焊条电弧焊的基础知识

焊接电弧是在焊条和焊件之间产生的一种强烈而持续的放电现象。电弧是电弧焊接的热源，电弧燃烧是否稳定对焊接质量有重要的影响。焊接电弧实质上是在一定条件下电荷通过两电极之间的气体产生放电的过程。

1.焊接电弧的形成和工作原理。

在焊接引弧时，焊条和焊件瞬间接触形成短路，在电场的作用下，热的金属发射出大量的电子，电弧区的中性粒子就会电离成正、负离子，正负离子相向运动，形成两极之间的气体导电过程。如图5－2所示，此时两极表面发出大量的光和热，同时温度升高，电弧被点燃。当两极之间有一定的电压时，电弧就能保持持续的燃烧。

如图5－2所示，焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。焊接电弧有以下特点:

①温度高，阴极区发射电子，温度略低，平均温度约为2400K，阳极区温度接收电子，平均温度约为2600K，弧柱中心温度高达6000～8000K。

②电弧电压低，为10～80V。

③电弧电流大，可达10～1000A。

④焊接电流或电弧电压越大，弧光越强。

需要指出的是，焊接电弧产生的热量只有60%～85%用于加热和熔化金属，其余的热量都散失到空气中或飞溅的金属滴中。

图5－2　焊接电弧示意图

2.焊接的接线法

焊接的接线法也叫电源极性，电源极性是指在采用直流电流进行焊接时，电源的正负极输出端与焊件、焊条的连接方式。如图5－3所示，当电源正极接焊件，电源负极接焊条时，称为正极性或直流正接；反之，当电源正极接焊条，负极接焊件时，称为反极性或直流反接。交流焊接无极性问题。

图5－3　焊接电源极性示意图

1－焊条；2－焊件

3.常用的电弧焊设备

焊条电弧焊常用的设备也就是电弧焊机，也叫焊接电源。

(1)焊接对电源设备的要求

为了进行良好的焊接，对电弧焊机有两个基本的要求:

①电弧焊机的电压要具有陡降特性。一般电设备都要求电源电压稳定，或近似水平的特性，但焊接用的电源电压为了满足引弧、稳弧的需要，则要求电弧焊机的电压能够随负载的增加迅速下降。

②电弧焊机的电流要具有可调节的特性。这是因为焊接时，电弧产生的热量与电弧的电流大小成正比，焊件的厚度不同，所需的电流也就不同。所以要求电弧焊机在一定范围内可以调节焊接电流的大小。

(2)电弧焊机的种类、特点、组成和功能

电弧焊机根据所使用的电源的不同可分为交流电弧焊机和直流电弧焊机。

交流电弧焊机实际上是一种特殊的变压器。如图5－4所示，它可以将220V或380V的电源电压降到60～80V，以满足引弧的需要；在焊接时，电压会自动下降到工作电压20～30V。输出电流从几十安到几百安，可以根据焊接需要来调节电流大小。交流电弧焊机结构简单、制造和维修方便、价格低、噪声小，所以交流电弧焊机应用十分普遍。

直流电弧焊机可分为弧焊发电机和弧焊整流器两类。直流弧焊发电机在发电机的驱动下，直接供给焊接所需的直流电。直流电弧焊发电机在焊接时，电弧稳定，焊接质量较好，但结构复杂，价格昂贵，维修麻烦，噪声大，并且耗电大。已逐渐被整流器式电弧焊机所取代，如图5－5所示，就是一种弧焊整流器，它可以通过整流元件将交流电变成直流电。

图5－4　电弧焊机示意图

图5－5　弧焊蒸馏器示意图

电弧焊机按焊接方法可分为焊条电弧焊机、CO2气体保护焊机、埋弧焊机、钨极氩弧焊机、熔化极氩弧焊机和等离子弧焊机；按自动化的程度还可分为手动电弧焊机、半自动电弧焊机和全自动电弧焊机。

电弧焊机通常是由弧焊电源、送丝系统、行走机构、控制系统、送气系统中的一个或数个部分组成的。弧焊电源是一种为焊接提供电能的装置，是电弧焊机的主要组成部分；送丝系统是在熔化极自动焊和半自动焊中提供焊丝自动进给的装置；行走机构是使焊接机头和焊件之间产生一定速度的相对运动，从而完成自动焊接的机械装置；控制系统是实现熔化极自动电弧焊焊接焊接参数自动调节和焊机程序自动控制的电器装置；送气系统是在气体保护罩中使用的，一般包括储气瓶、减压表、流量计、电磁气阀和软管。

4.焊条

焊条是焊条电弧焊的焊接材料，是由药皮和焊芯两部分组成。如图5－6所示为焊条的结构示意图。

图5－6　焊条的结构示意图

1－药皮；2－焊芯；3－焊条夹持部分

(1)焊芯

焊芯是指焊条中被药皮所包裹的金属丝，通常是含碳、硫、磷较低专用金属丝，直径和长度均有规定，焊芯的直径称为焊条的直径，长度称为焊条的长度。常用的焊条直径规格有2mm、2.5mm、3.2mm、4mm、5mm、8mm等若干种，长度一般为250～450mm。

在焊接过程中，金属焊芯的作用:一是作为电极，传导电流，产生和维持焊接电弧；二是焊芯熔化后用来作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝金属。

(2)药皮

药皮是压涂在焊芯表面上的涂料层，它是由石矿粉、铁合金粉、黏结剂等原材料按照一定比例配制而成的。焊条药皮的类型包括铁钛钙型、氧化铁型、高钛型、钛钙型、锰型、低氢钾型、低氢钠型。后两者是碱性焊条，其余均为酸性焊条。(www.xing528.com)

焊条药皮的作用:一是改善焊接工艺性，使焊条引弧容易，形成的焊接电弧能够保持稳定燃烧，产生的有害气体、金属飞溅少，有利于焊缝的成型，脱渣容易等；二是起到机械保护作用，在电弧高温下，药皮熔化后产生大量气体并形成熔渣，可以保护熔化的金属不被氧化；三是起到冶金处理作用，去除有害杂质同时添加有益合金元素，从而改善焊缝金属质量，提高焊缝金属的力学性能。

5.焊条的分类和表示方法

焊条的种类很多，焊条按照熔渣的化学性质不同，可分为酸性焊条和碱性焊条。酸性焊条是指药皮熔化后的焊渣以酸性氧化物为主要成分的焊条，这类焊条的工艺性比较好，焊条电弧比较稳定，适应性强，交、直流电弧焊机均可使用，但焊缝的力学性能一般，抗裂性比较差；碱性焊条是指药皮熔化后的熔渣以碱性氧化物和氟化物为主，这类焊条的力学性能好，抗裂性强，但工艺性比较差，碱性焊条引弧困难，电弧不够稳定，适应性较差，仅适用于直流电弧焊机，适用于中碳钢和高碳钢的焊接。

我国一般将焊条按用途分为10大类，表5－1就是我国焊条的分类和相应的牌号符号。

表5－1　焊条的分类

焊条的表示方法分为国家标准的焊条代号和焊条行业统一的焊条代号两类，国家标准的焊条代号称为焊条型号，焊条行业统一的焊条代号称为焊条牌号。

国家标准焊条型号的组成如图5－7所示。根据国家标准规定，碳钢焊条的焊条型号是以英文字母“E”加后面四位数字组成的。例如E4303，其中E表示焊条，43表示焊缝金属的抗拉强度不低于420MPa，0表示适用于全位置焊接，3表示钛钙型药皮。其中，第三位数字为“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接，2表示焊条适用于平焊和平角焊，4表示焊条适用于向下立焊。行业标准焊条牌号的组成如图5－8所示，焊条牌号是以牌号符号加后面的数字组成的。例如J422，其中J表示结构钢，42表示焊缝金属的抗拉强度不低于420MPa，2表示钛钙型药皮，适用于交流和直流电弧焊机。

图5－7　焊条型号的组成

图5－8　焊条牌号的组成

常用焊条型号和相应焊条牌号如表5－2所示，其他焊条可参阅相关标准或焊接手册。

表5－2　常用焊条型号和牌号对照表

6.焊条电弧焊的焊接工艺参数

在进行焊接时，为了获得优良的焊缝，保证焊接的质量，必须要选择合理的焊接工艺参数，焊接工艺参数的选择也会直接影响劳动生产率。焊条电弧焊的焊接工艺参数是根据焊件材料、焊缝空间位置、焊接接头形式、焊件厚度等具体情况来确定的，包括焊条牌号、焊条直径、焊接的电源和接线法、焊接的坡口形式、焊接电流、电弧电压和焊接速度等。焊条牌号是根据焊件的材料和焊缝的空间位置来选择的，而焊接的电源和接线法又是根据焊条的牌号确定的。焊接时，电弧长度决定了电弧电压，电弧电压和焊接速度一般是由焊工根据具体情况灵活掌握。

(1)焊缝的空间位置

焊缝的空间位置是指焊接时焊缝所处的位置。在实际生产中，由于焊接结构和焊件移动的限制，按焊缝在空间中所处的位置，焊接可分为平焊、横焊、立焊和仰焊，如图5－9所示。其中，平焊操作简单，劳动条件好，有利于焊缝的形成，能够保证焊接的质量，且生产效率高，所以是最合适的焊缝空间位置。其他三种焊缝空间位置，受熔池液态金属重力的影响，容易下流，在进行焊接时，需要对焊接参数进行控制并采取一定的操作方法，从而保证焊缝成型。应尽可能地选择平焊来进行焊接，横焊和立焊次之，尽量避免仰焊。

图5－9　焊缝的空间位置

(2)焊接接头形式和焊接坡口形式

①焊接接头形式

焊接接头是指用焊接方法连接的接头，由焊缝、熔合区、热影响区和附近的母材构成。根据接头的构造形式不同，可分为对接接头、角接接头、T形接头、搭接接头，如图5－10所示。对接接头是指两焊件近似构成180°的接头形式；角接接头是指两焊件端部构成一个明显夹角的接头形式；T形接头是指一个焊件端面与另一个焊件表面构成直角或近似直角的接头形式；搭接接头是指两焊件部分重叠构成的接头。其中对接接头受力均匀，是最常用的焊接接头形式；搭接接头受力时将产生附加弯矩，使焊缝应力辅助，且消耗金属量大，但焊接接头不需要开坡口，装配尺寸要求不高，所以搭接接头常用于不太重要的结构件。

图5－10　常见的焊接接头形式

②焊接坡口形式

坡口是指根据设计或工艺需要，在焊件待焊部位加工出一定几何形状沟槽。接头加工坡口的目的是能够使焊接更加容易的进行，电弧能够沿板厚熔敷一定的深度，保证接头完全焊透，同时也有利于焊缝的成型和形成高质量的焊缝。常用的焊接坡口形式有I形、V形、U形、X形、J形坡口，常见的焊条电弧焊的坡口形式如图5－11所示。当被焊工件的厚度不大于6mm时，可以不开坡口或开I形坡口；当焊件厚度大于6mm时，为了保证焊缝区焊透和焊接质量，必须在接头处开坡口。V形坡口便于加工，但焊件焊后容易发生变形；X形坡口可以避免V形坡口的一些缺点，而且需要的填充材料少；U形坡口焊缝需要的填充材料更少，焊后变形也小，但U形坡口加工困难，所以一般用于重要的焊接结构。

图5－11　常见的焊接坡口形式

(3)焊条直径的选择

焊条直径的选取主要取决于焊件的厚度，一般来说，焊件越厚选择的焊条越粗，焊件薄时选择细焊条。除此之外，焊条直径的选择还与焊缝的空间位置有关，横焊、立焊和仰焊的焊条要比平焊的细。对于平焊来说，可以参考表5－3来选择焊条的直径。

表5－3　焊条直径的选择(单位:mm)

(4)焊接电流和焊接速度

①焊接电流

焊接电流是影响焊接质量和焊接效率的重要因素，如果电流过大，就会发生金属熔化过快，金属飞溅大，熔深厚，产生烧穿、咬边等焊接缺陷；如果电流过小，就会产生未焊透、夹渣等缺陷，而且生产效率低。在确定焊接电流时，要考虑焊条直径，焊条的类型、焊缝的空间位置、焊件厚度、接头形式和坡口形式等多方面的因素，其中最主要的是焊条直径。直径大的焊条要选用大电流，直径小的焊条要选用小电流。在焊接低碳钢时，焊接电流和焊接直径的关系可由以下公式来确定，即

式中，I为焊接电流，d为焊条直径。

②焊接速度

焊接速度是指单位时间内焊条沿焊缝长度方向移动的距离，它对焊接质量的影响很大。焊接速度过快，会造成焊缝熔深浅，熔宽小以及未焊透等缺陷；焊接速度过慢，容易造成焊缝熔深深，熔宽增加等缺陷，当焊接件为薄件时，还容易烧穿。

确定焊接电流和焊接速度的一般原则是:在保证焊接质量的前提下，尽量选用较大的焊接电流；在保证焊透并且能够形成良好焊缝的前提下，尽可能提高焊接速度，提高焊接的生产效率。