《焊接方法與設(shè)備》

第二單元

焊條電弧焊學(xué)習(xí)目標(biāo)

通過(guò)本單元的學(xué)習(xí)，要使學(xué)生明確焊條電弧焊的基本原理；掌握焊條電弧焊的特點(diǎn)及應(yīng)用；熟悉焊條電弧焊的工藝及設(shè)備；并與技能培訓(xùn)結(jié)合，對(duì)焊條電弧焊得操作技術(shù)有深入的了解。模塊一焊條電弧焊的原理及特點(diǎn)

焊條電弧焊是最常用的熔焊方法之一，它使用的設(shè)備簡(jiǎn)單、操作方便靈活，適應(yīng)在各種條件下的焊接，特別適合于形狀復(fù)雜的焊接結(jié)構(gòu)的焊接。一、焊條電弧焊的基本原理

焊條電弧焊是手工要將在焊條與工件之間建立起來(lái)的穩(wěn)定燃燒的電弧，使焊條和工件局部熔化，從而獲得牢固焊接接頭的工藝方法，如圖2-1所示。圖2-1焊條電弧焊原理焊接過(guò)程中，焊條與工件之間燃燒的電弧熱熔化焊條端部和工件的接縫處，在焊條端部迅速熔化的金屬以細(xì)小熔滴經(jīng)弧柱過(guò)渡到已經(jīng)熔化的金屬中，并與之融合一起形成熔池。焊條藥皮不斷地分解、熔化而生成氣體及熔渣，保護(hù)焊條端部、電弧、熔池及其附近區(qū)域，防止大氣對(duì)熔化金屬的有害污染。隨者電弧向前移動(dòng)，熔池的液態(tài)金屬逐步冷卻結(jié)晶而形成焊縫，熔渣冷卻凝固成渣殼，繼續(xù)對(duì)焊縫起保護(hù)作用。1．優(yōu)點(diǎn)（1）設(shè)備簡(jiǎn)單，維護(hù)方便（2）操作靈活，適應(yīng)性強(qiáng)（3）待焊接頭裝配要求低（4）應(yīng)用范圍廣2．缺點(diǎn)（1）對(duì)焊工操作技術(shù)要求高（2）勞動(dòng)條件差（3）生產(chǎn)效率低二、焊條電弧焊的特點(diǎn)模塊二焊條電弧焊設(shè)備及工具

焊條電弧焊的焊接設(shè)備主要有弧焊電源、焊鉗和焊接電纜。此外，還有面罩、敲渣錘、鋼絲刷和焊條保溫筒等，后者統(tǒng)稱輔助設(shè)備或工具，如圖2-2所示。圖2-2焊條電弧焊基本焊接回路一、弧焊電源

在電弧焊中，焊接電弧是焊接回路中的負(fù)載，弧焊電源則是，為電弧負(fù)載提供電能并保證焊接工藝過(guò)程穩(wěn)定的裝置。電弧與一般的電阻負(fù)載不同，它在焊接過(guò)程中是時(shí)刻變化的，是一個(gè)動(dòng)態(tài)負(fù)載。因此，弧焊電源除了具有一般電力電源的特點(diǎn)，還必須具有適應(yīng)電弧負(fù)載的特性，如引弧容易、保證電弧穩(wěn)定、保證焊接參數(shù)穩(wěn)定可調(diào)等。1.對(duì)弧焊電源的要求（1）對(duì)弧焊電源外特性的要求

弧焊時(shí)，弧焊電源與電弧組成一個(gè)供電和用電系統(tǒng),在穩(wěn)定狀態(tài)下，弧焊電源的輸出電壓U與輸出電流Ih,之間的關(guān)系，即U=f(Ih)稱為弧焊電源的外特性。

弧焊電源的外特性一般為下降特性和平特性(包括稍有上升特性)兩類如圖2-3所示。根據(jù)不同的焊接方法可選擇不同的外特性。圖2-3弧焊電源的幾種外特性曲線

焊條電弧焊的靜特性處于U形曲線的水平段，故首先要求電源外特性曲線與電弧靜特性曲線的水平段相交，即要求焊條電弧焊的電源應(yīng)具有下降的外特性。再?gòu)暮附訁?shù)穩(wěn)定性考慮，要求電源空載電壓高一些、外特性形狀陡降一些為好，因?yàn)閷?duì)于相同的弧長(zhǎng)變化，陡降外特性電源所引起的電流變化比緩降外特性電源所引起的電流變化小得多，見(jiàn)圖2-4。焊條電弧焊過(guò)程中要求電源具有陡降的外特性。圖2-4外特性形狀對(duì)電流穩(wěn)定性的影響

理想的焊條電弧焊電源的外特性是具有垂降帶外拖的外特性，如圖2-5所示。在正常電弧電壓范圍內(nèi)，弧長(zhǎng)變化時(shí)焊接電流保持不變。當(dāng)電弧電壓低于拐點(diǎn)電壓值時(shí)，外特性曲線向外傾斜，焊接電流變大，增大了熔滴過(guò)渡的推力。由于短路電流也相應(yīng)增大，有利于引燃電弧。圖2-5焊條電弧焊理想電源外特性

（2）對(duì)電源空載電壓的要求

焊電源的空載電壓是指弧焊電源處于非負(fù)載狀態(tài)時(shí)的端電壓，用U0表示。它是弧焊電源的重要技術(shù)指標(biāo)。

在確定電源空載電壓數(shù)值時(shí)，要考慮以下幾個(gè)方面:

1）保證容易引弧。

2）保證電弧穩(wěn)定燃燒。

3）保證經(jīng)濟(jì)效益。

4）保證人身安全。因此，在設(shè)計(jì)弧焊電源確定空載電壓時(shí)，應(yīng)在滿足弧焊工藝需要的前提下，盡可能采用較低的空載電壓。對(duì)于通用的交流和直流焊條電弧焊電源的空載電壓有如下規(guī)定:弧焊變壓器U0≤80V；弧焊整流器U0≤85V一般情況下U0不得超過(guò)100V，在特殊用途中，若超過(guò)100V時(shí)必須備有自動(dòng)防觸電裝置。13

為滿足不同焊接工藝的要求，如不同的焊芯直徑。焊接位置、工件厚度等，要求焊機(jī)有良好的調(diào)節(jié)特性。焊條電弧焊電源的調(diào)節(jié)是指調(diào)節(jié)焊接電流，實(shí)質(zhì)上是改變電源的外特性。其調(diào)節(jié)特性有以下三種情況（圖2-6）。（3）應(yīng)能方便地調(diào)節(jié)焊接電流圖2-6焊機(jī)外特性在調(diào)節(jié)時(shí)的變化

1）焊接電流減小時(shí)，空載電壓同時(shí)降低，如圖2-6a所示。這種調(diào)節(jié)特性不夠理想，當(dāng)用小電流焊接時(shí)，U0低不易引弧和保證電弧的穩(wěn)定燃燒。

2）空載電壓U0不變，通過(guò)改變電源外特性陡降程度而實(shí)現(xiàn)焊接電流的改變，如圖2-6b所示。這種調(diào)節(jié)特性是比較好的，用小電流焊接時(shí)，仍能保證引弧容易。

3）空載電壓隨焊接電流的減小而增大，隨電流的增大而減小，如圖2-6c所示，這種調(diào)節(jié)特性是最理想的，因?yàn)樵谛‰娏骱附訒r(shí)，由于U0高，引弧容易、電弧穩(wěn)定。而在使用大電流焊接時(shí)，雖然U0低，但焊接電流和短路電流大，引弧性能和穩(wěn)弧性能仍然較好。2.常用焊條電弧焊機(jī)簡(jiǎn)介可分為：弧焊變壓器、直流弧焊發(fā)電機(jī)和弧焊整流器三大類。（1）弧焊變壓器

弧焊變壓器是一種特殊的降壓變壓器，其基本工作原理與一般的電力變壓器相同。但為了滿足弧焊工藝的要求，它還應(yīng)具有以下特點(diǎn)：1）為保證交流電弧的穩(wěn)定燃燒，要有一定的空載電壓和較大的電感。2）弧焊變壓器主要用于焊條電弧焊、埋弧焊和鎢極氬弧焊，應(yīng)具有下降的外特性。3）弧焊變壓器的內(nèi)部感抗數(shù)值應(yīng)可調(diào)，以進(jìn)行焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。

弧焊變壓器不同于普通變壓器的主要之處，在于它的回路中有較大的感抗。因此，可以使變壓器的總漏抗XL很小(XL≈0)，靠串聯(lián)電抗器LK得到較大的漏抗XK值；或使變壓器具有較大的漏磁，以獲得較大的總漏抗XZ，而不用串聯(lián)電抗器(XK＝0)。當(dāng)焊接電流增加時(shí)，在感抗XZ(XL+XK)上產(chǎn)生較大的電壓降，從而獲得下降的外特性，滿足焊接工藝的要求。當(dāng)改變XL或XK時(shí)，可得到一系列陡降度不同的外特性，以便于焊接工藝參數(shù)的調(diào)節(jié)。

弧焊變壓器分為串聯(lián)電抗器式和增強(qiáng)漏磁式兩類。（2）直流弧焊發(fā)電機(jī)

旋轉(zhuǎn)式直流弧焊發(fā)電機(jī)通常是由一臺(tái)電動(dòng)機(jī)和一臺(tái)弧焊發(fā)電機(jī)組成的機(jī)組，由電動(dòng)機(jī)帶動(dòng)弧焊發(fā)電機(jī)發(fā)出直流焊接電流。一般常用直流弧焊發(fā)電機(jī)根據(jù)其磁極和勵(lì)磁方式的不同，可分為裂極式(AX-320)、差復(fù)勵(lì)式(AX1-500、AX7-500)換向極去磁式(AX4-300)等幾種。直流弧焊發(fā)電機(jī)與弧焊變壓器相比，具有引弧容易電弧穩(wěn)定、過(guò)載能力強(qiáng)等優(yōu)點(diǎn)；其缺點(diǎn)是效率低、空載損耗大、噪聲大、造價(jià)高、維修難。在我國(guó)當(dāng)前大力提倡節(jié)約能源的情況下不宜繼續(xù)使用。（3）弧焊整流器

焊整流器是一種直流弧焊電源，與直流弧焊發(fā)電機(jī)相比，它具有制造方便、價(jià)格低、空載損耗少、噪聲小等優(yōu)點(diǎn)，而且大多數(shù)弧焊整流器可以遠(yuǎn)距離調(diào)節(jié)焊接參數(shù)，能自動(dòng)補(bǔ)償電網(wǎng)電壓波動(dòng)對(duì)輸出電壓和電流的影響。它可作為各種弧焊方法的電源。按主電路和整流器件的不同，弧焊整流器可分為硅弧焊整流器(ZXG、ZPG系列)、晶閘管式弧焊整流器(ZX5系列)和弧焊逆變器(ZX7系列)。3.弧焊電源的選擇

（1）弧焊電源電流種類的選擇

焊條電弧焊采用的焊接電流既可以是交流也可以是直流，所以焊條電弧焊電源既有交流電源也有直流電源。目前，我國(guó)焊條電弧焊用的電源主要有弧焊變壓器和弧焊整流器（包括弧焊逆變器）兩大類。前一種屬于交流電源，后一種屬于直流電源。弧焊電源電流的種類主要是根據(jù)所使用的焊條類型和所要焊接的焊縫形式進(jìn)行選擇。低氫鈉型焊條必須選用直流弧焊電源，以保證電弧穩(wěn)定燃燒。酸性焊條雖然交、直流均可使用，但一般選用結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單且價(jià)格較低的交流弧焊電源。

（2）弧焊電源的容量選擇

直流弧焊電源焊接時(shí)，工件和焊條與電源輸出端正、負(fù)極的接法稱為極性。工件接直流電源正極，焊條接負(fù)極時(shí)稱為正接或正極性；工件接負(fù)極焊條接正極時(shí)稱為反接或反極性。不同類型的焊條要求不同的接法，一般在焊條說(shuō)明書(shū)上都有規(guī)定。

焊條電弧焊時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊接產(chǎn)品所需的焊接電流范圍和實(shí)際負(fù)載持續(xù)率來(lái)選擇弧焊電源的容量，即弧焊電源的額定焊接電流。額定焊接電流是在額定負(fù)載持續(xù)率條件下允許使用的最大焊接電流，焊接過(guò)程中使用的焊接電流值如果超過(guò)這個(gè)額定焊接電流值，就要考慮更換額定電流值大一些的弧焊電源或者降低弧焊電源的負(fù)載持續(xù)率。二、焊條電弧焊常用的工具和輔具1．焊鉗

焊鉗是用來(lái)夾持焊條、傳導(dǎo)電流的工具。焊鉗既是焊接設(shè)備的組成部分，又是焊條電弧焊的主要工具。焊鉗有300A、500A兩種規(guī)格，要求具有良好的絕緣性與隔熱能力。焊條位于水平(0°)、45°、垂直(90°)等方向時(shí)焊鉗都能夾緊焊條，并保證更換焊條安全方便操作靈活，如圖2-13所示。圖2-13

焊鉗2．面罩和護(hù)目鏡

面罩是防止焊接飛濺、弧光、高溫對(duì)焊工面部及頸部灼傷的一種工具。面罩一般分為手持式和頭盔式兩種，有時(shí)也用光電式，如圖2-14所示。要求選用耐燃或不燃的絕緣材料制成，罩體應(yīng)遮住焊工的整個(gè)面部，結(jié)構(gòu)牢固，不漏光。圖2-14焊工面罩3．焊條保溫筒

焊條保溫筒是盛裝已烘干的焊條，且能保持一定溫度以防止焊條受潮的一種筒形容器。有立式和臥式兩種，內(nèi)裝焊條2.5～5kg，如圖2-15所示。通常是利用弧焊電源二次電壓對(duì)保溫筒加熱，溫度一般在100～450℃之間。圖2-15焊條保溫筒

使用低氫型焊條焊接重要結(jié)構(gòu)時(shí)，焊條必須先放入烘箱烘焙，烘干溫度和保溫時(shí)間因材料和季節(jié)而異。焊條從烘箱內(nèi)取出后，應(yīng)儲(chǔ)存在焊條保溫筒內(nèi)，焊工可隨身攜帶到現(xiàn)場(chǎng)，隨用隨取。模塊三焊條電弧焊工藝焊前準(zhǔn)備主要包括坡口的選擇與制備、焊接區(qū)域的清理、焊條烘干、工件裝配定位和焊前預(yù)熱等。1.坡口的選擇與制備

坡口形式取決于焊接接頭形式、工件厚度以及對(duì)接頭質(zhì)量的要求。根據(jù)板厚不同，焊條電弧焊接頭常用的坡口類型有I形、Y形、X形、U形等。

坡口制備的方法很多，應(yīng)根據(jù)工件的尺寸、形狀與加工條件綜合考慮進(jìn)行選擇。目前工廠中常用剪切、氣割、刨邊、車削、碳弧氣刨等方法制備坡口。一、焊前準(zhǔn)備2．焊接區(qū)域的清理

它是指焊前對(duì)接頭坡口及其附近（約20mm內(nèi)）的表面被油、銹、漆和水等污染的清理。用堿性焊條焊接時(shí)，清理要求嚴(yán)格和徹底，否則極易產(chǎn)生氣孔和延遲裂紋。酸性焊條對(duì)銹不很敏感，若銹蝕較輕，而且對(duì)焊縫質(zhì)量要求不高時(shí)，可以不清理。清理時(shí)，可根據(jù)被清物的種類及具體條件，分別選用鋼絲刷刷、砂輪磨或噴丸處理等手工或機(jī)械方法，也可用除油劑（汽油、丙酮）清洗的化學(xué)方法，必要時(shí)，還可用氧—乙炔焰烘烤清理的部位，以去除工件表面油污和氧化皮。

3.焊條烘干

按產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)的規(guī)定對(duì)焊條進(jìn)行烘干。一般酸性焊條取70～150℃范圍，最高不超過(guò)250℃，保溫1～1.5h；堿性焊條取300～400℃范圍，保溫1～2h。 低氫型焊條對(duì)水分比較敏感，要求使用前一定烘干，原則上重復(fù)烘干不超過(guò)兩次。酸性焊條藥皮中允許的含水量較高，是否要烘干，可視焊條存放時(shí)間及受潮程度而定。

4.工件的裝配定位

經(jīng)裝配各工件的位置確定之后，可以用夾具或定位焊縫把它們固定起來(lái)，然后進(jìn)行正式焊接。定位焊的質(zhì)員直接影響焊縫的質(zhì)量，它是正式焊縫的組成部分。又因它焊道短，冷卻快，比較容易產(chǎn)生焊接缺陷，若缺陷被正式焊縫所覆蓋而未被發(fā)現(xiàn)、將造成隱患。一般定位焊的焊接電流應(yīng)比正常焊接的電流大15％～20％。

5.焊前預(yù)熱

預(yù)熱的目的是降低焊接接頭的冷卻速度，以改善組織，減小應(yīng)力，防止焊接裂紋等。工件是否需要預(yù)熱及預(yù)熱溫度的選擇，主要根據(jù)工件材料、結(jié)構(gòu)形狀與尺寸而定。對(duì)于剛性不大的低碳鋼和強(qiáng)度級(jí)別較低的低合金高強(qiáng)度鋼結(jié)構(gòu)，一般不需預(yù)熱。而對(duì)剛性大的或焊接性差而容易產(chǎn)生裂紋的結(jié)構(gòu)，焊前需必須熱。件整體預(yù)熱一般在爐內(nèi)進(jìn)行；局部預(yù)熱可用火焰加熱、工頻感應(yīng)加熱或紅外線加熱。二、焊接參數(shù)及選擇

焊條電弧焊的焊接參數(shù)通常包括焊條直徑、焊接電流、電弧電壓、焊接速度、焊接層數(shù)等。焊接參數(shù)選擇得正確與否，直接影響焊縫形狀、尺寸、焊接質(zhì)量和生產(chǎn)率。1.焊條直徑

焊條直徑一般根據(jù)工件厚度選擇。同時(shí)還要考慮接頭形式、施焊位置和焊接層數(shù)，對(duì)于重要結(jié)構(gòu)還要考慮焊接熱輸入的要求。工件厚度（mm）234~56~12＞13焊條直徑（mm）23.23.2~44~54~6表2-3焊條直徑的選擇

選擇焊接電流時(shí)，應(yīng)根據(jù)焊條類型、焊條直徑、工件厚度、接頭形式、焊接位置和層數(shù)等綜合考慮。焊接電流過(guò)小會(huì)使電弧不穩(wěn)，造成未焊透、夾渣以及焊縫成形不良等缺陷；焊接電流過(guò)大易產(chǎn)生咬邊、焊穿、增加工件變形和金屬飛濺量，也會(huì)使焊接接頭的組織由于過(guò)熱而發(fā)生變化。在相同條件的情況下，平焊時(shí)焊接電流可大些，其它位置焊接電流應(yīng)小些；堿性焊條使用焊接電流一般可比酸性焊條小10％左右，否則焊縫中易產(chǎn)生氣孔。2．焊接電流的選擇焊條直徑(mm)1.62.02.53.2456焊接電流(A)25~4040~6550~80100~130160~210200~270260~300表2-4

焊接電流和焊條直徑的關(guān)系3．焊縫層數(shù)的選擇

對(duì)質(zhì)量要求較高的焊縫，每層厚度最好不大于5mm。

焊接層數(shù)主要根據(jù)鋼板厚度、焊條直徑、坡口型式和裝配間隙等來(lái)確定，可作如下近似估算：

n=δ/d式中：n為焊接層數(shù)；δ為工件厚度（mm）；d為焊條直徑（mm）。

電弧長(zhǎng)度與電弧電壓成正比，焊接時(shí)應(yīng)盡量使用短弧焊接。立焊、仰焊時(shí)弧長(zhǎng)應(yīng)比平焊更短些，以利于熔滴過(guò)渡，防止熔化金屬下滴。堿性焊條焊接時(shí)應(yīng)比酸性焊條弧長(zhǎng)短些，以利于電弧的穩(wěn)定和防止氣孔。焊速過(guò)快，熔化能量不夠，易造成未熔合、焊縫成形不良等缺陷；焊速過(guò)慢，使高溫停留時(shí)間增長(zhǎng)，焊接接頭的晶粒變粗，力學(xué)性降低，同時(shí)使工件變形量增大。當(dāng)焊接較薄工件時(shí)，易形成燒穿。在保證不焊穿和成形良好的條件下，應(yīng)盡量采用較大的焊條直徑和焊接電流，并適當(dāng)提高焊接速度，以提高生產(chǎn)率。4．電弧電壓與焊接速度的控制三、焊條電弧焊的基本操作技術(shù)1．引弧

電弧焊開(kāi)始時(shí)，引燃焊接電弧的過(guò)程叫引弧。焊條電弧焊通常采用接觸引弧法，它是先將焊條與工件接觸形成短路，再拉開(kāi)焊條引燃電弧的方法。根據(jù)操作手法不同又可分為直擊引弧法和劃擦引弧法，如圖2-