第十章電渣焊.doc

第十章電渣焊 內容提示 電渣焊是能夠一次焊成厚度很大工件的熔焊方法，從理論上，能焊接的工件厚度是無限的（實際上受設備、電源容量和操作技術等方面限制）。電渣焊不僅是一種優(yōu)質、高效、低成本的焊接方法，還為生產、制造大型構件和重型設備開辟了新途徑，一些外形尺寸和重量受到生產技術條件限制的大型鑄造和鍛造構件，可借助于電渣焊方法，用鑄焊、鍛焊或軋焊結構來代替，大大提高生產能力。本章重點講述電渣焊的基本原理、工藝過程及熱源特點、冶金特點和絲極電渣焊工藝方法，并簡要介紹了板極電渣焊，熔嘴電渣焊、管極電渣焊和帶極電渣堆焊等方法特點。第一節(jié) 電渣焊的特點及應用 一、電渣焊的方法原理及其基本過程 是借助電流通過液態(tài)熔渣時產生電阻熱來作為熱源的一種熔化焊接方法。如圖所示，焊前焊件是垂直放置，在兩工件間留有一定間隙(一般為2040mm)。焊件上下兩端分別裝有引出板和起焊槽，兩側安裝有強迫成形滑塊，焊接電源分別接在電極的導電嘴和焊件上。 電渣焊接過程可分為三個階段。 1引弧造渣階段 開始時先將電極與引弧板短路起弧，并且不斷加入固體焊劑，利用電弧熱量使之熔化，形成液態(tài)熔渣。當渣池達到一定深度時將電極插入渣池，電弧熄滅。由于液態(tài)熔渣具有一定的導電性，利用電流通過時產生的電阻熱來熔化焊劑和被焊工件，即轉入電渣焊接過程。 由于電渣焊過程尚不穩(wěn)定，渣池溫度不高，焊縫金屬與母材熔合不好，因此焊后應把起焊部分割除。 2正常焊接階段 當電渣過程穩(wěn)定后，焊接電流通過渣池產生的電阻熱可使渣池溫度達到16002000。同時由于渣池內部劇烈的渦流作用，迅速把熱量帶到熔池四周，從而使電極和焊件邊緣熔化并同時漸漸地沉積到熔池下面，形成金屬熔池。隨著電極送進，金屬熔池和渣池逐漸上升，而遠離熱源的液體金屬則冷卻凝固形成焊縫。由于熔渣始終浮在熔池上部，不僅保證了電渣焊過程的順利進行，而且對熔池起到了保護作用。隨著熔池不斷上升和焊縫的形成，電極送進機構和強迫成形裝置也隨之向上移動，從而保證了焊接過程的繼續(xù)進行。 3引出階段 在被焊工件上部裝有引出板，以使在焊接終止時易產生縮孔和裂紋的那部分焊縫金屬引出焊件。在引出階段，為了減少產生縮孔和裂紋，應逐漸降低電流和電壓，焊后應將引出部分割除。二、電渣焊特點（一）電渣焊熱源特點 焊劑在熔融狀態(tài)時，其電導率大小與溫度有關。當熔渣溫度低于12001300時，其導電性差，但與溫度變化關系不明顯；當熔渣溫度高于1400時，其導電性則隨溫度上升而劇增。經測試得知，由于電渣焊渣池體積較大，其溫度分布也是不均勻的。渣池下部與金屬熔池接近及接觸，故溫度較高，導電性也好，而上部導電性差。另外，當熔池內流過的電流越大時，產生的電阻熱也就越多，溫度也就越高，電導率越大，從而使得電流也就更容易通過。這樣相互作用并達到動態(tài)平衡狀態(tài)時，從電極末端經熔池底部向熔池的電流約為焊接電流的60以上，而從電極四周側邊流向渣池的電流是很少的。根據(jù)測量得知：自電極末端向上靠近工件斷面處的渣池溫度約為14001500，而自電極末端向下靠近金屬熔池助渣池溫度約為17002000?？梢?，電渣焊熱源的溫度比一般電弧焊低得多，且其分布也是不均勻的。 電渣焊熱源的溫度雖然較低，但由于焊接速度緩慢，高溫停留時間長，焊接線能量大，母材在較長時間內逐漸升溫；而當熱源移開后，又使母材緩慢冷卻。因此加熱和冷卻速度比電弧焊低得多，熱影響區(qū)大。 （二）電渣焊結晶過程特點 線能量大，加熱和冷卻速度低，高溫停留時間長，所以焊縫的一次結晶晶粒為粗大的樹枝狀組織（可以得到01級的粗大組織），HAZ也嚴重過熱。在焊接低碳鋼時焊縫和近縫區(qū)會產生粗大的魏氏組織。為了改善接頭力學性能，焊后要進行熱處理。 三、焊接材料和冶金特點 （一）焊接材料 電渣焊時所用的焊接材料包括電極（焊絲、熔嘴、板極、管極等）、焊劑及管極涂料。 1電極材料 焊縫化學成分和力學性能主要是通過調整焊接材料的合金成分來實現(xiàn)。此外，還要考慮到母材的稀釋作用。 在焊接碳鋼和低合金鋼時，為使焊縫具有良好的抗裂和抗氣孔能力，電極材料不僅要限制硫、磷等雜質的含量，通常還應具有低于母材的含碳量（一般控制在0.1左右）。如果由此引起力學性能降低，可通過選擇含猛、硅和其他合金元素較高的電極材料來進行補償。 在絲極電渣焊中，焊接含碳量低于0.18曲低碳鋼，可采用H08A或H08MnA焊絲；焊接含碳量為0.180.45的碳鋼及低合金鋼時，可采用H08bMnMoA或H10Mn2焊絲。 板極和熔嘴電渣焊電極材料也可按上述原則選用。 管極電渣焊所用的電極管狀焊條，由焊芯和涂料層（藥皮）組成。焊芯一般選用10、15或20號冷拔無縫鋼管。 2焊劑 同埋弧焊焊劑不同，電渣焊焊劑的主要作用是在熔融狀態(tài)時具有適當?shù)碾娮瑁⑹闺娔苻D化成熔化電極和母材的熱能。同時還起到了預熱焊件、延長金屬熔池存在時間和使緩冷的作用。對焊縫金屬的滲合金作用是比較微弱的。因此，電渣焊一般不通過焊劑來向焊縫金屬過渡合金。對焊劑有如下要求： （1）熔渣電導率 其高低影響到焊接區(qū)域內熱輸入的多少。太低會導致焊接過程無法進行；太高，將會增加電流向電極周圍的分流，從而減弱了高溫錐體區(qū)內液流的對流作用，這將導致焊縫熔寬減小，甚至產生未焊透。 （2）熔渣粘度 太稠將會在焊縫金屬中產生夾渣和咬肉現(xiàn)象；太稀時則會從焊件邊緣與滑塊之間縫隙流失，嚴重時會破壞焊接過程而中斷焊接。 （3）焊劑的蒸發(fā)溫度 焊劑的組分不同，其沸點也不相同。熔渣開始蒸發(fā)的溫度取決于熔渣中最易蒸發(fā)的成分。Si、Ti、Al、Na和K的氟化物沸點最低，它們將降低熔渣開始蒸發(fā)溫度，使熔渣產生飛濺和增加發(fā)弧的可能性，影響電渣過程的穩(wěn)定性。 電渣焊用焊劑一般由硅、錳、鈦、鈣、鎂、和鋁的復合氧化物組成。 3管極涂料 采用管狀電極時，其鋼管的外常涂23mm厚涂料。管極涂料應具有一定的絕緣性能，以防止管極與焊件發(fā)生電接觸。為細化晶粒，提高綜合力學性能，涂料中可適當加入合金元素如錳、硅、鉬、鈦、釩等，加入量可根據(jù)工件材質與采用的焊絲成分而定。（二）電渣焊的冶金過程特點在電渣焊方法中，雖然有大量的電極材料熔化后部通過渣池進入熔池，但由于熔池是隨著金屬熔池的上移而同時上移，焊接過程中加入新焊劑的數(shù)量很少，只是用于補償部分渣的損失，以維持渣池深度不變，所以熔渣的更新率很低。此外電渣焊熔池溫度較低，熔渣與液體金屬間的冶金反應較弱，所以電渣焊焊縫的化學成分的調整主要是通過改變電極林料中合金成分來實現(xiàn)的。 電渣焊時熔渣對熔池的機械保護作用是不完全的，是由于熔渣表面始終與空氣接觸，會產生氣相與渣相之間冶金反應，使合金元素被氧化燒損。因此，在采用電渣焊接合金鋼或含有較活潑元素（鈦、鋁等）金屬時，可在渣池上面采用惰性氣體保護，用以隔絕空氣。 四、電渣焊的應用范圍 同其它熔化焊接方法比，要有以下特點： （1）適宜于在垂直位置焊接 當焊縫中心線處于垂直位置時，電渣焊形成熔池及焊縫成形條件最好。也可用于傾斜焊縫（與地面垂直線夾角小于30）的焊接。 （2）厚大焊件能一次焊成 由于整個渣池均處于高溫下，熱源體積大，故不論焊件厚度多大，都可以不開坡口一次焊接成形。生產率高，與開坡口的熔焊方法（如埋弧焊）相比，焊接材料消耗少。 （3）焊縫成形系數(shù)調節(jié)范圍大 通過調節(jié)焊接電流和電壓，可在較大范圍內調節(jié)焊縫成形系數(shù)，有利于防止焊接熱裂紋的產生。 （4）渣池對被焊工件有較好的預熱作用 焊接碳當量較高的金屬不易出現(xiàn)淬硬組織，冷裂傾向小。焊接中碳鋼、低合金鋼時均可不進行預熱。 （5）焊縫和熱影響區(qū)晶粒粗大 這是由于焊縫和熱影響區(qū)在高溫條件下停留時間長，引起晶粒粗大并導致焊接接頭沖擊韌度低。一般焊后應進行正火和回火熱處理，以細化晶粒，提高沖擊韌度。第二節(jié) 絲極電渣焊 電源一極接在焊絲導電桿上，另一極與焊件相連。焊絲由機頭上送絲機構的送絲滾輪驅動，通過導電桿送入渣池。當焊接過程由引弧造渣階段轉入正常焊接階段之后，要使機頭上的送絲導電桿與金屬熔池液面之間的相對距離保持不變，即機頭的上升速度應該與金屬熔池的上升速度相等。由于用焊絲作為熔化電極，可按焊件厚度不同采用13根或更多的焊絲進行焊接。 一、焊接工藝過程 （一）焊前準備 焊件待焊邊緣的加工質量、表面狀態(tài)和工件裝配時的相對位置（錯邊量）是影響焊縫質量的重要因素。焊件厚度在200mm以下時通常用自動氣割，切割面偏斜星最大不得超過4mm。切割面上不應有溝槽，表面不平度要控制在23mm；焊件厚度超過200mm時，通常用刨削，有時也可用自動氣割。焊件邊緣應在焊前清理干凈。 設計間隙和裝配間隙如表。實際裝配間隙要比設計值大，以補償焊接變形。電渣焊時設計間隙和裝配間隙間隙（mm）板厚（mm）1630308080500500100010002000設計間隙2024263030裝配間隙20212627283236404042 多數(shù)情況下間隙要呈上寬下窄的楔形，這是為防止焊接收縮變形而設計的。如圖，根據(jù)所焊的材料、焊接條件和拘束度不同，值一般取12，裝配位置由形鐵固定。 直縫焊接時，錯邊不應超出23mn，以防止溶渣和熔池金屬流失。如果被焊板的厚度差大于10mm，在裝配前應把厚板刨成等厚度，或者在薄板上貼焊一條板使與厚板等厚，焊后再去掉。 為了防止熔渣和熔池金屬的流失，在工件兩側必須有強迫成形裝置。實際上是和機頭一起移動的銅滑塊，也可以是固定的水冷成形銅塊，或者是在焊件側面焊上密封鋼板。 1）銅滑塊可以是整體式的，也可以是組合式的。使用銅滑塊要求焊件表面光滑平整。 2）固定式水冷銅決，在焊縫較長時通常只裝在焊件的一側，在另一側則用較短的成形銅塊替換使用，以便使導電嘴伸入間隙和檢測熔池深度。固定式水冷銅塊可用于外表面曲率有變化或者輪廓有突變焊件的焊接，與滑塊相比可允許有較大的錯邊。 3）鋼質密封側板不需水冷，焊后切除。這種方法浪費較大，不能重復使用。 如果成形裝置與焊件貼合不嚴，則要用石棉、泥等堵漏。 焊件底部應裝有起焊槽，在起焊槽內建立渣池。為了保證工件焊縫的質量，起焊槽要有一定的高度。在焊縫結尾處應裝有引出板，藉以引出渣池和易于產生縮孔、裂紋和雜質較多的收尾部分。 電渣焊過程開始之后就應連續(xù)進行到底，因此，焊前應準備好所需的焊絲用量和一切工具，電源及設備應能連續(xù)正常工作。（二）焊接過程（略）二、環(huán)縫絲極電渣焊的工藝特點 與直縫電渣焊在焊接工藝上的主要不同點是；焊件在施焊過程中連續(xù)轉動；焊縫首尾封閉，因此開始焊接和收尾工作比較復雜，如圖。起焊處不能引至焊縫之外，要從焊件上建立渣池起焊，然后在焊接過程中把起焊處未焊透部分切除。收尾時與直焊縫相似，要把收尾處引出，引出模要在焊接過程中裝上。收尾時把渣池及收尾金屬熔池全引出之后再停止焊接，并及時割除引出模及引出部分焊接金屬。 環(huán)縫焊接也要裝形鐵以保證間隙，同時還要采取反變形措施以減小焊接變形。安裝上的形鐵在焊接過程中要及時切除，以保證焊接的連續(xù)性。厚壁工件的環(huán)縫焊接時由于焊接部位線速度的不同，金屬熔池將從內圓向外圓方向流動，結果使焊縫靠內圓處的熔深增大，而靠外圓的熔深縮小，甚至可以產生末焊透，為此需要采取適當措施來解決。第三節(jié) 其它電渣焊方法 一、板極電渣焊 是采用金屬板條作為電極。由于板極很寬，所以不需作橫向搖動。此外，因板極斷面積大，剛度大，自身電阻小，故板極干伸長度可以很大，這就有可能使板極由焊件上方送進，可以省略導電嘴、電極校直機構、機頭爬行機構和冷卻滑塊裝置等，從而使得板極電渣焊的設備及工藝大為簡化。 此外，軋制板、鍛造件、鑄造件或工件的邊料均可作板極用，因而易于獲得所需材質的板極材料，擴大了板極電渣焊的使用范圍，常用來焊接鋼、鋁、鈦、耐蝕鋼和高溫鋼等。 板極電渣焊由于沿著板極寬度方向熱能分布不均勻，距離板極的中心越遠，母材熔深越小，所以焊縫橫斷面呈明顯腰鼓形。增加板極數(shù)目可使焊縫熔寬的不均勻性得到改善，通常焊件厚度不大于300mm時多采用單板極，焊件厚度更大時可用多板極。右圖為大斷面板極電渣焊示意圖。二、熔嘴電渣焊 是適于變斷面、厚大截面及絲極難施焊的工件進行焊接的一種方法。它的熔化電極除焊絲外，還包括固定于裝配間隙中并與工件絕緣而又起導絲導電作用的熔嘴。焊縫是依靠熔嘴和焊絲金屬熔化后共同填充的。 （一）熔嘴電渣焊的特點 1）由于熔嘴安置在裝配間隙中不用送進，故可以制作成與焊接斷面相似的形狀，使這種方法便于焊接變斷面的工件，如水輪機葉片、座環(huán)導水瓣等。 2）因裝配間隙（焊縫）是依靠熔嘴和連續(xù)送進的焊絲熔化后來填充的，使焊接斷面尺寸不像板極電渣焊那樣受板極長度所限制，所以采用多熔嘴電渣焊可以焊接斷面尺寸比板極電渣焊更大。3）因熔嘴固定在裝配間隙中，不易發(fā)生與焊件短路，所以操作方便可靠。但熔嘴的制作和安裝較費時間。 （二）熔嘴形式 熔嘴的結構形式如圖所示。 三、管極電渣焊 管極電渣焊與熔嘴電渣焊的基本原理相似，其不同點是用一根涂有藥皮的管子代替了熔嘴鋼板，如圖1。其特點是： （1）管極外面涂有絕緣的藥皮 這樣可以縮小裝配間隙，熔化后又可自動補充熔渣。管極熔化后，可以作為焊縫填充金屬的一部分。因此，裝配過程簡單，焊接速度和生產率較高。 （2）通過藥皮可對焊縫過渡合金元素 由此，可以細化晶粒，改善焊縫力學性能，特別是提高焊縫的抗熱裂縫性能。因此管極電渣焊允許采用較高的焊接速度，提高焊接生產