作者：韩国明
出版社：机械工业出版社
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现代高效焊接技术试读：
前言
随着焊接技术的不断创新，新的焊接技术向着高效、节能、绿色、智能化方向快速发展。高效化带来的最终结果就会节能，智能化的焊接技术也必然是高效的，绿色环保焊接是焊接工作者不断追求的目标。焊接技术要高效率一般应从以下三方面着手：一是提高焊接速度；二是提高焊接熔敷率；三是减少焊接辅助工序和时间。单独追求一个方面是很难达到高效的目的的，必须从以上三个方面共同努力。在焊接工作者的不断努力下，特别是近十几年来，相继开发出了许多新型高效的焊接技术。但“材料成型及控制工程”专业的本科教学中仍以传统的焊接方法为主，对现代高效焊接技术没有系统的介绍。为了使学生毕业后在企业能尽快掌握和应用这些技术，适应企业的需求，开展卓越工程师教育，提高毕业生的工作适应性，满足企业对人才的渴望，为此编写了《现代高效焊接技术》一书。
本书共分8章，主要介绍了近年来开发和广泛应用的现代高效焊接技术的基本原理、工艺特点、相关设备以及应用等内容，包括：高效埋弧焊（多丝、金属粉末、冷热填丝等）；钨极氩弧焊新技术（A-TIG焊、热丝TIG焊、高频感应热丝TIG焊、TIPTIG焊、超声TIG、K-TIG、TIG-MIG焊等）；高效高熔敷率和低热输入熔化极气体保护焊（T.I.M.E焊、LIN FAST焊、RAPIDARC焊、磁控大电流MAG焊、双-丝MAG焊、TANDEM、CMT焊、变极性CMT工艺、CMTTwin、ColdArc、ColdProcess、AC-CBTTCS、LowEnergeInput）；窄间隙焊（NG-SAW、NG-GTAW或NG-TIG、NG-GMAW或NG-MIG/MAG、超窄间隙熔化极气体保护焊）；等离子弧焊新工艺（变极性等离子弧焊、活性等离子弧焊、等离子-TIG焊、等离子-MIG焊、变极性等离子-MIG复合焊、窄间隙等离子-MIG复合焊、精细等离子弧焊）；激光焊与激光切割；复合热源焊（激光-TIG/MIG/PAW、激光-高频感应热源、激光-电阻热源、激光-搅拌摩擦焊等）；搅拌摩擦焊（对接、搭接、T形接头、点焊）。
本书由天津大学韩国明教授编著。
在本书编写过程中，得到了许多同仁的帮助和支持，在此表示衷心的感谢，本书参阅了有关教材和相关的文献资料，在此向本书中所引用文章的作者深表谢忱。
由于编著者水平有限，加之现代焊接技术的研究日新月异，可能有一些新型高效焊接技术未能编入书中，并且在编写中差错和不足在所难免，敬请各界读者予以批评指正。编著者第1章 高效埋弧焊
进入21世纪，科学技术突飞猛进地发展，高效化焊接已提上日程，埋弧焊高效化是国内外焊接加工技术研究和应用的重要趋势。自动埋弧焊技术取得了长足的进步，埋弧焊工艺（SAW）已成为高效焊接工艺之一。
焊接结构生产中日益增强的提高生产率的要求，决定了需要采用新的高效焊接工艺。众所周知，能提高埋弧焊焊接效率的方法有改变电极数量，如多丝埋弧焊，埋弧焊从单丝发展到双丝、三丝、四丝甚至五丝或更多；或改变电极形状，如带极埋弧焊；还有添加辅助填充金属的，如坡口内添加合金粉末的埋弧焊；也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。
埋弧焊设备在精确自动化微机控制和数字化智能控制技术方面也已获得了快速发展；埋弧焊丝年生产能力超过30万t。实现了从单一生产向多门类、多品种、高品质转变。国内生产熔炼焊剂品种达30多种，年产能达35万t以上；烧结焊剂品种有40余种，年产能25万t以上。
埋弧焊具有生产效率高、焊接质量高、劳动条件好等优点，在造船、压力容器、桥梁、铁路车辆、管道、海洋结构等领域有着广泛的应用，适用于低碳钢、低合金钢、不锈钢、铜及铜合金的焊接。1.1 多丝埋弧焊1.1.1 多丝埋弧焊的特点及应用
1.多丝埋弧焊的特点
单丝埋弧焊时，提高焊接电流虽可提高焊接速度，但焊缝成形不良，易出现焊缝两侧凹陷咬边、中心有尖峰的驼峰形焊缝，使焊接速度提高受到限制。另一方面，对于厚大焊件，提高焊接电流虽可使熔深增大，但易生成气孔、裂纹等缺陷，使单丝埋弧焊的焊接电流提高也受到限制。因此在工业上采用的多丝埋弧焊，是一种既能保证合理的焊缝成形和良好的焊接质量又可提高焊接速度的有效方法。
多丝埋弧焊是采用两根或两根以上焊丝同时焊接，完成同一条焊缝的埋弧焊方法。多丝埋弧焊的焊接原理及焊接过程与单丝埋弧焊基本相同。因为采用了多丝，与单丝埋弧焊相比具有以下特点：（1）焊接速度大，生产效率高 实现了大厚度焊件的一次性焊接，焊缝熔深大，易于焊透。显著提高了厚板的焊接效率。例如直缝管五丝埋弧焊，单程可完成40mm厚板材的焊接，焊接速度达2.5m/min，极大地提高了焊接效率。多丝埋弧焊工艺工序简单、速度快、效率高、周期短、质量可靠、经济效益好。（2）熔池存在时间长、冶金反应充分 有充分的时间使气体逸出和熔渣浮出，减少焊缝气孔和夹杂等缺陷的产生。（3）焊接热输入调节范围广 多丝焊时，可以实现多种参数匹配，调节热输入。有利于改善热影响区的晶粒长大情况，例如四丝埋弧焊焊接速度高达30～50mm/s，而温度场前沿到温度场中心只有几毫米，所以焊缝金属加热速度极快，这限制了奥氏体晶粒长大倾向且降低了奥氏体的稳定性，降低了焊缝热影响区的晶粒粗大倾向。多丝埋弧焊减少了母材的热循环次数，延长了母材的热循环时间，降低了焊缝热裂纹和气孔的敏感性。（4）焊缝深而窄，热影响区窄 多丝焊时，焊丝呈纵向排列，且焊接速度很高，焊缝温度场呈狭长状，即焊缝横向较窄，而焊缝深度方向因熔池底部可能受到多电弧加热，以及散热条件影响，温度易升高。所以多丝埋弧焊的焊缝断面呈深窄形，且热影响区窄；例如单丝（焊接电流为600A）双面焊8mm厚钢板，保证焊透时，焊缝断面热影响区宽度为3～5mm；而四丝焊厚度为16mm的钢板，焊透时，焊缝断面热影响区宽度为1～2mm。（5）多丝埋弧焊调节参数较多，焊缝断面形状调节余地较大 各丝可分别使用独立的电源，各个电源的焊接电流、电弧电压均可单独调节，加上焊接速度等参数，可调节参数多，每个参数对焊缝熔池的深度、宽度和焊缝的余高以及焊根的形状、形貌都有一定的影响；而且焊缝成形还会因各电弧的相对位置、焊丝倾角的不同而改变。（6）可实现多种焊接选择 每个电源配置一个控制箱，能实现双丝、三丝、四丝等多丝联动，也能实现单丝焊。
多丝埋弧焊以其高速、高效、性能稳定、质量可靠、适用范围广等显著特点，特别适合于中、厚板的对接和高速焊管等。
2.存在问题
1）为了防止电弧之间的相互干扰，在焊接电源的网络接入上，采用固定的焊接电源排列顺序，使相互的输入关系固定，以获得电源输出的相序差别。但这种方式确定的相序关系不能调整，因而对工艺的拓展宽度有限制。
2）在多丝埋弧焊时，多根焊丝通常是分别起弧，焊丝数量排列越多，尾弧的破渣效果要求就越高，处理不当则会出现起泡现象。
3）大多数多丝埋弧焊焊接系统不能实现集中控制。每个电源都采用单独控制器去控制，加上机械系统的PLC控制器，使焊接系统出现很多控制器，增加了操作上的复杂性和不确定性。
4）没有集成自动跟踪系统或集成度差，焊接过程仅靠机头前的固定指针或红外光点来对中焊缝，或用肉眼观察以及多次来回模拟调整，增加了调整工作量，从而导致效率降低。
5）匹配的焊剂不能很好地满足使用性能的要求，并存在焊接速度低的问题。高级管线钢焊接用焊剂应该从改善熔渣系统和焊缝金属组织等方面着手，以满足高强度、高韧度、高速度的要求。
3.多丝埋弧焊分类及应用
多丝埋弧焊按焊丝与电源的连接，可分为单电源多丝埋弧焊，即各丝共用同一台电源，设备简单，但焊丝焊接参数不可独立调节；各丝也可分别使用独立的电源而相互独立，即多电源多丝埋弧焊，虽然设备复杂，但每个焊丝均可独立调节焊接参数。
多丝埋弧焊按丝的数量可分为双丝埋弧焊、三丝、四丝、五丝及以上的多丝埋弧焊；双丝埋弧焊按焊丝的排列可分为纵列双丝埋弧焊、横列双丝串联埋弧焊、横列双丝并联埋弧焊等。三丝或三丝以上的多丝埋弧焊多为纵列多丝埋弧焊。
三丝或三丝以上的多丝埋弧焊可以进一步提高单程焊接速度。为增加熔深，前导的焊丝与后随焊丝常采用近间距以形成一个熔池，其余后随电弧可采用较大间距以获得较大熔池。
多丝埋弧焊是同时使用2根或2根以上焊丝完成一条焊缝的焊接方法，是一种既能保证合理的焊缝成形和良好的焊接质量，又可提高焊接速度的高效焊接方法之一。主要用于造船、管道、压力容器、H形钢梁等结构的生产中。焊丝可采用细丝也可用粗丝，既可焊接薄板，例如液化石油气储罐薄壁（壁厚为3mm）容器，又可焊接厚大焊件，还可实现单面焊双面一次成形。最多的焊丝可达8～12根，使焊接速度达到120m/h以上。在一些厚板焊接结构生产中，应用3～6台送丝电动机，可以同时进行3～10根焊丝埋弧焊。我国管线钢多丝埋弧焊工艺是20世纪90年代随着大规模油气管线建设的需要而发展起来的一种新型高效焊接方法。多丝埋弧焊是船舶行业主要采用的高效焊接技术之一，埋弧焊的焊接质量和焊缝外观较好，主要应用于拼板平直焊缝的焊接，在平面分段装焊流水线上采用了先进的三丝、四丝等不同型号的埋弧焊机和专用工装。
多丝埋弧焊还可以与其他方法联合进行焊接，如前所述，添加金属粉末的多丝埋弧焊，以及在接缝背面装夹衬垫实现多丝埋弧焊单面焊双面成形，更加发挥出多丝埋弧焊的优势。1.1.2 多丝埋弧焊用焊丝和焊剂
1.焊丝
埋弧焊常用的焊丝分为钢焊丝和不锈钢焊丝两大类，在造船、压力容器、H形钢梁等结构的生产中，多丝埋弧焊使用的焊丝，按国家标准GB/T14957—1994《熔化焊用钢丝》及YB/T5092—2016《焊接用不锈钢丝》规定选用。
在直缝焊管多丝埋弧焊中，由于焊接速度快、过冷度大，因此完全脱离了平衡状态。当焊接材料的化学成分与母材相同时，焊缝金属将表现出高强度、低韧性和低塑性的力学性能。而对于要求较高的输送油气的直缝焊管，为确保管道的安全运行，都要求焊缝具有优良的冲击性能和塑性。为了避免因焊缝金属强度过高，导致焊缝韧性、塑性及接头抗裂性降低，焊接高强度低碳低合金直缝焊管时，必须控制焊缝中碳的质量分数和合金元素的质量分数。所以，选择焊接材料时要综合考虑焊缝金属的韧性、塑性及接头的抗裂性。同时，在焊接大口径直缝钢管这类刚度大的中厚板结构时，为避免因接头拘束度大而产生裂纹，在设计允许范围内还应选用强度稍低于母材的焊接材料，即选用低匹配的接头形式，这样不但焊缝的实际强度不会因焊接材料强度的降低而下降很多，而且可以大幅度提高焊缝韧性，降低接头裂纹倾向，大大地改善接头焊缝的综合力学性能。因此，直缝焊管埋弧焊丝一般多选用H08C，H08C埋弧焊丝的化学成分见表1-1。表1-1 H08C埋弧焊丝的化学成分
2.焊剂
在直缝焊管多丝埋弧焊中，由于焊丝数目多、热输入大、焊接速度快等因素，一方面使焊缝含氧量增多，引起焊缝韧性下降；另一方面由于多丝焊的熔池尺寸大，高温停留时间长，熔化金属在重力作用下容易流动，使焊缝扁平。因而，从提高焊缝韧性和保证焊缝良好形貌的角度考虑，多丝埋弧焊应选择熔点较高、具有一定黏度的碱性或高碱性焊剂。同时，多丝埋弧焊电弧燃烧的空间较大，熔化的焊剂量也较多。焊剂颗粒增大将进一步增大电弧燃烧空间，这将使消耗量进一步增加，同时也使焊缝熔宽增大，使熔深和余高减小。另外，由于熔化的焊剂量较大，需要堆积的焊剂也较高，若堆积高度较低，电弧外露，焊缝易产生气孔，严重时导电嘴容易黏渣和烧结。
综上所述，在直缝焊管多丝埋弧焊中应选用颗粒细、熔点高、黏度适中、稳弧性好的高碱性焊剂。
3.焊丝与焊剂匹配
对于焊缝金属冲击韧度要求不高的焊剂，通常采用碱度较小的高硅型渣系，可以获得良好的焊接工艺性能，具有适用于交流焊接、电弧稳定、脱渣容易、焊缝成形美观、对铁锈敏感性小等特点。当对焊缝金属冲击韧度要求较高时，一般选择碱度较高的氟碱型渣系，有利于提高焊缝金属的冲击韧度，但其工艺性能不如高硅型渣系。
管线钢多丝埋弧焊时既要求焊剂具有良好的焊接工艺性能，又要求焊缝金属具有较高的低温冲击韧度，因此必须协调解决这两者之间的矛盾。材料的韧性作为管线钢一个重要的力学性能指标，其大小直接反映了管线钢抗裂纹破坏的能力。在板材一定的条件下，管线钢焊接接头的韧性受焊接工艺影响很大，特别是焊丝-焊剂匹配，影响了焊接接头的组织形态，也影响了焊接接头的韧性。
例如X80管线钢，属于控轧控冷的低碳微合金钢，具有高强度和良好的抗延性断裂能力，是国际上输气管道的主导钢材。X80钢多丝埋弧焊在较高焊接速度下，可采用宝鸡H08C焊丝与现代S-900SP焊剂匹配，在较低焊接速度下，采用林肯LNS140TB焊丝与林肯998N焊剂、宝鸡H06H1与宝鸡SJ101H1焊剂相匹配，其焊缝热影响区及焊缝区可获得良好的冲击韧度。1.1.3 交流焊机斯考特连接
多丝埋弧焊可以用一个电源或多个独立电源，前者设备简单，但每个电弧功率的单独调节较困难；后者设备复杂，但每个电弧功率可以独立地调节，并且可以采用不同电流种类和极性，以获得更理想的焊缝成形。为了获得理想的焊缝，多丝埋弧焊一般采用多个独立的电源。同样的焊缝采用不同的电源接法时，焊缝断面形貌差别较大，这主要是因为电源的接法不同，电弧间干扰程度不同。一般情况下，焊丝为直流电源时的焊缝熔深比交流电源时的大。在多丝埋弧焊中，一般是前一电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，因而在直缝焊管多丝埋弧焊中，均采用直流-交流混合电源配置法，即前置焊丝为直流电源，直流电源反接，后面的焊丝均为交流焊丝。在多丝埋弧焊中，交流焊丝数目越多，其电弧间的磁干扰消除也越困难。但通过改变交流电源的连接，使电流相位差一定角度，可有效地消除交流电弧间的磁影响，使电弧稳定燃烧。
实际使用中交流焊机之间常采用斯考特连接。
图1-1为两台交流焊机斯考特连接法接线图。T、T分别是两台12交流焊机的主变压器，1、7、8、9、10、4是主变压器的抽头。为了实现两丝焊接电流的正交和90°相位角，主变压器一次绕组的抽头8连接另一主变压器一次绕组的抽头10。这种接线方式为T形耦合接线，称为斯考特连接。通过这样的连接，这两台交流焊机的主变压器就变成了一台三相变二相的斯考特变压器。一次侧三相绕组的匝数关系为
式中 W——二次侧绕组匝数。
如斯考特变压器二次侧负荷相同，则它的二次侧负载电流值相等，正交、相位相差90°，一次侧电流有效值为I=I=I，彼此相位相ABC差120°，三相电流平衡。
交流焊机斯考特连接解决了单台交流焊机作为单相负荷所带来的三相负荷不平衡的问题，并且为焊接电流提供90°正交相位角，可减小焊接过程中焊接电弧之间互相干扰，有效提高焊接质量。图1-1 交流焊机斯考特连接1.1.4 多丝埋弧焊焊接参数
多丝埋弧焊时采用多个独立电源，像单丝埋弧焊一样，每根焊丝的焊接参数即焊接电流和电弧电压可以独立地调节，但是多丝埋弧焊各个焊丝在焊缝成形中各自的作用不同，每根焊丝的焊接参数即焊接电流和电弧电压也不同。通常第一根焊丝的焊接电流在所有焊丝中最大，它的变化对焊缝熔深影响也最大，中间焊丝作为焊缝填充对焊缝的熔深影响相对小一些，最后一根焊丝对此几乎没有影响。因而在制定多丝埋弧焊焊接工艺时，在保证熔深以及选择合适的焊接热输入条件下，焊接电流依次减小，应该是第一根焊丝的焊接电流最大，中间次之，最后一根最小。由于电弧电压大小基本与焊缝宽度成正比，即电弧电压大小决定熔池宽度，电弧电压越大，熔池宽度越大。如果后丝电弧电压小于前丝电弧电压，则后丝熔池宽度小于前丝熔池宽度，造成熔池截面呈“葫芦”形。因而在编制多丝埋弧焊焊接工艺时，电弧电压依次增大。应该是第一根焊丝的电弧电压最小，中间次之，最后一根最大。
除此之外，多丝埋弧焊的焊丝排列、焊丝间距、焊丝倾角、焊丝伸出长度也是影响焊接质量的重要焊接参数。
焊丝的排列有纵列式、横列式两种。从焊缝成形效果看，纵向排列的焊缝深而窄；横向排列的焊缝宽度大。一般选用纵列式即焊丝成纵向直线排列，焊丝中心在焊缝中心线上，否则会因焊丝排列不在一条线上形成摆动电弧，造成正反面焊缝中心错位缺陷。
在多丝埋弧焊中，根据焊丝间的距离不同可分成单熔池和多熔池（分列电弧）两种。单熔池中每个焊丝间距离为10～30mm，几个电弧形成一个共同的熔池和气泡，前导电弧保证熔深，后续电弧调节熔宽，使焊缝具有适当的熔池形状及焊缝成形系数，为此可大大提高焊接速度。同时，这种方法还因熔池体积大、存在时间长、冶金反应充分，因而对气孔敏感性小。分列电弧之间距离大于100mm，每个电弧具有各自的熔化空间，后续电弧作用在前导电弧已熔化而凝固的焊道上，多适用于水平位置平板对接的单面焊双面成形工艺。在直缝焊管多丝埋弧焊中一般采用单熔池。
同时，在保证熔深以及选择合适的焊接热输入条件下，焊丝间距应设置相等或依次增大。在埋弧焊中，焊丝向后倾斜时的熔深大，而向前倾斜比向后倾斜时的焊缝宽。因而在调整焊丝倾角时，第一根焊丝后倾，后面的焊丝设置为依次过渡到前倾，并依次增大前倾角。但需要特别指出的是，第一根焊丝的后倾角和最后一根焊丝的前倾角都不宜过大。因为第一根焊丝后倾角过大对焊缝熔深有一定的影响；最后一根焊丝的前倾角过大，导电嘴底部易与液态熔渣形成“电弧”，影响焊接过程的稳定性。
焊丝的伸出长度主要影响焊缝的余高和熔合比。焊丝的伸出长度增加，焊缝余高增大，熔深减小；若焊丝的伸出长度过短，导电嘴容易黏渣，进而导电嘴与导电嘴之间易产生“电弧”而影响正常电弧的稳定燃烧。对于多丝埋弧焊，一般情况下，取焊丝伸出长度为35～40mm。
在直缝焊管多丝埋弧焊中，焊接速度对焊缝熔深和熔宽影响较大，余高影响相对来说小些。焊接速度越快，则熔深和熔宽越小，反之越大。一般在保证焊接质量的前提下适当提高焊接速度，以提高直缝焊管的生产效率。1.1.5 双丝埋弧焊工艺
双丝埋弧焊焊丝的排列和与电源的连接通常采用以下三种形式（见图1-2）：
1）各焊丝沿接缝前后排列的纵列式，各焊丝分别使用独立电源，各自独立形成电弧进行焊接。纵列式多丝埋弧焊的焊缝熔深大，而熔宽较窄；各个电弧都可独立地调节焊接参数，而且可以使用不同的电流种类和极性（见图1-2a）。根据两焊丝间距的不同，其方法有共熔池和双熔池两种，二者的区别在于两焊丝间距大小，是否具有共同的电弧空间。
2）横列双丝串联式，即各焊丝分别接于同一焊接电源两极，横跨接缝两侧，利用焊丝间的间接电弧进行焊接，母材熔化量小，使得焊缝熔合比小（见图1-2b）。
3）横列双丝并联式（见图1-2c），即焊丝并联于同一电源，横跨接缝两侧并列前进，使得焊缝的熔宽增大。由于横列双丝串联和并联式的焊丝都是合用一个电源，虽然设备简单，但每个电弧功率很难单独调节。图1-2 双丝埋弧焊焊丝的排列和与电源的连接形式a）纵列式 b）横列双丝串联式 c）横列双丝并联式
双丝埋弧焊具有以下优点：可提高焊接速度30%～40%，生产率提高；减少局部夹杂和焊缝气孔缺陷；提高焊缝中心区的冲击韧度；可适应较大厚度焊件的焊接。
1.多电源纵列双丝双熔池埋弧焊工艺
多电源串列双丝埋弧焊中每一根焊丝由一个电源独立供电，根据两根焊丝间距的不同，其方法有共熔池法和分离电弧法两种，如图1-3所示。前者特别适合焊丝渗合金堆焊或焊接合金钢；后者能起到前弧预热，后弧填丝及后热作用，以达到堆焊或焊接合金钢时不产生裂纹和改善接头性能的目的。在双丝埋弧焊中多用后一种方法。双丝埋弧焊时每根焊丝接入电流的种类都有几种选择的可能：或一根是直流，一根是交流；或两根都是直流；或两根都是交流。若两根焊丝都是直流，采用直流反极性，即两根焊丝都接正极，就能得到最大的熔深，并可获得最大的焊接速度。然而，由于电弧间的电磁干扰和电弧偏吹的缘故，这种配置存在某些缺点。若两根焊丝都为交流，由于电弧之间的相位差会引起电弧偏转，为控制电弧之间的相位差，交流电源常采用斯考特连接。最常采用的配置是前导焊丝接直流（反极性）和后丝为交流，可避免电弧间的电磁干扰和电弧偏吹，直流/交流配置可利用前导丝的直流电弧获得较大的熔深，并实现较高的焊接速度，而后丝的交流电弧将改善焊缝的成形。
现以纵列双丝双熔池埋弧焊为例（见图1-3b），焊接时两电弧之间的距离为50～80mm，分别具有各自的熔化空间。后续电弧不是作用在基本金属上，而是作用在前导电弧熔化后又凝固的焊道上，为此后续电弧必须冲开已被前导电弧熔化而尚未凝固的熔渣层。采用分列电弧是提高焊接速度及熔深的有效方法。前导电弧一般采用直流（也可交流）以保证熔深，后续电弧通常采用交流，调节熔宽使焊缝具有适当的成形系数，所以前丝的焊接电流大，后丝焊接电流小一些，而电弧电压恰好相反。虽然焊缝熔深大，但是焊接速度可以显著提高，焊缝不易产生热裂纹。纵列双丝双熔池埋弧焊单面焊双面成形焊接参数见表1-2，纵列双丝双熔池埋弧焊焊接厚板的焊接参数见表1-3。图1-3 纵向排列双丝双熔池埋弧焊a）单熔池 b）双熔池（分列电弧）
2.多电源纵列双丝共熔池埋弧焊工艺
单丝埋弧焊在保证熔深不变的条件下，提高焊接电流可以提高焊接速度，但同时电弧对熔池中熔化金属的后排斥作用加剧，焊缝成形恶化，使单丝埋弧焊的焊接速度提高受到制约。采用沿焊接方向前后纵列的双丝或多丝埋弧焊，就可以使每根焊丝承担一个较单纯、特定的工艺要求，并根据各自特定的工艺要求，选择合理的焊接参数，克服上述障碍，达到高效率、高质量的目的。纵列双丝共熔池埋弧焊一般是两根独立的焊丝（也可称电弧），焊接电流分别通过两根焊丝形成一个共熔池，较长的熔池长度使冶金反应更为充分。前丝采用大电流、低电压，后丝采用小电流、高电压，以期达到提高焊接速度和改善焊缝成形的目的（见图1-4）。表1-2 纵列双丝双熔池埋弧焊单面焊双面成形焊接参数注：L—前丝，T—后丝。表1-3 纵列双丝双熔池埋弧焊焊接厚板的焊接参数注：L—前丝，T—后丝。
双丝埋弧焊时，其主要焊接参数包括电流种类及极性、焊接电流、电弧电压、焊接速度以及焊丝直径、焊丝之间的间距和倾斜角等。纵列双丝共熔池埋弧焊焊接参数的选择如下。（1）电流种类及极性 双丝焊时，前丝采用直流反极性接法，以得到足够的熔深；后丝采用交流，以得到足够的熔宽和填充金属，减少电弧间的相互影响和电弧偏吹。图1-4 多电源纵列双丝共熔池埋弧焊（2）焊接电流 在双丝焊时，焊缝的熔深几乎全由前丝完成，所以，对所要求得到的熔深基本上由前丝的焊接电流大小所决定。后丝的焊接电流大小应使之足以将焊缝填充适当，并防止生成过烧为宜。一般情况下，后丝的焊接电流值应比前丝减少20%，如果后丝的焊接电流值过大，则会产生不规则的焊缝侧边。（3）电弧电压 正常情况下，前丝应尽可能采用较低的电弧电压，以保持稳定的电弧，并得到较大的熔深。如果提高前丝的电弧电压，则意味着焊缝加宽，但在一定范围内，可减少焊缝凹陷现象。电弧电压太高时，会导致焊缝不规则，同时会使焊缝凹陷现象增大。后丝电弧电压将直接影响焊缝的形状和宽度，一般后丝电弧电压值应比前丝高3～5V为宜。（4）焊接速度 焊接速度的变化，导致焊缝热输入、焊丝熔化量和熔深的变化，选择合理的焊接速度可得到优质的焊缝。过快的焊接速度会出现熔深减小，熔宽变窄，甚至会产生外焊焊缝中间凸起现象，使焊缝质量降低。若焊接速度太慢时，则熔化金属和熔融的焊剂流向前丝下面，造成电弧不稳定，并产生焊缝夹渣等缺陷。同等条件下，双丝焊焊接速度比单丝焊焊接速度可提高30%～40%。（5）焊丝直径 在一般情况下，推荐前丝采用直径4mm的焊丝，而后丝采用直径3mm的焊丝。如果焊接薄壁焊管时，前丝采用直径3mm的焊丝，后丝采用直径2.5mm的焊丝。总之，双丝焊时，前丝比后丝直径大0.5～1mm。（6）焊接材料配合 焊丝与焊剂的配合原则基本上与单丝焊时相同，但应注意的是选用焊剂也应适用于交流焊接，并适用于较快的焊接速度为宜。（7）焊剂堆高 焊剂堆高的调节以在后丝后方尚能见到电弧微弱地闪烁为佳，如果堆高过大电弧受到焊剂层的压迫，则会使焊缝表面变得不光滑、不平整，焊缝边缘不整齐，并由于焊接时产生的气体不易穿过焊剂层逸出，易形成焊缝气孔和焊缝表面“麻点”。同时，还应注意焊剂应在靠近焊点之前加入，不得直接加到电弧上，否则，焊剂的流动及冲击力会直接影响电弧稳定性及焊缝成形。（8）前丝与后丝的间距 前丝与后丝的间距一般在12～25mm范围内调整为宜，但应注意以下影响：两个焊丝间距过小时，会导致焊缝变窄、熔深加大，焊缝显著增高，并使两丝电弧相互影响增加，易产生“黏渣”现象，脱渣性下降。若两个焊丝间距过大时，则会产生熔池增长，熔深减少，焊缝加宽，焊缝高度减小，而两丝电弧间的相互影响减小，同样易产生“黏渣”现象，脱渣性下降。从而要求使用具有较好电离性能和适用于交流焊接的焊剂，并须提高后丝的单位电流负载。（9）焊丝的倾斜角 双丝焊时，前丝垂直于焊件，即为0°，后丝与前丝的交角为15°。前丝的倾斜角调整首先会影响熔深和焊缝的几何形状。垂直的焊丝，焊缝熔深大，且熔宽窄。若前丝倾斜一定角度，则会减小熔深，并加大熔宽。后丝的倾斜角调整直接影响焊缝宽度和高度，如果加大其角度，就会使焊缝加宽，高度减小。（10）焊丝伸出长度 焊丝伸出长度根据所用焊丝直径而定。正常情况下，伸出长度一般为焊丝直径的8～10倍。若采用较小的伸出长度，熔深会加大，但熔化率则相应降低；反之，若采用较大的伸出长度，则熔深会减小而熔化率增大。（11）前后丝的调整 前后丝应尽可能调在同一条直线上，其最大偏差不得大于焊丝直径的1/4。如偏差过大时，则会产生焊偏。
表1-4列出了某公司双丝共熔池埋弧焊焊接参数，供参考。表1-4 双丝共熔池埋弧焊焊接参数
3.应用实例（1）在海洋钢结构深水导管架制作中的应用 海洋钢结构深水导管架在服役的过程中，经常受到海浪、台风以及靠船等对其产生的各种冲击力，有些环境温度很低，对其所采用的材料在强度和低温冲击性能方面都有很高的要求，要求焊缝在-20℃下冲击吸收能量大于34J。在海洋钢结构深水导管架制作中采用双丝埋弧焊，焊接了直径为1.8m的导管的环缝。
1）母材为DH36，低合金高强度结构钢，其屈服强度为355MPa。
2）板厚有50mm、38mm、25mm三种规格。
3）焊丝：JW-1，其焊丝的化学成分和力学性能见表1-5。表1-5 JW-1焊丝的化学成分和力学性能
4）焊剂：SJ101。
5）坡口形式：板厚δ＞25.4mm时，为双V形，板厚δ＜25.4mm时，为V形。
6）在焊接时采用两种工艺：一种是采用双丝双熔池，焊丝直径为4.0mm，两丝间距为25mm，前丝为直流反接，焊丝垂直于焊道，后丝采用交流并前倾12°；另一种是采用双丝单熔池，焊丝直径为2.0mm，焊丝间距为6～7mm，焊丝均垂直于焊道。
7）焊接工艺
①当板厚大于25.4mm时，管内坡口采用熔化极气体保护焊/药芯焊丝电弧焊（GMAW/FCAW）焊接，然后背面清根，外环缝采用双丝双熔池埋弧焊。
②当板厚小于25.4mm时，采用GMAW封底，再用焊条电弧焊焊接一道焊缝，然后采用双丝单熔池埋弧焊。
8）制作深水导管架的焊接参数见表1-6。表1-6 制作深水导管架的焊接参数（2）在直缝焊管中的应用 直缝焊管的直径为750mm，壁厚为20mm，材质为Q345，化学成分见表1-7。表1-7 Q345的化学成分
焊缝及热影响区-40℃的低温冲击吸收能量要求K≥27J。直缝焊V管的焊接工艺采用双丝双面埋弧焊。
1）坡口形式：V形，坡口角度为16°±2°
2）焊接材料：焊丝为H10Mn2；焊剂为SJ101。
3）制造工艺：钢板下料后先卷制成钢管，在钢管外侧进行预焊成形，再采用双丝埋弧焊焊内侧直缝；在焊接钢管外侧直缝时，要先将外侧的预焊焊缝用碳弧气刨清除，并刨出一个宽为10～20mm的槽，再采用双丝埋弧焊进行焊接。直缝焊管双丝埋弧焊的焊接参数见表1-8。表1-8 直缝焊管双丝埋弧焊的焊接参数（3）在箱形柱制造上的应用 在超高层建筑钢结构中采用了较多箱形柱结构，其结构如图1-5所示。本例中箱形柱所用材料为日本产SM50A钢（相当于国产Q345钢），壁厚为32mm，箱形柱长为10m。图1-5 箱形柱结构示意图
1）焊接材料采用的是日本焊丝，其化学成分见表1-9。表1-9 焊丝化学成分（质量分数，%）
2）焊剂为烧结焊剂NSH-52。
3）接头的坡口形式如图1-6所示。图1-6 接头的坡口形式
4）焊接工艺采用双丝埋弧焊，前丝采用直流反接，后丝采用交流。后丝的电弧是在前丝焊接过程中形成的熔渣下进行，在前丝电弧形成的熔渣还处于熔融状态时，后丝的电弧冲破熔渣进行焊接。两丝的间距为70mm。为保证前丝电弧能获得一定的熔深，故前丝垂直于焊件，后丝主要起填充作用，一般使焊丝前倾一定的角度，后丝倾角以15°为宜。
5）焊丝的间距和在坡口中的排列如图1-7所示。
6）焊接箱形柱结构的焊接参数及接头力学性能见表1-10。（4）在螺旋焊管制造中的应用 在螺旋焊管生产中，为了提高生产效率和保证焊接质量，采用双丝埋弧焊是一个重要途径。双丝埋弧焊时，前丝采用直流反极性，以得到足够的熔深；后丝采用交流，以得到足够的熔宽和填充金属。为了减少电弧间相互影响，前、后丝的间距一般在12～25mm范围为宜。两丝电弧形成一个熔池，前、后丝在同一直线上，最大偏差不得大于焊丝直径的1/4。前丝采用大电流、低电压，后丝采用小电流、高电压。螺旋焊管双丝埋弧焊的应用如图1-8所示。其焊接参数如下：图1-7 焊丝的间距和在坡口中的排列a）两丝间距 b）两丝在坡口中的排列表1-10 焊接箱形柱结构的焊接参数及接头力学性能
1）焊丝直径：前丝为ϕ4.0mm，后丝为ϕ3.0mm。在焊接较薄壁焊管时，前丝采用ϕ3.0mm，后丝采用ϕ2.5mm。
2）焊丝倾角：前丝垂直于焊件，即为0°，后丝与前丝的夹角前倾15°。
3）焊丝伸出长度：一般为焊丝直径的8～10倍。
4）螺旋焊管双丝埋弧焊焊接参数见表1-11。（5）双丝埋弧焊工艺在高层建筑钢结构上的应用
1）问题的提出。香港某广场项目，楼高174m，主体设计采用钢结构框架，共有10条主支撑柱。基础柱脚每个重达20t，因该柱脚焊接结构复杂，决定采用双丝埋弧焊方法，先分开两部分制作，然后通过厚度为100mm的底板将其拼焊为整体（见图1-9）。
2）焊接工艺
①焊接设备。焊接设备选用美国LINCOLN公司的交流电源AC-1200（送丝及控制机构为NA-4）和直流电源DC-1500（送丝及控制机构为NA-3N）。焊接时，直流焊枪在前面，交流焊枪在后面。其目的是通过控制在前的DC电弧的极性、焊接电流、电弧电压和焊接速度来保证焊缝的熔深；在后面的AC电弧可保证熔池的宽度和焊缝的形状。
②坡口形式和尺寸。根据柱脚底板的结构特点，只能从该板的背面施焊。为了保证根部焊道的焊接质量，采用单V形坡口，背面加垫板，其尺寸如图1-10所示。
③预热温度及层间温度。焊前采用PLG焊枪预热，最低预热温度为66℃。当用测温色笔或红外测温计检查温度时，因为钢板厚度的缘故，不应仅看焊缝的位置，而应在距焊缝75mm的地方，且在加热面的背面检查。焊接层间温度应小于250℃。图1-8 螺旋焊管双丝埋弧焊的应用1—电网线路 2—焊接整流器 3—焊接变压器（交流） 4—前丝 5—后丝 6—焊剂
④焊接材料。根据母材材质50C（英国产）的特性，定位焊的焊条选用KOBELCO LB52，其规格为ϕ4.0mm。埋弧焊焊丝选用COLNL-61，其规格为ϕ4.0mm。焊剂选用LINCOLNF960，使用前，焊剂应在300℃下烘干1～2h。表1-11 螺旋焊管双丝埋弧焊焊接参数图1-9 柱脚底板图1-10 坡口尺寸
⑤焊接参数。通过多次焊接试验并对结果进行检测，确定了表1-12所示的焊接参数。表1-12 焊接参数
3）焊接操作过程。焊接采用多层多道焊，施焊时应注意控制层间温度。焊接打底层及第二道时，仅用直流埋弧焊机进行单机操作，以保证焊根的质量。以后的焊道用直、交流双丝同时施焊。每焊一道，用风铲将渣壳清理干净，焊接时的引弧、收弧分别在引弧板和引出板上进行。
①将两个柱脚按图1-9组对，并将垫板垫在焊缝位置，局部预热后进行定位焊，然后将焊件倒置，以便在水平位置施焊。
②彻底清理焊接区的铁锈、油污等杂物。
③焊前均匀加热焊接区的正、反面至工艺要求的温度。
④按表1-12的焊接参数施焊，施焊过程中，应注意检查每一焊道的焊接质量。
⑤焊后经100%超声波检测，焊缝全部合格。1.1.6 三丝埋弧焊工艺
三丝埋弧焊采用三个电源，每根焊丝单独供电，三根焊丝分别沿焊接纵向排列，焊丝在焊剂层下的一个共有熔池内燃烧，从而实现对厚大焊件的焊接。由于三丝埋弧焊焊接电弧多、电流较大、熔池较长，因此具有热输入较大、熔敷效率高、冶金反应充分、焊接速度快等优点。
在三丝埋弧焊焊接中，三丝埋弧焊机头与焊丝的空间位置如图1-11所示。串列三丝埋弧焊通常采用“直流/交流/交流”和“交流/交流/交流”两种配置。在三丝埋弧焊中，前导焊丝为DC电源时的焊缝熔深比AC电源时的大，前导焊丝采用大电流、低电压以保证良好的熔深，跟踪焊丝采用小电流、大电压以得到光洁的焊缝表面，中间焊丝的焊接参数在上述两者之间，因而三丝埋弧焊一般均采用DC-AC-AC混合电源配置。这就避免了直流+直流组合引起的电弧偏吹现象，减少了气孔、夹渣、焊偏等缺陷出现的概率；同时，也克服了交流组合时交流AC电弧间存在的电磁干扰，以及对焊接材料碱度的限制，有利于电弧稳定焊接，提高接头的抗裂性，达到要求的熔深，提高焊接速度与焊接质量。后两根焊丝配置的交流电源，可通过改变AC电源的连接，使电源相位为50°或90°，这样可有效消除AC电弧间的电磁干扰，使电弧稳定燃烧。
这种工艺具有熔深大、熔敷速度较高、焊缝金属稀释率接近单丝埋弧焊的特点，因而提高了焊接速度与焊接质量，故在国外的造船厂、高压容器厂和制管厂得到了广泛的应用，这种工艺在我国的制管厂也得到了一定应用。
三丝埋弧焊可调焊接参数多，工艺控制要求严格，包括焊接电源的配置与连接、焊丝间距的设置、焊接电流和电弧电压的选择、焊丝直径的选择、焊丝直径的组合及焊剂的选用等。
1.焊丝倾斜
焊丝倾斜方向和倾斜角度对焊缝熔深和焊缝成形、是否产生缺陷有较大影响。焊丝向后倾斜比向前倾斜时的熔深大，而向前倾斜比向后倾斜时的焊缝熔宽大。根据这些规律可确定焊头的空间位置，即三丝埋弧焊的1丝后倾10°～15°、2丝与焊件表面垂直、3丝前倾15°～18°，并匹配适宜的焊接参数，即可获得良好的焊缝成形。
2.焊丝间距
焊丝间距在焊接电流不变的情况下，间距越小，熔深越深，形成的焊缝窄而高，焊缝易烧穿。间距过大会影响电弧稳定性，使焊缝成形和缺陷率上升，为此1丝、2丝间距为10～12mm，2丝、3丝间距为10～13mm，匹配适宜的焊接参数，可获得外观满足需要的焊缝形状。图1-11 三丝直缝埋弧焊焊丝空间位置
3.焊丝伸出长度
焊丝伸出长度主要影响焊缝余高，焊丝伸出长度增加导致焊丝电阻热增加，焊丝熔化速度增加，从而增大焊缝余高。若焊丝伸出长度短，导电嘴容易黏渣，导电嘴与导电嘴之间易产生电弧而影响正常电弧的稳定燃烧。一般1丝长度为28～33mm，2丝长度为30～35mm，3丝长度为28～33mm。
4.焊丝直径
根据焊件的厚度来选取焊丝直径，焊丝直径不同，允许使用的焊接电流范围不同，从而影响焊缝熔深和焊缝成形，同时也会影响电弧自动调节作用，从而影响电弧的稳定性。一般1丝选用直径为4mm的焊丝，2丝、3丝选用直径为3mm的焊丝。
5.焊接电流和电弧电压
焊接电流和电弧电压对焊缝成形及焊接质量都有很大的影响，在三丝埋弧焊时，按照1丝大电流低电压逐步过渡到3丝小电流大电压的方式进行设置。1丝在避免烧穿的情况下，尽可能选择大电流低电压，以保证获得足够的熔深及有利于熔渣上浮。2丝主要作用是填充焊缝金属，在选择电流时要比1丝小，电压要比1丝大。3丝的主要作用是盖面，需采用小电流大电压。
6.焊接速度
在焊接开坡口的焊件时，其焊接速度主要取决于钢板的厚度、熔深和坡口尺寸等综合因素。焊接速度随着壁厚的增加而减小，在生产薄壁厚钢管时适于采用较高的焊接速度。
7.焊剂
为提高焊缝韧性和保证焊缝良好的形貌，在焊接前，焊剂必须烘干，选用颗粒适中、黏度适中、稳定性好的碱性烧结焊剂。
直缝钢管的三丝埋弧焊，钢板经JCOE工艺成形后，先进行预焊，预焊采用Ar80%+CO20%（体积分数）混合气体保护焊，在外坡口2上连续焊接，形成管坯，然后采用三丝埋弧焊进行钢管内焊，再采用三丝埋弧焊进行钢管外焊。
三丝埋弧焊焊接钢管（ϕ406mm×7.1mm）的焊接参数见表1-13，在焊接过程中使用H08C埋弧焊丝和SJ101G烧结焊剂。表1-13 三丝埋弧焊焊接钢管的焊接参数1.1.7 四丝埋弧焊工艺
1.焊接工艺
四丝埋弧焊采用4个电源、4根焊丝分别单独供电，4根焊丝分别沿焊缝中心纵向排列，焊丝在焊剂层下的一个共有熔池内燃烧，从而实现焊接。四丝埋弧焊电源采用一直三交匹配，三交流电源接线时采用特定的接法（柯斯特接法），注意保证1丝与3丝同相位，2丝的相位比1丝相位滞后120°，以保证电弧间干扰最小。在四丝埋弧焊焊接中，四丝埋弧焊机机头与焊丝的空间位置如图1-12所示。图1-12 四丝埋弧焊机机头的空间位置
4根焊丝沿焊缝中心纵向排列，焊丝中心一定要排列在焊缝中心线上，否则会因焊丝排列不在一条线上形成摆动电弧，造成正反面焊缝中心错位缺陷。焊丝倾角和间距对焊缝的余高和电弧的稳定影响较大。焊丝倾斜方向和倾斜角度对焊缝熔深和焊缝成形、是否产生缺陷有较大影响。焊丝后倾时熔深大，而前倾时焊缝熔宽大。四丝埋弧焊时由于熔池体积大，为了保证熔深，利用电弧力将熔池金属推向后方，以保持熔池后部液态金属的平衡，不至于使熔池后部的液态金属流入熔池底部，以获得良好的焊缝成形，所以1丝、2丝后倾，只是后倾角度不同，1丝后倾14°～15°、2丝后倾2°～4°、3丝前倾4°～7°，4丝前倾13°～14°，并匹配适宜的焊接参数，即可获得良好的焊缝成形。丝与丝之间的间距一般控制在20mm之内。1丝的焊接电流对焊缝熔深影响最大；2丝、3丝作为焊缝填充对焊缝的熔深影响相对小一些；而4丝几乎没有影响。随着焊接电流的增加，焊缝的余高将增加，但不同的焊丝增加程度不同：通常1丝的焊接电流最大，它的变化相对于其他3丝将引起较大的余高变化。而其他3丝中2丝、3丝相对于第4丝变化大。所有丝的电弧电压对焊缝熔宽和余高都有一定的影响，特别是交流焊丝的电弧电压对焊缝与母材的过渡状况影响较大。电弧电压过低，将使之不能形成平滑过渡。焊接速度对焊缝的熔深和熔宽影响较大，对余高影响相对来说较小。焊接速度越快，熔深和熔宽越小，反之越大。四丝埋弧焊焊接速度是单丝焊的3～4倍。
2.应用实例
应用四丝埋弧焊焊接直缝管时，直缝焊管端部加上300～400mm的引弧板和引出板。四丝呈直线排列，对准焊缝中心，防止焊偏而造成咬边或未焊透等缺陷。焊剂层堆高30～35mm，焊接过程中严防产生明弧，在调节焊接参数时，焊接电流和电弧电压要同时调节。内、外焊缝均采用四丝埋弧焊焊接，预焊焊缝采用CO气体保护焊焊接。2
直缝焊管材质为X70管线钢，其化学成分见表1-14。内、外四丝埋弧焊电源采用一直三交匹配，第一丝直流，后三丝交流，交流电源采用特定的接法（柯斯特接法），避免电弧之间的干扰。预焊参数：焊丝（CHW-50C8）直径为1.6mm，焊接电流为250～300A，电弧电压为25V，焊接速度为0.9m/min，CO气体流量为20～25L/min。2
直缝焊管四丝埋弧焊坡口形式及尺寸如图1-13所示。组对时要求间隙小于1mm，错边量小于1mm。坡口两侧50mm范围内应严格清除水、油、锈及污物等。表1-14 X70钢的化学成分（质量分数，%）
三种不同厚度的直缝管内、外焊焊接参数见表1-15～表1-17。1.1.8 五丝埋弧焊工艺
在厚壁直缝埋弧焊管生产过程中，为了提高厚壁直缝焊管生产的焊接效率，满足市场对大直径、大壁厚、高强度、高韧性焊管在油气输送管线中的需求，五丝埋弧焊焊接工艺得到应用。
在世界上五丝埋弧焊只有少数国家掌握了这种先进的生产技术。五丝埋弧焊采用5个电源分别对沿焊接纵向排列的5根焊丝单独供电，焊丝在焊剂层下的一个共有熔池内燃烧，从而实现对钢管的焊接。由于五丝埋弧焊电弧多，焊接电流大，熔池长，因此具有热输入大、熔敷效率高、冶金反应充分、焊接速度快等优点。五丝埋弧自动焊机头如图1-14所示。图1-13 直缝焊管四丝埋弧焊坡口形式及尺寸表1-15 17.5mm的X70管线钢焊接参数表1-16 21mm的X70管线钢焊接参数
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