焊条电弧焊及其应用技术

焊条电弧焊又称手弧焊，是指用手工操纵焊条产生电弧来进行焊接的方法。它利用焊条与焊件间产生的电弧热将金属加热并熔化而实现焊接。其焊接过程如图4-2所示。焊接前，把焊钳和焊件分别接到焊接电源输出端的两极，并用焊钳夹持焊条；焊接时，在焊条与焊件之间引出电弧，因电弧产生高温而使焊条和焊件同时熔化形成熔池，随着焊条沿焊接方向移动，新的熔池不断形成，而原先的熔池液态金属不断冷却凝固构成焊缝，使焊件连接成整体。

图4-2 焊条电弧焊焊接过程

1—焊件 2—焊条 3—焊钳 4—焊接电源5—焊接电弧 6—熔池 7—焊缝

焊条电弧焊具有设备简单，操作方便灵活，能适应在各种条件下焊接等特点，是焊接生产中普遍应用的一种方法。焊条电弧焊的缺点是生产效率低，劳动强度较大，焊接质量取决于工人的操作技术水平。

焊条电弧焊所用的电源分为交流电和直流电两种。

在使用直流电源焊接时，由于阴、阳两极的热量和温度分布是不均匀的，因此，分正接和反接：正接是指焊件接电源正极，电极（焊条）接电源负极的一种接线法，这种接法热量较多集中在焊件上，有利于加快焊件熔化，保证足够的熔深，因此，用于厚板焊接；反接是指焊件接电源负极，电极（焊条）接电源正极的一种接线法，这种接法热量较多集中在焊条上，主要用于薄板及有色金属的焊接，以避免烧穿焊件。

焊缝以及其周围受不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，统称为焊接接头。

熔焊焊缝的形成经历了局部加热熔化，使分离工件的结合部位产生共同熔池，再经凝固结晶成为一个整体的过程。

焊条药皮在电弧高温下一部分分解为气体，包围电弧空间和熔池，形成保护层。另一部分直接进入熔池，与熔池金属发生冶金反应，并形成渣而浮于焊缝表面，构成渣保护。

焊接接头设计包括焊接接头形式设计和坡口形式设计。

（1）焊接接头形式

焊接接头按其结合形式分为对接接头、盖板接头、搭接接头、T形接头、十字形接头、角接接头和卷边接头等，如图4-3所示。其中常用的有对接接头、搭接接头、角接接头和T形接头。选用接头形式主要考虑焊件的结构形状和板厚、接头使用性能要求等因素。

图4-3 焊接接头形式

1）对接接头 其应力分布均匀，节省材料，易于保证质量，是应用较多的一种接头形式，但对下料尺寸和焊前定位装配尺寸要求精度高。锅炉、压力容器等焊件常采用对接接头。

2）搭接接头 其不在同一平面，接头处部分相叠，应力分布不均匀，会产生附加弯曲力，降低了疲劳强度，多耗费材料，但对下料尺寸和焊前定位装配尺寸要求精度不高，且接头结合面大，增加了承载能力，所以薄板、细杆焊件如厂房金属屋架、桥梁、起重机吊臂等桁架结构常用搭接接头。

3）角接接头和T形接头 根部易出现未焊透，引起应力集中，因此接头处常开坡口，以保证焊接质量，角接接头多用于箱式结构。

（2）焊接接头坡口形式

开坡口的目的是为使接头根部焊透，同时也使焊缝成型美观，此外通过控制坡口大小，能调节焊缝中母材金属与填充金属的比例，使焊缝金属达到所需的化学成分。

1）对接接头坡口形式 其基本形式有I形坡口、Y形坡口、双Y形坡口、双V形坡口、带钝边U形坡口、带钝边双U形坡口等，如图4-4所示。

图4-4 几种对接接头坡口形式

2）角接接头坡口形式 其基本形式有I形坡口、错边I形坡口、Y形坡口、带钝边单边V形坡口、带钝边双单边V形坡口等。如图4-5所示。

图4-5 几种角接接头坡口形式

3）T形接头坡口形式 其基本形式有I形坡口、带钝边单边V形坡口、带钝边双单边V形坡口等，如图4-6所示。

图4-6 三种T形接头坡口形式图(www.xing528.com)

焊条电弧焊板厚＜6mm时，一般采用I形坡口；但重要结构件板厚＞3mm就需开坡口，以保证焊接质量。板厚在6～26mm之间可采用Y形坡口，这种坡口加工简单，但焊后角变形大。板厚在12～60mm之间可采用双Y形坡口；同等板厚情况下，双Y形坡口比Y形坡口需要的填充金属量约少1/2，且焊后角变形小，但需双面焊。带钝边U形坡口比Y形坡口省焊条，省焊接工时，但坡口加工麻烦，需切削加工。

选用坡口形式主要考虑焊缝能否焊透、坡口加工难易程度、生产率、焊条消耗量、焊后变形大小等因素。对于不同厚度的板材，为保证焊接接头两侧加热均匀，接头两侧板厚截面应尽量相同或相近，如图4-7所示。

图4-7 不同板厚对接

焊条由焊芯和药皮两部分组成。

（1）焊芯

焊芯既是电极，又是填充金属。焊芯采用焊接专用的金属丝（称焊丝）。焊芯的作用，一是作为电极传导电流；二是熔化后作为填充金属与母材形成焊缝。

（2）药皮

药皮是矿石粉末、铁合金粉、有机物和化工制品等原料按一定比例配制后压涂在焊芯表面上的一层涂料。药皮的作用：一是改善焊接工艺性；二是对焊接区起保护作用；三是起有益的冶金化学作用。

焊条按用途不同分为十大类：结构钢焊条、钼和铬耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、堆焊焊条、铸铁焊条、镍及镍合金焊条、铜及铜合金焊条、铝及铝合金焊条、特殊用途焊条等。

焊条按熔渣性质不同还可分为酸性焊条和碱性焊条两大类。熔渣以酸性氧化物为主的焊条称为酸性焊条。这类焊条的焊缝金属塑性、韧性和抗裂能力较差，但工艺性能好，对铁锈、油污、水分的敏感性不大，并且可用交直流电源焊接，广泛用于一般低碳钢和强度较低的低合金结构钢的焊接；熔渣以碱性氧化物和氟化钙为主的焊条称为碱性焊条。这类焊条焊缝抗裂性能好，力学性能较高。但工艺性能差，对油污、铁锈、水敏感性大，易产生气孔。主要用于裂纹倾向大，塑性、韧度要求高的重要结构，如锅炉、压力容器等的焊接。

1）等强度原则 焊接低碳钢和低合金钢时，一般应使焊缝金属与母材等强度。

2）同成分原则 焊接耐热钢、不锈钢时，应使焊缝金属的化学成分与母材的化学成分相同或相近。

3）抗裂缝原则 焊接形状复杂和刚度大的结构及焊接承受冲击载荷、交变载荷的结构时，应选用抗裂性能好的碱性焊条。

4）抗气孔原则 如对焊件接头部位的油污、铁锈等清理不便时，应选用抗气孔性能好的酸性焊条，以免焊接过程中气体滞留于焊缝中，形成气孔。

5）低成本原则 在满足使用要求的前提下，应尽量选用工艺性能好、成本低和效率高的焊条。

焊接时，由于焊件的加热和冷却是不均匀的局部加热和冷却，造成焊件的热胀冷缩速度和组织变化先后不一致，从而产生焊接应力和变形，且二者是彼此伴生的。

焊接应力的存在，对构件质量、使用性能和焊后机械加工精度都有很大影响，甚至导致整个构件断裂；焊接变形不仅给装配工作带来很大困难，还会影响构件的工作性能。因此，在设计和制造焊接结构时，应尽量减小焊接应力和变形。

（1）焊接变形的基本形式

常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等形式，如图4-8所示。

图4-8 焊接变形的基本形式

收缩变形是由于焊缝金属沿纵向和横向的焊后收缩而引起的；角变形是由于焊缝截面上下不对称，焊后沿横向上下收缩不均匀而引起的；弯曲变形是由于焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大而引起的；扭曲变形常常是由于焊接顺序不合理而引起的；波浪变形则是由于薄板焊接后焊缝收缩时，产生较大的收缩应力，使焊件丧失稳定性而引起的。

（2）减少焊接应力与变形的措施

除了设计时应考虑之外，可采取一定的工艺措施，有预留变形量、反变形法、刚性固定法、锤击焊缝法、加热“减应区”法等。重要的是，选择合理的焊接顺序，尽量使焊缝自由收缩。焊前预热和焊后缓冷也很有效。