第二章电弧焊

第二章手工电弧焊焊条电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的电弧焊方法。焊条电弧焊时，在焊条末端和工件之间燃烧的电弧所产生的高温使焊条药皮与焊芯及工件熔化，熔化的焊芯端部迅速地形成细小的金属熔滴，通过弧柱过渡到局部熔化的工件表面，融合一起形成熔池。药皮熔化过程中产生的气体和熔渣，不仅使熔池和电弧周围的空气隔绝，而且和熔化了的焊芯、母材发生一系列冶金反应，保证所形成焊缝的性能。随着电弧以适当的弧长和速度在工件上不断地前移，熔池液态金属逐步冷却结晶，形成焊缝。熔池电弧保护气焊芯药皮母材焊缝熔壳熔渣熔滴1.焊条电弧焊的优缺点1.1焊条电弧焊的优点：1.1.1使用的设备比较简单，价格相对便宜并且轻便。焊条电弧焊使用的交流和直流焊机都比较简单，焊接操作时不需要复杂的辅助设备，只需配备简单的辅助工具。因此，购置设备的投资少，而且维护方便，这是它广泛应用的原因之一。1.1.2不需要辅助气体防护。焊条不但能提供填充金属，而且在焊接过程中能够产生保护熔池和焊接处避免氧化的保护气体，并且具有较强的抗风能力。1.1.3操作灵活，适应性强。焊条电弧焊适用于焊接单件或小批量的产品，短的和不规则、空间任意位置的以及其它不易实现机械化焊接的焊缝。凡焊条能够达到的地方都能进行焊接。1.1.4应用范围广，使用适用于大多数工业用的金属和合金的焊接。焊条电弧焊选用合适的焊条不仅可以焊接碳素钢、低合金钢，而且还可以焊接高合金钢及有色金属，不仅可以焊接同种金属，而且可以焊接异种金属，还可以进行铸铁焊补和各种金属材料的堆焊等。1.2焊条电弧焊的缺点：1.2.1对焊工操作技术要求高，焊工培训费用大。焊条电弧焊的焊接质量，除靠选用合适的焊条、焊接工艺参数和焊接设备外，主要靠焊工的操作技术和经验保证，即焊条电弧焊的焊接质量在一定程度上决定于焊工操作技术。因此必须经常进行焊工培训，所需要的培训费用很大。1.2.2劳动条件差。焊条电弧焊主要靠焊工的手工操作和眼睛观察完成全过程，焊工的劳动强度大，并且始终处于高温烘烤和有毒的烟尘环境中，劳动条件比较差，因此要加强劳动保护。1.2.3生产效率低。焊条电弧焊主要靠手工操作，并且焊接工艺参数选择范围较小，另外，焊接时要经常更换焊条，并要经常进行焊道熔渣的清理，与自动焊相比，焊接生产率低。1.2.4不适于特殊金属以及薄板的焊接。对于活泼金属（如Ti、Nb、Zr等）和难熔金属（如Ta、Mo等），由于这些金属对氧的污染非常敏感，焊条的保护效果不够好，焊接质量达不到要求，所以不能采用焊条电弧焊；对于低熔点金属如Pb、Sn、Zn及其合金等，由于电弧的温度对其来讲太高，所以也不能采用焊条电弧焊焊接。另外，焊条电弧焊的焊接工件厚度一般在1.5mm以上，1mm以下的薄板不适于焊条电弧焊。由于焊条电弧焊具有设备简单、操作方便、适应性强，能在空间任意位置焊接的特点，所以被广泛用于各个工业领域，是应用得最广泛的焊接方法之一。2.焊条电弧焊电弧的特性2.1焊条电弧焊电弧的静特性由于焊条电弧焊使用的焊接电流较小，特别是电流密度较小，所以焊条电弧焊电弧的静特性处于水平段，在焊条电弧焊电弧水平段区间，弧长基本保持不变时，若在一定范围内改变电流值，电弧电压几乎不发生变化，因而焊接电流在一定范围内变化时，电弧均稳定燃烧。2.2电弧的温度分布焊条电弧焊在焊条末端和工件间燃烧，焊条和工件都是电极，电弧阴、阳两极的最高温度接近于材料的沸点，焊接钢材时，阴极约2400℃，阳极约2600℃，电弧的温度为6000～7000℃。随着焊接电流的增大，弧柱的温度也增高。由于交流电弧两个电极的极性在不断地变化，故两个电极的平均温度是相等的，而直流电弧正极的温度比负极高200℃左右。2.3电弧偏吹焊接过程中因气流干扰、磁场作用或焊条偏心等影响，使电弧中心偏离电极轴线的现象，称为电弧偏吹。2.3.1产生电弧偏吹的原因：（1）焊条偏心产生的偏吹：焊条的偏心度过大，造成焊条药皮厚薄不均匀，药皮较厚的一边比药皮较薄的一边熔化时吸收的热量多，药皮较薄的一边很快熔化而使电弧外露，迫使电弧偏吹。（2）电弧周围气流产生的偏吹：电弧周围气体流动过强也会产生偏吹。造成电弧周围气体流动过强的因素很多，主要是大气中的气体和热对流作用。如在露天大风中焊接操作时，电弧偏吹就很严重；在管线焊接时，由于空气在管子中的流速较大，形成“穿堂风”，使电弧偏吹；如果对接接头的间隙较大，在热对流的影响下也会产生偏吹。（3）焊接电弧的磁偏吹：直流电弧焊时，因受到焊接回路所产生的电磁力的作用而产生的电弧偏吹，称为焊接电弧的磁偏吹。产生磁偏吹的原因有：a.接地线位置不适当引起磁偏吹。如图所示。通过焊件的电流在空间产生磁场，当焊条与焊件垂直时，电弧左侧的磁力线密度较大，而电弧右侧的磁力线稀疏，磁力线的不均匀分布致使密度大的一侧对电弧产生推力，使电弧偏离轴线。b.不对称铁磁物质引起磁偏吹，如图所示。焊接时，在电弧一侧放置一块钢板（导磁体）时，由于铁磁物质的导磁能力远远大于空气，铁磁物质侧的磁力线大部分都通过铁磁物质形成封闭曲线，致使电弧同铁磁物质之间的磁力线密度降低，所以在电磁力作用下电弧向铁磁物质一侧偏吹。c.电弧运动钢板的端部时引起磁偏吹，如图所示。这是因为电弧到达钢板端头时导磁面积发生变化，引起空间磁力线在靠近焊件边缘的地方密度增加，所以在电磁力作用下，产生了指向焊件内侧的磁偏吹2.3.2防止电弧偏吹的措施（1）焊接过程中遇到焊条偏心引起的偏吹，应立即停弧。如果偏心度较小，可转动焊条将偏心位置移到焊接前进方向，调整焊条角度后再施焊：如果偏心度较大，就必须更换新的焊条。（2）焊接过程中若遇到气流引起的偏吹，要停止焊接，查明原因，采用避挡等方法来解决。（3）当发生磁偏吹时，可以将焊条向磁偏吹相反的方向倾斜，以改变电弧左右空间的大小，使磁力线密度均匀，减小偏吹程度；改变接地线位置或在焊件两侧加接地线，可减少因导线接地位置引起的磁偏吹。另外采用短弧焊，也可减小磁偏吹。因交流的电流和磁场的方向都是不断变化的，所以采用交流弧焊电源可防止磁偏吹。2.4熔滴和熔池的作用力焊接电弧不但是一个热源，而且也是一个力源，熔滴过渡过程中，熔滴和熔池会受到各种外力的作用。采用一定的工艺措施，可以改变熔滴和熔池上的作用力，保证焊接过程的稳定性，控制焊缝成形，减少焊接飞溅，从而获得良好的焊接接头。2.4.1重力：重力使物体始终具有下垂的倾向。平焊时，熔滴的重力会促进熔滴过渡，而熔池在重力的作用下，如果温度过高，熔池过大，则会产生焊瘤和烧穿现象。立焊和仰焊时，重力阻碍熔滴向熔池过渡，采用短弧焊可以克服重力的影响。2.4.2表面张力：平焊时，液态熔滴表面张力会阻碍熔滴过渡，而仰焊时，熔滴表面张力可使其不易滴落，有利于向熔池过渡。熔池液态金属表面张力使熔池力求趋于保持平面，可在一定程度上阻止重力所引起的表面凹陷。同时，在熔滴与熔池短路接触时，熔池表面张力可将熔滴拉入熔池，加速熔滴的短路过渡。2.4.3电弧气体吹力：焊条电弧焊时，焊条药皮的熔化速度比焊芯的熔化速度稍慢一些，在焊条熔化端头形成一个套筒，药皮成分中的造气剂熔化后产生大量的气体从套管中喷出，并在高温状态下体积急剧膨胀，沿焊条的轴线方向形成挺直稳定的气流，把熔滴吹入熔池中去。在任何焊接位置，电弧气体吹力都有助于熔滴过渡。2.4.4电磁压缩力：焊条电弧焊是将焊条及焊条末端的熔滴作为导体，当有焊接电流通过后就会在它们周围产生磁场，并产生从四周向中心的电磁压缩力。焊条末端熔滴的缩颈部分电流密度较大，产生的电磁压缩力也较强，可促使熔滴很快地脱离焊条端部向熔池过渡。2.4.5极点压力：在焊接电弧中，极点压力是阻碍熔滴过渡的力。当采用直流反接时，电子的压力阻碍熔滴过渡。由于阳离子质量大，阳离子流比电子流的压力大，所以直流反接时，容易产生细颗粒过渡，而正接时则不容易。3.焊接设备3.1基本焊接电路焊条电弧焊的基本电路由交流或直流弧焊电源、焊钳、电缆、焊条、电弧、工件及地线等组成。焊钳电弧焊条工件弧焊电源用直流电源焊接时，工件和焊条与电源输出端正、负极的接法，称极性。工件接直流电源正极，焊条接负极时，称正接或正极性；工件接负极，焊条接正极时，称反接或反极性。交流电源焊接时，极性在不断变化，所以不用考虑极性接法。用直流电源焊接时，工件和焊条与电源输出端正、负极的接法，称极性。工件接直流电源正极，焊条接负极时，称为正接或正极性；工件接负极，焊条接正极时，称反接或反极性。无论采用正接还是反接，主要从电弧稳定燃烧的条件来考虑。不同类型的焊条要求不同的接法，一般在焊条说明书上都有规定。用交流弧焊电源焊接时，极性在不断变化，所以不用考虑极性接法。3.2弧焊电源3.2.1电源种类与比较焊条电弧焊采用的焊接电流既可以是交流也可以是直流，所有焊条电弧焊电源既有交流电源也有直流电源。目前，我国焊条电弧焊用电电源有三大类：交流弧焊变压器、直流弧焊发电机和弧焊整流器（包括逆变弧焊电源），前一种属于交流电源，后两种属于直流电源。弧焊变压器用以将电网的交流电变成适宜于弧焊的交流电。与直流电源相比，具有结构简单、制造方便、使用可靠、维修容易、效率高和成本低等优点，在目前国内焊接生产应用中仍占很大的比例。直流弧焊发电机虽然稳弧性好，经久耐用，电网电压波动的影响小，但硅钢片和铜导线的需要量大，空载损耗大，结构复杂成本高，已被列入淘汰产品晶闸管弧焊整流电源引弧容易，性能柔和，电弧稳定，飞溅少，是理想的更新换代产品。3.2.2电源的选择焊条电弧焊要求电源具有陡降的外特性、良好的动特性和适合的电流调节范围。选择焊条电弧焊电源应主要考虑以下因素：所要求的焊接电流的种类；所要求的电流范围；弧焊电源的功率；工作条件和节能要求等。电流的种类有交流、直流或交直流两用，主要是根据所使用的焊条类型和所要求焊接的焊缝形式进行选择。低氢钠型焊条必须选用直流弧焊电源，以保证电弧稳定燃烧。酸性焊条虽然交、直流均可使用，但一般选用结构简单且价格较低的交流弧焊电源。其次，根据焊接产品所需的焊接电流范围和实际负载持续率来选择弧焊电源的容量，即弧焊电源的额定电流。额定电流是在额定负载持续率条件下允许使用的最大焊接电流，焊接过程中使用的焊接电流如果超过这个额定焊接电流值，就要考虑更换额定电流值大一些的弧焊电源或者降低弧焊电源的负载持续率。3.3常用工具和辅具焊条电弧焊常用工具和辅具有焊钳、焊接电缆、面罩、防护服、敲渣锤、钢丝刷和焊条保温筒。3.3.1焊钳焊钳是用以夹持焊条进行焊接的工具。主要作用是使焊工夹住和控制焊条，同时也起着从焊接电缆向焊条传导焊接电流的作用。焊钳应具有良好的导电性、不易发热，重量轻、夹持焊条牢固及装换焊条方便等特性。3.3.2焊接电缆利用焊接电缆将焊钳和接地夹钳接到电源上。焊接电缆是焊接回路的一部分，除要求应具有足够的导电截面以免过热而引起导线绝缘破坏外，还必须耐磨和耐擦伤，应柔软易弯曲，具有最大的扰度，以便焊工容易操作，减轻劳动强度。3.3.3面罩及护目玻璃面罩及护目玻璃是为防止焊接时的飞溅物、强烈弧光及其它辐射对焊工面部及颈部灼伤的一种遮蔽工具，有手持式和头盔式两种。护目玻璃安装在面罩正面，用来减弱弧光强度，吸收由电弧发射的红外线、紫外线和大多数可见光线。焊接时，焊工通过护目玻璃观察熔池情况，正确掌握和控制焊接过程，避免眼睛受弧光灼伤。3.3.4焊条保温筒是焊工焊接操作现场必备的辅具，携带方便。将已烘干的焊条放在保温筒内供现场使用，起到防粘泥土、防潮、防雨淋等作用，能够避免焊接过程中焊条药皮的含水率上升。3.3.5防护服为了防止焊接时触电及被弧光和金属飞溅物灼伤，焊工焊接时，必须戴皮革手套、工作帽，穿好白帆布工作服、脚盖、绝缘鞋等。焊工在敲渣时，应戴有平光眼睛3.3.6其它辅具焊接中的清理工作很重要，必须清除掉工件和前层熔敷的焊缝金属表面上的油垢、熔渣和对焊接有害的任何其它杂质。为此，焊工应备有角向磨光机、钢丝刷、清渣锤、扁铲和锉刀等辅具。另外，在排烟情况不好的场所焊接作业时，应配有电焊烟雾吸尘器或排风扇等辅助器具。4.冶金特点：4.1气体（气相）与熔化金属（液相）反应