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电弧焊是熔化焊中最基本的焊接方法，它也是在各种焊接方法中应用最普遍的焊接方法，其中最简单最常见的是用手工操作电焊条进行焊接的电弧焊，称为手工电弧焊，简称手弧焊。手弧焊的设备简单，操作方便灵活，适应性强。它适用于厚度2mm以上的各种金属材料和各种形状结构的焊接，尤其适于结构形状复杂、焊缝短或弯曲的焊件和各种不同空间位置的焊缝焊接。手弧焊的主要缺点是焊接质量不够稳定，生产效率较低，对操作者的技术水平要求较高。 首先将电焊机的输出端两极分别与焊件和焊钳连接，如图5-4所示。再用焊钳夹持电焊条。焊接时在焊条与焊件之间引出电弧，高温电弧将焊条端头与焊件局部熔化而形成熔池。然后，熔池迅速冷却、凝固形成焊缝，使分离的两块焊件牢固地连接成一整体。焊条的药皮熔化后形成熔渣覆盖在熔池上，熔渣冷却后形成渣壳对焊缝起保护作用上。最后将渣壳清除掉，接头的焊接工作就此完成。
图5-4 手工电弧焊示意图
手弧焊的主要设备是弧焊机，俗称为电焊机或焊机。电焊机是焊接电弧的电源。
1、BX3—300型交流弧焊机 直流弧焊机供给焊接用直流电的电源设备，如图5-6所示。其输出端有固定的正负之分。由于电流方向不随时间的变化而变化，因此电弧燃烧稳定，运行使用可靠，有利于掌握和提高焊接质量。
1)正接法 焊件接直流弧焊机的正极，电焊条接负极； 2)反接法 焊件接直流弧焊机的负极，电焊条接正极。 导线的连接方式不同，其焊接的效果会有差别，在生产中可根据焊条的性质或焊件所需热量情况来选用不同的接法。在使用酸性焊条时：焊接较厚的钢板采用正接法，因局部加热熔化所需的热量比较多，而电弧阳极区的温度高于阴极区的温度，可加快母材的熔化，以增加熔深，保证焊缝根部熔透；焊接较薄的钢板或对铸铁、高碳钢及有色合金等材料的焊接，则采用反接法，因不需要强烈的加热，以防烧穿薄钢板。当使用碱性焊条时，按规定均应采用直流反接法，以保证电弧燃烧稳定。 图5-7 直流电弧焊的正接与反接 常用的手弧焊工具有焊钳、面罩、清渣锤、钢丝刷等，如图5-8所示，以及焊接电缆和劳动保护用品。 图5-8 手弧焊工具 1)焊钳 是用来夹持焊条和传导电流的工具。常用的有300A和500A两种。 2)面罩 是用来保护眼睛和面部，免受弧光伤害及金属飞溅的一种遮蔽工具。有手持式和头盔式两种。面罩观察窗上装有有色化学玻璃，可过滤紫外线和红外线，在电弧燃烧时能通过观察窗观察电弧燃烧情况和熔池情况，以便于操作。 3)清渣锤(尖头锤) 用来清除焊缝表面的渣壳。 4)钢丝刷 在焊接之前，用来清除焊件接头处的污垢和锈迹；焊后清刷焊缝表面及飞溅物。 5)焊接电缆 常采用多股细铜线电缆，一般可选用YHH型电焊橡皮套电缆或THHR型电焊橡皮套特软电缆。在焊钳与焊机之间用一根电缆连接，称此电缆为把线(火线)。在焊机与工件之间用另一根电缆(地线)连接。焊钳外部用绝缘材料制成，具有绝缘和绝热的作用。 电焊条（简称焊条）是涂有药皮的供手弧焊用的熔化电极。 1.焊条的组成及作用 焊条是由焊芯和药皮两部分组成，如图5-9所示。 1)焊芯：焊芯是焊条内被药皮包覆的金属丝。它的作用是： ⑴起到电极的作用。即传导电流，产生电弧。 ⑵形成焊缝金属。焊芯熔化后，其液滴过渡到熔池中作为填充金属，并与熔化的母材熔合后，经冷凝成为焊缝金属。 图5-9 电焊条结构图 为了保证焊缝金属具有良好的塑性、韧度和减少产生裂纹的倾向，焊芯是经特殊冶炼的焊条钢拉拔制成，它与普通钢材的主要区别在于具有低碳、低硫和低磷。 焊芯牌号的标法与普通钢材的标法基本相同，如常用的焊芯牌号有H08、H08A、 H08SiMn等。在这些牌号中的含意是：“H”是“焊”字汉语拼音首字母，读音为“焊”，表示焊接用实芯焊丝；其后的数字表示含碳量，如“08”表示含碳量为0.08 % 左右；再其后则表示质量和所含化学元素，如“A”（读音为高），则表示含硫、磷较低的高级优质钢，又如“SiMn”则表示含硅与锰的元素均小于1%（若大于1% 的元素则标出数字）。 焊条的直径是焊条规格的主要参数，它是由焊芯的直径来表示的。常用的焊条直径有2～6 mm，长度为250～450 mm。一般细直径的焊条较短，粗焊条则较长。表5-2是其部分规格。 表5-2 焊条直径和长度规格（单位：mm） 焊条直径 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 5.8 焊条长度 250 250 350 350 400 400 400 300 300 400 450 450 450 2)药皮：药皮是压涂在焊芯上的涂料层。它是由多种矿石粉、有机物粉、铁合金粉和粘结剂等原料按一定比例配制而成。由于药皮内有稳弧剂、造气剂和造渣剂等的存在见表5-3，所以药皮的主要作用有： ⑴稳定电弧 药皮中某些成分可促使气体粒子电离，从而使电弧容易引燃，并稳定燃烧和减少熔滴飞溅等。 ⑵保护熔池 在高温电弧的作用下，药皮分解产生大量的气体和熔渣，防止熔滴和熔池金属与空气接触。熔渣凝固后形成渣壳覆盖在焊缝表面上，防止了高温焊缝金属被氧化，同时可减缓焊缝金属的冷却速度。
表5-3 焊条药皮原料及作用
电焊条要妥善保管，应保存在干燥的地方，避免受潮。特别是碱性焊条，每次使用前都要经烘干处理后才能使用。 2.焊条的分类、型号及牌号 1)焊条的分类 焊条的品种繁多，有如下分类方法： ⑴按用途分类：按国家标准可分为七大类：碳钢焊条、低合金钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、铜及铜合金焊条和铝及铝合金焊条。其中碳钢焊条使用最为广泛。 ⑵按药皮熔化成的熔渣化学性质分类：焊条分为酸性焊条和碱性焊条两大类。药皮熔渣中以酸性氧化物(如SiO2，TiO2，Fe2O3)为主的焊条称为酸性焊条。药皮熔渣中以碱性氧化物(如CaO，FeO，MnO，MgO，Ma2O)为主的焊条称为碱性焊条。在碳钢焊条和低合金钢焊条中，低氢型焊条(包括低氢钠型、低氢钾型和铁粉低氢型)是碱性焊条，其他涂料的焊条均属酸性焊条。 酸性焊条具有良好的焊接工艺性，电弧稳定，对铁锈、油脂和水分等不易产生气孔，脱渣容易，焊缝美观，可使用交流或直流电源，应用较为广泛。但酸性焊条氧化性强，合金元素易烧损，脱硫、磷能力也差，因此焊接金属的塑性、韧性和抗裂性能不高，适用于一般低碳钢和相应强度的结构钢的焊接。 碱性焊条氧化性弱、脱硫、磷能力强，所以焊缝塑性、韧性高，扩散氢含量低、抗裂性能强。因此，焊缝接头的力学性能较使用酸性焊条的焊缝要好，但碱性焊条的焊接工艺性较差，仅适于直流弧焊机，对锈、水、油污的敏感性大，焊件易产生气孔，焊接时产生有毒气体和烟尘多，应注意通风。 ⑶按焊接工艺及冶金性能要求、焊条的药皮类型来分类：将焊条分为十大类，如氧化钛型、钛钙型、低氢钾型、低氢钠型等。 2)焊条的型号 焊条型号是由国家标准局及国际标准组织(ISO)制定，反映焊条主要特性的一种表示方法。现以“GB/T5117-1995国标碳钢焊条”等规定，其型号编制方法为：字母“E”(英文字母)表示焊条；E后的前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为Mpa；第三位数字表示焊条的焊接位置，若为“0”及“1”则表示焊条适用于全位置焊接（即可进行平、立、仰、横焊），“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示药皮类型及焊接电流种类，如为“03”表示钛钙型药皮、交直流正反接，又如“15”表示低氢钠型、直流反接。 焊条牌号是 焊条的牌号 两种常用碳钢焊条型号和其相应的原牌号如表5-4所示。 表5-4 两种常用碳钢焊条 型号 原牌号 药皮类型 焊接位置 电流种类 E4303 结422 钛钙型 全位置 交流、直流 E5015 结507 低氢钠型 全位置 直流反接 “焊条牌号”应尽快过渡到国家标准的“焊条型号”。若生产厂仍以“焊条牌号”标注，则必须在牌号的边上表明所属的“焊条型号”，如：焊条牌号J442(符合GB/T5117-1995 E4303型)。焊条型号与焊条牌号的关系如表5-5所示。 表5-5 国家标准焊条的分类 3.焊条的选用 焊条的种类与牌号很多，选用的是否恰当将直接影响焊接质量、生产率和产品成本。选用时应考虑下列原则： (1)根据焊件的金属材料种类选用相应的焊条种类。例如，焊接碳钢或普通低合金钢，应选用结构钢焊条；焊接不锈钢或耐热钢等有特殊性能要求的钢材，应选用相应的专用焊条，以保证焊缝金属的主要化学成分和性能与母材相同。 (2)焊缝金属要与母材等强度，可根据钢材强度等级来选用相应强度等级的焊条。对异种钢焊接，应选用与强度等级低的钢材相适应的焊条。 (3)同一强度等级的酸性焊条或碱性焊条的选用，主要考虑焊件的结构形状、钢材厚度、载荷性能、钢材抗裂性等因素。例如，对于结构形状复杂、厚度大的焊件，因其刚性大，焊接过程中有较大的内应力，容易产生裂纹，应选用抗裂性好的低氢型焊条；在母材中碳、硫、磷等元素含量较高时，也应选用低氢型焊条；承受动载荷或冲击载荷的焊件应选择强度足够、塑性和韧性较高的低氢焊条。如焊件受力不复杂，母材质量较好、含碳量低，应尽量选用较经济的酸性焊条。 (4)焊条工艺性能要满足施焊操作需要，如在非水平位置焊接时，应选用适合于各种位置焊接的焊条。 结构钢焊条的选用方法如表5-6所示；常见碳钢焊条的应用见表5-7。 表5-7 常见碳钢焊条的应用 1.焊接接头型式与焊缝坡口型式 1)焊接接头型式 焊缝的形式是由焊接接头的型式来决定的。根据焊件厚度、结构形状和使用条件的不同，最基本的焊接接头型式有对接接头、搭接接头、角接接头、T形接头，如图5-10所示。 对接接头受力比较均匀，使用最多，重要的受力焊缝应尽量选用。 图5-10 焊接接头型式 2)焊缝坡口型式 焊接前把两焊件间的待焊处加工成所需的几何形状的沟槽称为坡口。坡口的作用是为了保证电弧能深入焊缝根部，使根部能焊透，便于清除熔渣，以获得较好的焊缝成形和保证焊缝质量。坡口加工称为开坡口，常用的坡口加工方法有刨削、车削和乙炔火焰切割等。 坡口型式应根据被焊件的结构、厚度、焊接方法、焊接位置和焊接工艺等进行选择；同时还应考虑能否保证焊缝焊透、是否容易加工、节省焊条、焊后减少变形以及提高劳动生产率等问题。 坡口包括斜边和钝边，为了便于施焊和防止焊穿，坡口的下部都要留有2mm的直边，称为钝边。 对接接头的坡口型式有：I型、Y型、双Y型(X型)、U型和双U型，如图3-21所示。 焊件厚度小于6mm时，采用I型，如图3-11a所示，不需开坡口，在接缝处留出0～2mm的间隙即可。焊件厚度大于6mm时，则应开坡口，其型式如图-11b～e所示，其中：Y型加工方便；双Y型，由于焊缝对称，焊接应力与变形小；U型容易焊透，焊件变形小，用于焊接锅炉、高压容器等重要厚壁件；在板厚相同的情况下，双Y型和U型的加工比较费工。 对I型、Y型、U型坡口，采取单面焊或双面焊均可焊透，如图5-12所示。当焊件一定要焊透时，在条件允许下，应尽量采用双面焊，因它能保证焊透。 工件较厚时，要采用多层焊才能焊满坡口，如图5-13所示。如果坡口较宽，同一层中还可采用多道焊，如图5-13b所示。多层焊时，要保证焊缝根部焊透。第一层焊道应采用直径为3～4mm的焊条，以后各层可根据焊件厚度，选用较大直径的焊条。每焊完一道后，必须仔细检查、清理，才能施焊下一道，以防止产生夹渣、未焊透等缺陷。焊接层数应以每层厚度小于4～5mm的原则确定。当每层厚度为焊条直径的0.8～1.2倍时，生产率较高。 图5-11 焊缝的坡口型式 图5-12 单面焊和双面焊 2.焊接位置 熔化焊时，焊件接缝所处的空间位置，称为焊接位置，有平焊、立焊、横焊和仰焊位置，如图5-14所示。 图5-14 焊接位置 a)对接 b)角接 3.焊接工艺参数 焊接工艺参数是为获得质量优良焊接接头 图5-15 工字梁的接头型式和焊接位置 而选定的物理量的总称。工艺参数有：焊接电流、焊条直径、焊接速度、焊弧长度和焊接层数等。工艺参数选择是否合理，对焊接质量和生产率都有很大影响，其中焊接电流的选择最重要。 1)焊条直径与焊接电流的选择 手弧焊工艺参数的选择一般是先根据工件厚度选择焊条直径，然后根据焊条直径选择焊接电流。 焊条直径应根据钢板厚度、接头型式、焊接位置等来加以选择。在立焊、横焊和仰焊时，焊条直径不得超过4mm，以免熔池过大，使熔化金属和熔渣下流。平板对接时焊条直径的选择可参考表5-8。 表5-8 焊条直径的选择 钢板厚度/mm ≤1.5 2.0 3 4～7 8～12 ≥13 焊条直径/mm 1.6 1.6～2.0 2.5～3.2 3.2～4.0 4.0～4.5 4.0～5.8 各种焊条直径常用的焊接电流范围可参考表5-9。 表5-9 焊接电流的选择 焊条直径/mm 1.6 2.0 2.5 3.2 4.0 5.0 5.8 焊接电流/A 25～40 40～70 70～90 100～130 160～200 200～270 260～300 2)焊接速度的选择 焊接速度是指单位时间所完成的焊缝长度。它对焊缝质量影响也很大。焊接速度由焊工凭经验掌握，在保证焊透和焊缝质量前提下，应尽量快速施焊。工件越薄，焊速应越高。图5-16表示焊接电流和焊接速度对焊缝形状的影响。其中(a)所示焊缝形状规则，焊波均匀并呈椭圆形，焊缝各部分尺寸符合要求，说明焊接电流和焊接速度选择合适。 (c)所示焊接电流太大，焊接时弧声强，飞溅增多，焊条往往变得红热，焊波变尖，熔宽和熔深都增加。焊薄板时易烧穿。
(e)所示焊缝形状不规则且堆高，焊波变尖，熔宽和熔深都小，说明焊接速度过快。 3)焊弧长度的选择 电弧过长，燃烧不稳定，熔深减小，空气易侵入熔池产生缺陷。电弧长度超过焊条直径者为长弧，反之为短弧。因此，操作时尽量采用短弧才能保证焊接质量，即弧长L = 0.5～1d（mm）。一般多为2～4mm。 1.焊接接头处的清理 焊接前接头处应除尽铁锈、油污，以便于引弧、稳弧和保证焊缝质量。除锈要求不高时，可用钢丝刷；要求高时，应采用砂轮打磨。 2.操作姿势 以对接和丁字形接头的平焊从左向右进行操作为例，图5-17所示。 操作者应位于焊缝前进方向的右侧；左手持面罩，右手握焊钳；左肘放在左膝上，以控制身体上部不作向下跟进动作；大臂必须离开肋部，不要有依托，应伸展自由。 图5-17 焊接时的操作姿势 a)平焊 b)立焊 图5-18 引弧方法 a) 敲击法 b)划擦法 3.引弧 引弧就是使焊条与焊件之间产生稳定的电弧，以加热焊条和焊件进行焊接的过程。常用的引弧方法有划擦法和敲击法两种，如图5-18所示。 焊接时将焊条端部与焊件表面通过划擦或轻敲接触，形成短路，然后迅速将焊条提起2～4mm距离，电弧即被引燃。若焊条提起距离太高，则电弧立即熄灭；若焊条与焊件接触时间太长，就会粘条，产生短路，这时可左右摆动拉开焊条重新引弧或松开焊钳，切断电源，待焊条冷却后再作处理；若焊条与焊件经接触而未起弧，往往是焊条端部有药皮等妨碍了导电，这时可重击几下，将这些绝缘物清除，直到露出焊芯金属表面。 焊接时，一般选择焊缝前端10～20mm处作为引弧的起点。对焊接表面要求很平整的焊件，可以另外引用引弧板引弧。如果焊件厚薄不一致、高低不平、间隙不相等，则应在薄件上引弧向厚件施焊，从大间隙处引弧向小间隙处施焊，由低的焊件引弧向高的焊件处施焊。 4.焊接的点固 为了固定两焊件的相对位置，以便施焊，在焊接装配时，每隔一定距离焊上30～40mm的短焊缝，使焊件相互位置固定，称为点固，或称定位焊，如图5-19所示。 图5-19 焊接的点固 5.运条 焊条的操作运动简称为运条。焊条的操作运动实际上是一种合成运动，即焊条同时完成三个基本方向的运动：焊条沿焊接方向逐渐移动；焊条向熔池方向作逐渐送进运动；焊条的横向摆动，如图5-20所示。 图5-20 焊条的三个基本运动方向 图5-21 平焊的焊条角度 1-向下送进 2-沿焊接方向移动 3-横向摆动 1)焊条沿焊接方向的前移运动 其移动的速度称为焊接速度。握持焊条前移时，首先应掌握好焊条与焊件之间的角度。各种焊接接头在空间的位置不同，其角度有所不同。平焊时，焊条应向前倾斜70～80°，如图5-21所示，即焊条在纵向平面内，与正在进行焊接的一点上垂直于焊缝轴线的垂线，向前所成的夹角。此夹角影响填充金属的熔敷状态、熔化的均匀性及焊缝外形、能避免咬边与夹渣、有利于气流把熔渣吹后覆盖焊缝表面以及对焊件有预热和提高焊接速度等作用。 2)焊条的送进运动送进运动是沿焊条的轴线向焊件方向的下移运动。维持电弧是靠焊条均匀的送进，以逐渐补偿焊条端部的熔化过渡到熔池内。进给运动应使电弧保持适当长度，以便稳定燃烧。 3)焊条的摆动是指焊条在焊缝宽度方向上的横向运动，其目的是为了加宽焊缝，并使接头达到足够的熔深，同时可延缓熔池金属的冷却结晶时间，有利于熔渣和气体浮出。焊缝的宽度和深度之比称为“宽深比”，窄而深的焊缝易出现夹渣和气孔。手弧焊的“宽深比”为2～3。焊条摆动幅度越大，焊缝就越宽。焊接薄板时，不必过大摆动甚至直线运动即可，这时的焊缝宽度为焊条直径的0.8～1.5倍；焊接较厚的焊件，需摆动运条，焊缝宽度可达直径的3～5倍。根据焊缝在空间的位置不同，几种简单的横向摆动方式和常用的焊接走势如图5-22所示。 图5-22 常用的运条方法 综上所述，当引弧后应按三个运动方向正确运条，并对应用最多的对接平焊提出其操作要领，主要要掌握好“三度”：焊条角度、电弧长度和焊接速度。 ⑴焊接角度 如图5-21所示，焊条应向前倾斜70～80o。 ⑵电弧长度 一般合理的电弧长度约等于焊条直径。 ⑶焊接速度 合适的焊接速度应使所得焊道的熔宽约等于焊条直径的两倍，其表面平整，波纹细密。焊速太高时焊道窄而高，波纹粗糙，熔合不良。焊速太低时，熔宽过大，焊件容易被烧穿。 同时要注意：电流要合适、焊条要对正、电弧要低、焊速不要快、力求均匀。 6.灭弧（熄弧） 在焊接过程中，电弧的熄灭是不可避免的。灭弧不好，会形成很浅的熔池，焊缝金属的密度和强度差，因此最易形成裂纹、气孔和夹渣等缺陷。灭弧时将焊条端部 a)在焊道外侧灭弧 b)在焊道上灭弧 逐渐往坡口斜角方向拉，同时逐渐抬高电弧，以缩小熔池，减小金属量及热量，使灭弧处不致产生裂纹、气孔等缺陷。灭弧时堆高弧坑的焊缝金属，使熔池饱满地过渡，焊好后，锉去或铲去多余部分。灭弧操作方法有多种。如图5-23所示，(a)是将焊条运条至接头的尾部，焊成稍薄的熔敷金属，将焊条运条方向反过来，然后将焊条拉起来灭弧；(b)是将焊条握住不动一定时间，填好弧坑然后拉起来灭弧。
7.焊缝的起头、连接和收尾 1)焊缝的起头焊缝的起头是指刚开始焊接的部分。如图5-24所示。在一般情况下，因为焊件在未焊时温度低，引弧后常不能迅速使温度升高，所以这部分熔深较浅，使焊缝强度减弱。为此，应在起弧后先将电弧稍拉长，以利于对端头进行必要的预热，然后适当缩短弧长进行正常焊接。
图5-24 焊缝的起头 2)焊缝的连接 手弧焊时，由于受焊条长度的限制，不可能一根焊条完成一条焊缝，因而出现了两段焊缝前后之间连接的问题。应使后焊的焊缝和先焊的焊缝均匀连接，避免产生连接处过高、脱节和宽窄不一的缺陷。 3)焊缝的收尾 是指一条焊缝焊完后，应把收尾处的弧坑填满。当一条焊缝结尾时，如果熄弧动作不当，则会形成比母材低的弧坑，从而使焊缝强度降低，并形成裂纹。碱性焊条因熄弧不当而引起的弧坑中常伴有气孔出现，所以不允许有弧坑出现。因此，必须正确掌握焊段的收尾工作，一般收尾动作有如下几种。 ⑴划圈收尾法 如图5-26a所示，电弧在焊段收尾处作圆圈运动，直到弧坑填满后再慢慢提起焊条熄弧。此方法最宜用于厚板焊接中。若用于薄板，则易烧穿。 ⑵反复断弧收尾法 在焊段收尾处，在较短时间内，电弧反复熄弧和引弧数次，直到弧坑填满。如图5-26b所示，此方法多用于薄板和多层焊的底层焊中。 ⑶回焊收尾法 电弧在焊段收尾处停住，同时改变焊条的方向，如图5-26c所示，由位置1移至位置2，待弧坑填满后，再稍稍后移至位置3 ，然后慢慢拉断电弧。此方法对碱性焊条较为适宜。
图5-26 焊段收尾法 8.焊件清理 焊后用钢丝刷等工具将焊渣和飞溅物清理干净。 |
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