焊条电弧焊技术优化

利用电弧作为焊接热源的熔焊方法称为电弧焊，简称弧焊。用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法称为焊条电弧焊。

焊条电弧焊所需的设备简单，操作方便、灵活，是工业生产中应用最广泛的一种焊接方法，适用于厚度2 mm以上各种金属材料的焊接。

1.弧焊机

（1）弧焊机的种类

电弧焊需要专用的焊接电源，称为电弧焊机。焊条电弧焊的焊接电源称为手弧焊机，简称弧焊机。弧焊机按其供给的焊接电流性质可分为交流弧焊机和直流弧焊机两类。

1）交流弧焊机。

交流弧焊机实际上是一种具有一定特性的降压变压器，称为弧焊变压器。它把网路电压（220 V或380 V）的交流电变成适合于电弧焊的低压交流电，其结构简单、价格便宜、使用方便、维修容易、空载损耗小，但电弧稳定性较差。图4-1所示为一种目前较常采用的交流弧焊机的外形，其型号为BX1-250。型号中“B”表示弧焊变压器，“X”表示下降外特性（电源输出端电压与输出电流的关系称为电源的外特性），“1”表示系列品种序号，“250”表示弧焊机的额定焊接电流为250 A。

2）直流弧焊机。

生产中常用的直流弧焊机有整流式直流弧焊机和逆变式直流弧焊机等。

①整流式直流弧焊机（简称整流弧焊机）。整流弧焊机是电弧焊专用的整流器，故又称为弧焊整流器。它把网路交流电经降压和整流后变为直流电。整流弧焊机弥补了交流弧焊机电弧稳定性较差的缺点，且焊机结构较简单、制造方便、空载损失小、噪声小，但价格比交流弧焊机高。图4-2所示为一种常用的整流弧焊机的外形，其型号为ZXG-300。型号中“Z”表示弧焊整流器，“X”表示下降外特性，“G”表示该整流弧焊机采用硅整流元件，“300”表示整流弧焊机的额定焊接电流为300 A。

图4-1　BX1-250交流弧焊机外形

1—焊机输入端（接外接电源）；2—接地螺栓；3—焊接电源两极（接焊件和焊条）；4—调节手柄；5—焊机铭牌；6—电流指示器

图4-2　ZXG-300整流弧焊机外形

1—电流指示盘；2—电流调节器；3—焊接电源两极；4—电源开关

②逆变式直流弧焊机，简称逆变弧焊机。逆变弧焊机又称为弧焊逆变器，是一种有较大发展前景的新型弧焊电源。它具有高效节能、重量轻、体积小、调节速度快及弧焊工艺性能良好等优点，近年来发展迅速，预计在未来的弧焊电源中将占据主导地位。

直流弧焊机输出端有正极和负极之分，焊接时电弧两端极性不变。因此，直流弧焊机输出端有两种不同的接线方法：焊件接直流弧焊机正极，焊条接负极的接法称为正接；反之，称为反接。用直流弧焊机焊接厚板时，一般采用正接，以利用电弧正极的温度和热量比负极高的特点，获得较大的熔深；焊接薄板时，为了防止焊穿缺陷，常采用反接。在使用碱性焊条时，均应采用直流反接，以保证电弧燃烧稳定。

（2）弧焊机的主要技术参数

弧焊机的主要技术参数标明在弧焊机的铭牌上，主要有初级电压、空载电压、工作电压、输入容量、电流调节范围和负载持续率等。

①初级电压，指弧焊机接入网路时所要求的外电源电压。一般交流弧焊机的初级电压为单相380 V，整流弧焊机的初级电压为三相380 V。

②空载电压，指弧焊机在没有负载时（即未焊接时）的输出端电压。一般交流弧焊机的空载电压为60～80 V，直流弧焊机的空载电压为50～90 V。

③工作电压，指弧焊机在焊接时的输出端电压，也可看作电弧两端的电压（称为电弧电压）。一般弧焊机的工作电压为20～40 V。

④输入容量，指由网路输入到弧焊机的电流与电压的乘积，它表示弧焊变压器传递电功率的能力，其单位是kV·A。

⑤电流调节范围，指弧焊机在正常工作时可提供的焊接电流范围。国家标准GB/T 8118—2010电弧焊机通用技术条件对弧焊机的电流调节范围作了明确规定。

⑥负载持续率，指规定工作周期内弧焊机有焊接电流的时间所占的平均百分比。国家标准规定焊条电弧焊电源的工作周期为5 min，额定的负载持续率一般为60%，轻型电源可取35%。

2.焊条电弧焊工具

（1）电焊钳

电焊钳的主要作用是夹紧焊条并传导焊接电流，它应具有良好的导电性、不易发热、质量小、夹持焊条紧固、更换焊条容易和安全等特点，通常有300 A和500 A两种，其结构如图4-3所示。

图4-3　电焊钳结构

1—钳口；2—固定销；3—弯臂罩壳；4—弯臂；5—直柄；6—弹簧；7—胶布手柄；8—焊接电缆固定处

（2）面罩和护目镜

面罩和护目镜用来防止焊接飞溅、弧光及高温对焊工面部及颈部灼伤，同时还能减轻灰尘和有害气体对呼吸道的伤害。

面罩一般分为手持式和头盔式两种。

此外还有焊条保温桶、焊缝接头尺寸检测器、敲渣锤、钢丝刷和高速角向砂轮机等。

图4-4　焊条

3.焊条

焊条是焊条电弧焊所采用的焊接材料（焊接时所消耗的材料统称为焊接材料），由焊芯和药皮两部分组成，如图4-4所示。

焊芯是指焊条内的金属丝，它具有一定的直径和长度。焊芯的直径称为焊条直径，焊芯的长度即焊条长度。常用焊条的直径和长度规格见表4-1。

表4-1　常用焊条的直径和长度规格　mm

焊芯在焊接时的作用有两个：一是作为电极传导电流，产生电弧；二是熔化后作为填充金属，与熔化的母材一起组成焊缝金属。

按国家标准，用于焊芯的专用钢丝（简称焊丝）有碳素结构钢、低合金结构钢和不锈钢三类。常用碳素结构钢焊丝牌号有H08、H08A和H08E等，牌号中“H”表示焊条用钢，“A”表示高级优质，“E”表示特级优质。

药皮是压涂在焊芯表面的涂料层，由矿石粉、铁合金粉和黏结剂等原料按一定比例配制而成，其主要作用有下列几个。

1）改善焊条工艺性。如使电弧易于引燃，保持电弧稳定燃烧，有利于焊缝成型，减少飞溅等。

2）机械保护作用。在电弧热量作用下，药皮分解产生大量气体并形成熔渣，对熔化金属起保护作用。

3）冶金处理作用。去除有害杂质，添加有益的合金元素，改善焊缝质量。

焊条按熔渣化学性质不同可分为两大类：药皮熔化后形成的熔渣以酸性氧化物为主的焊条称为酸性焊条，如E4303、E5003等；熔渣以碱性氧化物和氟化钙为主的焊条称为碱性焊条，如E4315、E5015等。

焊条按用途分为十大类：结构钢焊条、钼和铬钼耐热钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、低温钢焊条、铸铁焊条、镍和镍合金焊条、铜和铜合金焊条、铝和铝合金焊条、特殊用途焊条。

焊接结构生产中应用最广的是结构钢焊条（包括碳钢焊条和低合金钢焊条）。焊接不同钢材时应选用不同型号的焊条，如焊接Q235钢和20钢时选用E4303或E4315焊条；焊接16Mn钢时选用E5003或E5015焊条。焊条型号中“E”表示焊条；“43”和“50”分别表示熔敷金属抗拉强度最小值为420 MPa（43 kgf^[1]/mm2）和490 MPa（50 kgf/mm2）。焊条型号中第三位数字表示适用的焊接位置，“0”和“1”表示适用于全位置焊接。第三位和第四位数字组合时表示药皮类型和焊接电源种类，“03”表示钛钙型药皮，用交流或直流正、反接焊接电源均可；“15”表示低氢钠型药皮，直流反接焊接电源。

4.焊接接头形式和焊缝坡口形式

（1）焊接接头形式

常用的焊接接头形式有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头等，如图4-5所示。其中对接接头是指两焊件表面构成大于135°、小于180°夹角的接头；搭接接头是指两焊件部分重叠构成的接头；角接接头是指两焊件端部构成大于30°、小于135°夹角的接头；T形接头是指一焊件的端面与另一焊件表面构成直角或近似直角的接头。

图4-5　常用的焊接接头形式

（a）对接接头；（b）搭接接头；（c）角接接头；（d）T形接头

（2）焊缝坡口形式

焊件较薄时，在焊件接头处只要留出一定的间隙，采用单面焊或双面焊即可保证焊透。焊件较厚时，为了保证焊透，焊接前要把焊件的待焊部位加工成所需的几何形状，即需要开坡口。根据焊件板厚不同，对接接头常见的坡口形式有I形坡口、Y形坡口、双Y形坡口和带钝边U形坡口等，如图4-6所示。

图4-6　电弧焊对接接头的坡口形式

（a）I形坡口；（b）Y形坡口；（c）双Y形坡口；（d）带钝边U形坡口

施焊时，对I形坡口、Y形坡口和带钝边U形坡口，可以根据实际情况，采用单面焊或双面焊完成，如图4-7所示。一般情况下，若能双面焊则应尽量采用双面焊，因为双面焊容易保证焊透。

图4-7　单面焊和双面焊

（a）I形坡口单面焊；（b）I形坡口双面焊；（c）Y形坡口单面焊；（d）Y形坡口双面焊

加工坡口时，通常在焊件厚度方向留有直边，称为钝边，其作用是防止烧穿。为了保证焊透，焊接接头组装时往往留有间隙。

焊件较厚时，为了焊满坡口，需采用多层焊或多层多道焊，如图4-8所示。

图4-8　对接接头Y形坡口的多层焊

（a）多层焊；（b）多层多道焊

5.焊接位置

熔焊时，焊件接缝所处的空间位置称为焊接位置，有平焊位置、立焊位置、横焊位置和仰焊位置等。对接接头和角接接头的各种焊接位置如图4-9所示。平焊位置易于操作，生产率高，劳动条件好，焊接质量容易保证。因此，焊件应尽量放在平焊位置施焊，立焊位置和横焊位置次之，仰焊位置最差。

图4-9　焊接位置(www.xing528.com)

（a）对接接头焊接位置；（b）角接接头焊接位置

6.焊接工艺参数

焊接时，为保证焊接质量而选定的物理量，称为焊接工艺参数。焊条电弧焊焊接的工艺参数包括焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度和焊接层数等。焊接工艺参数的选择会直接影响焊接质量和生产率。

（1）焊接工艺参数的选择

1）焊条直径。

通常在保证焊接质量的前提下，尽可能选用大直径焊条以提高生产率。焊条直径主要依据焊件厚度，同时考虑接头形式、焊接位置、焊接层数等因素进行选择。厚焊件可选用大直径焊条，薄焊件应选用小直径焊条。一般情况下，可参考表4-2选择焊条直径。

表4-2　焊条直径的选择　mm

在立焊位置、横焊位置和仰焊位置焊接时，由于重力作用，熔化金属容易从接头中流出，故应选用较小直径焊条。在实施多层焊时，第一层焊缝应选用较小直径焊条，以便于操作和控制熔透；以后各层可选用较大直径焊条，以加大熔深和提高生产率。

2）焊接电流。

焊接电流主要根据焊条直径进行选择。对一般钢焊件，可以根据下面的经验公式来确定：

I=Kd

式中　I——焊接电流，A；

d——焊条直径，mm；

K——经验系数，可按表4-3确定。

表4-3　根据焊条直径选择焊接电流的经验系数

根据以上经验公式计算出的焊接电流，只是个大概的参考数值，在实际生产中还应根据焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊条种类等具体情况灵活掌握。例如，焊接大厚度焊件或T形接头和搭接接头时，焊接电流应大些；立焊、横焊和仰焊位置焊接时，为了防止熔化金属从熔池中流淌出，需采用较小的焊接电流，一般比平焊位置时小10%～20%。重要结构焊接时，要通过试焊来调整和确定焊接电流大小。

3）电弧电压。

电弧电压由电弧长度决定。电弧长则电弧电压高，反之则低。焊条电弧焊时，电弧长度是指焊芯熔化端到焊接熔池表面的距离。若电弧过长，则电弧飘摆、燃烧不稳定、熔深减小、熔宽加大，并且容易产生焊接缺陷。若电弧太短，熔滴过渡时可能发生短路，使操作困难。正常的电弧长度应小于或等于焊条直径，即所谓短弧焊。

4）焊接速度。

焊接速度是指单位时间内焊接电弧沿焊件接缝移动的距离。焊条电弧焊时，一般不规定焊接速度，而由焊工凭经验掌握。

5）焊接层数。

厚板焊接时，常采用多层焊或多层多道焊。相同厚度的焊件，增加焊接层数有利于提高焊缝金属的塑性和韧性，但会使焊接变形增大、生产效率下降。若层数过少，则每层焊缝厚度过大，接头性能变差。一般每层焊缝厚度以不大于4～5 mm为好。

图4-10　焊接电流和焊接速度对焊缝形状的影响

（2）焊接工艺参数对焊缝成型的影响

焊接工艺参数是否合适，直接影响焊缝成型。图4-10所示为焊接电流和焊接速度对焊缝形状的影响。

焊接电流和焊接速度合适时，焊缝形状规则，焊波均匀并呈椭圆形，焊缝到母材过渡平滑，焊缝外形尺寸符合要求，如图4-10（a）所示。

焊接电流太小时，电弧吹力小，熔池金属不易流开，焊波变圆，焊缝到母材过渡突然，余高增大，熔宽和熔深均减小，如图4-10（b）所示。

焊接电流太大时，焊条熔化过快，尾部发红，飞溅增多，焊波变尖，熔宽和熔深都增加，焊缝出现下塌，严重时可能产生烧穿缺陷，如图4-10（c）所示。

焊接速度太慢时，焊波变圆，熔宽、熔深和余高均增加，如图4-10（d）所示。焊接薄焊件时，可能产生烧穿缺陷。

焊接速度太快时，焊波变尖，熔宽、熔深和余高都减小，如图4-10（e）所示。

7.焊接缺陷及质量检测

（1）焊接缺陷

焊接缺陷是指焊接过程中在焊接接头中产生金属不连续、不致密或连接不良的现象。焊接缺陷会直接影响产品结构的使用，甚至引起各种事故的发生，还会造成很多的危害。熔焊常见的焊接缺陷有焊缝表面尺寸不符合要求、咬边、焊瘤、未焊透、夹渣、气孔和裂纹等，如图4-11所示。焊缝表面高低不平，焊缝宽窄不齐、尺寸过大或过小，角焊缝单边以及焊角尺寸不合格等，均属于焊缝表面尺寸不符合要求的情况；咬边是沿焊趾的母材部位产生的沟槽或凹陷；焊瘤是在焊接过程中，熔化金属流淌到焊缝之外未熔化的母材上所形成的金属瘤；未焊透是指焊接时接头根部未完全熔透的现象；气孔是指熔池中的气体在凝固时未能逸出而残留下来所形成的空穴；裂纹是指焊接接头中局部地区的金属原子结合力遭到破坏而形成的新界面所产生的缝隙。熔焊常见焊接缺陷的产生原因和防止方法见表4-4。

图4-11　熔焊常见的焊接缺陷

表4-4　熔焊常见焊接缺陷的产生原因和防止方法

（2）焊接检验

焊接检验是对焊接生产质量的检验。它是指根据产品的有关标准和技术要求，对焊接生产过程中的原材料、半成品和成品的质量以及工艺过程进行检查和验证，其目的是保证产品符合质量要求，防止废品的产生。

焊接检验方法分破坏性检验和非破坏性检验两类。

1）破坏性检验。

破坏性检验是指从焊件或试件上切取试样，或以产品（或模拟体）的整体破坏做试验，以检验其各种力学性能、化学成分和金相组织的试验方法。破坏性检验主要包括以下几个方面。

①焊缝金属及焊接接头力学性能试验，包括拉伸试验、弯曲试验、冲击试验、硬度试验、断裂韧度试验和疲劳试验等。

②焊接金相检验包括宏观组织检验和显微组织检验。

③断口分析包括宏观断口分析和微观断口分析。

④化学分析与试验包括焊缝金属化学成分分析、扩散氢测定和腐蚀试验等。

2）非破坏性检验。

非破坏性检验是指不破坏被检验对象的结构与材料的检验方法，如外观检验、水压试验、致密性试验和无损检验等。

①外观检验。外观检验是用肉眼或借助样板或用低倍放大镜观察焊件，以发现表面缺陷以及测量焊缝外形尺寸的方法。

②水压试验。水压试验用来检查受压容器的强度和焊缝致密性。试验压力根据容器设计工作压力确定：当工作压力F=（0.6～1.2）MPa时，试验压力F1=F+0.3 MPa；当F＞1.2 MPa时，F1=1.25F。

③致密性试验。致密性试验主要用于检查不受压或压力很低的容器、管道的焊缝是否存在穿透性缺陷，常用方法有气密性试验、氨气试验和煤油试验等。

④无损检验。无损检验包括渗透探伤、磁粉探伤、射线探伤和超声探伤等。渗透探伤是利用带有荧光染料（荧光法）或红色染料（着色法）渗透剂的渗透作用来检查焊接接头表面的微裂纹。磁粉探伤是利用磁粉在处于磁场中的焊接接头中的分布特征，检查铁磁性材料的表面微裂纹和近表面缺陷。射线探伤和超声探伤都是用来检查焊接接头内部缺陷的，如内部裂纹、气孔、夹渣和未焊透等。