电弧焊接原理及工艺探析

把分离的金属加热或加压，或两者并用，促使金属原子间的结合，以获得永久牢固的连接，这种方法称为焊接。焊接的方法很多，按焊接过程、原理及特点，一般可分为熔焊、压焊和钎焊三类。

1.焊条电弧焊

焊条电弧焊是利用电弧热使焊条和工件接缝处金属熔化，冷却后形成牢固的焊缝。它是熔焊中最基本的一种焊接方法。

焊条电弧焊使用的设备简单，操作方便、灵活，适应各种条件下的焊接，是生产中应用最广泛的一种焊接方法。

（1）电弧焊接的基本原理

1）焊条电弧焊的过程。焊条电弧焊是用焊条和焊件作为两个电极，焊接时，由电弧焊机提供焊接电源，利用电弧热使焊件与焊条同时熔化。焊件上的熔化金属在电弧吹力下形成一凹坑，称为熔池。熔滴借助电弧吹力和重力作用，过渡到熔池中，如图7-26所示。药皮熔化后，在电弧吹力的搅拌下，与液体金属发生快速强烈的冶金反应，反应后形成的熔渣和气体不断地从熔化金属中排出，浮起的熔渣覆盖在焊缝表面，逐渐冷凝成渣壳，排出的气体减少了焊缝金属生成气孔的可能性。同时围绕在电弧周围的气体与熔渣，共同防止了空气的侵入，使熔化金属缓缓冷却。随着电弧向前移动，焊件和焊条金属不断熔化形成新熔池，原先的熔池则不断地冷却凝固，形成连续焊缝。

焊接过程实质上是一个冶金过程。它的特点是：熔池温度很高，加上电弧的搅拌作用，使冶金反应进行得非常强烈，反应速度快；由于熔池的体积小，存在的时间短，所以温度变化快；参加反应的元素多。

2）焊接电弧。在两个电极（焊条和焊件）间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象称为电弧。电弧产生时，能释放出强烈的弧光和集中的热量，电弧焊就是利用此热量熔化焊件金属和焊条来进行焊接。引燃电弧时，应将焊条与焊件接触后立即分开，并保持一定距离，这时在焊条端部与焊件之间就产生了电弧，如图7-27所示。

图7-26 电弧焊接过程

1—焊件 2—焊缝 3—熔池

4—金属熔滴 5—焊芯

6—焊条药皮 7—气体

8—液态熔渣 9—固态渣壳

3）焊接电弧的构造及温度 焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成，如图7-28所示。

图7-27 电弧产生示意图

1—焊条 2—电弧 3—焊件

图7-28 电弧的构造

直流正接时，阴极区位于焊条末端，阳极区位于焊件表面，弧柱介于阴极和阳极之间，四周被气体和电弧包围（弧柱的形状一般呈锥台形）。

电弧中各部分的温度因电极和工件材料不同而有所不同。焊接钢材时，阳极区温度约2600℃，阴极区温度约为2400℃，电弧中心区温度可高达6000～8000℃左右。

（2）焊接工艺

1）焊接电弧极性的选择。使用直流焊机焊接时，工件接正极而焊条接负极叫做正接法；反之，叫做反接法。正接法焊件获得的热量高，适用于厚板件焊接；反接法焊件获得的热量稍低，适用于薄板或采用低氢型焊条的焊接。

使用交流焊机焊接时，由于电源的极性是交变的，两极上产生的热量相同，不存在正接和反接问题。

2）焊接电流的选择。焊接电流主要取决于焊条类型、焊条直径和焊缝的位置。焊接电流大，焊条熔化快，生产率高。但电流过大时，飞溅严重，工件易烧穿，甚至使后半根焊条药皮烧红而大块脱落，使焊缝产生气孔、咬边、未焊透等缺陷；焊接电流过小时，工件熔化面积小，焊条熔化金属在工件上流动性差，熔渣与熔液很难分清，焊缝窄而高、成形差，并易于产生气孔和夹渣等缺陷。

对于一定直径的焊条，有一个合理的与之对应的电流使用范围。表7-1所列为酸性焊条平焊时焊接电流的选择范围。

表7-1 酸性焊条平焊时焊接电流的选择范围

焊接电流和焊缝位置的关系：焊接平焊缝时，由于运条和控制熔池中的熔化金属比较容易，因此可选用较大的电流进行焊接。但在其他位置焊接时，为了避免熔化金属从熔池中流出，要使熔池小些，焊接电流相应要比平焊时小些。使用碱性焊条时，焊接电流一般要比酸性焊条小些。

在实际操作中，可通过观察焊接电弧、焊条熔化速度和焊缝成形好坏等情况，判断焊接电流是否选择得当。当焊接电流合适时，电弧稳定、噪声小、飞溅少，熔渣与熔液容易分离，焊缝成形均匀美观。

3）引弧方法。引燃电弧有直击法和划擦法两种，如图7-29所示。直击法如图7-29a所示，引弧时，将焊条末端对准焊缝垂直碰击，然后迅速提起并保持一定距离。划擦法如图7-29b所示，将焊条端部在焊件上轻轻擦过一段距离，引燃电弧后，迅速将焊条提起并保持一定距离。划擦法引弧较易掌握，但容易擦伤工件表面。上述两种引弧方法，应根据具体情况灵活使用。

在施焊起点或中间更换焊条引弧，应在起焊点前面10mm左右处，如图7-30所示，引弧后拉长电弧，并迅速将电弧移回至起焊点，稍停片刻对焊件预热，待接点弧坑填满时，再移动焊条进入正常焊接。这种引弧方法，由于再次熔化引弧点，可将已产生的气孔消除，提高了施焊起点或接头处的焊缝质量。引弧时如果焊条粘在工件上，应迅速左右摆动焊钳，使焊条脱离。

图7-29 引弧方法

a）直击法 b）划擦法

图7-30 引弧点位置示意图

4）运条方法。电弧引燃后，焊条要有三个方向的运动，才能使焊缝成形良好，焊接保持连续。这三个方向的运动是：向熔池方向进给，沿焊接方向移动，作横向摆动。

①向熔池方向进给。焊接时，焊条不断被电弧熔化变短，为了保持一定的弧长，必须使焊条向熔池送进。送进速度应与焊条的熔化速度相适应，否则会发生断弧。

②沿焊接方向移动。焊条沿焊接方向移动，使熔池金属形成焊缝。焊条的移动速度（焊接速度）对焊缝质量影响很大，因此移动速度要适当。移动速度太快焊缝熔深小，不易透焊；移动速度太慢，会使焊缝熔深大，工件过热，变形增加或烧穿。

③作横向摆动。焊条作横向摆动可以得到一定宽度的焊缝。由于摆动中电弧反复搅动熔池，加速熔化金属的冶金反应，促进熔池中熔渣和气体的浮出，从而改善焊缝质量。摆动的幅度视焊缝的宽度而定，对于窄焊缝可以不作横向摆动。

以上三个方向的动作必须协调，并根据不同接头形式、间隙、焊缝位置、焊条直径与焊接电流、工件厚度等情况，采用适当的运条方式。

5）焊缝的收尾。焊缝焊完时，如果立即熄弧，会在焊缝末尾形成低于焊件表面的弧坑。过深的弧坑很容易产生应力集中而形成裂纹，影响焊缝质量。为了让熔化金属填满弧坑，应在焊接收尾时，焊条停止前移，作圆弧运动，待填满弧坑时再拉断电弧，也可回焊一小段后收尾。对薄板，则常采用较短时间内反复点燃和熄灭电弧，直至填满弧坑为止。

2.气体保护焊等其他焊接方法

（1）气体保护焊原理 气体保护焊采用非熔化极或熔化极与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，并向焊接区输送惰性保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。连续送进的焊丝金属不断熔化并过渡到熔池，与熔化的母材金属熔合形成焊缝金属，从而使工件相互连接起来。由于惰性气体对焊接区的保护简单、方便，焊接区便于观察，焊枪操作方便，生产效率高，适合进行全位置焊，易实现机械化和自动化，因此在实际生产中日益广泛地被采用。目前，电弧焊领域的机械化、自动化发展方向主要是最大限度地采用气体保护焊和埋弧焊代替焊条电弧焊。随着现代化生产的发展，气体保护焊在焊接生产中占据了越来越重要的地位。气体保护焊的焊接过程，如图7-31所示。

图7-31 非熔化极气体保护焊的焊接过程

气体保护焊按保护气体不同可分为：二氧化碳气体保护焊、氩弧焊、氦弧焊、氮弧焊、氢原子弧焊及混合气体保护焊。

按电极材料的不同，气体保护电弧焊可分为两大类：一类是非熔化极气体保护焊；另一类是熔化极气体保护焊，以焊丝作为电极。按机械化程度不同可分为：手工气体保护焊、半自动气体保护焊与自动气体保护焊。

焊接时用的保护气体主要有Ar、He、CO₂、N₂、（H₂）及混合气体等。

（2）CO₂气体保护焊

1）CO₂气体保护焊原理：CO₂气体保护焊示意图，如图7-32所示。

2）CO₂气体保护焊特点。CO₂气体保护焊由于电弧穿透能力强，能形成较大接头熔深，焊丝熔化率高；生产效率比焊条电弧焊高1～3倍。

二氧化碳气体价廉易得，而且消耗电能少，是一种既经济，又便于自动化生产的焊接方法。一般情况下，二氧化碳气体保护焊的成本仅为焊条电弧焊的37%～42%，为埋弧焊的40%。(www.xing528.com)

图7-32 CO₂气体保护焊示意图

CO₂与焊条电弧焊相比，CO₂气体保护焊设备复杂，费用较高，操作不够灵活。

纯CO₂焊在一股工艺范围内不能达到射流过渡，实际上常用短路过渡和滴状过渡，加入混合气体后才有可能获得射流过渡；CO₂气体呈喷射状，有助于熔滴过渡，飞溅较多。

3）CO₂气体保护焊冶金特点。CO₂焊接过程在冶金方面主要表现为：CO₂是一种氧化性气体，在高温时进行分解，具有强烈的氧化作用，易造成合金元素氧化烧损或产生气孔与飞溅。

在熔池金属内部存在有溶解不了的或过饱和的气体，当这些气体来不及从熔池中逸出时，便随熔池的结晶凝固，而留在焊缝内形成气孔。

CO₂气体保护焊时气流对焊缝有冷却作用，又无熔渣覆盖，故熔池冷却快。此外，所用的电流密度大，焊缝窄而深，气体逸出行程长，于是增加了产生气孔的可能性。

可能产生的气孔有三种；一氧化碳气孔、氢气孔和氮气孔。

（3）熔滴过渡方式 CO₂气体保护焊中，为获得稳定的焊接过程，要选用合适的熔滴过渡形式。熔滴过渡形式有细颗粒过渡、排斥过渡、爆炸过渡和短路过渡，几种过渡形态如图7-33。一般采用短路过渡和细颗粒过渡两种过渡形式。

图7-33 CO₂气体保护焊几种熔滴过渡形式

a）细颗粒过渡 b）短路过渡 c）排斥过渡 d）爆炸过渡

（4）飞溅问题 在CO₂气体保护焊中，大部分焊丝熔化金属可过渡到熔池，有一部分焊丝熔化金属飞向熔池之外，飞到熔池之外的金属称为飞溅。特别是粗焊丝CO₂气体保护焊时用大规范焊接参数焊接时，飞溅更为严重，飞溅率可达20%以上，这时就不可能进行正常焊接工作了。

飞溅是有害的，飞溅金属粘到导电嘴和喷嘴内壁上，会造成送丝和送气不畅而影响电弧稳定和降低保护作用，恶化焊缝成形；粘到焊件表面上又增加焊后清理工序；它不但降低焊接生产率，增加了焊丝及电能消耗，影响焊接质量，而且使劳动条件变差。

引起金属飞溅的原因很多，大致有以下两个方面：

1）熔滴自由过渡时的飞溅。

2）熔滴短路过渡时的飞溅。

（5）CO₂气体保护焊材料

1）保护气体。纯CO₂是无色、无味的气体，密度为1.98kg/m³，比空气重（空气为1.29kg/m³），是空气的1.5倍。

CO₂焊用的焊丝对化学成分有特殊要求，主要有以下3点：

①焊丝内必须含有足够数量的脱氧元素，以减少焊缝金属中的含氧量和防止产生气孔。

②焊丝的含碳量要低。通常要求w（C）＜0.11%，以减少气孔和飞溅。

③要保证焊缝具有满意的力学性能和抗裂性能。

2）CO₂气体保护焊设备。CO₂气体保护焊是熔化极气体保护电弧焊方法之—，设备组成如图7-34所示，焊接设备及附件如图7-35所示。

图7-34 CO₂气体保护焊焊接设备组成示意图

1—CO₂气瓶 2—预热器 3—高压干燥器 4—气体减压阀

5—气体流量计 6—低压干燥器 7—气阀 8—送丝机构

9—焊枪 10—可调电感 11—焊接电源 12—工件

图7-35 CO₂气体保护焊焊接设备及附件

（6）CO₂气体保护焊的焊接参数 CO₂气体保护焊的焊接参数包括电源极性、焊丝直径、电弧电压、焊接电流、气体流量、焊接速度、焊丝伸出长度、直流回路电感等。

1）电源极性。CO₂气体保护焊焊接一般材料时，采用直流反接；在进行高速焊、堆焊和铸铁补焊时，应采用直流正接。

2）焊丝直径。CO₂气体保护焊的焊丝直径一般可根据焊接工件特点进行选择。

3）电弧电压和焊接电流。对于一定直径的焊丝来说，在CO₂气体保护焊中，采用较低的电弧电压，较小的焊接电流焊接时，焊丝熔化所形成的熔滴把母材和焊丝连接起来，呈短路状态称为短路过渡。

4）气体流量。气体流量应随焊接电流的增大、焊接速度的增加和焊丝伸出长度的增加而加大。一般CO₂气体流量的范围为8～25L/min。

5）焊接速度。随着焊接速度的增大，则焊缝的宽度、余高和熔深都相应地减小。

6）焊丝伸出长度。焊接时焊丝伸出导电嘴的长度叫焊丝伸出长度。焊丝伸出长度增加，则使焊丝的电阻值增加，造成焊丝熔化速度加快。

7）直流回路电感。在焊接回路中，为使焊接电弧稳定和减少飞溅，一般需串联合适的电感。串联电感值大时，短路电流增长速度太慢，就会引起大颗粒的金属飞溅和焊丝成段炸断，造成熄弧或使起弧变得困难；串联电感值太小时，短路电流增长速度太快，会造成很细颗粒的金属飞溅，使焊缝边缘不齐，成形不良。

（7）氩弧焊 氩弧焊是利用氩气作为保护气体的一种电弧焊方法。如图7-36为氩弧焊示意图，下面主要介绍钨极氩弧焊（TIG焊）。

1）分类。根据焊接电流的不同，TIG焊又可分为直流TIG焊与交流TIG焊。

①直流TIG焊。以直流电弧焊接电源作为焊接电源，电极作为负极、母材作为正极，广泛应用于不锈钢、钛、铜以及铜合金等的焊接。

图7-36 氩弧焊示意图

a）熔化极氩弧焊 b）非熔化极氩弧焊

1—焊件 2—熔滴 3—氩气 4、10—喷嘴

5、11—氩气喷管 6—熔化极焊丝

7、9—导电嘴 8—非熔化极 12—焊丝

②交流TIG焊。以交流电弧焊接电源为焊接电源，电极、母材正负极性相互变化。直流反接方式时，具有阴极破碎作用，可清除工件表面的氧化膜。铝及铝合金表面有一层致密得氧化膜（Al₂O₃，熔点2050℃，铝的熔点只有660℃）覆盖在熔池表面，容易造成夹渣及未熔合等缺陷，可利用反极性的阴极破碎作用加以清除。但直流反接时，钨极烧损严重，一般采用交流电弧焊接。交流电弧焊接一般应用于铝、镁等的焊接。

2）保护气体。用于TIG焊的保护气体大致有三种。使用最广泛的是氩气。因此，通常习惯把TIG焊简称钨极氩弧焊。其次是氦气（He），由于氦气比较稀缺，提炼困难，价格昂贵，国内用得极少。最后一种是混合气体，由两种不同成分的气体按一定的配比混合后使用。

3）焊接材料

①钨极。钨极作为氩弧焊的电极，对它的基本要求是：发射电子能力要强；耐高温而不易熔化烧损；有较大的许用电流。

②焊丝。用于TIG焊的焊丝与二氧化碳气体保护焊的焊丝要求相同，详细请参看CO₂气体保护焊章节。