相似，其不同点是用一根涂有药皮的管子代替了熔嘴钢板，如图1。其特点是： （1）管极外面涂有绝缘的药皮 这样可以缩小装配间隙，熔化后又可自动补充熔渣。管极熔化后，可以作为焊缝填充金属的一部分。因此，装配过程简单，焊接速度和生产率较高。 （2）通过药皮可对焊缝过渡合金元素 由此，可以细化晶粒，改善焊缝力学性能，特别是提高焊缝的抗热裂缝性能。因此管极电渣焊允许采用较高的焊接速度，提高焊接生产