第9章药芯焊丝电弧焊

第9章药芯焊丝电弧焊接方法及设备9.1药芯焊丝电弧焊的特点9.2药芯焊丝电弧焊的原理9.3药芯焊丝电弧焊的设备9.4药芯焊丝电弧焊的焊接参数9.5药芯焊丝电弧焊的焊接质量第9章药芯焊丝电弧焊接方法及设备基本工作原理与普通熔化极气体保护焊一样，是以可熔化的药芯焊丝作为一个电极（通常接正极，即直流反接），母材作为另一极。通常采用纯CO2或CO2-Ar气体作为保护气体。与普通熔化极气体保护焊的主要区别在于焊丝内部装有焊剂混合物。焊接时，在电弧热作用下，熔化状态的焊剂材料、焊丝金属、母材金属和保护气体相互之间发生冶金作用，同时形成一层较薄的液态熔渣包覆熔滴并覆盖熔池，对熔化金属形成了又一层的保护。实质上是一种气渣联合保护的方法。综合了焊条电弧焊和普通熔化极气体保护焊的优点：(1)采用气渣联合保护，焊缝成形美观，电弧稳定性好，飞溅少且颗粒细小。(2)焊丝熔敷速度快，熔敷效率（大约为85%^-90%）和生产率都较高（生产率比手工焊高3^}5倍）。(3)焊接各种钢材的适应性强，通过调整焊剂的成分与比例可提供所要求的焊缝金属化学成分。9.1药芯焊丝电弧焊的特点•缺点：•(1)焊丝制造过程复杂。•(2)送丝较实心焊丝困难，需要采用降低送丝压力的送丝机构等。•(3)焊丝外表容易锈蚀，粉剂易吸潮，因此，需要对焊丝的保存严加管理。9.1药芯焊丝电弧焊的特点9.1药芯焊丝电弧焊的特点药芯焊丝电弧焊的发展历史（1）药芯焊丝的发展现状与趋势表9-12008年全球主要国家和地区焊材使用状况（%）焊条%实芯焊丝%药芯焊丝%埋弧焊丝及其他%中国5128813欧洲1762147北美1858195日本14482711东盟603055韩国20343610表9-2几种焊接方法综合成本比较国家药芯焊丝值（比值）实芯焊丝值（比值）焊条手工焊（比值）中国16mm板3.32元/米（1.00）3.54元/米（1.07）6.7元/米（2.02）美国16mm板4.4美元/（1.00）5.2美元/（1.18）14.1美元（3.20）平焊立向上立向下横焊仰焊水平角焊020406080100熔敷速度g/mm焊接位置药芯焊丝实芯焊丝手工焊条图9-1几种焊接方法不同焊接位置熔敷速率对比今后我国和世界药芯焊丝的生产研发主要集中在以下四个方面:①全位置焊接用的钛型药芯焊丝②高效率、厚板用金属芯焊丝③涂漆钢板用金属芯焊丝④多品种全位置焊接用不锈钢药芯焊丝9.1药芯焊丝电弧焊的特点药芯焊丝的应用（a）芜湖长江大桥（b）30万吨超大原油船图9-2药芯焊丝应用实例药芯焊丝及其制造（1）药芯焊丝(Flux-CoredWire)图9-3几种药芯焊丝的结构图9-4几种常见的药芯焊丝的截面形状•无缝型药芯焊丝•熔渣系的药芯焊丝•金属型的药芯焊丝表9-4不同渣系的药芯焊丝焊接工艺性能比较焊丝类型飞溅量脱渣性全位置性焊缝力学性能氧化钛型少好好好钛钙型较少较好较好好钙型多差差非常好（2）药芯焊丝的质量①内在质量含有适量的硅，锰，钛，铝等合金元素；焊丝中的C含量不能太高；药粉要彻底烘干，接口要结合严密；良好的焊接工艺性能。②焊丝表面质量表面要清洁；规则的层绕成盘；有一定的硬度。（3）药芯焊丝制造技术先在一条钢带的一面上喷镀或涂敷一层焊剂，干燥后把钢带卷成圆管，粘有焊剂层的一面位于管内；一种带芯丝的药芯焊丝制造方法，芯丝上压涂一层膏状药皮，就成了焊丝中的药芯。图9-6药芯焊丝制造工艺药芯焊丝有缝型盘元成型法钢带成型法连扎法分体传动式集体传动式扎拔法分体传动式集体传动式被动式无缝型钢管拔制法在线焊合法图9-7药芯焊丝制造技术①连轧法是指药芯焊丝从钢带到成品焊丝的全部加工过程都在一套连轧机器上连续完成。②轧拔法采用轧制和拉拔相结合的方法制造药芯焊丝。③盘元法④药芯焊丝制造技术的发展趋势冷轧带钢轧–拔法图9-8扎丝机示意图9.1.3药芯焊丝的种类及分类方法药芯焊丝的分类药芯焊丝制造方法保护气体用途药粉填充有缝药芯焊丝无缝药芯焊丝气保护药芯焊丝自保护药芯焊丝CO2Ar+CO2金属粉型熔渣型钛型钙型钛钙型高强钢用药芯焊丝耐热钢用药芯焊丝低温钢用药芯焊丝耐腐蚀钢用药芯焊丝不锈钢用药芯焊丝低碳钢、490MPa级钢用药芯焊丝硬面堆焊用药芯焊丝(2)药芯焊丝的标准①EXXXT–1和EXXT–1M类焊丝②T–2和T–2M类焊丝③T–3类焊丝自保护型喷射过渡④T–4类焊丝自保护类型，颗粒状过渡⑤T–5和T–5M型焊丝粗滴过渡表示焊丝熔敷金属抗拉强度为50kg/mm2适合于全位置焊接熔敷金属成分分类代号E501T-1ML9.2药芯焊丝电弧焊的原理9.2.1药芯焊丝电弧焊的基本原理(1)药芯焊丝电弧焊基础熔化速度(2)药芯焊丝电弧焊的基本原理201()4.2()jaLjHb图9-10药芯焊丝气体保护焊原理图(3)药芯焊丝电弧焊的保护机制①造气保护加有造气剂如碳酸钙②金属蒸气保护加有镁和铝–镁合金③造渣保护一般药芯中都加有造渣剂④合金元素保护加有对氧和氮亲和力较强的脱氧、脱氮元素，如铝、钛、锆、硅和锰等元素9.2.2药芯焊丝电弧焊的熔滴过渡（1）气保护药芯焊丝熔滴过渡图9-11高速摄影下的药芯焊丝熔滴过渡①大滴排斥过渡当焊接电流较小和电弧电压较高（160A，30V）时；②细颗粒过渡CO2气体保护下，随焊接电流的增加，斑点面积也增加，熔滴所受的等离子流力和电磁力增加，熔滴过渡频率也增加。③射滴过渡使用Ar作保护气体，弧根面积扩大并包围熔滴，使斑点压力和电磁收缩力都有利于熔滴过渡，熔滴容易下落，并被电磁收缩力，等离子流力，重力等加速，形成射滴过渡。（2）自保护药芯焊丝熔滴过渡附渣过渡（包括短路附渣过渡和非短路附渣过渡）、颗粒过渡、爆炸过渡和射滴过渡。9.2.3药芯焊丝的电弧稳定性及飞溅（1）飞溅产生的原因①电弧力引起的飞溅②气泡放出时引起的飞溅③气体爆炸引起的飞溅（2）降低飞溅的方法①限定药芯中一些成分的含量，如C、S等；②限定钢带和药芯的填充量，提高药芯填充均匀性；加入适当品种和适当数量的稳弧剂，如K、Na、Li等。9.2.4药芯焊丝的焊接烟尘表9-5几种焊接材料的平均发尘速率及飞溅量对比（1）发尘机理一般认为焊接烟尘是焊接区蒸发出来的金属及其冶金反应物蒸汽远离焊接区后凝结而成，以气溶胶的形式存在。焊条CO2实芯焊丝药芯焊丝发尘速度mg/min200～450400～600500～850飞溅g/min2～32.5～3.50.7～1.2（2）影响药芯焊丝发尘量的因素①焊接材料的因素药芯成分中含有的铁粉和锰越多，产生的焊接烟尘越多；焊丝的发尘量与焊丝中的C含量密切相关②工艺因素影响气体保护焊时焊丝发尘率的因素有：熔滴过渡形态、电弧形态、保护气体组分及焊接飞溅等。（3）焊接烟尘的测定和降低焊接烟尘的方法将烟尘利用特定的装置收集起来，对焊接烟尘按照粒度分为13级进行收集。图9-12焊接烟尘收集装置降低焊接烟尘的方法：①控制药芯中易蒸发物质及造气物质的含量；②在金红石型药芯焊丝中把锰以化合物的形式加入到药粉中，并且在药芯中加入铝粉，有利于促进锰的过渡，抑制其氧化损失，有利于降低发尘量；③降低药芯焊丝中铁粉的加入量。9.3药芯焊丝电弧焊的设备9.3.1焊接设备的组成图9-13气保护药芯焊丝焊接设备9.3.2焊接电源有旋转式和整流式两种。生产中应用比较多的是整流式电源，其中包括抽头式硅整流电源，自饱和电抗器式电源，晶闸管式电源，晶体管式电源，逆变式电源等。9.3.3供气系统包括气源（钢瓶或者供气管道或者供气槽车）、预热器、减压阀、干燥器、流量计和电磁气阀。1二氧化碳气瓶，2预热器，3干燥器，4减压器，5流量计，6气阀图9-14气体保护焊的供气系统9.3.4送丝系统（1）送丝机（2）送丝轮（3）送丝电动机（4）送丝盘9.3.5焊枪（1）焊枪的种类及结构按其应用方式分为半自动焊枪和自动焊枪；按照送丝方式分为推丝与拉丝两种；按照冷却方式可分为空冷式和水冷式。实芯焊丝的送丝轮药芯焊丝的U型沟槽送丝轮图9-15实芯焊丝与药芯焊丝的送丝轮图9-16焊枪的构造喷嘴导电嘴气体分流器绝缘座导并管（枪颈）开关手柄喷嘴导电嘴气体分流器绝缘座导并管（枪颈）开关手柄喷嘴导电嘴气体分流器绝缘座导并管（枪颈）开关手柄（2）送丝软管将焊丝从送丝机导向焊枪，有两种类型：一种是送丝，送气和导电三者分开的分离式软管；另一种为三者合为一体的一线式软管。（3）喷嘴和导电嘴喷嘴的作用是向焊接区域输送保护气体，导电嘴是直接向焊丝传导电流的。9.4药芯焊丝电弧焊的焊接参数9.4.1药芯焊丝电弧焊的主要焊接参数主要有焊丝直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、气体流量、电流极性、干伸长度、焊枪角度等。9.4.2焊接工艺参数对焊接质量的影响（1）焊丝直径药芯焊丝CO2气体保护焊：Φ0.8mm～Φ2.4mm间，Φ1.6mm以下多用于半自动焊，超过Φ1.6mm多用于自动化焊接。自保护药芯焊丝的直径范围主要分布在1.6mm～3.0mm间，用的较多的是2.0mm、2.4mm，但细直径的焊丝多用于薄板全位置焊接，且用量较少。（2）焊接电流必须能满足焊接过程药芯成分进行冶金反应所需要的温度。当焊接电流过大，造成焊接区过热、药芯合金成分的烧损，产生较大的烟尘。图9-17焊接电流与送丝速度的关系（3）电弧电压图9-18合适的电弧电压与焊接电流范围（4）焊接速度在焊速较高时会出现较大的飞溅，产生的烟尘也增多，焊速过快易导致熔渣包敷不均匀，出现咬边，使焊缝的形状变坏；焊速较低，熔深增加，焊道变宽，易导致熔化的合金成分与母材熔合不良等缺陷，甚至出现液态金属导前，造成焊瘤。（5）保护气体流量流量过小，保护效果变差，焊缝易出现凹坑和气孔。流量过大会产生紊流，从而破坏气保护。气体流量的设定，取决于保护气体的种类、气嘴直径和焊接电流等因素。表9-8气体流量与气孔的关系喷嘴高度/mm气体流量/L/min外观气孔焊缝内部气孔2025无无20无无15无无10微量少量5少量多量（6）电流极性CO2气体保护焊主要是采用直流反极性，电弧稳定，焊接过程平稳，飞溅小。采用直流正极性，在相同的电流下，焊丝熔化速度大大提高，熔深较浅，余高较大，飞溅很大。堆焊铸铁补焊和大电流高速CO2，大部分自保护药芯焊丝焊接焊等则采用直流正极性接法。（7）干伸长度在焊接电流相同时，增加焊丝的干伸长引起熔化速度的增大。在送丝速度不变时，增加干伸长会导致焊接电流减小，易造成未焊透和熔合不良，同时伸长过大电弧不稳，飞溅增大，甚至产生气孔；在送丝速度不变时若减小干伸长度则会导致焊接电流增大，熔深变大，同时飞溅易粘在喷嘴上使送丝受阻，气流不畅。图9-21干伸长度示意图干伸长度表9-9焊丝干伸长度对各性能的影响性能影响熔化速度在电流相同的情况下，干伸长度越长，熔化速度越快电弧稳定性若干伸长度过长，电弧不稳，飞溅增多熔深干伸长度加长，熔深变浅气孔干伸长度过长，喷嘴高度加高，气保护变坏，很容易产生气孔其他长度过短，喷嘴遮挡，看不清坡口及熔熔状态，另外喷嘴内附着的飞溅物影响气体保护，容易损耗导电嘴和喷嘴（8）焊枪角度：指喷嘴与垂直焊接方向的夹角。表9-10焊枪角度及焊道断面形状焊接方法右焊法左焊法焊枪角度焊道断面形状表9-11药芯焊丝电弧焊右焊法与左焊法的特征条件右焊法（推荐采用）左焊法熔池的可见性熔池清晰可见不易看清熔池余高余高大，焊缝宽度窄余高小，焊缝呈扁平形状里层焊道稳定性得到稳定的里层焊道得到稳定的里层焊道飞溅飞溅产生少向前飞出较大的飞溅熔合熔敷金属不向前行，熔合深熔敷金属易向前行，熔合浅保护效果保护效果好保护效果欠佳，易产生气孔9.4.3药芯焊丝电弧焊的操作对于平焊，如表9-10所示，推荐采取右焊法。当焊接水平角焊缝时，可按图9-22所示焊接。图9-22水平角焊缝时焊枪的指向位置向上立焊时，焊枪大致上应垂直于焊接工件（如图9-23所示），通常进行摆动焊接。图9-23向上立焊时焊枪的角度仰焊时，焊枪应对准坡口中心，如图9-24所示，类似于右焊法。图9-24平面仰焊时焊枪的角度与位置当有垫板时，仍为短路过渡。操作时，焊枪应对准坡口中心，保持如图9-25所示的角度，以右焊