电弧焊常用方法

第二节　电弧焊常用方法

一、手工电弧焊

手工电弧焊是目前最常用的焊接方法，它依靠焊条与工件之间所产生的高温电弧，使工件接头处的表层金属迅速熔化，同时焊条的端部也陆续熔化，填入接头空隙，共同组成熔池。当焊条向前运动时，旧熔池的金属随即凝固，同时又形成新的熔池。这样就能构成连续的焊缝，把工件的两部分焊接成为一体。

（一）焊接电弧

电弧是电流通过空间气体的导电现象。将焊条与工件作为两极引燃电弧之后，弧柱中充满了高温的电离子，它们撞击两极后放出大量的热能和强烈的弧光。电弧所产生热量的多少与焊接电流和电压之积成正比。电流越大，工件与焊条金属的熔化速度越快，生产率越高，而且工件接头表面的熔化层深度也较大。因此厚度较大的工件，需用较大的焊接电流。手工电弧焊所用的焊接电流约为30A～300A。

1—直流电源　2—焊条　3—阴极区　4—弧柱区　5—阳极区　6—工件

图3－1　电弧的构造

电弧由三部分构成，采用直流电源时，如图3－1所示。即阴极区（焊条端面的白亮斑点）、阳极区（工件上对应焊条端部的溶池中的薄亮区）和弧柱区（为两电极间空气隙）。

用直流电进行焊接时，电弧阳极区所产生的热量约占总热量的43%，阴极区约占36%，其余的21%左右则产生在弧柱区中。因此阳极区和阴极区的温度不同。用钢焊条焊接钢材时，阳极区的温度约为2600K，阴极区约为2400K。考虑到工件接头的金属熔化需要较多的热量，因此一般焊接都把阳极接在工件上，阴极接在焊条上（如图3－1所示），这种接法称为正接法。只要在特殊的情况下（如焊件很薄，很容易烧穿工件），才用反接法。

应用交流电进行焊接时，由于电流方向迅速变换，没有正接极和反接极的区别，两极温度都在2500K左右。由于焊条和工件的极性不断变换，所以交流电的焊接电弧不如直流电电弧那样稳定。用直流电焊接时，操作较易，容易保证焊接质量。

（二）焊条

手工电弧焊的焊条既是产生电弧的电极，又是填充焊件接头的金属，它参与了焊接过程中一系列的物理化学作用。因此保证焊缝质量，焊条起着极为重要的作用。手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成（如图3－2所示）。

1．焊芯

焊芯有时亦称焊丝，是组成焊缝金属的主要材料，硫和磷的含量较低，质量要求很高。它是经特殊冶炼和冷拔成形的专用焊条钢。常用的碳素结构钢焊芯牌号有H08、H08A和H08Mn等。牌号的含义为：H表示焊芯，08表示含碳量为0．08%，合金元素及其他符号与钢号表示方法相同。按规定，它有一定的直径和长度，焊条直径即为焊芯的直径（焊丝直径），通常其规格有1．6mm，2mm，2．5mm，3．2mm，4mm，5mm，6mm等。其长度一般为250mm～450mm。

图3－2

用于焊接各种结构钢的焊芯成分都是低碳和低硅的。要获得与工件材料同等强度的焊缝，是依靠药皮渗合金来达到的。如果焊芯的含碳量较高，则在焊接过程中可能产生较多的CO和CO₂气体，易于使焊缝中形成气孔，而且电阻较大，焊条容易发热，就不能用较大的电流进行焊接。含硅量较高则易产生夹渣，并使焊芯的熔液飞溅。

焊丝的作用有两个：一是作为电极，传导电流，产生并维持电弧；二是熔化后作为填充金属与熔化的母材一起组成焊缝。必要时，也可以用焊芯来渗合金。

2．药皮

药皮是挤压涂在焊芯表面上的涂料层，它有矿石粉、铁合金粉、粘结剂等原料按一定比例配制而成。其主要作用是使电弧容易引燃并保持稳定；在电弧高温下，产生大量气体，并形成熔渣，保护熔化金属不被氧化；去除有害元素（如氧、氢、硫、磷等），添加有益的合金元素，以改善焊缝质量。

稳定电弧是电弧焊最基本的要求。钾、钠、钛等元素在不大的电压作用下即能电离，使极间充满离子，增加导电性。因此能起稳定电弧的作用，有利于焊接操作。

造气是为了使金属熔液与周围的空气隔离，以减少氧和氮对焊缝的侵入。

熔渣覆盖在熔池表面，能延迟金属熔液的凝固，有利于冶金过程的进行和气体、渣滓等杂质上浮，熔渣凝固结壳后，还能使焊缝金属缓冷，以减少焊接应力。

锰铁、硅铁、钛铁等合金在焊接时熔人熔池，使焊缝金属合金化，以弥补其含碳量不足，保证焊缝有一定的机械性能。这些合金元素都能在熔池中起良好的脱氧作用，锰能起一定的除硫作用。

3．焊条的分类

电焊条的种类很多，通常从焊条的药皮成分、熔渣的碱度和用途进行分类。

按药皮成分，碳钢焊条药皮有七类：高钛型、钛钙型、钛铁矿型、氧化铁型、锰型、低氢钾型、低氢钠型。其中低氢钾型、低氢钠型属碱性焊条，其余为酸性焊条；使用的焊接电源除低氢钠型必须用直流（反接）外，其余均是交、直流两用。

按熔渣的碱度，可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条。熔渣是由酸性氧化物与碱性氧化物所组成的低熔点盐类。在酸性焊条的药皮材料中，酸性氧化物占多数，焊接时形成的熔渣是酸性的。酸性渣的熔点较低，流动性良好，有利于焊缝的成形，而且对保护金属熔液不受氧化和氮化的作用较好；过剩的酸性氧化物还能与FeO作用，起一定的脱氧作用。酸性焊条的工艺性好，但抗裂性不如碱性焊条，所以广泛用于一般钢结构。碱性焊条的药皮材料中含有大量的大理石，焊接时形成的碱性熔渣，熔点较高，流动性较低，因此要配入适量的萤石进行稀释。碱性焊条具有足够的脱氧、除硫和较强的去氢能力，焊缝金属中氧和氢的含量较少，杂质也少，具有较高的塑性和韧性。但电弧的稳定性较差，一般要求电源直流反接法。故只适用于重要的钢结构（如锅炉、压力容器、压力管道等）。

按用途分，原机械工业部《焊接材料产品样本》中将焊条按其用途划分为十大类。其中应用最广的是结构钢焊条。

4．结构钢焊条的牌号及选用

结构钢焊条，就是焊接低碳钢和普通低合金钢所用的焊条，其牌号用“结”字后面带三位数字来表示。例如，结（J）422和结（J）507就是最常用的结构钢焊条，前两位数字42和50是代表焊缝能达到的抗拉强度值为420MPa和500MPa，第三位数字2和7是代表焊条药皮的类型，2为钛钙型、7为低氢钠型。

结422是酸性焊条，可以用交流电源或直流电源进行焊接。因为焊接操作较易，价格低廉，所以一般要求的结构钢都用这种焊条焊接，约占焊条总产量的80%。但是这种焊条的药皮是用有机物做造气剂的，并且容易受潮，因此焊缝中容易吸收氢，会使塑性和韧性较差。

结507是碱性焊条，药皮中不用有机物做造气剂，所以也称低氢焊条。这种焊条的药皮中含有较多的硅铁、钛铁，以利在熔池中脱氧和渗入合金。又因硫和氢的含量较少，所以焊缝的塑性和韧性较高，在复杂应力和冲击载荷下不易开裂，常用于焊接较为重要的构件，如锅炉和其他压力器等。但是碱性焊条价格较贵；又因碱性药皮熔点较高，要求用直流反接进行焊接；焊条金属的熔液容易飞溅；而且还有萤石所造成的氟化物烟尘的污染。所以这种焊条对于焊接操作较为不利。

焊接结构钢时，选择焊条一般按照等强度原则，即要求焊缝强度与焊件钢材的强度大致相等。例如，结422就是用于焊接抗拉强度为420MPa的钢材。

（三）焊接电源

常用的焊条电弧焊的焊接电源（俗称电焊机）有直流弧焊发电机、交流弧焊变压器和弧焊整流器三大类。

1．直流弧焊发电机

图3－3所示为直流弧焊发电机外形图，它由一台交流电动机和一台直流发电机组成，电动机带动发电机而形成直流焊接电源。

弧焊发电机能获得稳定的直流电，因此引弧容易，电弧稳定，但运转时噪声大，空载损耗大，并且结构复杂，造价高，易损坏，维修较困难，因此，已逐渐被弧焊整流器所替代。

2．交流弧焊变压器

交流弧焊变压器输出的焊接电流为交流电。它具有结构简单、制造方便、成本低廉、使用可靠和维修方便等优点，因而应用普遍，为焊接低碳钢焊件最常用的焊接设备。图3－4所示为交流弧焊变压器外形图。

1—交流电动机　2—细调电流手柄

3—直流发电机　4—粗调电流手柄

图3－3　直流弧焊发电机

1—焊接电缆连接螺钉　2—接线柱（粗调电流）

3—调节手柄（细调电流）　4—接地螺钉

图3－4　交流弧焊变压器

3．弧焊整流器

图3－5所示为ZXS－400型弧焊整流器外形图。该整流器为晶闸管式弧焊整流器，额定焊接电流为400A。弧焊整流器具有噪声小、空载损耗小、成本低、制造和维修容易等优点，其应用已日趋普及。

（四）焊接用具

焊条电弧焊必备的焊接用具有焊接电缆、焊钳、面罩和辅助器具等。

1．焊接电缆　焊接电缆用以实现焊钳、焊件对焊接电源的连接，以传导焊接电流。电缆外表应有良好的绝缘层，不允许导线裸露。外皮如有破损，应用绝缘胶布包好，以防破损处引起短路和发生触电等事故。

图3－5　ZXS－400型弧焊整流器

图3－6　焊钳外形

图3－7　面罩

2．焊钳　焊钳是夹持焊条并传导电流以进行焊接的工具（图3－6）。焊钳必须严格绝缘。

3．面罩　面罩是防止焊接时的飞溅、弧光及其他辐射对焊工面部和颈部损伤的一种遮盖工具，有手持式和头盔式两种（图3－7）。

（五）焊接工艺

1．常用焊接接头形式及坡口

接头形式是指零件（焊件）连接处所采用的结构方式。在焊条电弧焊中，常用的焊接接头形式有：对接接头、角接接头、T形接头和搭接接头（图3－8）。

图3－8　焊接接头形式

焊接较厚的钢板（厚度大于6mm）时，要在钢板的焊接部位开坡口。坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工并装配成的一定几何形状的沟槽。坡口的作用是确保焊件焊透，从而保证焊缝质量。常用的对接接头坡口形式有I形、V形。X形、U形等（图3－9）。选用时，应在确保焊透、熔合比合理、焊接变形小的前提下，选用加工容易、节约充填金属材料和便于焊接的坡口。开坡口时要留钝边（沿焊件厚度方向未开坡口的端面部分）以防止烧穿，并留一定间隙能使根部焊透。

图3－9　对接接头的坡口形式

2．焊接操作

（1）电弧的引燃与控制

①引弧的方法　引燃焊接电弧必须将焊条的末端与焊件表面接触形成短路，然后迅速将焊条提离焊件表面至一定距离（2mm～4mm），电弧即能引燃。引弧的操作方法有直击法和划擦法两种，如图3－10所示：

图3－10　引弧的方法

②电弧的控制　电弧引燃后，应控制焊条末端与焊件表面之间的距离并保持不变，以保证电弧稳定燃烧。距离太大，会因焊条与焊件间气体不能电离导电而致熄弧；距离太小，则会引起短路。

（2）运条

电弧引燃后，开始进入正常的焊接过程，手工操作要实现焊条的三个方向的运动（图3－11）。

①焊条送进运动　焊接时，焊条被电弧熔化而变短，为保持焊条与焊件表面之间的距离不变，焊条必须作向焊件的送进运动，以免因距离增大而熄灭电弧。

1—焊条送进　2—焊条沿焊接方向移动　3—焊条摆动

图3－11　焊条的运动

②焊条沿焊接方向移动　焊接方向是指焊接热源沿焊缝长度增加的移动方向。为了完成整条焊缝的焊接，焊条应沿焊缝长度增加方向均匀移动。

③焊条的横向摆动　为了获得一定宽度的焊缝，焊条必须作横向摆动。焊条的摆动还能促使熔池中熔渣和气体的浮出，改善焊缝质量。图3－12为常用几种焊条横向摆动的形式。

上述三个方向的动作必须协调一致，根据焊缝的空间位置和接头形式，采用适当的运条操作，才能得到符合要求的焊缝。

当焊件厚度较大时，需要采取多层焊接才能将焊缝填满。图3－13所示为常用的两种多层焊焊缝填敷方法。

（3）焊接工艺参数的选择

焊条电弧焊的焊接工艺参数主要包括焊条直径、焊接电流、焊接速度等。它们对焊接质量和焊接生产率有着直接的影响。

图3－12　焊条横向摆动形式

图3－13　焊缝的多层填敷

①焊条直径

焊条直径的选择主要取决于焊件的厚度，其次应考虑接头形式、焊接位置、热输入量及焊工技术熟练程度等因素。焊件厚度不大于4mm时，焊条直径一般不超过焊件厚度；焊件厚度大于4mm时，焊条直径一般取3．2mm～6mm。焊接位置有平焊、横焊、立焊、仰焊、平角焊等。平焊、平角焊时，焊条直径可取大些；横焊、立焊、仰焊时，为防止熔池过大引起液态金属下滴，应选直径较小的焊条。

②焊接电流

焊接时，流经焊接回路的电流称为焊接电流。焊接电流的大小对焊接质量影响很大，增大焊接电流能提高生产率，增加熔深，适于焊接厚度大的焊件。焊接电流过大易造成咬边（沿焊趾的母材部位产生沟槽或凹陷）、增加飞溅，且药皮易脱落；焊接电流过小则电弧不稳定，易造成未焊透等质量问题。焊接电流的大小取决于焊条直径，焊条直径越大，焊接电流越大，一般可按下式选用：

I＝Kd

式中：I——焊接电流，A；　K——系数，其值按表3－1选取；　d——焊条直径，mm。

表3－1　系数K与焊条直径的关系

仰焊时，焊接电流应比平焊小5%～15%，立焊则应更小一些。

③焊接速度

单位时间内完成的焊缝长度称为焊接速度。在保证接头质量的前提下，应尽量采用较大的焊接速度，以提高生产率，减小过热区和焊件变形。

（六）焊接缺陷

焊接过程中在焊接接头中产生的金属不连续、不致密或连接不良的现象称为焊接缺陷。产生焊接缺陷的主要原因有：焊前接头处未清理干净、焊条未烘干、焊接工艺参数选择不当或操作方法不正确等。常见的焊接缺陷有以下几种：

1．未焊透　焊接时接头根部未完全熔透的现象称为未焊透。造成未焊透的原因有：焊接电流太小，坡口角度太小，钝边太大，间隙太小，焊条角度不当等。

2．夹渣　夹渣是指焊后在焊缝中残留焊渣。焊接电流太小，焊接速度过快，焊件边缘及焊层或焊道之间清理不干净等均会造成夹渣。

3．气孔　焊接时，熔池中的气泡在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴称为气孔。焊件边缘上留有水、锈等杂质，焊接电弧过长等均是形成气孔的原因。

4．咬边　咬边是由于焊接参数选择不当或操作方法不正确，沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷。

5．焊瘤　焊瘤是焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤。产生原因主要是焊接参数选择不当和操作方法不正确。

6．焊接裂纹　裂纹是指存在于焊缝或热影响区内部或表面的缝隙。裂纹是焊接结构中危险性最大的焊接缺陷。裂纹的形式较多，按裂纹的方向和所处的位置不同，可分为纵向裂纹、横向裂纹、放射状裂纹和弧坑裂纹等。

二、埋弧自动焊

电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法，称为埋弧焊。埋弧焊的引弧、送进焊条一般均由自动装置来完成，因此又称为埋弧自动焊。

（一）埋弧自动焊的焊接过程

埋弧自动焊的基本过程如图3－14所示。焊接时，通过漏斗先在焊件待焊表面上面覆盖一层颗粒状的焊剂，焊剂的作用与焊条药皮基本相同，电弧是在焊剂层下燃烧的。自动焊机能自动引弧，自动送进焊丝并保持一定的弧长，以及自动使一辆载运焊丝和送进机构的小车沿着平行于焊缝的导轨等速前进，以实现焊接操作的自动化。焊后，部分熔剂化成为渣壳，覆盖在焊缝表面大部分未熔化的熔剂，可以回收重新使用。

图3－15为埋弧自动焊的焊缝形成过程。电弧引燃后，电弧周围的颗粒状焊剂被熔化成熔渣，与熔池金属产生冶金反应。部分焊剂被蒸发，所生成的气体将电弧周围的熔渣排开，形成一个封闭的熔渣泡，使溶化的金属与空气隔离，并能防止金属熔液向外飞溅，减少电弧热能损失，同时还阻止了弧光四射。

（二）埋弧自动焊的主要特点

与手工电弧焊相比较，埋弧自动焊有下列优点：

1．生产率高

因为埋弧自动焊的过程，不存在焊条发热和金属熔液飞溅的问题，所以能用很大的焊接电流，常高达1000A以上，比电弧焊的焊接电流高出6～8倍。同时，埋弧自动焊所用的焊丝是连续成卷的，可节省更换焊条的辅助时间。因此，埋弧自动焊的生产率能比手工电弧焊提高5～10倍。

1—焊剂　2—焊剂漏斗　3—焊丝盘　4—焊丝　5—自动焊机头

6—导电嘴　7—渣壳　8—焊缝　9—焊件

图3－14　埋弧自动焊示意图

1—焊丝　2—电弧　3—焊剂　4—熔化了的焊剂　5—渣壳

6—金属熔池　7—焊缝　8—基本金属

图3－15　埋弧焊焊缝形成过程

2．焊接质量高而且稳定

主要的原因是焊剂对金属熔液保护得比较严密，空气较难进入，而且熔池保持液态的时间较长，冶金过程进行得较为完善，气体和渣滓也易浮出。又因为焊接规范能自动控制，所以焊接质量稳定，焊缝成形美观。

3．节约焊接材料

埋弧自动焊的电弧热量集中，焊件接头的熔深较大，厚度为20mm～25mm以下的工件，可以不开坡口就进行焊接。由于没有焊条头的浪费，飞溅损失也很少，因此可节省大量焊丝金属。

4．改善了劳动条件

因为没有弧光，所以焊工不必穿戴防护服装和眼罩，焊接烟雾也较少。事实上，焊工的劳动只是管理和调整。

埋弧自动焊的缺点：

1．因为设备费用较贵，准备时间较长，所以只适宜于批量生产长焊缝的焊件。

2．不能焊接薄的工件，以免烧穿。适宜于焊接的钢材厚度为6mm～60mm。

3．只能进行平焊，或直径为500mm以上的环形焊缝。而不能焊接任意弯曲的焊缝。

三、气体保护焊

（一）氩弧焊

1．氩弧焊的概念与分类

使用氩气作为保护气体的气体保护焊称为氩弧焊。氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的有害作用。氩弧焊按所用电极的不同分为熔化极氩弧焊和非熔化极氩弧焊两种，如图3－16所示：

1—送丝辊轮　2—焊丝或电极　3—导电嘴　4—进气管　5—喷嘴

6—氩气流　7—电弧　8—焊缝　9—焊件　10—填充焊丝

图3－16　氩弧焊示意图

（1）非熔化极氩弧焊　电极只有发射电子、产生电弧的用途，填充金属另加。常用掺有氧化钍或氧化铈的钨极，其特点是电子热发射能力强，熔点沸点高。

（2）熔化极氩弧焊　熔化极氩弧焊是以连续送进的金属焊丝为电极，因此可以用较大的焊接电流。适用于焊接厚度为25mm以下的焊件。自动的熔化极氩弧焊操作与埋弧自动焊相似，不同的是熔化极氩弧焊不用焊剂，氩气只是起保护作用。因此，焊前必须把焊件的接头表面清理干净，否则某些杂质和氧化物会残留在焊缝内。

2．氩弧焊的生产特点

1）由于氩气的保护，在高温下，它既不与金属发生化学反应，也不溶解于金属熔液中。它适于焊接容易氧化和吸收氢的各类合金钢、有色金属。

2）氩弧焊电弧稳定，飞溅小，焊缝致密，表面没有熔渣，成形美观，焊接变形小。

3）电弧可见，便于操作，容易实现全位置自动焊接。

4）钨极脉冲氩弧焊接可焊接0．8mm以下的薄板及某些异种金属。

（二）二氧化碳气体保护焊

二氧化碳气体保护焊是以CO₂作为保护气体，以焊丝（作电极）与焊件之间产生的电弧来熔化金属的一种熔化极气体保护焊。对于较长的或规则的焊缝可用自动焊方式进行。对于短的或不规则焊缝则用半自动焊。其焊接装置如图3－17所示。

1—减压表　2—流量计　3—CO₂气瓶　4—直流电焊机　5—焊炬喷嘴

6—导电嘴　7—送丝软管　8—送丝机构　9—焊丝盘

图3－17　二氧化碳气体保护焊示意图

二氧化碳气体保护焊的特点

1．生产率高，可实现自动焊；

2．为明弧焊接，易于控制焊缝成形；

3．对铁锈敏感性小、焊后熔渣少；

4．价格低廉，因CO₂价廉易得，焊接成本只相当于埋弧自动焊或电弧焊的40%左右；

5．焊接飞溅与气孔仍是生产中的难点。

四、等离子弧焊与切割

（一）等离子弧的概念

1．一般焊接电弧为自由电弧，电弧区只有部分气体被电离，温度不够集中。

2．当自由电弧压缩成高能量密度的电弧，弧柱气体被充分电离，成为只含有正离子和负离子的状态时，即出现物质的第四态——等离子体。

3．等离子弧是将自由电弧经机械的、热的和电磁的压缩效应而成的，如图3－18所示。

①机械压缩效应　在等离子枪中，当高频震荡引弧以后，气体电离形成的电弧通过焊嘴细小喷孔，受到喷嘴内壁的机械压缩。

②热压缩效应　由于喷嘴内冷却水的作用，使靠近喷嘴内壁处的气体温度和电离度急剧降低，迫使电弧电流只能从弧柱中心通过，使弧柱中心电流密度急剧增加，电弧截面进一步减小，这是对电弧的第二次压缩。

③电磁收缩效应。因为弧柱电流密度大大提高而伴生的电磁收缩力使电弧得到第三次压缩。

因3次压缩效应，使等离子弧直径仅有3mm左右，而能量密度、温度及气流速度大为提高。

1—钨极　2—离子气　3—冷却水　4—喷嘴

5—等离子弧　6—焊件　7—电阻　8—直流电源

图3—18　等离子发生装置原理图

（二）等离子弧焊的特点

1．能量密度大，温度梯度大，热影响区小，可焊接热敏感性强的材料或制造双金属件；

2．电弧稳定性好，焊接速度高，可用穿透式焊接，使焊缝一次双面成型，表面美观，生产率高；

3．气流喷速高，机械冲刷力大，可用于焊接大厚度工件或切割大厚度不锈钢、铝、铜、镁等合金；

4．电弧电离充分，电流下限达0．1A以下仍能稳定工作，适合于用微束等离于弧（0．2A～30A）焊接超薄板（0．01mm～2mm）。如膜盒、热电偶等。

（三）等离子弧切割

等离子弧切割是一种先进的金属和非金属材料切割方法。它利用高速、高温和高能的等离子气流加热并熔化材料的切割部位，靠高速气流将熔化材料排开直至等离子气流束穿透背面形成整齐的切口。

因等离子弧切割不是靠氧化燃烧金属，而是靠材料熔化来切割，所以应用范围非常广泛，可以切割难以用氧气切割的金属和非金属（如不锈钢、铸铁、铜及铜合金和铝及其合金等）。由于等离子弧能量密度高，所以加热速度快、工件的变形小、割口质量好。

等离子弧切割方法有多种，其中的空气等离子切割目前应用最广，其切割原理见图3－19。

1—压缩空气　2—电极　3—喷嘴　4—工件

图3－19　空气等离子切割原理