1.2 金屬粉末埋弧焊

添加合金粉末埋弧焊是在已有埋弧焊方法的基礎(chǔ)上，利用某些方法向焊接熔池內(nèi)添加合金粉末，使精細(xì)的合金粉末被電弧熱和電弧輻射熱同時(shí)熔化，電弧能量利用率大幅增加，粉末浪費(fèi)量減少，增加了熔敷效率并改善了焊接接頭的力學(xué)性能。

金屬粉末單絲埋弧焊如圖1-20所示，它是利用焊接熔池中剩余的高溫電弧熱來(lái)熔化添加的金屬粉末，在不增加電弧能量的情況下可以大大地提高焊縫金屬的熔敷率。

圖1-20 金屬粉末單絲埋弧焊

1—母材 2—金屬粉末 3—電動(dòng)金屬粉末計(jì)量?jī)x 4—計(jì)量?jī)x控制裝置 5—焊絲 6—送絲匹配器 7—送絲滾輪 8—焊劑漏斗 9—導(dǎo)電嘴 10—堆敷焊劑 11—熔渣 12—焊縫金屬

20世紀(jì)90年代斯洛文尼亞首先提出了金屬粉末雙絲埋弧焊，如圖1-21所示。近年來(lái)，林肯公司開發(fā)出的多絲埋弧焊工藝得到了廣泛的應(yīng)用。瑞典的Hoganas公司在此基礎(chǔ)上成功地把十分精細(xì)的金屬粉末應(yīng)用到傳統(tǒng)的多絲埋弧焊中，如圖1-22所示。其解決了用常規(guī)埋弧焊焊接中厚板結(jié)構(gòu)時(shí)，為了提高熔敷速率，使得熱輸入加大、熔池變大、母材熔化量增加、焊縫組織粗化、熱影響區(qū)擴(kuò)大并且性能變壞等所產(chǎn)生的缺點(diǎn)。作為一種既能提高熔敷速率，又能改善焊接接頭性能的高效焊接技術(shù)，該工藝可以通過(guò)控制金屬粉末的粒度及合適的送粉系統(tǒng)來(lái)實(shí)現(xiàn)金屬粉末基本在電弧周圍熔化。在這種多絲埋弧焊中，精細(xì)的金屬粉末被電弧熱和電弧輻射熱同時(shí)熔化，電弧能量的利用效率大幅度增加，粉末浪費(fèi)量減少，增加了熔敷效率，并改善了焊接接頭的力學(xué)性能。這種技術(shù)廣泛應(yīng)用于造船、壓力容器、重型機(jī)器、橋梁、建筑和海洋石油平臺(tái)等領(lǐng)域。

圖1-21 帶附加金屬粉末的多絲埋弧焊（一）

圖1-22 帶附加金屬粉末的多絲埋弧焊（二）

1.特點(diǎn)

金屬粉末埋弧焊與普通埋弧焊相比具有以下特點(diǎn)：

（1）焊縫金屬熔敷率高 表1-20列出了在相同的焊接參數(shù)條件下金屬粉末埋弧焊和普通埋弧焊的焊縫金屬熔敷率。由表1-20可見，金屬粉末埋弧焊是一種高熔敷率的焊接方法。

表1-20 金屬粉末埋弧焊與普通埋弧焊的熔敷率

（2）焊縫金屬的韌性好 在采用金屬粉末埋弧焊焊接厚大焊件時(shí)，之所以能得到高韌性的焊縫金屬，一方面由于添加的金屬粉末是利用熔池中剩余的電弧熱來(lái)熔化的，減少了母材的過(guò)熱；更重要的是，在保持焊絲與焊劑系統(tǒng)氧化還原反應(yīng)平衡的同時(shí)，能夠精確地控制金屬粉末中的合金成分，使之均勻地熔化，盡量降低殘留氧的含量。因此，金屬粉末的粒度應(yīng)較細(xì)，具有很小的表面積和較大的密度，從而使焊縫金屬中由于金屬粉末引起的含氧量減至最少，可得到高韌性的焊縫金屬。

（3）焊件變形小 由于作用于焊縫的熱輸入小，所以焊接接頭的應(yīng)力小，焊件變形小。

（4）過(guò)程可靠成本低 在焊接過(guò)程中，電弧正常燃燒時(shí)，因某種原因金屬粉末送進(jìn)發(fā)生中斷，由于金屬粉末和焊絲的化學(xué)成分基本相同，不會(huì)造成焊接接頭的報(bào)廢。使用的金屬粉末盡管比焊絲價(jià)格貴，但減少了焊劑的消耗，從而降低了生產(chǎn)成本。

金屬粉末埋弧焊適用于中等強(qiáng)度、低合金高強(qiáng)度結(jié)構(gòu)鋼及重要產(chǎn)品結(jié)構(gòu)鋼的焊接。已生產(chǎn)出適用于高強(qiáng)度鋼金屬粉末埋弧焊的金屬粉末，從而提高了高強(qiáng)度鋼的焊接性。已成功地焊接了厚度為12～55mm、要求高韌性的對(duì)接焊縫及筒形結(jié)構(gòu)的縱、環(huán)縫，在石油化工容器及海洋化工結(jié)構(gòu)制造中得到了應(yīng)用。該方法也已用于大面積耐磨合金覆層板的堆焊。

2.金屬粉末的粒度

早期所用的大顆粒金屬粉末效果不是很好。將金屬粉末顆粒直徑做得很小后，其優(yōu)點(diǎn)逐漸被人們所認(rèn)識(shí)，Hoganas公司成功研制了一種顆粒非常細(xì)小的金屬粉末，在焊接過(guò)程中可以被電弧的吹力吹到電弧四周，使金屬粉末在電弧及其四周均熔化，大大提高了電弧能量的利用率，提高了熔敷率，并改善了接頭的力學(xué)性能。但是金屬粉末也不能過(guò)細(xì)，以免在氣流作用下受力飄走。另外，金屬粉末過(guò)細(xì)時(shí)，金屬粉末和導(dǎo)電嘴的加工制作工藝過(guò)于復(fù)雜，成本昂貴。金屬粉末合適的粒度范圍是0.08～0.22mm，這種適當(dāng)小的顆粒，才能被電弧的機(jī)械力推開，而且金屬顆粒不會(huì)停留在電弧的上、下方，而是散布在電弧周圍。

3.金屬粉末的添加方法

（1）單絲焊時(shí)金屬粉末的添加方法

1）向前送給法。添加的金屬粉末依據(jù)焊絲送給率，經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確的計(jì)算，通過(guò)送粉漏斗加在焊劑前30mm處，然后在熔化的焊劑層下的熔池中熔化，如圖1-20所示。用于此方法的金屬粉末成分中含Mn質(zhì)量分?jǐn)?shù)為1.7%，已應(yīng)用在厚度在30mm以上的長(zhǎng)對(duì)接焊縫和環(huán)縫的焊接。

2）焊絲送給法。添加的金屬粉末經(jīng)過(guò)準(zhǔn)確計(jì)算，由漏斗進(jìn)入分配器，將一定量的金屬粉末通過(guò)焊劑堆敷層之上焊絲導(dǎo)電嘴側(cè)的兩個(gè)輔助管道向下送。金屬粉末在電磁力作用下被吸向焊絲，隨著焊絲的送進(jìn)穿過(guò)焊劑進(jìn)入焊接熔池。焊絲的伸出長(zhǎng)度可達(dá)50mm。此方法不僅適用于厚大焊件的焊接，也適用于小直徑的環(huán)縫、T形接頭角焊縫以及較薄焊件的焊接。適于此方法的金屬粉末成分為C+Mn+Ni+Mo系合金。

（2）雙絲焊時(shí)金屬粉末的添加方法 雙絲焊時(shí)可用多種方法送進(jìn)金屬粉末。最簡(jiǎn)單的方法是在雙絲前方送粉，如圖1-21所示。其優(yōu)點(diǎn)是設(shè)計(jì)簡(jiǎn)單，缺點(diǎn)是送入焊接區(qū)的金屬粉末量不精確，熔敷效率低，這種方法僅用于表面或?qū)捚驴诤附樱坏诙N方式是通過(guò)位于兩絲間的小管送進(jìn)，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(shè)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(jìn)，電弧位于焊絲和焊件之間，而金屬粉末在電弧周圍熔化，當(dāng)電弧功率減小時(shí)，焊劑的消耗也隨之減少。

圖1-23 坡口形式及焊接順序

a）坡口形式 b）焊接順序

4.工程應(yīng)用

1×10⁵m³油罐的直徑為80m，其油罐的底板由12mm×2980mm×14780mm的碳素結(jié)構(gòu)鋼板拼焊而成。首先采用焊條電弧焊封底，然后進(jìn)行金屬粉末埋弧焊。金屬粉末添加量為熔敷金屬量的35%，其成分與所用焊絲成分相同，粉末顆粒尺寸為?1.0mm×1.0mm。焊接坡口形式及焊接順序如圖1-23所示，所焊焊縫總長(zhǎng)度為2173.4m。由于此方法母材吸收的熱量少，所以焊件變形小，在相同的焊接參數(shù)、相同的拘束條件下，所產(chǎn)生的縱向變形和角變形分別只有普通埋弧焊的50%和35%。對(duì)于4700m²的罐底技術(shù)條件，要求焊后平面度偏差不大于60mm，而焊后用水準(zhǔn)儀檢測(cè)結(jié)果平面的平面度最大為24mm，并經(jīng)磁粉檢測(cè)焊縫合格率為99.5%。其焊接效率與焊條電弧焊相比提高了4.2倍。金屬粉末埋弧焊焊接參數(shù)見表1-21。

表1-21 金屬粉末埋弧焊焊接參數(shù)