电渣焊技术原理、特点及应用简介

任务描述

1.理解电渣焊的原理，了解电渣焊的特点、分类及应用。

2.熟悉电渣焊设备。

3.掌握电渣焊工艺。

4.了解直缝丝极电渣焊操作技术。

任务分析

本任务主要涉及电渣焊的原理、特点、分类及应用，电渣焊设备与工艺等知识点，并使学生通过观摩直缝丝极电渣焊的操作过程来了解电渣焊操作技术。

一、电渣焊的原理和特点

1.电渣焊的基本原理

电渣焊是以电流通过液态熔渣时所产生的电阻热为热源进行焊接的方法。电渣焊原理示意图如图9-1所示。

焊前应把工件垂直放置，在两工件间留出一定的间隙（一般为20～40mm），在工件下端装好引弧槽，上端装好引出板，并在工件两侧装好强迫成形装置。焊接时，先在电极（焊丝或板极等）与引弧板之间引燃电弧，然后不断加入少量焊剂，利用电弧的热量使之熔化，形成液态熔渣，即渣池，此阶段为造渣过程。当渣池达到一定深度时，增大焊丝送进速度并降低焊接电压，同时将电极浸入渣池，使电弧熄灭，转入电渣焊过程。由于高温熔渣具有一定的导电性，因此当焊接电流从电极端部经渣池流向工件时，在渣池内产生的电阻热将电极和工件边缘熔化，熔化的金属沉积到渣池下面形成金属熔池。随着电极不断地送进和熔化，金属熔池液位逐渐升高，而熔渣始终浮于金属熔池上部。这时离热源较远的熔化金属逐渐冷却，在强制成形装置的作用下凝固形成焊缝。随着焊接过程的进行，机头及强迫成形装置逐渐上升，从而完成整条焊缝的焊接。

图9-1 电渣焊原理示意图

2.电渣焊的特点

（1）生产率高 对于大厚度的焊件，可以一次将其焊好，且不必开坡口。电渣焊通常用于焊接厚度在40mm以上的工件，最大焊接厚度可达2m，此外，还可以一次焊接焊缝截面变化大的工件。因此，电渣焊要比电弧焊的生产率高得多。

（2）经济效果好 电渣焊时，准备工作简单，大厚度的焊件不需要进行坡口加工即可进行焊接，因此可以节约大量金属和加工时间。此外，由于在加热过程中，几乎全部电能都经渣池转换成热能，因此电能的损耗量小。

（3）宜在垂直位置焊接 当焊缝中心线处于垂直位置时，电渣焊形成熔池的条件及焊缝成形条件最好，因此电渣焊一般适合于垂直位置焊缝的焊接。

（4）焊缝缺陷少 在电渣焊时，渣池在整个焊接过程中总是覆盖在焊缝上面，一定深度的渣池使液态金属得到良好的保护，避免了空气的有害作用，并对工件进行预热，使其冷却缓慢，有利于熔池中气体和杂质有充分的时间析出，所以焊缝不易产生气孔、夹渣及裂纹等缺陷。

（5）焊接接头晶粒粗大 这是电渣的主要缺点。由于电渣焊热过程的特点，造成焊缝和热影响区的晶粒大，使焊接接头的塑性和冲击韧度降低，但是通过焊后热处理，能够细化晶粒，满足对力学性能的要求。

知识卡：

由于电渣焊热源的特点和焊接速度过小，电渣焊也存在着一个很大的缺点，即焊缝金属和近缝区在高温（1000℃以上）停留时间长，易引起晶粒粗大，产生过热组织，造成焊接接头冲击韧度降低。所以某些钢种在电渣焊后一般都需要进行正火或回火处理，这对大型工件来说是比较困难的。如何提高电渣焊接头在焊态时的冲击韧度是当前电渣焊技术发展中的一个重要课题。

二、电渣焊的分类及应用

按电极形状的不同，电渣焊可分为丝极电渣焊、熔嘴电渣焊（含管状电渣焊和棒状电渣焊）和板极电渣焊三种，如图9-2所示。

图9-2 电渣焊的分类

a）丝极电渣焊 b）板极电渣焊 c）熔嘴电渣焊

1.丝极电渣焊

丝极电渣焊将焊丝作为电极，焊丝通过不熔化的导电嘴送入渣池，如图9-2a所示。根据工件厚度的不同，在丝极电渣焊时，可同时采用1～3根焊丝。在焊丝根数不变的情况下，为了增加所焊工件的厚度并使母材在厚度方向上熔化均匀，可使焊丝沿工件厚度方向做横向往复摆动。在采用多根焊丝焊接时，焊接设备和焊接技术就比较复杂了。丝极电渣焊一般用于焊接厚度为40～450mm且焊缝较长的工件以及进行环焊缝焊接。

2.板极电渣焊

板极电渣焊将金属板条作为熔化电极，如图9-2b所示。根据工件厚度的不同，板极电渣焊可采用一块或数块板极进行焊接。由于焊接时板极只需向下送进，不做横向摆动，而且板极的送进速度很小（1～3m/h），完全可以手动送进，因此板极电渣焊设备比较简单，并且可利用板材的边角料制作电极。在板极电渣焊时，要求板极材料的化学成分与被焊工件相同或相近，并且要求板极长度为焊缝长度的3～4倍。板极电渣焊受板极送进长度和自身刚度的限制，宜用于大断面短焊缝的焊接及堆焊等，目前多用于模具堆焊和轧辊堆焊。

3.熔嘴电渣焊

它是将焊丝和固定在工件之间并与工件绝缘的熔嘴共同作为熔化电极的一种电渣焊，如图9-3c所示。熔嘴是由一根或数根导丝钢管与钢板组成的，其形状与被焊工件断面形状相似。熔嘴具有导电、填充金属和送丝的导向作用。根据工件厚度，可采用一个、两个或多个熔嘴。根据工件断面形状，熔嘴电极的形状可以是不规则的或规则的。根据需要，焊缝的化学成分可以通过熔嘴及焊丝的化学成分来调整。熔嘴电渣焊设备简单，可焊接大断面的长焊缝和变断面的焊缝。目前，熔嘴电渣焊的可焊工件厚度达2m，焊缝长度在10m以上。

当被焊工件较薄时，熔嘴可简化为一根或两根管子，在管子外面涂上涂料，焊丝通过管子不断向渣池送进，两者作为电极进行电渣焊，这种方法称为管极电渣焊，是熔嘴电渣焊的特殊形式。管极外表面的涂料，既起绝缘作用，又可以适当向焊缝中渗合金，以达到细化晶粒，改善焊缝组织和力学性能的作用。管极电渣焊具有生产率高、焊缝质量好的特点，适用于焊接厚度为18～60mm的工件。

三、电渣焊设备

电渣焊一般采用专用设备，较为常见的是HS—1000型电渣焊机，主要由电源、控制系统、行走机构、水冷滑块组成，如图9-3所示。

图9-3 电渣焊设备

a）电源 b）控制系统 c）行走机构 d）水冷滑块

1.电源

电渣焊可用交流电源或直流电源，一般多用交流电源。电渣焊用的电源必须是空载电压低、感抗小的平特性（即恒压）电源。其负载持续率一般为100%，每根焊丝的额定电流不应小于750A，以1000A居多。

2.控制系统

电渣焊焊接过程中的焊丝送进速度、导电嘴横向摆动距离及停留时间、行走机构的垂直移动速度等参数均用电子开关电路控制和调节。

3.行走机构

电渣焊机的行走机构是用来带动整个机头和滑块沿焊缝做垂直移动的。其中，送丝和摆动机构都集成在行走机构中。

4.水冷滑块

水冷滑块是强制焊缝成形的冷却装置，焊接时，随着机头一起向上移动。其作用是保持渣池和金属熔池在焊接区内不流失，并强迫熔池金属冷却形成焊缝，通常用热导性良好的纯铜制造。

四、电渣焊焊接材料

电渣焊所用的焊接材料有电极、焊剂和管极涂料等。

1.电极

电渣焊焊缝金属的化学成分和力学性能主要是通过调整焊接材料的合金成分来加以控制的。由于渣池温度较低，冶金反应缓慢，而且焊剂用量很少，所以一般通过电极而不通过焊剂向焊缝金属渗合金。在焊接碳钢和高强度低合金钢时，为了使焊缝具有良好的抗裂和抗气孔能力，除控制焊丝中硫、磷的含量外，焊丝的含碳量通常比母材的低，一般控制在0.1%（质量分数）左右。焊缝因此而降低的力学性能，可通过提高锰、硅和其他合金元素的含量来补偿。

电渣焊的电极有焊丝、熔嘴、板极、管极等。常用的焊丝有H08MnA、H08Mn2SiA、H10Mn2等。板极和熔嘴板的材料通常为Q295^[1]（09Mn2）钢，熔嘴板厚一般取10mm，熔嘴管一般为20号冷拔无缝钢管。管极采用15号或20号冷拔无缝钢管，并在外表涂有药皮。

常用结构钢电渣焊所用焊丝见表9-1。

表9-1 常用结构钢电渣焊所用焊丝

2.焊剂

目前常用的电渣焊专用焊剂是HJ360、HJ170。HJ360具有迅速和容易形成电渣过程，并能保持电渣过程稳定的特性，常用于焊接低碳钢和某些低合金钢结构。HJ170在固态下具有电子导电性，在电渣开始阶段作导电焊剂，能迅速建立渣池。除上述专用焊剂外，HJ431也被广泛用于电渣焊焊接。

3.管极涂料

管极电渣焊用的管极表面必须涂有2～3mm厚的药皮。为了保证电渣焊过程稳定进行，药皮的熔点应比钢的熔点低200～300℃，药皮的具体成分应根据材质而定。为了细化晶粒，提髙焊缝金属的韧性和抗裂性，药皮中应添加一定量的合金元素，其加入量也视母材和所用焊丝而定。

五、电渣焊的焊接参数

电渣焊的焊接参数较多，其中的焊接电流、焊接电压、渣池深度和装配间隙直接影响电渣过程的稳定性、焊接质量、焊接生产率及焊接成本。(www.xing528.com)

当焊接电流、焊接电压增大时，渣池热量增多，故熔宽增大。另一方面，当焊接电流过大时，焊丝熔化过快，使渣池液位上升速度增大，反而会使熔宽减小。焊接电压过大会破坏电渣过程的稳定性。

当渣池深度增加时，电流分流增加，从而降低渣池温度，使工件边缘的受热量减小，易出现未焊透、未熔合等缺陷。但当渣池过浅时，焊丝在渣池表面产生电弧，从而破坏电渣过程。

当装配间隙增大时，渣池液位上升速度减小，熔宽增大，焊接应力和变形量增大，并且会降低焊接生产率和提高成本。但当装配间隙过小时，焊丝容易与基体金属短路，给操作带来困难。

在电渣焊过程中，焊接电流与焊丝的给送速度成正比关系，因此常用送丝速度代替焊接电流。电渣焊焊接参数的选择原则是：在保证电渣过程稳定及确保焊接接头质量的前提下适当考虑提髙生产率。常用金属材料丝极电渣焊的焊接参数见表9-2。

表9-2 常用金属材料丝极电渣焊的焊接参数

任务准备

1）联系丝极电渣焊焊接的生产现场。

2）组织参观学习，布置参观任务。

任务实施

1.熟悉电渣焊机的操作及焊接工具的使用

通过对电渣焊各设备的详细观察，掌握电渣焊各设备之间的连接、焊机参数的调整以及注意事项。对于焊机上各参数调整所涉及的开关、旋钮，要了解其功能及调整范围。对于所焊接材料应采用的焊接电流、焊接电压、送丝速度等参数做详细记录，并且要掌握焊机各连线的连接及功能。对于各焊接工具，应掌握其名称及作用和安装方法。

2.了解工件及如何备料

为保证电渣焊质量，在装配工件前应将其焊接面及其两侧各50mm范围内的铁锈、油污等清除干净。焊接面两侧70mm范围内应平整、光滑，以便使两侧的冷却成形滑块贴紧工件并能顺利地滑动。为便于冷却成形滑块通过和减少拘束刚度，装配时用Π形铁固定工件。常用的装配间隙为25～38mm，错边量不大于2mm。为保证焊缝起始和收尾处的焊接质量，在工件下端应装引弧槽，上端应装引出板。引弧槽高度一般为50～100mm，引出板高度一般为70～80mm，如图9-4所示。

图9-4 Π形铁、引弧槽、引出板

3.了解焊接参数

在对所焊材料的材质、厚度、长度进行综合考量后，应能够确定采取什么样的焊接参数。其中，主要的观察对象为：焊接电流、电弧电压、送丝速度、焊剂用量、冷却水流量等。对所观察到的参数应做详细记录。

4.了解直缝丝极电渣焊的操作过程

在各项准备工作就绪后即可观摩直缝丝极电渣焊焊接过程。直缝丝极电渣焊焊接过程一般包括引弧造渣、正常焊接和焊缝收尾三个阶段。

（1）引弧造渣阶段 电渣焊的造渣过程一般是先从电弧过程开始的（使用固体导电焊剂时例外），即先引燃电弧，利用电弧热能使焊剂熔化形成渣池。为便于引燃电弧，可先在引弧槽中放少量铁屑并撒上一层焊剂，引弧后靠电弧热使焊剂熔化。当渣池达到一定深度时，即可将焊接电压和送丝速度调节到正常值，则焊丝插入渣池，电弧熄灭，此时可起动机头上升，开始正常的电渣焊过程。

（2）正常焊接阶段 正常焊接阶段应保持焊接参数稳定；要保持焊丝在间隙中的正常位置，并定期测量渣池深度，均匀地添加焊剂；要防止产生漏渣现象，当漏渣而使渣池变浅时，应降低送丝速度并迅速逐步加入适量焊剂，以维持电渣焊过程稳定。

（3）焊缝收尾阶段 电渣焊焊缝收尾部分含杂质较多，而且往往存在缩孔和裂纹缺陷。为了将缺陷多、质量差的收尾部分引出工件之外，电渣焊的收尾工作必须在引出板上进行。在焊接过程全部结束后，应根据工艺规程的要求，进行检验和热处理。

检查评议

观摩直缝丝极电渣焊的操作过程评分表见表9-3。

表9-3 观摩直缝丝极电渣焊的操作过程评分表

问题防治

1.电渣焊时容易产生未熔合现象

原因：焊接电压过高，送丝速度过小，渣池过深；电渣焊过程不稳定；焊剂熔点过高。

解决措施：选择适当的焊接参数，保持电渣焊过程稳定，选择适当的焊剂。

2.电渣焊时容易产生未焊透现象

原因：焊接电压过低，送丝速度太小或太大，渣池太深；电渣焊过程不稳定；焊丝或熔嘴距水冷成形滑块太远，或在装配间隙中的位置不正确。

解决措施：选择适当的焊接参数；保持稳定的电渣焊过程；调整焊丝或熔嘴，使其至水冷成形滑块的距离及在焊缝中的位置符合工艺要求。

3.电渣焊时容易产生冷裂纹现象

原因：焊接应力过大，金属较脆；复杂结构，焊缝很多，没有进行中间热处理；高碳钢、合金钢焊后没及时进炉热处理；焊接结构设计不合理，焊缝密集，或在板的中间停焊；焊缝有未焊透、未熔合缺陷，又没及时清理；焊接过程中断，咬边处没及时焊补。

解决措施：设计时，结构上避免密集焊缝，并避免在板中间停焊；对于焊缝很多的复杂结构，在焊接一部分焊缝后，应进行中间清除应力热处理；高碳钢、合金钢焊后应及时进炉，有的要釆取焊前预热、焊后保温措施；要及时清理焊缝上的缺陷，停焊处的咬边要趁热挖补；当室温低于0℃时，电渣焊后要尽量进炉，并采取保温措施。

扩展知识

电渣焊的发展史

多年来人们一直致力于采用单道焊技术代替多层焊技术进行厚板的焊接。20世纪40年代，前苏联基辅巴顿焊接研究所的科学家，在一次埋弧焊试验过程中，发现了焊接电弧熄灭后焊接过程继续进行的现象。他们通过对此现象进行系统研究，提出了利用通电熔渣产生大量的电阻热进行焊接的原理，并进行了工艺及设备的试验。1950年，巴顿焊接研究所向世界公布了一种新型的焊接方法——电渣焊（Electro—slagWelding，ESW），以及厚板单道立焊的电渣焊工艺。电渣焊陆续在塔甘罗格锅炉厂，Bwnaul锅炉厂，No-vo-kramatorsk重型工程机械厂以及整个前苏联得到了应用。

该工艺的创始人B.Paton院士、G.Voloshkevich博士以及他们的合作者，因此获得了列宁奖。1958年，电渣焊技术传入欧洲国家，1959年传入美国。

电渣焊技术于1956年进入我国。哈尔滨锅炉厂首先于1956年引进前苏联的电渣焊设备及其工艺，并在前苏联焊接专家的指导下，进行了A—372P、A—372M型丝极电渣焊机的安装、调试工作，并用于35t/h锅炉（壁厚为46mm）汽包纵缝的焊接。

考证要点

一、填空题

1.电渣焊的坡口形式应选择____。

2.丝极电渣焊焊丝直径通常为____mm。

3.____电渣焊可焊接大断面的短焊缝。

4.能够焊接变断面厚工件的电渣焊方法是____。

5.电渣焊时一般采用的焊接电源外特性是____。

二、判断题

1.电渣焊与埋弧焊无本质区别，只是前者使用的焊接电流大一些。 （ ）

2.电渣焊的主要优点是可焊接很厚的工件，但工件必须是直平面，不能是曲面。 （ ）

3.板极电渣焊的生产率虽然比丝极电渣焊的高，但是由于板条需做横向摆动，因此其设备复杂。 （ ）

4.电渣焊时，渣池温度低，熔渣的更新率也低，所以只能通过焊丝（板极）向熔池渗入必需的合金元素。 （ ）

5.水冷铜滑块的作用是保证渣池和熔化金属不流失，并保证焊缝表面光洁、平整。 （ ）

三、简答题

1.什么是电渣焊？简述电渣焊的原理。

2.电渣焊有什么特点？其类型有哪些？