浅谈埋弧焊的熔焊方法

浅谈埋弧焊的熔焊方法

埋弧焊接具有生产能力高、焊接质量好、劳动条件好等优点。广泛应用于土木工程、压力容器、桥梁、铁路、公路车辆、管道、海洋结构等领域。广泛应用于低碳钢、低合金钢、不锈钢、铜及其材料的焊接。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。1埋弧焊方法发展为提高焊接效率,自20世纪50年代就陆续提出了多种多丝埋弧焊方法,发展到今天有些方法已在实际生产中得到广泛应用。下面对各种多丝埋弧焊方法进行简要介绍。1.1双丝埋弧自动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(图1a)和双熔池(图1b)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,还可延缓焊缝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。蔡立民以MZS-1250型通用双弧双丝焊机为例,对其工艺特点进行了说明。郭鹏等对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。马永富等结合实际生产情况,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;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。上海冠达尔钢结构有限公司的高国兵等人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。图2为单电源双丝埋弧焊的典型系统结构。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/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。何德孚等介绍了电源及送丝系统的合理配置要求,分析了此方法的应用前景。徐济进等对A105钢的双丝埋弧焊厚板对接试验进行了研究,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。Tusek等人对单电源高效三丝焊进行了介绍,并比较了单、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。2不锈钢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,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60mm。目前带极埋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。李奋昆等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;周旭辉等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。胡炜、尹克明等均就管板的带极埋弧堆焊进行了试验研究;除此之外,王志峰等由带极埋弧堆焊原理及Goldak热源模型理论设计了带极埋弧堆焊有限元热源模型,对厚板带极埋弧堆焊温度场进行了有限元模拟,得出了与试验结果较吻合的温度场计算结果。3熔敷金属粉末焊接技术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,之后瑞典Hoganas公司成功将其推广到多丝埋弧焊上。其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0.08~0.22mm,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[19-20]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。兰州大学夏天东用该技术焊接了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所焊丝的尺寸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焊缝自动跟踪等特别技术而形成的一种新的熔敷方法。其是为了克服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2~5mm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。张良成等介绍了窄间隙埋弧焊在特厚锻件焊接中的应用,通过工艺试验及工艺评定取得了良好的效果。伍小龙等研究了厚壁容器的双丝窄间隙埋弧焊,结果表明焊接接头具有良好的综合力学性能。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冷丝填充埋弧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由瑞典ESAB公司在2000年上海·埃森·焊接展览会、韩国ESABSEAH公司在2001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80C196KB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,实现了一种冷丝填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20mm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2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。王元良等对单弧热丝填