埋弧焊工艺参数及焊接技术

埋弧焊工艺参数及焊接技

术

Last revision on 21 December 2020

埋弧焊工艺参数及焊接技术

1．3．1影响焊缝形状、性能的因素

埋弧焊主要适用于平焊位置焊接，如果采用一定工装辅具也可以实现角焊和横焊位置的焊接。埋弧焊时影响焊缝形状和性能的因素主要是焊接工艺参数、工艺条件等。本节主要讨论平焊位置的情况。

(1) 焊接工艺参数的影响影响埋弧焊焊缝形状和尺寸的焊接工艺参数有焊接电流、电弧电压、焊接速度和焊丝直径等。

1）焊接电流当其他条件不变时，增加焊接电流对焊缝熔深的影响(如图1所示)，无论是 Y 形坡口还是 I 形坡口，正常焊接条件下，熔深与焊接电流变化成正比，即状的影响，如图2所示。电流小，熔深浅，余高和宽度不足；电流过大，熔深大，余高过大，易产生高温裂纹

图1 焊接电流与熔深的关系（φ）

图2 焊接电流对焊缝断面形状的影响

a)I形接头b)Ｙ形接头

2）电弧电压电弧电压和电弧长度成正比，在相同的电弧电压和焊接电流时，如果选用的焊剂不同，电弧空间电场强度不同，则电弧长度不同。如果其他条件不变，改变电弧电压对焊缝形状的影响如图3所示。电弧电压低，熔深大，焊缝宽度窄，易产生热

裂纹：电弧电压高时，焊缝宽度增加，余高不够。埋弧焊时，电弧电压是依据焊接电流调整的，即一定焊接电流要保持一定的弧长才可能保证焊接电弧的稳定燃烧，所以电弧电压的变化范围是有限的

图3电弧电压对焊缝断面形状的影响

a)I形接头b)Ｙ形接头

3)焊接速度焊接速度对熔深和熔宽都有影响，通常焊接速度小，焊接熔池大，焊缝熔深和熔宽均较大，随着焊接速度增加，焊缝熔深和熔都将减小，即熔深和熔宽与焊接速度成反比，如图 4 所示。焊接速度对焊缝断面形状的影响，如图 5 所示。焊接速度过小，熔化金属量多，焊缝成形差：焊接速度较大时，熔化金属量不足，容易产生咬边。实际焊接时，为了提高生产率，在增加焊接速度的同时必须加大电弧功率，才能保证焊缝质量。

图4 焊接速度对焊缝形成的影响

Ｈ－熔深Ｂ－熔宽

图５焊接速度对焊缝断面形状的影响

a)I形接头b)Ｙ形接头

4)焊丝直径焊接电流、电弧电压、焊接速度一定时，焊丝直径不同，焊缝形状会发生变化。表 1 所示的电流密度对焊缝形状尺寸的影响，从表中可见，其他条件不变，熔深与焊丝直径成反比关系，但这种关系随电流密度的增加而减弱，这是由于随着电流密度的增加，熔池熔化金属量不断增加，熔融金属后排困难，熔深增加较慢，并随着熔化金属量的增加，余高增加焊缝成形变差，所以埋弧焊时增加焊接电流的同时要增加电弧电压，以保证焊缝成形质量。

表 1 电流密度对焊缝形状尺寸的影响（U=30-32V，U w =33cm／min）

(2) 工艺条件对焊缝成形的影响

1）对接坡口形状、间隙的影响在其他条件相同时，增加坡口深度和宽度，焊缝熔深增加，熔宽略有减小，余高显着减小，如图6所示。在对接焊缝中，如果改变间隙大小，也可以调整焊缝形状，同时板厚及散热条件对焊缝熔宽和余高也有显着影响，如表2所示。

2) 焊丝倾角和工件斜度的影响焊丝的倾斜方向分为前倾和后倾两种，见图7。倾斜的方向和大小不同，电弧对熔池的吹力和热的作用就不同，对焊缝成形的影响也不同。图7a为焊丝前倾，图7b为焊丝后倾。焊丝在一定倾角内后倾时，电弧力后排熔池金属的作用减弱，熔池底部液体金属增厚，故熔深减小。而电弧对熔池前方的母材预热作用

加强，故熔宽增大。图7c是后倾角对熔深、熔宽的影响。实际工作中焊丝前倾只在某些特殊情况下使用，例如焊接小直径圆筒形工件的环缝等。

图7 焊丝倾角对焊缝形成的影响 a)前倾b)后倾c)焊丝后倾角度对焊缝形成的影响工件倾斜焊接时有上坡焊和下坡焊两种情况，它们对焊缝成形的影响明显不同，见图8。上坡焊时(图8a、b)，若斜度β角>6°～12°，则焊缝余高过大，两侧出现咬边，成形明显恶化。实际工作中应避免采用上坡焊。下坡焊的效果与上坡焊相反，见图8c)、d)。

图8 工件斜度对焊缝形成的影响a)上坡斜b)上坡斜工件斜度的影响c)下坡斜d)下坡斜工

件斜度的影响β－工件斜度

3) 焊剂堆高的影响埋弧焊焊剂堆高一般在25～40mm，应保证在丝极周围埋住电弧。当使用粘结焊剂或烧结焊剂时，由于密度小，焊剂堆高比熔炼焊剂高出 20％～50％。焊剂堆高越大，焊缝余高越大，熔深越浅。

（3）焊接工艺条件对焊缝金属性能的影响当焊接条件变化时，母材的稀释率、焊剂熔化比率(焊剂熔化量／焊丝熔化量)均发生变化，从而对焊缝金属性能产生影响，其中焊接电流和电弧电压的影响较大。图9～图11给出了焊接电流、电弧电压和焊接速度对焊剂熔化比率的影响。由于焊剂熔化比率的变化，焊缝金属的化学成分、力学性能均发生变化，特别是烧结焊剂中合金元素的加入对焊缝金属化学成分的影响最大。图12 ～图 14 给出各种焊接条件变化时对焊缝金属 Mn、Si 含量的影响。

图9 焊接电流对焊剂熔化比率的影响

图10 电弧电压对焊剂熔化比率的影响

图11 焊接速度对焊剂熔化比率的影响

图12 焊接电流对焊缝金属化学成分的影响

图13 电弧电压对焊缝金属化学成分的影响

图14 焊接速度对焊缝金属化学成分的影响

1.3.2 埋弧焊实施方法及工艺参数选择

(1) 焊前准备

1)坡口设计及加工同其他焊接方法相比，埋弧焊接母材稀释率较大，母材成分对

焊缝性能影响较大，埋弧焊坡口设计必须考虑到这一点。依据单丝埋弧焊使用电流范围，当板厚小于 14mm ，可以不开坡口，装配时留有一定间隙：板厚为 14 ～ 22mm ，一般开 V 形坡口；板厚 22 -50mm 时开 X 形坡口。对于锅炉汽包等压力容器通常采用 U 形或双 U 形坡口，以确保底层熔透和消除夹渣。

埋弧焊焊缝坡口的基本形式和尺寸设计时，请查阅 GB／T986 ～ 1988 。坡口加工方法常采用刨边机和气割机，加工精度有一定要求。

2)装配点固埋弧焊要求接头间隙均匀无错边，装配时需根据不同板厚进行定间

距、定位焊，如表 3 所示。另外直缝接头两端尚需加引弧板和熄弧板，以减少引弧和引出时产生缺陷。

表 3 埋弧焊装配标准

板厚 t/mm 焊缝长度 /mm 定位长度 /mm

3) 焊前清理坡口内水锈、夹杂铁末，点焊后放置时间较长而受潮氧化等焊接时容易产生气孔，焊前需提高工件温度或用喷砂等方法进行处理。

(2) 对接接头单面焊对接接头埋弧焊时，工件可以开坡口或不开坡口。开坡口不仅为了保证熔深，而且有时还为了达到其他的工艺目的。如焊接合金钢时，可以控制熔合比；而在焊接低碳钢时，可以控制焊缝余高等。在不开坡口的情况下，埋弧焊可以一次焊透 20mm 以下的工件，但要求预留 5 ～ 6mm 的间隙，否则厚度超过 14—16mm 的板料必须开坡口才能用单面焊一次焊透。

对接接头单面焊可采用以下几种方法：在焊剂垫上焊，在焊剂铜垫板上焊，在永久性垫板或锁底接头上焊，以及在临时衬垫上焊和悬空焊等。分述如下：在焊剂垫上焊接用这种方法焊接时，焊缝成形的质量主要取决于焊剂垫托力的大小和均匀与否，以及装配间隙的均匀与否。图 14 说明焊剂垫托力与焊缝成形的关系。板厚 2 ～ 8mm 的对接接头在具有焊剂垫的电磁平台上焊接所用的参数列于表 4 。电磁平台在焊接中起固定板料的作用。

图15 在焊剂垫上对焊接

a)焊接情况 b)焊剂托力不足 c)焊剂拖力很大 d)焊剂拖力过大

表 4 对接接头在电磁平台－焊剂垫上单面焊的焊接条件

板厚10—20mm的I形坡口对接接头预留装配间隙并在焊剂垫上进行单面焊的焊接参数，见表5。所用的焊剂垫应尽可能选用细颗粒焊剂。

表5

在焊剂铜垫板上焊接这种方法采用带沟槽的铜垫板，沟槽中铺撒焊剂，焊接时，这部分焊剂起焊剂垫的作用，同时又保护铜垫板免受电弧直接作用。沟槽起焊缝背面成形作用。这种工艺对工件装配质量、垫板上焊剂托力均匀与否均不敏感。板料可用电磁平台固定，也可用龙门压力架固定。铜垫板的尺寸见图16和表6。在龙门架焊剂铜垫板上的焊接参数见表7。

表 6 铜垫板断面尺寸[1] ( 单位：mm)

表 7 在龙门架焊剂铜垫板上单面焊的焊接条件[1]

3) 在永久性垫板或锁底接头上焊接当焊件结构允许焊后保留永久性垫板时，厚

10mm以下的工件可采用永久性垫板单面焊方法。永久性钢垫板的尺寸如表 8 所示。垫板必须紧贴在待焊板缘上，垫板与工件板面间的间隙不得超过～1mm。

表 8 对接用的永久性钢垫板[1](单位：mm)

厚度大于 10mm 的工件，可采用锁底接头焊接方法，如图17所示（详见 GB/T986-1988 ）。此法用于小直径厚壁圆筒形工件的环缝焊接，效果很好。

4)在临时性的衬垫上焊接这种方法采用柔性的热固化焊剂衬垫贴合在接缝背面进行焊接。衬垫材料需要专门制造或由焊接材料制造部门供应。另外还有采用陶瓷材料制造的衬垫进行单面焊的方法。

5) 悬空焊当工件装配质量良好并且没有间隙的情况下，可以采用不加垫板的悬空焊。用这种方法进行单面焊时，工件不能完全熔透。一般的熔深不超过2/3板厚，否则容易烧穿。这种方法只用于不要求完全焊透的接头。

(3) 对接接头双面焊一般工件厚度从 10 ～ 40mm 的对接接头，通常采用双面焊。接头形式根据钢种、接头性能要求的不同，可采用图 18 所示的 I 形、 Y 形、 X 形坡口。

这种方法对焊接工艺参数的波动和工件装配质量都不敏感，其焊接技术关键是保证第一面焊的熔深和熔池的不流溢和不烧穿。焊接第一面的实施方法有悬空法、加焊剂垫法以及利用薄钢带、石棉绳、石棉板等做成临时工艺垫板法进行焊接。

1) 悬空焊装配时不留间隙或只留很小的间隙 ( 一般不超过 lmm) 。第一面焊接达到的熔深一般小于工件厚度的一半。反面焊接的熔深要求达到工件厚度的 60 ％～ 70 ％，以保证工件完全焊透。不开坡口的对接接头悬空焊的焊接参数，如表 9 所示。

表 9 不开口对接接头悬空双面焊的焊接条件

2) 在焊剂垫上焊接如图 19 所示，焊接第一面时采用预留间隙不开坡口的方法最为经济。第一面的焊接参数应保证熔深超过工件厚度的 60 ％～ 70 ％。焊完第一面后翻转工件，进行反面焊接，其参数可以与正面的相同以保证工件完全焊透。预留间隙双面焊的焊接条件依工件的不同而异，表 10a 、 b 分别为两组数据，可供参考。在预留间隙的重形坡口内，焊前均匀塞填干净焊剂，然后在焊剂垫上施焊，可减少产生夹渣的可能，并可改善焊缝成形。第一面焊道焊接后，是否需要清根，视第一道焊缝的质量而定。

图 19 焊剂垫的结构实例

a) 软管气压式 b) 皮膜气压式℃ ) 平带张紧式

1 ——焊件 4 ——充气软管 7 ——气室

2 ——焊剂 5 ——橡皮膜 8 ——平带

3 ——帆布 6 ——压板 9 ——带轮

表 10a 对接接头预留间隙双面焊的焊接条件

①采用交流电， HJ431 ，第一面在焊剂焊剂垫上焊

表 10b 对接接头预留间隙双面焊的焊接条件

①根据上海锅炉厂提供的资料。

如果工件需要开坡口，坡口形式按工件厚度决定。工件坡口形式及焊接条件，见表11

表11 开坡口工件的双面焊的焊接条件

5 反800 3

6 ～ 38 47

30 6 正

70 3 3

1000 36 ～ 40 30 反

900 ～

1000

36 ～ 38 33

3) 在临时衬垫上焊接采用此法焊接第一面时，一般都要求接头处留有一定间隙，以保证焊剂能填满其中。临时衬垫的作用是托住间隙中的焊剂。平板对接接头的临时衬垫常用厚 3～4mm 、宽30～50mm的薄钢带；也可采用石棉绳或石棉板，如图20所示。焊完第一面后，去除临时衬垫及间隙中的焊剂和焊缝底层的渣壳，用同样参数焊接第二面。要求每面熔深均达版厚韵60 ％～ 70 ％。

4) 多层焊当板厚超过 40 ～ 50mm 时，往往需要采用多层焊。多层焊时坡口形状一般采用 V 形和 X 形，而且坡口角度比较窄。图 21 所示的焊道宽度比焊缝深度小的多，此时在焊缝中心容易产生梨形焊道裂纹。另外在多层焊结束时，在焊道端部需加衬板，由于背面初始焊道不能全部铲除造成坡口角度变窄，如图 22 所示，此时形成的梨形焊道更增加裂纹产生倾向，因而需要特别引起注意。

(4) 角焊缝焊接焊接 T 形接头或搭接接头的角焊缝时，采用船形焊和平角焊两种方法。

1) 船形焊将工件角焊缝的两边置于与垂直线各成 45°的位置(见图23)，可为焊缝成形提供最有利的条件。这种焊接法接头的装配间隙不超过1～，否则，必须采取措施，

—以防止液态金属流失。船形焊的焊接参数，见表12。

焊脚长度度 /mm 焊丝直径 /mm 焊接电流 /A 电弧电压 /V 焊接速度 / -1

6 2 450 ～ 470 34 ～ 36 67

8 3 550 ～ 600 34 ～ 36 50

10 4 575 ～ 625 34 ～ 36 50 3 600 ～ 650 34 ～ 36 38

12 4 650 ～ 700 34 ～ 36 38

3 600 ～ 650 3

4 ～ 36 25

4 72

5 ～ 775 3

6 ～ 38 33

5 775 ～ 825 3

6 ～ 38 30

2)平角焊当工件不便于采用船形焊时，可采用平角焊来焊接角焊缝(见图 24)。这种焊接方法对接头装配间隙较不敏感，即使间隙达到2 ～3mm ，也不必采取防止液态金属流失的措施。焊丝与焊缝的相对位置，对平角焊的质量有重大影响；焊丝偏角σ一般在20°～30°之间。每一单道平角焊缝的惭面积不得超过40～50mm2，当焊脚长度超过

8mm × 8mm 时，会产生金属溢流和咬边。平角焊的接条件，参照表 13 平角焊焊接条件。

表13 平角焊焊接条件

3）多丝角度焊接为了提高焊接效率和增加大焊角尺寸，可以采用串列多丝角焊，如图25所示。此时焊丝布置的位置、角度及距离必须设计好，其依据是前后熔池的确定。如果焊丝距离不大，前面熔池的渣会使后面电弧不稳定：距离太小又会使熔渣卷入后面的熔池。一般串列电弧焊接时，前面电极使用电流较大而后面较小，焊缝成形较好。

高效埋弧焊

1) 多丝埋弧焊多丝埋弧焊是一种高生产率的焊接方法。按照所用焊丝数目有双丝埋弧焊、三丝埋弧焊等，在一些特殊应用中焊丝数目多达 14 根。目前工业上应用最多的是双丝埋弧焊和三丝埋弧焊。双丝焊和三丝焊的电源联接方式，如图 26 和4-29所示。焊丝排列一般都采用纵列式，即 2 根或 3 根焊丝沿焊接方向顺序排列。焊接过程中，每根焊丝所用的电流和．电压各不相同，因而他们在焊缝成形过程中所起的作用也不相同。一般由前导的电弧获得足够的熔深，后续电弧调节熔宽或起改善成形的作用口为此，焊丝间的距离要适当。

2) 带状电极埋弧焊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、焊剂和送带机构。一般常用的带宽为 60mm 。焊剂宜采用烧结焊剂，并尽可能减少氧化铁含量。

带极埋弧堆焊通常采用直流反接极性，图28为带宽 60mm 带极堆焊工艺参数。对堆焊焊缝成形的影响，为了尽可能减小稀释率，焊接电流不超过 950A ，电压以 26V 为最佳，焊接速度也不应选太大。

宽带极埋弧堆焊采用轴向外加磁场或横向交变磁场，可以有效的提高宽带堆焊层的熔深均匀性。

3)附加依靠焊丝电阻预热的热丝、冷丝、铁粉的埋弧焊方法。这些方法有较高熔敷率较低的熔深和稀释率。仅适用于难以制成带极或丝极的某些合金埋弧堆焊及焊接也常在窄隙埋弧椎时被使用。

4)单面焊双面一次成形埋弧焊在一定的板厚、坡口及间隙条件下，采用适当的强制成形接衬托可以实现单面焊双面一闪成形对接埋弧焊。这种施焊方法可以免除焊件翻

身，提高产率。但由于受电弧能量密度的限制，只能在小于 25mm 板厚条件下实现单面焊双面成形。

埋弧焊的单面焊双面成形的关键是设计合理的强制成形衬垫装置，并使其紧贴焊缝反面。除前述焊剂垫可用于薄板外，常用方法有以下三种。

a.龙门压力架一焊剂铜垫法。利用横跨焊件并带有若干个气压缸的龙门架，—把焊件压紧在撒有焊剂的铜垫上进行埋弧焊，是较为广泛的一种方法。压力架可为固定式或移动式。铜垫块截面形状尺寸如表15所列。铜垫块及冷却铜块可以是固定的或用气缸升降。焊件通常预留一定装配间隙，以便通过它把细颗粒焊剂撒入铜垫成形槽中进行焊接。装配间隙不均匀、铜垫与焊件未贴紧、成形槽中焊剂充填不均及焊接工艺参数不稳定会造成背面焊缝凹陷、咬肉或出现焊瘤等常见缺陷。此外，还容易在焊缝两端，尤其在尾端出现焊缝中心线热裂纹，严重时可导．致焊缝全长纵向裂开。解决的办法是将终端定位焊位置前移并减少定位焊长度，以及采用图 29 所示的开槽引出板。但对于板厚25mm 以上的这类终端裂纹仍无有效解决办法。表16列出了此法的工艺参数。

b.水冷滑块铜垫法。此法利用焊缝装配间隙把水冷短铜滑块贴紧在焊缝背面，并夹装在焊接小车上跟随电弧一起移动，以强制焊缝成形。滑块长度以保持熔池底部凝固不漏为宜。图30为典型滑块结构设计。所用焊接小车通常需要专门设计，其主要缺点是滑块容易磨损。

c.热固化焊剂衬垫法。热固化焊剂衬垫是由条状热固化焊剂和石棉布、瓦楞纸等制成的，图31 为其典型构造。其各部分功能及组成特点为：双面粘贴带用来使衬垫紧贴焊件；热收缩薄膜使衬垫保持预定形状，防止内部组成物移动数为％的酚醛或苯酚树脂、质量分数35％的铁粉、质量分数为％的硅铁等加热固化而制成，当加热到 80—100 ℃使树脂液化，把焊剂、铁粉等粘结在一起，温度升到100～150℃时树脂固化而成一定板条状，焊接时板条基本不熔化，能有效的防止熔池液体金属流溢，控制焊缝背面成形；石棉布作为耐火材料保护焊剂衬垫；弹性垫用瓦楞纸或较硬石棉板，使衬垫便和受潮；玻璃纤维带使表面柔软，便于与不十分平整的接缝背面贴合：热固化焊剂，用一般焊剂加适量热

固化物质，如质量分于固定。商品化热固化焊剂衬垫做成600mm 左右标准长度，使用时可按图 32 所示用磁性夹具等固定在焊件背面，这样就可以解决难以使用前述焊剂铜垫、水冷滑块的略带曲率的对接焊缝的单面焊双面成形问题。

此外，还有一种主要成分为 SiO2和 A2LO3的中性陶瓷衬垫，其使用性能很好，也是一种有前途的衬垫。

5) 窄间隙埋弧焊厚度在 50mm 以上，焊件若采用普通的 V 形或 U 形坡口埋弧焊，则焊接层数、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，焊接变形也会非常大且难以控制。窄间隙埋弧焊就是为了克服上述弊端而发展起来的，其主要特点为：①窄间隙坡口底层间隙为12～35mm，坡口角度为1°～7°，每层焊缝道数为1～3，常采用工艺垫板打底焊。②为避免电弧在窄坡口内极易诱发的磁偏吹，通常采用交流电弧而不采用直流电弧，晶闸管控制的交流方波电源是一种理想的电源。③为了提高窄坡口埋弧焊的熔敷和焊接速度，采用串列双弧焊是有效途径，如AC-AC或DC-AC 组合的串列双弧。其中AC-AC串列双弧宜采用图26(b)、(c)所示的两种电源供电方式，它们将分别使前后电弧的电流产生相位差，从而使串列电弧彼此作用力减小，以利于焊接过程稳定进行。④为使焊丝送达厚板窄坡口底层，需设计能插入坡口内的专用窄焊嘴，焊丝外伸长度常取为50～75mm，以获得较高熔敷速率。⑤要采用专用焊剂，其颗粒度一般较细，脱渣性应特好，为满足高强韧性焊缝金属性能，大多采用高碱度烧结型焊剂。⑥为保证焊丝和电弧在深而窄坡口内的正确位置，采用自动跟踪控制常常必须的。

例／h锅炉超高压汽包下降管马鞍型焊缝的焊接。

汽包设计参数如下：

设计压力：9=16MPa；

设计温度：T=350 ℃；

水压试验压力：p t=24MPa。

(1) 工件材料与接头形式；

汽包筒身材料：BHW35 厚 93mm ；

下降管材料：BHW35 厚 75mm ；

BHW35 成分及力学性能，见表18。

表18

化学成份 ( 质量分数 )(%) 力学性能 /MPa

C Mn Si Ni Mo Cr S P σ b σ s σ b σ s ≤ ～0.10.5 ～～≤ ≤ ≥ 569 ≥ 392 ≥ 510 ≥ 333

(2)焊接工艺(含热处理及检验)

1)装配定位焊(内侧)

预热温度：T Pr ≥ 100 ℃

焊条-E5015(J507)，φ

定位焊层数：1层