淺談埋弧焊的熔焊方法

埋弧焊接具有生產能力高、焊接質量好、勞動條件好等優點。廣泛應用于土木工程、壓力容器、橋梁、鐵路、公路車輛、管道、海洋結構等領域。廣泛應用于低碳鋼、低合金鋼、不銹鋼、銅及其材料的焊接。進入21世紀,科學技術突飛猛進的發展,高效化焊接已提上日程,埋弧焊接高效化已是國內外焊接加工技術研究和應用的重要趨勢。眾所周知,能提高埋弧焊焊接效率的方法有改變電極數量或形狀的,如多絲埋弧焊、帶極埋弧焊;有添加輔助填充金屬的,如坡口內添加合金粉末的埋弧焊;有改變坡口形狀尺寸的,如窄間隙埋弧焊;此外還有冷絲和熱絲填絲埋弧焊等。1埋弧焊方法發展為提高焊接效率,自20世紀50年代就陸續提出了多種多絲埋弧焊方法,發展到今天有些方法已在實際生產中得到廣泛應用。下面對各種多絲埋弧焊方法進行簡要介紹。1.1雙絲埋弧自動焊多電源串列多絲埋弧焊實際上是由多個單絲埋弧焊裝置組合而成,理論上可以串列很多絲,但當前研究和應用最多的是串列雙絲或三絲系統。每根焊絲均可為直流和交流,但雙絲系統中最常采用的是導前焊絲反極性+后接交流焊絲,或是兩根交流焊絲,其可避免電弧間的電磁干擾和電弧偏吹。串列雙絲埋弧焊中每一根焊絲均有一個獨立電源供電,根據兩焊絲間距的不同,其方法有共熔池(圖1a)和雙熔池(圖1b)兩種,二者區別在于兩焊絲間距大小,是否具有共同的電弧空間。兩種方式的前端電弧均有預熱及造成熔深的作用,前者后端電弧能提高生產率,易于通過焊絲匹配調整焊縫成分,調節接頭組織與性能,特別適合焊絲摻合金堆焊或焊接合金鋼;而后者除此之外,還可延緩焊縫冷卻速度和后熱處理前一層焊縫,達到堆焊或焊接合金不出裂紋和改善接頭性能的目的。蔡立民以MZS-1250型通用雙弧雙絲焊機為例,對其工藝特點進行了說明。郭鵬等對D6A鋼厚壁筒體進行了雙絲埋弧自動焊工藝研究,分析了各種因素對焊接接頭的影響。馬永富等結合實際生產情況,對中厚板對接雙絲埋弧焊接工藝進行了探討。此外該方法在我國制管廠也得到了一定應用,如浙江雙羊集團的王曉東就雙絲埋弧自動焊在螺旋輸送鋼管制造中的應用進行了介紹。三絲系統中通常采用“直流+交流+交流”,前導焊絲采用大電流、低電壓保證良好熔深;跟蹤焊絲采用小電流、大電壓以得到光潔焊縫表面;中間焊絲的焊接規范在上述兩者之間。這避免了直流+直流組合引起的電弧磁偏吹現象,減少氣孔、夾渣、焊偏等缺陷出現的幾率;同時,也克服了交流組合時對焊材堿度的限制,有利于電弧穩定焊接,提高接頭抗裂性能,達到深熔目的,提高焊接速度與焊接質量。上海冠達爾鋼結構有限公司的高國兵等人介紹了三絲埋弧焊技術應用于厚板焊接的工藝技術和特點,并通過試驗進行了工藝評定。1.2單電源多絲埋弧焊單電源多絲埋弧焊是用多根較細的焊絲代替一根較粗的焊絲,以同一速度且同時通過共用的導電嘴向外送出,在焊劑覆蓋的坡口中熔化。這些焊絲的直徑和化學成分可以相同也可以不相同,不同材質的焊絲進行焊接,可有效調節焊縫金屬的合金化。焊絲平行且垂直于母材,相對焊接方向,根據焊絲數目既可橫向排置也可縱向排置或成任意角度,其焊絲之間的距離影響著焊縫形成、金屬粉末消耗和金屬熔化效率等。這種方法焊接時電流和電流密度都很大,不僅焊絲熔敷速率高,而且也可提高焊接速度,單位功率所達到的熔敷率在各種埋弧焊方法中較高。圖2為單電源雙絲埋弧焊的典型系統結構。當焊絲沿焊縫軸線排列時,形成窄而深的焊縫;當焊絲橫向排列時,焊縫根部的位置改變,形成寬而淺的焊縫;焊絲之間的距離愈大,則焊縫的形狀和尺寸變化愈顯著。當焊絲之間的距離加大到一定程度后,可形成“馬鞍狀”焊縫。根據需要將焊絲沿焊接方向以不同角度排列時,則形成不同熔深、熔寬的焊縫。其交/直流電源均可使用,但直流反接能得到最好的效果。單電源多絲埋弧焊既可適用于稀釋率要求較低的耐磨或耐腐蝕表面的埋弧堆焊,亦可適用于各種對接、角接焊縫的單道或多道埋弧焊。何德孚等介紹了電源及送絲系統的合理配置要求,分析了此方法的應用前景。徐濟進等對A105鋼的雙絲埋弧焊厚板對接試驗進行了研究,結果表明該方法可滿足大直徑全焊接閥體球閥的制造要求。Tusek等人對單電源高效三絲焊進行了介紹,并比較了單、雙絲和三絲之間的不同點,說明了三絲系統適用于厚長板。但是盡管此方法擁有眾多優勢,仍然沒有應用于實際生產。2不銹鋼帶極埋弧焊帶極埋弧焊是利用帶狀電極代替焊絲不斷熔化,形成熔深大、焊縫寬的焊接接頭。其是為解決多絲埋弧焊焊絲承載電流能力低,多絲設備復雜,快速焊易產生缺陷等問題而出現的一種新方法。此方法改善了結晶條件,減少了焊縫中的氣孔和結晶裂紋,焊縫質量好,力學性能高,熱影響區不易出現過熱組織,焊接電流較大,生產效率高,經濟價值大,勞動條件好,而且容易實現自動化、機械化生產,是一種值得大力推廣的新方法。帶極埋弧焊可使用交流或直流具有下降外特性的焊接電源。焊接過程中,帶極厚度、寬度、伸出長度、極性以及焊接速度、電流、電壓等因素均對焊縫成形有不同程度的影響。在實際應用中,帶極埋弧焊比普通埋弧焊在技術、冶金和經濟效益方面均有優點。此種方法具有最高的熔敷速度,最低的熔深和稀釋度,尤其是雙帶極埋弧焊,因此是表面堆焊的理想方法。帶極埋弧堆焊的關鍵是要有合適成分的帶材、焊劑和送進機構。一般常用的帶寬為60mm。目前帶極埋弧焊主要應用于平板對接焊縫、容器的環/橫縫以及角焊縫中。李奮昆等就不銹鋼帶極埋弧堆焊的工藝特點、焊材選用和常見焊接缺陷進行了分析,取得了良好的應用效果;周旭輝等對帶極埋弧堆焊的電弧磁控技術進行了說明,指出了其作用;帶極埋弧堆焊對母材稀釋率低、易保證堆焊層的成分及性能,尤其適用于耐腐蝕層的堆焊,因此在化工容器生產中得到越來越廣泛的應用。胡煒、尹克明等均就管板的帶極埋弧堆焊進行了試驗研究;除此之外,王志峰等由帶極埋弧堆焊原理及Goldak熱源模型理論設計了帶極埋弧堆焊有限元熱源模型,對厚板帶極埋弧堆焊溫度場進行了有限元模擬,得出了與試驗結果較吻合的溫度場計算結果。3熔敷金屬粉末焊接技術添加合金粉末埋弧焊是在已有埋弧焊方法的基礎上,利用某些方法向焊接熔池內添加合金粉末,使精細的合金粉末被電弧熱和電弧輻射熱同時熔化,電弧能量利用率大幅增加,粉末浪費量減少,增加了熔敷效率并改善了焊接接頭的力學性能。20世紀90年代斯洛文尼亞的TusekJ博士對并列多絲埋弧焊方法進行了較系統的研究后,首先提出了金屬粉末雙絲埋弧焊,之后瑞典Hoganas公司成功將其推廣到多絲埋弧焊上。其解決了用常規埋弧焊焊接中厚板結構,加大線能量,提高熔敷速率所產生的缺點,如熔池變大,母材熔化量增加,焊縫組織粗化,熱影響區擴大并且性能變壞。作為一種既能提高熔敷速率,又不使焊接接頭性能變差的高效焊接技術,該工藝可以通過控制金屬粉末的粒度及合適的送粉系統來實現金屬粉末基本在電弧周圍熔化。早期所用的大顆粒,效果不是很好。將顆粒直徑做得很小后,它的優點逐漸被人們所認識,Hoganas公司成功研制了一種顆粒非常細小的金屬粉,在焊接過程中可以被電弧的吹力吹到電弧四周,使金屬粉在電弧和其四周均熔化,大大提高了電弧能量的利用率,提高了熔敷率并增加了接頭的力學性能。但是金屬粉末亦不能過細,以免在氣流作用下受力飄走。研究得出合適的粒度范圍是0.08~0.22mm,這種適當小的顆粒,才能被電弧的機械力推開,而且金屬顆粒不會停留在電弧的上、下方,而是散布在電弧周圍。文獻[19-20]中指出,雙絲焊時可用多種方法送進金屬粉末。最簡單的是在雙絲前方送粉,其優點是設計簡單,缺點是送入焊接區的金屬粉末量不精確,熔敷效率低,這種方法僅用于表面或寬坡口焊接;第二種方式是通過位于兩絲間的小管送進,金屬粉末直接送到兩電弧之間的熔池中,特別適合于焊絲設置成一前一后的情況,熱效率很高,焊劑消耗很少;第三種方式是金屬粉末沿著焊絲送進,電弧位于焊絲和工件之間,而金屬粉末在電弧周圍熔化,當電弧功率減小時,焊劑的消耗也隨之減少。國外從20世紀60年代末至今一直在研究、開發和應用這種技術,目前廣泛用于造船、壓力容器、重型機器、橋梁、建筑和海洋石油平臺等領域。而我國添加粉末的雙絲埋弧焊則處于實驗階段,有待進一步的研究和開發。蘭州大學夏天東用該技術焊接了Q235鋼和16MnR鋼,并應用于實際焊接生產;也通過焊接20G和16MnR鋼,比較了普通埋弧焊和添加合金粉末埋弧焊技術。4所焊絲的尺寸窄間隙埋弧焊是在已有的埋弧焊接方法和工藝的基礎上,加上特殊焊絲向狹窄坡口內的導入技術以及焊縫自動跟蹤等特別技術而形成的一種新的熔敷方法。其是為了克服50mm以上的大厚度焊件采用普通的“V”、“U”型坡口焊接層/道數多,焊縫金屬填充量及所需焊接時間均隨厚度成幾何級數增長,焊接變形大且難以控制等弊端發展起來的,是近年來出現的一種高效、省時、節能的埋弧焊方法。其所用焊絲直徑在2~5mm之間,最佳尺寸為3mm。窄間隙埋弧焊裝配質量要求高,要有精確的焊絲位置,保證坡口側壁均勻焊透,而且要求熔渣在窄坡口內應具有良好的脫渣性。與寬坡口埋弧焊相比,窄間隙埋弧焊坡口窄、焊材消耗量少、熱輸入量低、焊接時間短,焊接變形和焊接應力小,降低了開裂傾向,接頭具有較高的抗延遲冷裂能力,強度和沖擊性能均優于傳統寬坡口埋弧焊接頭,實現了高效率、低成本、高質量焊接。窄間隙埋弧焊主要應用領域是低合金鋼厚壁容器及其它重型焊接結構,其在大厚度板和超大厚度板對接焊的高效率、低成本、優質量的突出特點是業內所公認的。隨著其關鍵技術(接觸式光電跟蹤器)日益成熟,其可焊間隙越來越小,坡口深度越來越深,特點更明顯,應用更廣泛。武漢大學的張國棟等人分析了窄間隙埋弧焊的技術難點,應用現狀及其發展。上海交通大學的盧慶華等對細絲窄間隙埋弧焊進行了工藝參數尋優,提供了有益的經驗。張良成等介紹了窄間隙埋弧焊在特厚鍛件焊接中的應用,通過工藝試驗及工藝評定取得了良好的效果。伍小龍等研究了厚壁容器的雙絲窄間隙埋弧焊,結果表明焊接接頭具有良好的綜合力學性能。這些研究均說明即使在新型焊接設備不斷出現的今天,相對某些行業的大厚度板焊接,為滿足高效率的要求,還是窄間隙埋弧焊更適合。5冷絲填充埋弧冷絲和熱絲填絲埋弧焊是在普通埋弧焊基礎上,附加一套送絲機構,從側面給焊接熔池填充焊絲,如圖3所示。冷絲填絲埋弧焊的填充焊絲無電源供電,故稱“冷絲”;熱絲填充焊絲則由預熱電源加熱至接近熔化狀態后均勻送入埋弧自動焊所形成的熔池內,稱為“熱絲”。冷絲填絲埋弧焊設備由瑞典ESAB公司在2000年上海·埃森·焊接展覽會、韓國ESABSEAH公司在2001年韓國國際焊接博覽會上分別推出,引起了與會人士的特別關注。冷絲填充方法由于焊接電流增大,在得到深熔池的同時可保證成形良好,減小了焊接熱影響區。這對熱敏材料非常需要,既可減少過熱損害,又可節約電能,提高生產率。蘭州理工大學張鵬賢等提出了一種由80C196KB單片機構成的數字控制冷絲填充埋弧焊系統的軟、硬件設計方法,實現了一種冷絲填充埋弧自動焊接新工藝的電源和過程控制。熱絲填充是一種可提高焊接時填充金屬熔化量進而提高焊接效率的好方法,特別適宜于焊接厚度在20mm以上的開坡口工件,是一種簡單、方便、可行的新工藝。它可用1個電源,也可用2個電源,靠電阻熱將焊絲加熱到接近于熔點溫度熔入焊接熔池,大幅度提高了焊接效率。該技術加熱范圍小,消耗能量少,焊接材料的損失率最小,大大降低了焊接成本,取得了很大的經濟效益;此外由于溫度場熱循環的改變,焊接熱影響區小,接頭力學性能優良,焊接質量有很大的提高。因為不存在其他雙絲焊所存在的兩電弧相互干擾問題,又具有熔敷率高,焊接質量好等優點,熱絲填絲埋弧焊在國內外研究和應用都較多。王元良等對單弧熱絲填