工字梁设计

1 结构与母材性能分析

1.1 工字形梁结构分析

1.1.1 结构特点及应用

工字梁通常用于制作承重桩和支柱。工字梁的宽边和腹板的厚度大致相同。在高层建筑中，通过柱子支撑着的工字梁也用来承受非常大的载荷。此外，工字梁能在平行和垂直腹板的方向上提供平衡外力的作用，工字梁特别适合用来抵抗地震力。 1.1.2 受力情况

焊接组合梁根据其受力特点，可以设计成不同的截面形式。最常用的是由三块钢板焊接而成的工字形截面组合梁（本次设计即是），必要时也可以采用双层翼板组成的截面。当梁的上翼缘平面内还受到侧向作用时，也可以绕强轴不对称的工字形截面或由槽钢和工形钢焊接而成的组合截面。对于两个主平面内具有较大载荷又要求具有较好抗扭刚度的梁，可采用焊接Y 形截面和焊接箱形截面，或型钢焊接组合截面。近年来在轻钢结构中也常用到由薄壁钢板冷弯焊接而成的组合梁或由薄壁钢管代替普通翼缘板与腹板焊接而成的组合梁。

1.2 母材性能分析

1.2.1 Q235-B钢简介

Q235-B 钢是一种普通碳素结构钢，这种钢容易冶炼，工艺性好，价格低廉。而且在力学性能上也能满足一般工程结构及普通机器零件的要求应用十分广泛。Q235-B 表示这种钢的屈服强度为235MPa ，质量等级为B 级，Q235-B 钢含碳量约为0.12% ～0.20%属于低碳钢，

Q235-B 沸腾钢Mn 含量上限为0.60%，S 、P 和非金属夹杂物较多在相同含碳量及热处理条件下，其塑性、韧性较低，加工成形后一般不进行热处理，大都在热轧状态下直接使用，综合性能较好，强度、塑性和焊接等性能得到较好配合，用途最广泛。通常轧制成盘条或圆钢、方钢、扁钢、角钢、工字钢、槽钢、窗框钢等型钢，中厚钢板，大量应用于建筑及工程结构，用以制作钢筋或建造厂房房架、高压输电铁塔、桥梁、车辆、锅炉、容器、船舶等，也大量用作对性能要求不太高的机械零件（如铆钉、螺钉、螺母、轴套、及某些农机零件等）。 1.2.2 化学成分及其影响

Q235-B 钢含有碳、硅、锰、磷、硫等化学元素，具体的化学成分如表1-1所示。

表1-1 Q235-B的化学成分

化学元素对Q235-B 钢性能也有一定的影响，比如对塑性、强度、焊接性的影响，具体影响如表1-2所示。

表1-2 化学元素对Q235-B 钢性能的主要影响

1.2.3 Q235-B钢的力学性能

金属材料的力学性能是指金属材料抵抗外加载荷或外力引起变形和断裂的能力或金属的失效抗力。主要包括：强度、硬度、塑性、韧性、耐磨性和缺口敏感性等性能。Q235-B 钢有一定的伸长率、强度，良好的韧性和铸造性，易于冲压和焊接，广泛用于一般机械零件的制造。主要用于建筑、桥梁工程上质量要求较高的焊接结构件。Q235-B 钢的力学性能如表1-3所示。

表1-3 Q235-B钢的力学性能

1.2.4 Q235-B钢的焊接性分析

Q235-B 钢属于低碳钢。低碳钢因C 、Mn 、Si 含量少，正常情况下焊接时，整个焊接过程不需要采取特殊的工艺措施，如不需要预热、控制层（道）间温度和后热，，焊后也不必采取热处理改善接头热影响区和焊缝组织，其焊接热影响区不会因焊接而引起严重的硬化组织或淬火组织。此时，钢材的塑性和冲击韧性优良。当含碳量在0.12％～0.20％范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。而Q235-B 钢的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接的。但在少数情况下，Q235-B 钢的焊接性也会变差，焊接时出现困难。例如，接头热影响区产生性能不合格几种

情况：接头的性能不合格主要表现为接头的弯曲性能不合格，焊缝热影响区或焊缝的冲击性能不合格，焊接接头的强度不足，疲劳或腐蚀等性能不合格。

对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。因此对于低碳厚板，尤其是特厚板，应关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。

低碳钢焊接热影响区产生冷裂纹，应从焊接热影响区淬硬组织、接头拘束度和焊缝中的含氢量等角度分析，应采取相应的措施防止和解决。低碳钢焊接热影响区出现冷裂纹情况主要是与母材中局部存在S 、P 偏聚及其氧化物形成低熔点的复合相有关。

当含碳量在0.12%～0.20%范围内时，碳素钢的焊接性能最好；含碳量超过上述范围时，焊缝及热影响区容易变脆。而Q235B 的含碳量控制在上述的适宜范围之内，是适合焊接的。但在少数情况下，Q235B 的的焊接性也会变差，焊接时出现困难。例如，接头热影响区产生性能不合格几种情况：接头的性能不合格主要表现为接头的弯曲性能不合格，焊缝热影响区或焊缝的冲击性能不合格，焊接接头的强度不足，疲劳或腐蚀等性能不合格。

对于低碳钢，钢板的厚度增加时，焊接性也会发生变化。因此对于低碳厚板，尤其是特厚板，应关注其钢材心部性能及其与其他部位的性能差异。

2 生产工艺流程图

工字形梁的生产工艺流程图如图2—1所示。

3 装配焊接工艺流程

钢材进厂后，应首先对其尺寸规格进行复检，由于钢材表面的油污、锈蚀和氧化皮等都会影响产品的制造质量。因此在进行材料划线、下料之前必须先进行表面预处理。使用砂轮、钢丝刷、喷丸、喷砂等方法对钢材进行表面除锈。因为自重、支撑不当，或装卸条件不良及其他原因，可能会产生弯曲、扭曲、波浪及表面不平等变形，因此在下料前使用多辊矫平机对钢材进行矫正。

3.1 钢材规格的选用

所设计的工字形梁主体，翼缘板长度25m ，即25000mm ，宽1.4m ，即1400mm ，厚度为24mm ，共2块；腹板长度为25000mm ，宽1952mm ，厚16mm ，共1块；对于肋板，每块长度为1902mm ，宽642mm ，厚度为12mm ，共34块。

根据所设计的工字形梁各个部件的尺寸和数量对钢材规格进行选用，现选用钢材规格如表3—1所示。

表3—1 选用钢材规格及数量

钢材规格选用时要考虑到各种影响，如工字形梁主体尺寸、各个部件尺寸、边缘切割、下料和加工余量等各个方面的综合作用。

3.2 材料复检与预处理

3.2.1 复检

使用前应根据金属材料的出厂质量检验证明书（或合格证）加以鉴定，同时，还必须进行外部质量检查以检查在运输过程中产生的外部缺陷，防止材料型号错乱。对于存在严重外部缺陷的原材料应标记、取出，严禁转入后续生产工序。对于没有出厂证明或新使用的材料必须进行化学成分分析、力学性能检验及焊接性试验后才能投产使用。

焊接钢板不得有机械分层和严重的金相组织分层，钢板表面不得有裂纹、气泡、结疤、折叠、夹杂、压入的氧化皮等缺陷，以上表面缺陷允许用修磨的方法清除，清除深度不应使钢板不小于标准规定的最小厚度，而且要达到表面平滑过渡。钢板入厂检验时，还需要根据供货条件对化学成分、力学性能进行复检。对同一批次的原材料进行编号，并做好标记移植，保证每种钢板与其材质单实现对应，便于查找、追踪、核对等工作。 3.2.2 预处理

①矫正

焊件矫正方法有冷加工法和热加工法。冷加工包括手工矫正和机械矫正。冷加工矫正有时会使金属产生冷作硬化，并且会产生附加应力，一般对尺寸较小、变性较小的零件可以采用。对于变性较大的应采用热加工矫正（火焰矫正）。

火焰矫正法是利用可燃气体与助燃气体混合燃烧放出的热量对变形件的局部进行加热，使之产生压缩塑性变形，使伸长的部位冷却

后局部缩短，利用收缩产生变形抵消焊接引起的变形。加热采用的主要是气焊炬，操作简单方便，对机械矫正的变形，尤其是大型钢结构的变形，采用火焰矫正法可达到较好的效果。本次加工构件较大，故用火焰矫正法。

在对钢材进行火焰矫正时，使用气割的大号割炬，采用中性氧丙烷焰作为加热源。加热温度的高低取决于工件厚度、材质、结构形式和回火温度的大小，要控制在钢材回火温度以下。加热部位及形状也以工件的结构形式和变形情况而定。其基本原则是在平面突起部位及弯曲凸出的一侧，及纤维被拉长处进行加热。加热区的大小和数量以完全得到矫正为依据。

②机械喷砂清理

机械喷砂清理是利用净化的压缩空气，将砂流剧烈的喷向金属材料表面，利用磨料的强力撞击作用去除金属材料表面的污垢物，其成本较低。机械喷砂清理不仅用于材料预处理，在焊接结构的后处理工艺中也要用其进行除锈。

机械喷砂处理分为干喷砂法和湿喷砂法。由于环境污染小、劳动条件较好，所以采用湿喷砂法。湿喷砂法的在砂料中加入一定量的水，使之成为砂水混合物，以减少砂料对金属表面的冲击作用，从而减少金属材料的磨损量，使金属表面更光洁。在喷砂除锈处理时，水砂比值控制在7：3，所使用的压缩空气压力为0.5～0.7MPa 。320～400目的水砂粒中，应加入10%膨润土作为悬浮剂，以防止砂粒沉入储存箱底。水中还可加入0.5%碳酸钠和0.5%的重铬酸钠作缓蚀剂。

经过湿喷砂处理的金属材料尽量减少触摸，并及时进行表面处理，以防止短期内再度生锈。表面防护处理方法一般是喷涂专用防护底漆或进行钝化处理。钝化时可以在10%磷酸锰铁水溶液中浸泡10s ，也可在2%亚硝酸钠水溶液中钝化1s 。表面所加上的防护层（钝化或专用底漆），焊接时毋需清除，对焊接质量没有影响。

3.3 加工余量与放样、划线、号料

3.3.1 加工余量

对钢板进行切割和坡口加工前，需要进行放样、划线与号料工序。放样、划线与号料的工作好坏对后序加工及半成品、最终产品的质量都有重要影响。在这些工序中，需要考虑焊接收缩变形及气体火焰切割间隙的影响。焊接收缩量参考值如表3—2所示，气体火焰下料的切割间隙如表3—3所示。

表3—2 焊接收缩量参考表 焊缝横向收缩量参考表

焊缝纵向收缩量近似值/（mm ·m ）

表3—3 火焰切割下料切割间隙值

在进行材料放样时应综合考虑横向收缩、纵向收缩和下料切割间隙值等各个方面的影响。 3.3.2 放样、划线、号料

在金属结构制造前，按产品零件图纸的要求，在放样台上用1:1比例绘出实际零件的展开图形和尺寸。放样的目的是确定零件毛坯的下料尺寸，为此它在零件的展开尺寸基础上，还要考虑焊接加工工艺的特点，如焊缝的收缩变形量、坡口加工余量等有关工序所需要的加工余量。

因为每块钢板的边缘部分要切割掉不用，所以放样时要将钢材的尺寸向里缩小一部分，具体为40mm ，40mm ，40mm ，40mm ，30mm ，所得到的钢板尺寸如表3—4所示。

表3—4 钢材原尺寸与边缘加工后尺寸比较

这样，每块⑤号板的尺寸为5940×1940×12，对其进行切割时，宽度作为肋板的长度，即1940mm ；长度方向上可以切割成9份，考虑到切割间隙，每份的尺寸为660mm 。这样，每块号板便可以得到9块肋板。

综上，理论上各个部位的尺寸为：翼缘板25160×1440×24，腹板25160×2000×16，肋板1940×660×12。

划线是将待加工零件毛坯下料尺寸直接在材料上放样划线，或者利用样板在金属材料上进行零件轮廓线的复制。为避免金属材料在搬运过程中将零件的轮廓线擦去，在金属材料的轮廓线上用小锤和冲子打上标记，即是号料。综合考虑，本次加工用样板号料较为方便省时。

3.4下料方法及设备

下料用的方法用全自动火焰切割。气割是利用气体火焰的热能将工件切割处金属预热到一定温度后，喷出高速切割氧流，使预热处金属燃烧并放出热量实现切割的方法。钢材的切割是利用气体火焰（称预热火焰）将钢材表面加热到能够在氧气流中燃烧的温度（即燃点），然后送进高纯度、高流速的切割氧，使钢中的铁在氧氛围中燃烧生成氧化铁熔渣，同时放出大量的热。借助这些燃烧热和熔渣不断加热钢材的下层和切口前缘，使之也达到燃点，直到工件的底部。与此同时，切割氧流把氧化铁熔渣吹掉，从而形成切口将钢材切割开。

气体火焰切割的实质是被切割的材质在纯氧中燃烧的过程，不是熔化过程。从宏观上来说，气体火焰切割是钢中的铁在高纯度氧中燃烧的化学过程和借助切割氧流动量排除熔渣的物理过程相结合的一种加工方法。低碳钢及其氧化物的熔点、燃烧热及切割性如表3—5所示。

表3—5 低碳钢及其氧化物的熔点、燃烧热及切割性

气割中常用的气体有乙炔、丙烷、石油气及各种混合燃气等。其中，乙炔和丙烷是最常用的两种气体。它们的的物理性能和化学性能比较如表3—6所示。

表3—6 乙炔与丙烷的性能比较

根据使用效果、成本、气源等情况综合分析，丙烷是乙炔比较理想的代用燃料。氧-丙烷切割要求氧气纯度高于99.5%，丙烷气的纯度也要高于99.5%。与氧-乙炔火焰切割相比，氧-丙烷切割的特点如下：

①切割面上缘不烧塌，熔化量少；切割面下缘黏性熔渣少，易于清除；

②切割面的氧化皮易剥落，切割面的粗糙度相对较低； ③切割厚钢板时不塌边，后劲足，切口表面光洁，棱角整齐，精度高；

④倾斜切割时，倾斜角度越大，切割难度越大； ⑤比氧-乙炔切割成本低，总成本约降低30%以上。 综上，所以选用的燃气是丙烷气，而不是乙炔气。

氧-丙烷切割按使用的割炬分为射吸式割炬和等压式，射吸式割炬用于手工切割，等压式割炬多用于机械切割。氧丙烷等压式割炬机械切割的工艺参数如表3—7所示。

切割时，切割氧压力取决于割嘴类型和嘴号，可根据工件厚度选择氧气压力。切割氧气压力过大，易使切口变宽、粗糙；压力过小，易造成粘渣。切割氧气压力的推荐值如表3—8所示。

表3—8 切割氧压力推荐值

综上，可选切割参数：切割翼缘板，切割氧压力0.6MPa ，切割速度：250～300mm/min；切割腹板，切割氧压力0.6MPa ，切割速度为350～450mm/min；切割筋板，切割氧压力为0.5MPa ，切割速度为350～450mm/min。

切割前，应仔细清除切割金属表面的铁锈、尘垢和油污。切割时，预热火焰开始用氧化焰（氧气与丙烷混合比为5：1），以缩短预热时间。正常切割时转换用中性焰（混合比为3.5:1）。相对于氧-乙炔切割，氧-丙烷切割速度要慢一些。

3.5 装配与焊接

3.5.1 翼板与腹板的装配焊接

①、装配

对称的工字断面的梁结构制造的程序应是先装配后焊接，即先装配成工字形状并定位焊后再进行焊接。不应边装配边焊接，即不能先焊成T 形断面再装另一翼板，最后焊成完整的工字形，这样做变形大、工序多、生产周期长。

装配时先在翼板上划出腹板的位置线，如图3-1a 所示。并焊上定位角铁2。为便于吊装在腹板背上角铁，如图3-1b 所示。用90°角尺检查腹板与翼板的垂直度，如图3-1c 所示。

图3-1 工字形结构的装配

a) 划线与安装定位角铁 b)装配T 形梁 c)装配工字梁 1、3－翼板 2－定位角铁 4－腹板 5－吊具 6－直角尺

②、定位焊

此次装配选择二氧化碳气体保护焊进行定位焊。定位焊是为了装

配和固定焊件上的接缝位置而进行的焊接。定位焊缝本身易产生气孔和夹渣，也是导致随后二氧化碳气体保护焊时产生气孔和夹渣的主要原因，所以必须认真地焊接定位焊缝。定位焊缝间距为150～250mm ，为增加定位焊缝的强度，应适当增大定位焊缝长度，一般为2～40mm 长。焊丝为H08Mn2SiA ，具体焊接工艺参数如表3—9所示。

表3-9 定位焊焊接参数

③、焊接工艺

为保证四条纵向角焊缝的焊接质量，生产中常采用“船形”位置施焊，其倾角为45°。图3-2即为倾斜焊件的简易装置。

图3-2 倾斜焊件的简易装置

工字形柱四条纵向角焊缝采用埋弧自动焊进行焊接，需安装引弧板和熄弧板，焊前要认真清理焊接区。焊丝为H08A ，焊剂为HJ431。具体焊接工艺参数如表3—10所示。

焊接顺序如图3-3所示。

图3-3 工字形结构的焊接顺序

焊后采用气体火焰加热对焊接变形进行矫正，至此工字形结构制造完成。

3.5.2 肋板焊缝的焊接工艺

先在腹板上划肋板装配线，使用合适的夹紧器（如永磁式夹紧器）予以定位夹紧。肋板的焊接选用二氧化碳气体保护焊。

焊丝选用H08Mn2SiA ，具体焊接工艺参数如表3—11所示。

表3-11 肋板焊缝的焊接参数

3.5.3 肋板纵向角焊缝的焊接工艺

由于肋板与腹板的焊接已完成，经焊接变形矫正后即可对其进行肋板纵向角焊缝（肋板与翼板之间的焊缝）的焊接。选用二氧化碳气体保护焊进行焊接，焊丝选用H08Mn2SiA ，具体焊接参数如表3-12所示。

肋板焊接完成后，如果没有变形，在长度方向上测量一定尺寸切

割后进行端面铣平或磨平；如果存在变形，则焊后对其进行矫正后再进行定尺加工。

以上所有工序完成之后，使用超声波对工字形梁整体进行探伤，检验合格后方可出厂。

4. 焊接变形

4.1焊接变形种类

焊接结构焊后的残余变形，主要可分为以下六种：

①纵向收缩变形：构件焊后在焊缝方向发生收缩。如图4-1所示（a ）。

②横向收缩变形：构件焊后在垂直焊缝方向发生收缩。如图4-1所示（a ）。焊接结构焊后出现的收缩变形是难以修复的，必须在构件下料时加余量。

③弯曲变形：构件焊后发生弯曲。如图4-1所示（c ）。这种焊接变形是由于构件上的焊缝不对称或焊件断面形状不对称、焊缝的纵向收缩和横向收缩而产生的变形。

④角变形：焊后构件的平面围绕焊缝产生的角变形。如图4-1所示（b ）。主要由于焊缝截面形状不对称，或施焊层次不合理致使焊缝在厚度方向上横向收缩量不一致所产生的。

⑤波浪边形：焊后构件呈波浪形。如图4-1所示（e ）。这种变形在薄板焊接时容易产生。产生原因是由于焊缝的纵向收缩和横向收缩在拘束度较小结构部位造成较大的压应力而引起的变形；或由几条相互平行的角焊缝横向收缩产生的角变形而引起的组合变形；或由上述两种原因共同作用而产生的变形。

⑥扭曲变形：焊后沿构件的长度出现螺旋形变形。如图4-1所示（d ）。这种变形是由于装配不良、施焊程度不合理，致使焊缝纵向收缩和横向收缩没有一定规律而引起的变形。

（a ）纵向收缩和横向收缩 （b ）角变形 （c ）弯曲变形

（d ）扭曲变形 （e ）波浪边形

图4-1 焊接变形种类

以上几种类型的变形，在焊接结构生产中往往并不是单独出现的，而是同时出现、相互影响。焊接变形是焊接结构生产中经常出现的问题。比较复杂的变形，矫正的工作量比焊接工作量还要大。如果矫正不当，会造成废品。

4.2 减少和预防焊接变形的方法

4.2.1 退火消除焊接变形法

焊接残余应力是引起焊接变形的根源，没有焊接残余应力存在就不会产生焊接变形。对此可将组装定位焊成形的构件，根据焊接变形规律、焊接变形方向将待焊件夹持于刚形体或两预测变形相反的待焊件相互点焊一起，然后施焊。焊接时刚形体或两焊件点焊一起相互约束可抵制焊接变形产生，但焊接残余应力仍存在。当拆除约束后，焊接变形随之产生。对于低碳结构钢（如本次设计的Q235B ），将其放

入退火炉中垫平加热。退火规范选择600～650℃，保温4h 。加热温度要求均匀，冷却缓慢（最好随炉缓冷）到室温，则焊接结构件消除残余应力比较彻底，可使焊接结构件不产生焊接变形。 4.2.2 刚性固定法

刚性大的焊件焊后变形一般较小。当焊件刚性较小时，利用外

加刚性拘束方法，以较少焊件焊后变形的方法称为刚性固定法。这种方法是采用强制手段减少焊接变形的一种方法。采用这种方法焊接变形比自由状态下焊接变形小。这种方法对于板件厚度小于10mm 、形状较小的薄板焊件效果较好。对成批量生产的小型焊件，可做成组装定位焊及焊接胎具。对于厚度大于12mm 的大型焊件，虽不能完全消除焊接变形，但可减少变形。 4.2.3 反变形法

反变形法是减少焊接变形的普遍应用方法。反变形是在构件未焊前，先将构件预制成人为的变形，使其变形方向与焊接引起的变形相反，则焊后构件的 变形与预制变形可互相抵消，达到构件变形减少或消除焊接变形。对于工型钢，焊件反变形法主要包括：

工字梁翼缘板的塑性反变形法

工字梁翼缘板的塑性反变形法，即翼缘板要采用压力机压出角变形，这种角变形是将翼缘板在预弯处加外力，使其截面产生的弯曲应力大于翼缘板材料的屈服点σS ，则翼缘板产生塑性弯曲变形，这种变形成塑性反变形法。如图4-2所示。

图4-2 翼缘板反变形

根据以下公式计算：

ɑ=（btan α）/2

式中ɑ——反变形量；

b ——翼缘板宽度；

α——翼缘板反变形角。其数值大小与盖板的厚度、焊脚尺寸K 及焊接方法有关。

②弹性反变形法

在难以进行塑性变形预弯时，用卡具在预测焊接变形的相反方向加外力使其产生相反方向变形，则焊接变形便会减小。

4.2.4 正确的焊接顺序

当主梁的截面和上下焊缝对称时，先焊接梁的下面两道焊缝比先焊接上面两道焊缝产生的拱曲变形大。由于先焊下部寒风冷却后收缩，相当于梁上加一个弯矩，使梁上部产生拉应力，则焊接上部焊缝是在受拉应力区焊接，则焊接弯曲变形比先焊的两道焊缝弯曲变形小。

焊接主梁上盖板与筋板的焊缝，为避免焊接方向的影响，可采取

如图4-3所示的焊接方向，即由中间向两边焊接或两边相反方向焊接。

图4-3 影响焊接变形最小的焊接方向

5 埋弧自动焊

5.1 埋弧自动焊的原理

焊接电源的两极分别接至导电嘴和焊件。焊接时，颗粒状焊剂由焊剂漏斗经软管均匀地堆敷到焊件的待焊处，焊丝由焊丝盘经送丝机构和导电嘴送入焊接区，电弧在焊剂下面的焊丝与母材之间燃烧。电弧热使焊丝、焊剂及母材局部熔化和部分蒸发。金属蒸气、焊剂蒸气和冶金过程中析出的气体在电弧的周围形成一个空腔，熔化的焊剂在空腔上部形成一层熔渣膜。这层熔渣膜如同一个屏障，使电弧、液体金属与空气隔离，而且能将弧光遮蔽在空腔中。在空腔的下部，母材局部熔化形成熔池；空腔的上部，焊丝熔化形成熔滴，并以渣壁过渡的形式向熔池中过渡，只有少数熔滴采取自由过渡。随着电弧的向前移动，电弧力将液态金属推向后方并逐渐冷却凝固成焊缝，熔渣则凝固成渣壳覆盖在焊缝表面。

在焊接的过程中，焊机不仅起着保护焊接金属的作用，而且起着冶金处理的作用，即通过冶金反应清除有害杂质和过渡有益的合金元素。

5.2 埋弧自动焊的特点及应用

5.2.1 埋弧自动焊的特点

埋弧自动焊的优点：

（1）生产效率高 埋弧焊所用的焊接电流可大到1000A 以上，比焊条电弧焊高5～7倍，因而电弧的熔深能力和焊丝熔敷效率都比较大。这也使得焊接速度可以大大提高。

（2）焊接质量好 这一方面是由于埋弧焊的焊接参数可通过电弧自动调节系统的调节能够保持稳定，对焊工操作技术要求不高，因而焊缝成形好，成分稳定；另一方面也与采用熔渣进行保护，隔离空气的效果好有关。

（3）劳动条件好 埋弧焊时，没有刺眼的弧光，也不需要焊工手工操作。这既能改善作业环境，也能减轻劳动强度。

（4）节约金属及电能 对于20～25mm 厚一下的焊件可以不开破口焊接，这既可节省由于加工坡口而损失的金属，也可使焊缝中焊丝的填充大大减少。同时，由于焊剂的保护，金属的烧损和飞溅也大大减少。由于埋弧焊的电弧热量能得到充分的利用，单位长度焊缝上所消耗的电能也大大降低。

埋弧自动焊的缺点：

（1）焊接适用的位置受到限制 由于采用颗粒状的焊剂进行焊接，因此一般只适用于平焊位置的焊接，如平焊位置的对接接头、角接接头以及堆焊等。对于其他位置，则需要采用特殊的装置以保证焊剂对焊缝区的覆盖。

（2）焊接厚度受到限制 这主要是由于当焊接电流小于100A 时电弧的稳定性通常变差，因此不适于焊接厚度小于1mm 的薄板。

（3）对焊件坡口加工与装配要求较严 这是因为埋弧焊时不能直接观察电弧与坡口的相对位置，必须保证坡口的加工和装配精度，或者采用焊缝自动跟踪装置才能保证不焊偏。

5.2.2 埋弧自动焊的应用

埋弧焊已有70多年历史，至今仍是现代焊接生产中生产效率高、应用广泛的熔焊方法之一。由于埋弧焊具有生产效率高、焊缝质量好、熔深大、机械化程度高等特点，其应用广泛，至今仍是锅炉、压力容器、船舶、桥梁、起重机械、工程机械、冶金机械以及海洋结构、核电设备等制造的主要焊接手段，特别是对于中厚板、长焊缝的焊接具有明显的优越性。

可焊接的钢种有：碳素结构钢、低合金结构钢、不锈钢、耐热钢以及复合钢等。此外，用埋弧焊堆焊耐热、耐蚀合金，或焊接镍基合金、同基合金等也能获得很好的效果。

5.3 埋弧自动焊的焊接工艺

5.3.1 埋弧焊的焊接材料及选用

①、焊丝

焊丝在埋弧焊中是作为填充金属的，也是焊缝金属的组成部分，所以对焊缝质量有直接影响。根据焊丝的成分和用途可将其分为碳素结构钢焊丝、合金结构钢焊丝和不锈钢焊丝三大类。

在选择埋弧焊用焊丝时，最主要的是考虑焊丝中锰和硅的含量。无论是采用单道焊还是多道焊，应考虑焊丝向熔敷金属中过渡的Mn 、Si 对熔敷金属力学性能的影响。

为适应焊接不同厚度材料的要求，同一牌号的焊丝可加工成不同的直径。

焊丝一般成卷供应，使用前要盘卷到焊丝盘上，在盘卷及清理过

程中，要防止焊丝产生局部小弯曲或在焊丝盘中相互套迭。否则，会影响焊接时正常送进焊丝，破坏焊接过程的稳定，严重时会迫使焊接过程中断。

②、焊剂

焊剂在埋弧焊中的主要作用是造渣，以隔绝空气对熔池金属的污染，控制焊缝金属的化学成分，保证焊缝金属的力学性能，防止气孔、裂纹和夹渣等缺陷的产生。同时，考虑实施焊接工艺的需要，还要求焊剂具有良好的稳弧性能。

埋弧焊的焊剂可按制造方法、用途、化学成分、化学性质以及颗粒结构等分类。我国目前主要是按制造方法和化学成分分类。按制造方法可将焊剂分为熔炼焊剂、烧结焊剂和粘结焊剂三大类。

③、焊剂和焊丝的选用与配合

焊剂和焊丝的正确选用及二者之间的合理配合，是获得优质焊缝的关键，也是埋弧焊工艺过程的重要环节。所以必须按焊件的成分、性能和要求，正确、合理地选配焊剂和焊丝。

在焊接低碳钢和强度等级较低的合金钢时，选配焊剂和焊丝通常以满足力学性能要求为主，使焊缝强度达到与母材等强度，同时要满足其它力学性能指针要求。在此前提下，即可选用下面两种配合方式中的任何一种：用高锰高硅焊剂配合低碳钢焊丝或含锰焊丝；用无锰高硅或低锰中硅焊剂配合高锰焊丝。

在进行埋弧焊焊剂与焊丝的选配时，还应考虑埋弧焊的工艺特点和冶金特性。

5.3.2 埋弧焊的冶金过程的特点

埋弧焊的冶金过程是指液态熔渣与液态金属以及电弧气氛之间的相互作用，其中主要包括氧化、还原反应，脱硫脱磷反应以及去除气体等过程。埋弧焊冶金过程具有下列特点：

1、空气不易侵入焊接区

2、冶金反应充分

3、焊缝金属的合金成分易于控制

4、焊缝金属纯度较高且成分均匀

5.3.3 埋弧焊焊接工艺

1、焊前准备

埋弧焊的焊前准备包括焊件的坡口加工、焊件的清理与装配、焊丝表面清理及焊剂烘干、焊机检查与调整等工作。

①．坡口的选择与加工

由于埋弧焊可使用较大电流焊接，电弧具有较强穿透力，所以当焊件厚度不太大时，一般不开坡口也能将焊件焊透。但随着焊件厚度的增加，不能无限地提高焊接电流，为了保证焊件焊透，并使焊缝有良好的成形，应在焊件上开坡口。坡口形式与焊条电弧焊时基本相同，其中尤以Y 形、X 形、U 形坡口最为常用。当焊件厚度为10～24mm 时，多为Y 形坡口；厚度为24～60mm 时，可开X 形坡口；对一些要求高的厚大焊件的重要焊缝，如锅炉锅筒等压力容器，一般多开U 形坡口。埋弧焊焊缝坡口的基本形式已经标准化，各种坡口适用的厚度、基本尺寸和标注方法见GB/T986-1988的规定。

②．焊件的清理与装配

焊件装配前，需将坡口及附近区域表面上的锈蚀、油污、氧化物、水分等清理干净。焊件装配时必须保证接缝间隙均匀，高低平整不错边，特别是在单面焊双面成形的埋弧焊中更应严格控制。

③．焊丝表面清理与焊剂烘干

埋弧焊用的焊丝要严格清理，焊丝表面的油、锈及拔丝用的润滑剂都要清理干净，以免污染焊缝造成气孔。焊剂在运输及储存过程中容易吸潮，所以使用前应经烘干去除水分。

④．焊机的检查与调试

2、对接接头的埋弧焊工艺

①、对接接头单面焊：焊剂铜衬垫法、水冷滑块式铜衬垫法、热固化焊剂衬垫法。

②、对接接头双面焊：悬空双面焊法、焊剂垫双面焊法、临时工艺衬垫双面焊法、焊条电弧焊封底双面焊法、多层双面焊法。

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