焊条电弧焊可以焊接的重要焊缝

焊条电弧焊是利用电弧热作为热源，并用手工操纵焊条进行焊接的一种方法。它使用的设备简单，操作灵活方便，适应各种条件下的焊接，在工业生产中应用极为广泛。

10.2.1 焊条电弧焊焊接原理

焊条电弧焊的焊接原理如图10－3所示。焊接时，首先将焊条夹在焊钳上，把焊件同电焊机相连接。焊条和被焊接工件作为两个电极，利用焊条与焊件之间的电弧热量熔化金属进行焊接。

图10－3 焊条电弧焊示意图

—焊缝；2—渣壳；3—熔滴；4—焊条涂料；5—焊条芯；6—焊钳；7—弧焊机；8—焊件；9—熔池；10—电弧

引弧时，使电焊条与焊件相互接触而造成短路，随即提起焊条2mm～4mm，在焊条端部和焊件之间产生电弧，电弧产生的热量将焊条、焊件局部加热到熔化状态，焊条端部熔化后形成的熔滴和熔化的母材融合一起形成熔池，随着电弧的向前移动，新的熔池开始形成，原来的熔池随着温度的降低开始凝固，从而形成连续的焊缝。

10.2.2 焊接电弧

焊接电弧是指由焊接电源供给的、具有一定电压的两极间或电极与焊件间，在气体介质中产生强烈而持久的放电现象。

1.焊接电弧的基本构造及热量分布

从电弧的外貌看，似乎是一团光亮刺眼的弧焰，但实际上它存在三个不同区域，即阴极区、阳极区和弧柱区，三个区域所产生的热量和温度的分布是不均匀的，如图10－4所示。

图10－4 焊接电弧示意图

1—阳极区；2—阴极区；3—焊条；4—弧柱区；5—工件；6—电焊机

（1）阴极区。焊接时，电弧紧靠负极的区域称为阴极区。阴极区很窄，为10－5cm～10－6cm，阴极区温度约为2 400K，其产生的热量约占电弧总热量的38％。

（2）阳极区。焊接时，电弧紧靠正极的区域称为阳极区。阳极区比阴极区宽，为10－3cm～10－4cm，阳极区温度约为2 600K，其产生的热量约占电弧总热量的42％。

（3）弧柱区。阴极区与阳极区之间的弧柱为弧柱区。弧柱区中心的热量比较集中，故温度比两极高，为6 000K～8 000K，但弧柱区产生的热量仅占电弧总热量的20％。

手弧焊时，使金属熔化的热量主要集中在两极，占65％～85％，弧柱区的大部分热量散失于气体中。

上面所述的是直流电弧的热量和温度分布情况。至于交流电弧，由于电源极性快速交替变化，所以，两极的温度基本相同，约为2 500K。

2.焊接电源极性选用

在使用直流电源焊接时，由于阴、阳两极的热量和温度分布是不均匀的，因此，分正接和反接。

（1）正接。焊件接电源正极，电极（焊条）接电源负极的接线法称正接。这种接法热量较多集中在焊件上，因此，用于厚板焊接。

（2）反接。焊件接电源负极，电极（焊条）接电源正极的接线法称反接。这种接法热量较多集中在焊条上，主要用于薄板及有色金属焊接。

10.2.3 焊接冶金特点

焊条电弧焊是以外部涂有涂料的焊条作电极和填充金属。电弧在焊条的端部与被焊工件表面之间燃烧。涂料则在电弧热作用下，一方面产生气体以保护电弧，另一方面产生熔渣覆盖在熔池表面，防止熔化金属与周围气体的相互作用。同时，熔渣可与熔化金属产生物理化学反应以添加合金元素，改善焊缝金属性能。

焊接时，在液态金属、熔渣和气体间所进行的冶金反应，和一般冶炼反应过程有所不同。首先，焊接电弧和熔池的温度比一般冶炼温度高，容易造成合金元素的蒸发和烧损；其次，焊接溶池体积小，从熔化到凝固时间极短，所以，熔池金属在焊接过程中温度变化很快，使得冶金反应的速度和方向往往会发生迅速的变化，有时，气体和熔渣来不及浮出就会在焊缝中产生气孔和夹渣的缺陷。

因此，焊前必须对焊件进行清理，在焊接过程中必须对熔池金属进行机械保护和合金化。机械保护是指利用熔渣、保护气体等机械地把熔池与空气隔开；合金化是指向熔池中添加合金元素，以便改善焊缝金属的化学成分和组织。

10.2.4 电焊条

电焊条是焊条电弧焊的重要焊接材料，它直接影响到焊接电弧的稳定性及焊缝金属的化学成分和力学性能。电焊条的优劣是影响焊条电弧焊质量的主要因素之一。

1.电焊条的组成及作用

电焊条涂有药皮的供焊条电弧焊用的焊接材料，由焊芯和药皮两部分组成，如图10－5所示。

图10－5 焊条

1—夹持端；2—药皮；3—焊芯；4—引弧端

（1）焊芯。焊条中被药皮包裹的金属芯称焊芯。它的主要有两个作用：一是导电，产生电弧，提供焊接电源，二是焊芯本身熔化作为焊缝的填充金属。焊芯是经过特殊冶炼而成的，其化学成分应符合GB／T 14957—1994的要求。在焊芯成分中含碳较低，硫、磷含量较少，有一定合金元素含量，可保证焊缝金属具有良好的塑性、韧度，以减少产生焊接裂纹倾向，改善焊缝的力学性能。

焊芯的直径即为焊条直径，并不包括药皮厚度在内。常用的焊芯有φ1.6mm、φ2.0mm、φ2.5mm、φ3.2mm、φ5.0mm等几种，长度一般在200mm～450mm之间。

（2）药皮。焊条药皮在焊接过程中有如下作用。

①保护作用。药皮熔化后产生的气体和形成的熔渣有隔离空气、保护熔滴和熔池金属的作用。

②提高焊缝性能。通过熔渣与熔化金属冶金反应，可除去硫、磷、氧、氢等有害物质，添加有益的合金元素，使焊缝金属获得符合要求的化学成分和力学性能。

③改善焊接工艺性能。由于在药皮中加入了一定的稳弧剂和造渣剂，所以，在焊接时电弧稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形好，脱渣比较容易。

2.电焊条的分类

电焊条按用途可分为碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、铸铁焊条、堆焊焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条及特殊用途焊条等。

电焊条按熔渣性质可分为酸性焊条和碱性焊条。

①酸性焊条。熔渣是以酸性氧化物为主（如Si O2、Ti O2等）的焊条。这类焊条容易引弧，电弧稳定，飞溅小，脱渣性好，对铁锈、油污、水分的敏感性不大，并且可用交直流电源焊接，广泛用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接。但由于熔渣呈酸性，其氧化性较强，焊接时，合金元素大量被烧损，焊缝中氧化夹杂物多，焊缝金属塑性、韧度和抗裂能力较差。

②碱性焊条。熔渣是以碱性氧化物和氧化钙为主的焊条。这类焊条熔渣呈碱性，并含有较多铁合金作为脱氧剂和合金剂，焊接时，药皮中的大理石分解成CaO和CO2、CO气体，气体能隔绝空气，保护熔池，CaO能去硫，药皮中的CaF2能去氢，使焊缝金属中含氢量、含硫量较低。因此，用碱性焊条焊出的焊缝抗裂性能较好，力学性能较高。但它的工艺性能差，对油污、铁锈、水敏感性大，易产生气孔，焊接时产生的烟尘量较多。为保证电弧稳定燃烧，一般采用直流反接。碱性焊条主要用于裂纹倾向大，塑性、韧度要求高的重要结构，如锅炉、压力容器、桥梁、船舶等的焊接。

3.电焊条的选用原则

选择焊条时，应根据被焊结构的材料及使用性能、工作条件、结构特点和工厂的具体情况综合考虑。

（1）要选用焊缝金属与母材等强度或成分相近的焊条。如焊接碳钢或普通低合金钢时应选用碳钢焊条；又如焊接铸铁时，应选用铸铁焊条等。

（2）对承受动载荷、冲击载荷或形状复杂，厚度、刚度大的焊件时，应选用碱性焊条。

（3）根据被焊件的工作条件和结构特点选用焊条。如向下立焊、重力焊时可选择专用焊条；对于焊前难以清理的焊件，应选用酸性焊条等，以满足施焊操作的需要，保证焊接质量。

此外，应考虑焊接工人的劳动条件、生产率及经济合理性等，在满足使用性能要求的前提下，尽量选用无毒（或少毒）、生产率高、价格便宜的焊条，一般结构通常选用酸性焊条。

10.2.5 焊接接头与坡口形式

1.焊接接头

焊接接头主要起连接和传递力的作用。焊接中，由于焊件的厚度、结构及使用条件的不同，焊接接头的基本形式有四种：对接接头、搭接接头、T形接头和角接接头，如图10－6所示。

图10－6 焊接接头的基本形式

（1）对接接头。对接接头受力均匀，应力集中程度小，材料消耗较少，但对焊件装配要求较高，是各种焊接结构中采用最多的一种接头形式。

（2）搭接接头。搭接接头的应力分布不均匀，疲劳强度较低，不是焊接接头的理想形式。但是，形式简单，在焊接结构中仍得到广泛应用。

（3）角接接头。角接接头承载能力差，易出现应力集中和根部开裂等缺陷，一般用于不重要的焊接结构。

（4）T形接头。T形接头是典型的电弧焊接头，能承受各种方向的力和力矩，是各种箱型结构中最常见的结构形式。

2.坡口形式

坡口是根据设计或工艺需要，在焊件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。开坡口的目的是为了保证电弧能深入到焊缝根部使其焊透，并获得良好的焊缝成形以及便于清渣。对于合金钢来说，坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用。坡口形式取决于焊接接头形式、焊件厚度及对接头质量的要求。

焊接接头的坡口根据其形状不同可分为基本型、组合型和特殊型三类。

（1）基本型坡口。基本型坡口形状简单，加工容易，应用最普遍，如图10－7所示。

图10－7 基本型坡口的基本形式

（2）组合型坡口。由两种或两种以上的基本型坡口组合而成的，如图10－8所示。

（3）特殊型坡口。既不属于基本型又不同于组合型的特殊坡口，如卷边坡口、带垫板坡口等，如图10－9所示。

图10－8 组合型坡口的基本形式

图10－9 组合型坡口的基本形式

10.2.6 焊接参数的选择

焊条电弧焊时，焊接参数主要是焊接电压、焊接电流、焊接速度等。焊接电压实际是反映电弧长度。此外，根据实际生产情况，还要确定电源种类（直流或交流）、焊接的层数（单层和多层焊）等。

1.焊条直径的选择

焊条直径主要根据所焊构件的厚度来决定，并综合考虑接头形式、焊缝在空间的位置（如平焊、仰焊等），以及对焊缝质量要求等各方面因素。一般情况下，可按工件厚度参考表10－1来决定。

表10－1 焊条直径选择的参考数值

此外，在焊厚板结构时，需要采用多层焊，在这种情况下，焊第一层时不能采用大直径焊条，以便使焊条能伸入根部，避免焊不透。在立焊和仰焊时，由于熔化金属易于下滴，也不宜用大直径焊条。立焊和仰焊时一般采用φ3mm～φ4mm直径的焊条。

2.焊接电流的选择

焊接电流大小主要是根据焊条直径、焊条种类、焊件厚度、焊缝在空间的位置等来选择的。有时还要考虑到所焊金属材料的性质（如导热性等），以及焊件变形等问题。

焊接电流选择恰当与否，直接影响焊缝质量、焊接操作及生产率。焊接电流太小，则焊接速度慢，生产率低，且容易出现夹渣、气孔和未焊透等缺陷。操作时，表现为电弧燃烧不稳定，容易短路和断弧，焊缝中钢液与熔渣不易区分，焊缝熔合、成形不良等。

焊接电流太大，首先是熔深增大，如操作不慎则容易烧穿。此外，焊缝附近热影响区增加，焊接应力与变形也增大。同时，焊接过程中金属和熔渣飞溅严重，易于出现气孔、裂纹等缺陷。电流太大，操作时，表现为电弧发出明显的爆裂声和产生过多的飞溅物，焊条不待烧完就被加热到发红，熔渣不能紧紧覆盖焊缝表面，焊缝表面粗糙，焊接质量也不良。焊接电流选择可参考表10－2。

表10－2 焊接电流参考数值

上述焊接电流的选择是指平焊而言。在焊接立焊缝和横焊缝时，电流大小应比平焊时减小10％～15％，仰焊时则要减小15％～20％。