焊条电弧焊与电弧切割技术培训教程.doc

焊条电弧焊与电弧切割第一节 焊条电弧焊与电弧切割的工作原理、适用范围及安全特点 一、焊条电弧焊与电弧切割的基本原理 (一)焊条电弧焊的基本原理 焊条电弧焊是工业生产中应用最广泛的焊接方法，它的原理是利用电弧放电(俗称电弧燃烧)所产生的热量将焊条与工件互相熔化并在冷凝后形成焊缝，从而获得牢固接头的焊接过程，如图31所示。图31 焊条电弧焊示意图1焊条芯；2焊药：3液态熔渣；4凝固的熔渣；5保护气体；6熔滴；7熔池；8焊缝；9工件；10电弧；11焊钳 在工件与焊条两电极之间的气体介质中持续强烈的放电现象称为电弧。焊条电弧焊焊接低碳钢或低合金钢时，电弧中心部分的温度可达60008000，两电极的温度可达到24002600，如图32所示。图32 电弧示意图 电弧燃烧的必要条件是气体电离及阴极电子发射。 1气体电离 气体和自然界的一切物质一样，其电子是按一定的轨道环绕原子核运动，在常态下原子是呈中性的，气体的分子也是呈中性的，气体中几乎没有带电质点，因此常态下气体不能导电，电流也通不过，电弧不能自发地产生。但是在一定的条件下，气体原子中的电子从外部获得足够的能量，就能脱离原子核的引力而成为自由电子，同时原子因失去电子而成为正离子。这种使中性的气体分子或原子释放电子形成正离子的过程称为气体电离。 在焊接时，使气体介质电离的种类主要有热电离、电场作用下的电离、光电离。 (1)热电离 气体粒子受热的作用而产生的电离称为热电离。温度越高，热电离作用越大。 (2)电场作用下的电离 带电粒子在电场的作用下，各作定向高速运动；产生较大的动能，当不断与中性粒子相碰撞时，则不断地产生电离。如两电极间的电压越高，电场作用越大，则电离作用越强烈。 (3)光电离 中性粒子在光辐射的作用下产生的电离，称为光电离。 2阴极电子发射 阴极的金属表面连续地向外发射出电子的现象，称为阴极电子发射。 焊接时，气体的电离是产生电弧的重要条件，但是，如果只有气体电离而阴极不能发射电子，没有电流通过，那么电弧还是不能形成。因此阴极电子发射也和气体电离一样，都是电弧产生和维持的必要条件。 一般情况下，电子是不能自由离开金属表面向外发射的，要使电子逸出电极金属表面而产生电子发射，就必须加给电子一定的能量，使它克服电极金属内部正电荷对它的静电引力。所加的能量越大，促使阴极产生电子发射作用就越强烈。 焊接时阴极所吸收的能量的不同，所产生的电子发射有以下几类；热发射、电场发射、撞击发射等。阴极发射电子后，又从焊接电源获得新的电子。 (1)热发射 焊接时，阴极表面温度很高，阴极中的电子运动速度很快，当电子的动能大于阴极内部正电荷的吸引力时，电子即冲出阴极表面，产生热发射。温度越高，则热发射作用越强烈。 (2)电场发射 在强电场的作用下，由于电场对阴极表面电子的吸引力，电子可以获得足够的动能，从阴极表面发射出来。当两电极的电压越高，金属的逸出功小，则电场发射作用越大。 (3)撞击发射 当运动速度较高、能量较大的正离子撞击阴极表面时，将能量传递给阴极而产生的电子发射现象，叫做撞击发射。如果电场强度越大，在电场的作用下正离子的运动速度也越快，则产生的撞击发射作用也越强烈。 实际上在焊接时，以上几种电子发射作用常常是同时存在，相互促进的，但在不同条件下，它们所起的作用可能稍有差异。例如，在引弧过程中，热发射和电场发射起着主要作用；电弧正常燃烧时，如采用熔点较高的材料(钨或碳等)作阴极，则热发射作用较显著；如采用铜或铝等作阴极时，撞击发射和电场发射就起主要影响；而钢作阴极时，则和热发射、撞击发射、电场发射都有关系。 (二)电弧切割的基本原理 电弧切割主要有碳弧气割、碳弧刨割条和等离子弧切割。等离子弧切割将在第五章中介绍。 1碳弧气割 碳弧气割是利用碳极电弧的高温，把金属的局部加热到熔化状态，同时用压缩空气的气流把熔化金属吹掉，从而达到对金属进行切割的一种加工方法，如图33所示。目前，这种切割金属的方法在金属结构制造部门得到广泛应用。图33 碳弧气刨切割示意图 碳弧气割过程中，压缩空气的主要作用是把碳极电弧高温加热而熔化的金属吹掉，还可以对碳棒电极起冷却作用，这样可以相应地减少碳棒的烧损。但是，压缩空气的流量过大时，将会使被熔化的金属温度降低，而不利于对所要切割的金属进行加工。 2碳弧刨割条 电弧刨割条的外形与普通焊条相同，是利用药皮在电弧高温下产生的喷射气流，吹除熔化金属、达到刨割的目的。工作时只需交、直流弧焊机，不用空气压缩机。操作时其电弧必须达到一定的喷射能力，才能除去熔化金属。 二、焊条电弧焊与电弧切割的适用范围 (一)焊条电弧焊的适用范围 焊条电弧焊是用手工操纵焊条进行焊接工作的，可以进行平焊、立焊、横焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊条电弧焊设备轻便，搬运灵活，所以说，焊条电弧焊可以在任何有电源的地方进行焊接作业。适用于各种金属材料、各种厚度、各种结构形状的焊接。 (二)电弧切割的适用范围 (1)用电弧切割对焊缝进行清根，比过去生产中常使用的风铲生产效率可提高数倍，尤其是在仰焊和立焊位置进行焊缝清根时，其优越性更为突出。 (2)改善了工人的劳动条件：过去在使用风铲进行开坡口和清根时，噪声和振动大，长年使用风铲工作的工人，多患有耳聋性职业病，而且劳动强度也很高。 (3)可以用电弧切割来加工焊缝坡口，特别适用于开U型坡口。 (4)使用方便，操作灵活：对处于窄小空间位置的焊缝，只要轻巧的刨枪能伸进去的地方，就可以进行切割作业。 (5)可以用电弧切割清除不合格焊缝中的缺陷，然后进行修复。也可以用电弧切割清理铸件的毛边、飞刺、浇铸冒口及铸件中的缺陷。 (6)可以用电弧切割的方法加工多种不能用气割加工的金属，如铸铁、不锈钢、铜、铝等。 (7)设备、工具简单，操作使用安全。只要有一台直流电焊机，有压缩空气，有专用的电弧切割极及碳棒，就可以工作了。不需要像氧一乙炔焰切割那样使用易燃、易爆气体，因此操作使用安全。 三、焊条电弧焊与电弧切割的安全特点 (一)焊条电弧焊的安全特点 (1)焊条电弧焊焊接设备的空载电压一般为5090V。而人体所能承受的安全电压为3045V，由此可见手工电弧焊焊接设备的空载电压高于人体所能承受的安全电压，所以当操作人员在更换焊条时，有可能发生触电事故。尤其在容器和管道内操作，四周都是金属导体，触电危险性更大。因此焊条电弧焊操作者在操作时应戴手套，穿绝缘鞋。 (2)焊接电弧弧柱中心的温度高达60008000。焊条电弧焊时，焊条、焊件和药皮在电弧高温作用下，发生蒸发、凝结和气体，产生大量烟尘。同时，电弧周围的空气在弧光强烈辐射作用下，还会产生臭氧、氮氧化物等有毒气体，在通风不良的情况下，长期接触会引起危害焊工健康的多种疾病。因此焊接环境应通风良好。 (3)焊接时人体直接受到弧光辐射(主要是紫外线和红外线的过度照射)时，会引起操作者眼睛和皮肤的疾病。因此操作者在操作时应戴防护面具和穿工作服。 (4)焊条电弧焊操作过程中，由于电焊机线路故障或者飞溅物引燃可燃易爆物品以及燃料容器管道补焊时防爆措施不当等，都会引起爆炸和火灾事故。 (二)电弧切割的安全特点 电弧切割时，除应知道焊条电弧焊的安全特点外，还应注意以下几点： (1)电弧切割过程中，由于有压缩空气的存在，露天操作时，应注意顺风方向进行操作，以防吹散的熔渣烧坏工作服和灼伤皮肤，并要注意周围场地的防火。 (2)在容器或舱室内部操作时，内部空间尺寸不能过于窄小，并要加强抽风及排除烟尘措施。 (3)切割时应尽量使用带铜皮的专用碳棒。 (4)电弧切割时使用电流较大，连续工作时间较长，要注意防止焊机超载，以免烧毁焊机。 为克服电弧切割的粉尘大、有气味的缺点，还可采用水碳弧气刨的方法，如图34所示(水碳弧气刨枪可用废旧的射吸式气焊枪改制)；它的原理与一般碳弧气刨相同，只是在压缩空气中含有大量水雾，利用喷雾来降低碳弧气刨的粉尘污染。水碳弧气刨可使环境粉尘降低4060左右。图34 水碳弧气刨示意图1工件 2碳棒 3枪体 4防护罩 5水管接头 6风电合一碳弧气刨软管第二节 焊条及焊接参数的选择方法 一、焊条的选择方法 (一)焊条的组成 焊条就是涂有药皮的供焊条电弧焊使用的熔化电极。它是由药皮和焊芯两部分组成，如图35所示。在焊条前端药皮有45左右的倒角，这是为了便于引弧。在尾部有一段裸焊芯，约占焊条总长116，便于焊钳夹持并有利于导电。焊条的直径(个实际上是指焊芯直径)通常为2、25、32或3、4、5或6mm等几种规格，常用的是个32、中4、令5三种，其长度“L”一般在250450mm之间。 1焊芯 焊条中被药皮包覆的金属芯称为焊芯。焊芯一般是一根具有一定长度及直径的钢丝。焊接时，焊芯有两个作用：一是传导焊接电流，产生电弧把电能转换成热能，二是焊芯本身熔化作为填充金属与液体母材金属熔合形成焊缝。图35 焊条组成示意图1焊芯 2药皮 3夹持端 4引弧端 焊条焊接时，焊芯金属占整个焊缝金属的一部分。所以焊芯的化学成分，直接影响焊缝的质量。因此，作为焊条芯用的钢丝都单独规定了它的牌号与成分。如果用于埋弧自动焊、电渣焊、气体保护焊、气焊等熔焊方法作填充金属时，则称为焊丝。 (1)焊芯中各合金元素对焊接的影响 1)碳(C) 碳是钢中的主要合金元素，当含碳量增加时，钢的强度、硬度明显提高，而塑性降低。在焊接过程中，碳起到一定的脱氧作用，在电弧高温作用下与氧发生化合作用，生成一氧化碳和二氧化碳气体，将电弧区和熔池周围空气排除，防止空气中的氧、氮有害气体对熔池产生的不良影响，减少焊缝金属中氧和氮的含量。若含碳量过高，还原作用剧烈，会引起较大的飞溅和气孔。考虑到碳对钢的淬硬性及其对裂纹敏感性增加的影响，低碳钢焊芯的含碳量一般01。 2)锰(Mn) 锰在钢中是一种较好的合金剂，随着锰含量的增加，其强度和韧性会有所提高。在焊接过程中，锰也是一种较好的脱氧剂，能减少焊缝中氧的含量。锰与硫化合形成硫化锰浮于熔渣中，从而减少焊缝热裂纹倾向。因此一般碳素结构钢焊芯的含锰量为030055，焊接某些特殊用途的钢丝，其含锰量高达170210。 3)硅(Si) 硅也是一种较好的合金剂，在钢中加入适量的硅能提高钢的屈服强度、弹性及抗酸性能；若含量过高，则降低塑性和韧性。在焊接过程中，硅也具有较好的脱氧能力，与氧形成二氧化硅，但它会提高渣的粘度，易促进非金属夹杂物生成。 4)铬(Cr) 铬能够提高钢的硬度、耐磨性和耐腐蚀性。对于低碳钢来说，铬便是一种偶然的杂质。铬的主要冶金特征是易于急剧氧化，形成难熔的氧化物三氧化二铬(Cr2O3)，从而增加了焊缝金属夹杂物的可能性。三氧化二铬过渡到熔渣后，能使熔渣粘度提高，流动性降低。 5)镍(Ni) 镍对钢的韧性有比较显著的效果，一般低温冲击值要求较高时，适当掺入一些镍。 6)硫(S) 硫是一种有害杂质，随着硫含量的增加，将增大焊缝的热裂纹倾向，因此焊芯中硫的含量不得大于004。在焊接重要结构时，硫含量不得大于003。 7)磷(P) 磷是一种有害杂质，磷的主要危害是使焊缝产生冷脆现象，随着磷含量的增加，将造成焊缝金属的韧性、特别是低，温冲击韧性下降，因此焊芯中磷含量不得大于004。在焊接重要结构时，磷含量不得大于003。 (2)焊芯的分类 焊芯是根据国家标准“焊接用钢丝”(GB 130077)的规定分类的，用于焊接的专用钢丝可分为碳素结构钢、合金结构钢、不锈钢三类。 2药皮 压涂在焊芯表面的涂层称为药皮。焊条的药皮在焊接过程中起着极为重要的作用。若采用无药皮的光焊条焊接，则在焊接过程中，空气中的氧和氮会大量侵入熔化金属，将金属铁和有益元素碳、硅、锰等氧化和氮化形成各种氧化物和氮化物，并残留在焊缝中，造成焊缝夹渣或裂纹。而熔入熔池中的气体可能使焊缝产生大量气孔，这些因素都能使焊缝的机械性能(强度、冲击值等)大大降低，同时使焊缝变脆。此外采用光焊条焊接，电弧很不稳定，飞溅严重，焊缝成形很差。 人们在实践过程中发现如果在光焊条外面涂一层由各种矿物等组成的药皮，能使电弧燃烧稳定，焊缝质量得到提高，这种焊条叫药皮焊条。随着工业技术的不断发展，人们创制出了现在广泛应用的优质厚药皮焊条。 生产实践证明，焊芯和药皮二者之间要有一个适当的比例，这个比例就是焊条药皮与焊芯(不包括夹持端)的重量比，称为药皮的重量系数(Kb)。Kb值一般在4060左右。或按式(31)计算 (31)式中 Kb药皮重量系数，； g1药皮重量，g； g涂药皮部分的焊芯重量，g。 药皮在焊接过程中起着复杂的冶金反应和物理、化学变化，基本上克服了光焊条在焊接时出现的问题，所以说药皮也是决定焊缝金属质量的主要因素之一。 (1)焊条药皮的作用 1)机械保护作用 气保护 在焊接时，焊条药皮熔化后产生大量的气体笼罩着电弧区和熔池，基本上把熔化金属与空气隔绝开来。这些气体中绝大部分是还原性气体(CO、H2等)，能在电弧区、熔池周围形成一个很好的保护层，防止空气中的氧、氮侵入，起到了保护熔化金属的作用。 渣保护 焊接过程中药皮被电弧高温熔化后形成熔渣覆盖着熔滴和熔池金属，这样不仅隔绝空气中的氧、氮，保护焊缝金属，而且还能减缓焊缝的冷却速度，促进焊缝金属中气体的排出，减少生成气孔的可能性，并能改善焊缝的成形和结晶，起到渣保护作用。 2)冶金作用 通过熔渣与熔化金属冶金反应，除去有害杂质(如氧、氢、硫、磷)和添加有益的合金元素，使焊缝获得合乎要求的机械性能。 药皮虽然具有机械保护作用，但液态金属仍不可避免地要受到少量空气侵入并氧化，此外药皮中某些物质受电弧高温作用而分解放出氧，使液态金属中的合金元素烧损，导致焊缝质量降低。因此在药皮中要加入一些还原剂，使氧化物还原，以保证焊缝质量。此外药皮中根据焊条性能的不同还加入一些去氢、去硫物质以提高焊缝金属的抗裂性。 由于电弧的高温作用，焊缝金属中所含的某些合金元素被烧损(氧化或氮化)，这样会使焊缝的机械性能降低。通过在焊条药皮中加入铁合金或纯合金元素，使之随着药皮的熔化而过渡到焊缝金属中去，以弥补合金元素烧损和提高焊缝金属的机械性能。 3)改善焊接工艺性能 使电弧稳定燃烧、飞溅少、焊缝成形好、易脱渣和熔敷效率高等。 在焊接过程中，要保证电弧能正常、稳定地燃烧，除阴极发射电子外，还必须使电弧空间的气体易电离，气体越易电离，气体导电性越好，电弧燃烧越稳定。为此，在药皮中加入低电离电位的物质，来提高电弧燃烧的稳定性。 焊条药皮的熔点稍低于焊芯的熔点(约低100250)，但因焊芯处于电弧的中心区，温度较高，所以，还是焊芯先熔化，药皮稍晚一点熔化。这样，在焊条端头形成不长的一小段药皮套管。套管使电弧热量更集中，能起稳定电弧燃烧作用，有利于熔滴向熔池过渡，提高了熔敷效率。 总之，药皮的作用是保证焊缝金属获得具有合乎要求的化学成分和机械性能，并使焊条具有良好的焊接工艺性能。 2焊条药皮的组成 焊条药皮是由各种矿物类、铁合金有机物和化工产品(水玻璃类)等原料组成，焊条药皮的组成成分相当复杂，一种焊条药皮的配方中，组成物有七八种之多。 (二)焊条的分类 1按焊条的用途分 (1)低碳钢和低合金高强度钢焊条(简称结构钢焊条)。这类焊条的熔敷金属，在自然气候环境中具有一定的机械性能。 (2)钼和铬钼耐热钢焊条。这类焊条的熔敷金属，具有不同程度的高温工作能力。 (3)不锈钢焊条。这类焊条的熔敷金属，在常温、高温或低温中具有不同程度的抗大气或腐蚀性介质腐蚀的能力和一定的机械性能。 (4)堆焊焊条。这类焊条为用于金属表面层堆焊的焊条，其熔敷金属在常温或高温中具有一定程度的耐不同类型磨耗或腐蚀等性能。 (5)低温钢焊条。这类焊条的熔敷金属，在不同的低温介质条件下，具有一定的低温工作能力。 (6)铸铁焊条。这类焊条是指专用作焊补或焊接铸铁用的焊条。 (7)镍及镍合金焊条。这类焊条用于镍及镍合金的焊接、焊补或堆焊。某些焊条可用于铸铁焊补、异种金属的焊接。 (8)铜及铜合金焊条。这类焊条用于铜及铜合金的焊接、焊补或堆焊。某些焊条可用于铸铁焊补、异种金属的焊接。 (9)铝及铝合金焊条。这类焊条用于铝及铝合金的焊接、焊补或堆焊。 原一机部编制的焊接材料产品样本，将焊条分11大类，把不锈钢焊条分为铬不锈钢焊条和奥氏体不锈钢焊条，及特殊用途焊条。 2按焊条药皮熔化后的熔渣特性分 (1)酸性焊条。其熔渣的成分主要是酸性氧化物(SiO2、TiO2、Fe2O3)及其它在焊接时易放出氧的物质，药皮里的造气剂为有机物，焊接时产生保护气体。 此类焊条药皮里有各种氧化物，具有较强的氧化性，促使合金元素氧化；同时电弧气中的氧电离后形成负离子与氧离子有很大的亲和力，生成氢氧根离子(OH)，从而防止氢离子溶入液态金属里，所以这类焊条对铁锈不敏感，焊缝很少产生由氢引起的气孔。酸性熔渣的脱氧不完全，同时不能有效地清除焊缝中的硫、磷等杂质，故焊缝金属的机械性能较低，一般用于焊接低碳钢和不太重要的钢结构中。 (2)碱性焊条 其熔渣的成分主要是碱性氧化物(如大理石、萤石等)，并含有较多的铁合金作为脱氧剂和合金剂，焊接时大理石(CaCO3)分解产生的CO2作为保护气体。由于焊条的脱氧性能好，合金元素烧损少，焊缝金属合金化效果较好。由于电弧中含氧量低，如遇焊件或焊条存在铁锈和水分时，容易出现氢气孔。在药皮中加入一定量的萤石(CaF2)，在焊接过程中与氢化合生成氟化氢(HF)，具有去氢作用。但是萤石不利于电弧的稳定，必须采用直流反极性进行焊接。若在药皮中加入稳定电弧的组成物碳酸钾等，便可使用交流电源。 碱性熔渣的脱氧较完全，又能有效地消除焊缝金属中的硫，合金元素烧损少，所以焊缝金属的机械性能和抗裂性均较好，可用于合金钢和重要碳钢结构的焊接。 (三)焊条的选用 焊接技术的应用范围非常广泛。但是焊条电弧焊仍然是焊接工作中的主要方法，据资料统计，焊条电弧焊的焊条用钢约占焊接材料用钢(包括焊条及各种自动焊丝的总和)的6080，这充分说明焊条电弧焊在焊接工作中占有重要地位。 焊条电弧焊时，焊条既作为电极，在焊条熔化后又作为填充金属直接过渡到熔池，与液态的母材熔合后形成焊缝。因此，焊条不但影响电弧的稳定性，而且直接影响到焊缝金属的化学成分和机械性能，但是焊条的种类很多，或有其应用范围，使用是否恰当对焊接质量，劳动生产率及产品成本都有很大影响。通常应根据组成焊接结构钢材的化学成分、机械性能、焊接性、工作环境(有无腐蚀介质，高温或是低温)等要求，以及焊接结构的形状(刚性大小)、受力情况和焊接设备(是否有直流电焊机)等方面进行综合考虑，以决定选用哪种焊条。 在选用焊条时应注意下列原则： 1考虑焊件的机械性能、化学成分 (1)低碳钢、中碳钢和低合金钢可按其强度等级来选用相应强度的焊条，如在焊接结构刚性大，受力情况复杂时，应选用比钢材强度低一级的焊条。这样，焊后可保证焊缝既有一定的强度，又能得到满意的塑性以避免因结构刚性过大而使焊缝撕裂。但遇到焊后要进行回火处理的焊件，则应防止焊缝强度过低和焊缝中应有的合金元素含量达不到要求。 (2)在焊条的强度确定后再决定选用酸性还是碱性焊条时，主要取决于焊接结构具体形状的复杂性，钢材厚度的大小(即刚性的大小)，焊件载荷的情况(静载还是动载)和钢材的抗裂性以及得到直流电源的难易等。一般来说，对于塑性、冲击韧性和抗裂性能要求较高，低温条件下工作的焊缝都应选用碱性焊条。当受某种条件限制而无法清理低碳钢焊件坡口处的铁锈、油污和氧化皮等脏物时，应选用对铁锈、油污和氧化皮敏感性小，抗气孔性能较强的酸性焊条。 (3)异种钢的焊接如低碳钢与低合金钢、不同强度等级的低合金钢焊接，一般选用与较低强度等级钢材相匹配的焊条。 2考虑焊件的工作条件及使用性能 (1)对于工作环境有特定要求的焊件，应选用相应的焊条，如低温钢焊条，水下焊条等。 (2)珠光体耐热钢一般选用与钢材化学成分相似的焊条；或根据焊件的工作温度来选取。 3考虑简化工艺、提高生产率、降低成本 (1)薄板焊接或点焊宜采用“E4313”，焊件不易烧穿且易引弧。 (2)在满足焊件使用性能和焊条操作性能的前提下，应选用规格大、效率高的焊条。 (3)在使用性能基本相同时应尽量选择价格较低的焊条，降低焊接生产的成本。 焊条除根据上述原则选用外，有时为了保证焊件的质量还需通过试验来最后确定。又为了保障焊工的身体健康，在允许的情况下应尽量多采用酸性焊条。 二、焊接参数的选择方法 焊条电弧焊的焊接参数主要有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接层数、电源种类及极性等。 (一)焊条直径的选择 焊条直径的选择主要取决于焊件厚度、接头型式、焊缝位置及焊接层次等因素。在不影响焊接质量的前提下，为了提高劳动生产率，一般倾向于选择较大直径的焊条。 厚度较大的焊件，应选用较大直径的焊条。平焊时，所用焊条的直径可大些；立焊时，所用焊条的直径最大不超过5mm；横焊和仰焊时，所用焊条的直径一般不超过4mm。开坡口多层焊时，为了防止产生未焊透的缺陷，第一层焊缝宜采用直径32mm的焊条。 在一般情况下，可根据焊件厚度选择焊条直径(如表31所示)表31 焊条直径与焊件厚度的关系焊件厚度(mm)23451212焊条直径(mm)23.2455 (二)焊接电流的选择 焊接电流的大小，对焊接质量及生产率有较大影响。电流过小，电弧不稳定，易造成夹渣和未焊透等缺陷，而且生产率低；电流过大，则容易产生咬边和烧穿等缺陷，同时飞溅增加。因此，焊条电弧焊焊接时，焊接电流要适当。 焊接电流的大小，主要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头型式、焊缝空间位置及焊接层次等因素来决定，其中，最主要的因素是焊条直径和焊缝空间位置。在使用一般结构钢焊条时，焊接电流大小与焊条直径的关系可用经验公式(32)进行试选：Ikd (32)其中 I焊接电流(A) d焊条直径(mm) k与焊条直径有关的系数。d与k的关系见表32。表32 不同焊条直径时的k值d(mm)1.622.53.246k(mm)1525203030404050 另外，焊缝的空间位置不同，焊接电流的大小也不同。一般，立焊时电流应比平焊时小1520；横焊、仰焊比平焊电流小1015。焊接厚度大，往往取电流的上限值。含合金元素较多的合金钢焊条，一般电阻较大，热膨胀系数大，焊接过程中电流大，焊条易发红，造成药皮过早脱落，影响焊接质量，而且合金元素烧损多，因此焊接电流相应减小。 (三)电弧电压的选择 电弧电压是由电弧长来决定。电弧长，则电弧电压高；电弧短，则电弧电压低。在焊接过程中，电弧过长，会使电弧燃烧不稳定，飞溅增加，熔深减小，而且外部空气易侵入，造成气孔等缺陷。因此，要求电弧长度小于或等于焊条直径，即短弧焊。在使用酸性焊条焊接时，为了预热待焊部位或降低熔池温度，有时将电弧稍微拉长进行焊接，即所谓的长弧焊。 (四)焊接层数的选择 在中、厚板焊条电弧焊时，往往采用多层焊。层数多些，对提高焊缝的塑性、韧性有利，尤其是冷弯角。但要防止接头过热和扩大热影响区的有害影响。另外，层数增加，往往使焊件变形增加。因此，要综合考虑加以确定。 (五)电源种类和极性的选择 直流电源，电弧稳定，飞溅小，焊接质量好，一般用在重要的焊接结构或厚板大刚度结构的焊接上。其它情况下，应首先考虑用交流焊机，因为交流焊机构造简单，造价低，使用维护也较直流焊机方便。 极性的选择，则是根据焊条的性质和焊接特点的不同，利用电弧中阳极温度比阴极温度高的特点，选用不同的极性来焊接各种不同的焊件。一般情况下，使用碱性焊条或薄板的焊接，采用直流反接；而酸性焊条，通常选用正接。第三节 焊条电弧焊与电弧切割设备的基本结构和工作原理图36焊机分类 焊条电弧焊所用焊机按电源的种类可分为交流弧焊机和直流弧焊机两大类。其中直流弧焊机按变流的方式不同又分为：弧焊整流器、逆变弧焊机和旋转式直流弧焊发电机(现已淘汰)等。每一类型的焊机根据原理和结构特点又可分为多种型式，具体见图36 一、交流弧焊机 (一)结构 交流弧焊机的三个类别的结构分别如图37图39所示。图37 BX1330交流弧焊机1初级绕组；2、3次级绕组；4动铁芯；5静铁芯；6接线板；7摇把图38 BX2500型(同体式)焊机结构示意图1固定铁心 2初级绕组 3次级绕组 4电抗线圈 5活动铁心图39 BX3300型(动圈式)焊机结构示意图1初级线圈 2次级线圈 3铁心 (二)工作原理 目前应用最广泛的“动铁式”交流焊机如图37所示。它是一个结构特殊的降压变压器，属于动铁芯漏磁式类型。焊机的空载电压为6070V。工作电压为30V，电流调节范围为50450A。铁芯由两侧的静铁芯5和中间的动铁芯4组成，变压器的次级绕组分成两部分，一部分紧绕在初级绕组1的外部，另一部分绕在铁芯的另一侧。前一部分起建立电压的作用，后一部分相当于电感线圈。焊接时，电感线圈的感抗电压降使电焊机获得较低的工作电压，这是电焊机具有陡降外特性的原因。引弧时，电焊机能供给较高的电压和较小的电流，当电弧稳定燃烧时，电流增大，而电压急剧降低；当焊条与工件短路时，也限制了短路电流。 焊接电流调节分为粗调、细调两档。电流的细调靠移动铁芯4改变变压器的漏磁来实现。向外移动铁芯，磁阻增大，漏磁减小，则电流增大，反之，则电流减少。电流的粗调靠改变次级绕组的匝数来实现。 该电弧焊机的工作条件为应在海拔不超过1000m，周围空气温度不超过+40、空气相对湿度不超过85等条件下使用，不应在有害工业气体、水蒸汽、易燃、多灰尘的场合下工作。 二、直流弧焊机 (一)结构 由于整流或直流弧焊机与直流弧焊发电机比较，因没有机械旋转部分，具有噪音小，空载损耗小、效率高、成本低和制造维护简单等优点。因此，有取代直流弧焊发电机的趋势，在这里只介绍整流式直流弧焊机。整流式直流弧焊机常用型号如ZXG300、ZXG400等。硅整流电弧焊机是利用硅半导体整流元件(二极管)将交流电变为直流电作为焊接电源。图310为硅整流电弧焊机的结构示意图。图310 硅整流电弧焊机1硅整流器组 2三相变压器 3三相磁饱和电抗器 4输出电抗器 5通风机组 (二)工作原理 工作原理见图311。接通开关K1，通风机组FM运转，风压开关KEY闭合，主接触器Jc-1闭合，三相弧焊变压器B1工作。与此同时Jc-2闭合，控制变压器B2工作，磁放大器运行，硅整流器工作，输出一定的直流电压，这就是焊机的空载电压。由于没有焊接电流，磁放大器的电抗绕组FD电抗压降几乎为零，使焊机输出端具有较高的空载电压，便于引弧。当施焊时，由于有输出，形成电流，电抗绕组FD通过交流电，使其得到较大的电抗压降，并随电流的增大，电抗压降随之增大，从而得到陡降外特性。当短路时，由于短路电流很大，FD通过的交流电急增，它产生的电抗压降使工作电压几乎接近于零，这就限制了短路电流。图311 ZXG300型硅整流电焊机电气原理图 改变控制回路磁盘电阻R10，使磁放大器控制绕组FK中直流电发生变化，铁芯中的磁通就相应发生变化，从而改变了磁放大器交流绕组FD的电流。为减少网路电压波动对焊接的影响，在控制回路中采用了铁磁谐振式稳压器，以保证激磁电流的稳定，减少对焊接电流的影响。 按动K2，通风机组FM停止工作，风压开关KEY开启，主接触器Jc-1断开，主回路断电。同时Jc-2断开，控制回路断电，焊机全部停止工作。 焊接电流的调节依靠面板上的电流调节控制器，来改变磁放大器控制或线圈中直流电大小使铁芯中的磁通发生相应变化，从而调整了焊接电流的大小。热将接线板烧毁或使由焊钳过热而无法工作。 三、负载持续率 焊接设备铭牌中都标有负载持续率。负载持续率是用来表示焊接设备工作状态的参数，它是在选定的工作时间周期内允许焊接设备连续负载的时间。 众所周知，焊接设备工作时会发热，温升过高会把焊接设备的线包绝缘烧毁(一般焊接设备的温度不得超过6080)。温升与焊接电流大小有关，同时也与焊机使用状态有关，连续运转与断续使用时温升情况不一样。 负载持续率计算方法如下： 标准规定：500A以下的焊接设备选定的工作时间周期为5分钟。计算时，每个5分钟内测出电弧燃烧时间，代入式中即得出焊机负载持续率。 表33和表34给出了交流弧焊机BX3一300的负载持续率和硅整流弧焊机ZXG一300的负载持续率及相应的工作电流。表33 BX3300交流弧焊机负载持续率负载持续率()焊接电流(A)10060230300表34 ZXG300硅整流弧焊机负载持续率负载持续率()焊接电流(A)10060232300 四、焊机的外特性 在规定范围内，焊机稳态输出电流和输出电压的关系称为焊机的外特性。焊机的外特性如图312所示。 焊机外特性有三种形式：即下降特性(陡降、缓降)、平特性和上升特性。由于熔滴过渡和热惯性以及操作等原因，焊接时电弧长度总是在不断的变化，因而电弧电压和焊接电流也在不断地变化。为保证焊接质量稳定，总希望焊接过程中焊接电流变动越小越好。从图313可以看出，具有陡降外特性的焊机和缓降外特性的焊机，当焊接电流发生相应的变化值I时，陡降外特性曲线引起的电压变化值U2大于缓降外特性曲线引起的电压变化值U1。换句话说，对于相同的弧长变化，陡降外特性焊机所引起的电流变化要比缓降外特性焊机所引起的焊接电流变化小得多。焊条电弧焊过程中，弧长变化是经常发生的，为了保证焊接电流稳定，显然要求焊机具有陡降的外特性。图312 焊机外特性曲线1陡降外特性曲线 2缓降外特性曲线 3上升特性曲线 4乎特性曲线图313 两种不同下降程度的外特性曲线1缓降外特性曲线 2陡降外特性曲线 五、焊条电弧焊辅助设备和工具 焊条电弧焊辅助设备和工具包括电焊钳、焊接电缆、面罩及其它防护用具。 (一)电焊钳 电焊钳是夹持焊条并传导焊接电流的操作器具。对电焊钳的要求是：在任何斜度都能夹紧焊条；具有可靠的绝缘和良好的隔热性能；电缆的橡胶包皮应伸入到钳柄内部，使导体不外露，起到屏护作用；轻便、易于操作。电焊钳的规格和主要技术数据见表35。表35 电焊钳的规格和主要技术数据规格(A)额定值适用焊条直径(mm)耐电压性能(Vmin)能连接的最大电缆截面(mm2)负载持续率()工作电压(V)工作电流(A)50060405004.08.010009530060323002.55.910005010060261602.04.0100035 (二)焊接电缆 焊条电弧焊在工作中除焊接设备外，还必须有焊接电缆。焊接电缆应采用橡皮绝缘多股软电缆，根据焊机的容量，选取适当的电缆截面，选取时可参考表36。如果焊机距焊接工作点较远，需要较长电缆时，应当加大电缆截面积使在焊接电缆上的电压降不超过4V，以保证引弧容易及电弧燃烧稳定。不允许用扁铁搭接或其它办法来代替连接焊接的电缆，以免因接触不良而使回路上的压降过大，造成引弧困难和焊接电弧的不稳定。表36 焊接电缆选用表最大焊接电流(A)200300450600焊接电缆截面积(mm2)25507095 焊机和焊接手柄与焊接电缆的接头必须拧紧，表面应保持清洁，以保证其良好的导电性能。不良的接触会损耗电能，还会导致焊机过热将接线板烧毁或使电焊钳过热而无法工作。 (三)面罩及其它防护用具 面罩的主要作用是保护电焊工的眼睛和面部不受电弧光的辐射和灼伤，面罩分手持式和头盔式两种。面罩上的护目玻璃起到减弱电弧光并过滤红外线、紫外线的作用。护目玻璃有不同色号、目前以黑绿色的为多，应根据电焊工的年龄和视力情况尽量选择颜色较深的护目玻璃以保护视力。护目玻璃外还加有相同尺寸的一般玻璃，以防金属飞溅沾污护目玻璃。焊工用护目遮光镜片的选用可按表118进行。 其它防护用品有电焊工在工作时需佩带的专用电焊手套和护脚，以及清渣时应戴的平光眼镜。 六、交流弧焊机与直流弧焊机的比较 交流弧焊机的主要优点是成本低、制造维护简单，噪声较小；缺点是不能适应碱性焊条，且焊接电压、电流容易受到电网波动的干扰。直流弧焊机的优点是电弧稳定，焊条适应性强；缺点是成本较高，制造维修较复杂，重量较重。但由于优点明显，直流弧焊机是大有前途的电焊机。表37列出了两类焊机的性能比较。表37 两类焊机比较项 目直流弧焊机交流弧焊机电弧稳定性高低极性可换性有无构造与维修稍复杂简 单工作时噪声很 少较 小供电方式一般为三相供电一般为单相供电触电危险性较 小较 大功率因数较 高较 低耗能指数小较 大成本较 高低重 量较 轻轻第四节 焊条电弧焊的操作和安全要求 一、焊条电弧焊的操作 焊条电弧焊最基本的操作是引弧、运条和收尾 (一)引弧 引弧即产生电弧。焊条电弧焊是采用低电压、大电流放电产生电弧，依靠电焊条瞬时接触工件实现。引弧时必须将焊条末端与焊件表面接触形成短路，然后迅速将焊条向上提起24mm的距离，此时电弧即引燃。引弧的方法有两种：碰击法和擦划法，详见图314图314 引弧方法 (1)碰击法。也称点接触法或称敲击法。碰击法是将焊条与工件保持一定距离，然后垂直落下，使之轻轻敲击工件，发生短路，再迅速将焊条提起，产生电弧的引弧方法。此种方法适用于各种位置的焊接。 (2)擦划法。也称线接触法或称摩擦法。擦划法是将电焊条在坡口上滑动，成一条线，当端部接触时，发生短路，因接触面很小，温度急剧上升，在未熔化前，将焊条提起，产生电弧的引弧方法。此种方法易于掌握，但容易沾污坡口，影响焊接质量。 上述两种引弧方法应根据具体情况灵活应用。擦划法引弧虽比较容易，但这种方法使用不当时，会擦伤焊件表面。为尽量减少焊件表面的损伤，应在焊接坡口处擦划，擦划长度以2025mm为宜。在狭窄的地方焊接或焊件表面不允许有划伤时，应采用碰击法引弧。碰击法引弧较难掌握，焊条的提起动作太快并且焊条提得过高，电弧易熄灭；动作太慢，会使焊条粘在工件上。当焊条一旦粘在工件上时，应迅速将焊条左右摆动，使之与焊件分离；若仍不能分离时，应立即松开焊钳切断电源，以免短路时间过长而损坏电焊机。 (3)引弧的技术要求。在引弧处，由于钢板温度较低，焊条药皮还没有充分发挥作用，会使引弧点处的焊缝较高，熔深较浅，易产生气孔，所以通常应在焊缝起始点后面10mm处引弧，如图315。引燃电弧后拉长电弧，并迅速将电弧移至焊缝起点进行预热。预热后将电弧压短，酸性焊条的弧长约等于焊条直径，碱性焊条的弧长应为焊条直径的一半左右，进行正常焊接。采用上述引弧方法即使在引弧处产生气孔，也能在电弧第二次经过时，将这部分金属重新熔化，使气孔消除，并且不会留引弧伤痕。为了保证焊缝起点处能够焊透，焊条可作适当的横向摆动，并在坡口根部两侧稍加停顿，以形成一定大小的熔池。图315 引弧点的选择 引弧对焊接质量有一定的影响，经常因为引弧不好而造成始焊的缺陷。综上所述，在引弧时应做到以下几点： (1)工件坡口处无油污、锈斑，以免影响导电能力和防止熔池产生氧化物。 (2)在接触时，焊条提起时间要适当。太快，气体未电离，电弧可能熄灭；太慢，则使焊条和工件粘合在一起，无法引燃电弧。 (3)焊条的端部要有裸露部分，以便引弧。若焊条端部裸露不均，则应在使用前用锉刀加工，防止在引弧时，碰击过猛使药皮成块脱落，引起电弧偏吹和引弧瞬间保护不良。 (4)引弧位置应选择适当，开始引弧或因焊接中断重新引弧，一般均应在离始焊点后面1020mm处引弧，然后移至始焊点，待熔池熔透再继续移动焊条，以消除可能产生的引弧缺陷。 (二)运条 电弧引燃后，就开始正常的焊接过程。为获得良好的焊，缝成形，焊条得不断地运动。焊条的运动称为运条。运条是电焊工操作技术水平的具体表现。焊缝质量的优劣、焊缝成形的好坏，主要由运条来决定。 运条由三个基本运动合成，分别是焊条的送进运动、焊条的横向摆动运动和焊条的沿焊缝移动运动，详见图316。图316 焊条的三个基本运动1焊条送进 2焊条摆动 3沿焊缝移动 (1)焊条的送进运动。主要是用来维持所要求的电弧长度。由于电弧的热量熔化了焊条端部，电弧逐渐变长，有熄弧的倾向。要保持电弧继续燃烧，必须将焊条向熔池送进，直至整根焊条焊完为止。为保证一定的电弧长度，焊条的送进速度应与焊条的熔化速度相等，否则会引起电弧长度的变化，影响焊缝的熔宽和熔深。 (2)焊条的摆动和沿焊缝移动。这两个动作是紧密相联的，而且变化较多、较难掌握。通过两者的联合动作可获得一定宽度、高度和一定熔深的焊缝。所谓焊接速度即单位时间内完成的焊缝长度。如图317，表示焊接速度对焊缝成形的影响。焊接速度太慢，会焊成宽而局部隆起的焊缝；太快，会焊成断续细长的焊缝；焊接速度适中时，才能焊成表面平整，焊波细致而均匀的焊缝。图317 焊接速度对焊缝成形的影响 (3)运条手法。为了控制熔池温度，使焊缝具有一定的宽度和高度，在生产中经常采用下面几种运条手法。 1)直线形运条法。采用直线形运条法焊接时，应保持一定的弧长，焊条不摆动并沿焊接方向移动。由于此时焊条不作横向摆动，所以熔深较大，且焊缝宽度较窄。在正常的焊接速度下，焊波饱满平整。此法适用于板厚35mm的不开坡口的对接平焊、多层焊的第一层焊道和多层多道焊。 2)直线往返形运条法。此法是焊条末端沿焊缝的纵向作来回直线形摆动，如图318所示，主要适用于薄板焊接和接头间隙较大的焊缝。其特点是焊接速度快，焊缝窄，散热快。图318 直线往返形运条法 3)锯齿形运条法。此法是将焊条末端作锯齿形连续摆动并向前移动，如图319所示，在两边稍停片刻，以防产生咬边缺陷。这种手法操作容易、应用较广，多用于比较厚的钢板的焊接，适用于平焊、立焊、仰焊的对接接头和立焊的角接接头。图319 锯齿形运条法 4)月牙形运条法。如图320所示，此法是使焊条末端沿着焊接方向作月牙形的左右摆动，并在两边的适当位置作片刻停留，以使焊缝边缘有足够的熔深，防止产生咬边缺陷。此法适用于仰、立、平焊位置以及需要比较饱满焊缝的地方。其适用范围和锯齿形运条法基本相同，但用此法焊出来的焊缝余高较大。其优点是，能使金属熔化良好，而且有较长的保温时间，熔池中的气体和熔渣容易上浮到焊缝表面，有利于获得高质量的焊缝。图320 月牙形运条法 5)三角形运条法。如图321所示，此法是使焊条末端作连续三角形运动，并不断向前移动。按适用范围不同，可分为斜三角形和正三角形两种运条方法。其中斜三角形运条法适用于焊接T形接头的仰焊缝和有坡口的横焊缝。其特点是能够通过焊条的摆动控制熔化金属，促使焊缝成形良好。正三角形运条法仅适用于开坡口的对接接头和T形接头的立焊。其特点是一次能焊出较厚的焊缝断面，有利于提高生产率，而且焊缝不易产生夹渣等缺陷。图321 三角形运条法 6)圆圈形运条法。如图322所示，将焊条末端连续作圆圈运动，并不断前进。这种运条方法又分正圆圈和斜圆圈两种。正圆圈运条法只适于焊接较厚工件的平焊缝，其优点是能使熔化金属有足够高的温度，有利于气体从熔池中逸出，可防止焊缝产生气孔。斜圆圈运条法适用于T形接头的横焊(平角焊)和仰焊以及对接接头的横焊缝，其特点是可控制熔化金属不受重力影响，能防止金属液体下淌，有助于焊缝成形。图322 圆圈形运条法 (三)收尾 电弧中断和焊接结束