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上，利用某些方法向焊接熔池內添加合金粉末，使精細的合金粉末被電弧熱和電弧輻射熱同時熔化，電弧能量利用率大幅增加，粉末浪費量減少，增加了熔敷效率并改善了焊接接頭的力學性能。

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—電動金屬粉末計量儀 4—計量儀控制裝置 5—焊絲 6—送絲匹配器 7—送絲滾輪 8—焊劑漏斗 9—導電嘴 10—堆敷焊劑 11—熔渣 12—焊縫金屬

20世紀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，林肯公司開發出的多絲埋弧焊工藝得到了廣泛的應用。瑞典的Hoganas公司在此基礎上成功地把十分精細的金屬粉末應用到傳統的多絲埋弧焊中，如圖1-22所示。其解決了用常規埋弧焊焊接中厚板結構時，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、熱影響區擴大并且性能變壞等所產生的缺點。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，該工藝可以通過控制金屬粉末的粒度及合適的送粉系統來實現金屬粉末基本在電弧周圍熔化。在這種多絲埋弧焊中，精細的金屬粉末被電弧熱和電弧輻射熱同時熔化，電弧能量的利用效率大幅度增加，粉末浪費量減少，增加了熔敷效率，并改善了焊接接頭的力學性能。這種技術廣泛應用于造船、壓力容器、重型機器、橋梁、建筑和海洋石油平臺等領域。

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

金屬粉末埋弧焊與普通埋弧焊相比具有以下特點：

（1）焊縫金屬熔敷率高 表1-20列出了在相同的焊接參數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，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熔化的，減少了母材的過熱；更重要的是，在保持焊絲與焊劑系統氧化還原反應平衡的同時，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，金屬粉末的粒度應較細，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，所以焊接接頭的應力小，焊件變形小。

（4）過程可靠成本低 在焊接過程中，電弧正常燃燒時，因某種原因金屬粉末送進發生中斷，由于金屬粉末和焊絲的化學成分基本相同，不會造成焊接接頭的報廢。使用的金屬粉末盡管比焊絲價格貴，但減少了焊劑的消耗，從而降低了生產成本。

金屬粉末埋弧焊適用于中等強度、低合金高強度結構鋼及重要產品結構鋼的焊接。已生產出適用于高強度鋼金屬粉末埋弧焊的金屬粉末，從而提高了高強度鋼的焊接性。已成功地焊接了厚度為12～55mm、要求高韌性的對接焊縫及筒形結構的縱、環縫，在石油化工容器及海洋化工結構制造中得到了應用。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，其優點逐漸被人們所認識，Hoganas公司成功研制了一種顆粒非常細小的金屬粉末，在焊接過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性能。但是金屬粉末也不能過細，以免在氣流作用下受力飄走。另外，金屬粉末過細時，金屬粉末和導電嘴的加工制作工藝過于復雜，成本昂貴。金屬粉末合適的粒度范圍是0.08～0.22mm，這種適當小的顆粒，才能被電弧的機械力推開，而且金屬顆粒不會停留在電弧的上、下方，而是散布在電弧周圍。

3.金屬粉末的添加方法

（1）單絲焊時金屬粉末的添加方法

1）向前送給法。添加的金屬粉末依據焊絲送給率，經過準確的計算，通過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質量分數為1.7%，已應用在厚度在30mm以上的長對接焊縫和環縫的焊接。

2）焊絲送給法。添加的金屬粉末經過準確計算，由漏斗進入分配器，將一定量的金屬粉末通過焊劑堆敷層之上焊絲導電嘴側的兩個輔助管道向下送。金屬粉末在電磁力作用下被吸向焊絲，隨著焊絲的送進穿過焊劑進入焊接熔池。焊絲的伸出長度可達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）雙絲焊時金屬粉末的添加方法 雙絲焊時可用多種方法送進金屬粉末。最簡單的方法是在雙絲前方送粉，如圖1-21所示。其優點是設計簡單，缺點是送入焊接區的金屬粉末量不精確，熔敷效率低，這種方法僅用于表面或寬坡口焊接；第二種方式是通過位于兩絲間的小管送進，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，電弧位于焊絲和焊件之間，而金屬粉末在電弧周圍熔化，當電弧功率減小時，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.工程應用

1×10⁵m³油罐的直徑為80m，其油罐的底板由12mm×2980mm×14780mm的碳素結構鋼板拼焊而成。首先采用焊條電弧焊封底，然后進行金屬粉末埋弧焊。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、相同的拘束條件下，所產生的縱向變形和角變形分別只有普通埋弧焊的50%和35%。對于4700m²的罐底技術條件，要求焊后平面度偏差不大于60mm，而焊后用水準儀檢測結果平面的平面度最大為24mm，并經磁粉檢測焊縫合格率為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見表1-21。

表1-21 金屬粉末埋弧焊焊接參數