手工电弧焊：广泛应用的简便灵活焊接方法

手工电弧焊是熔化焊中最基本的一种焊接方法。它利用电弧产生的热熔化被焊金属，使之形成永久结合。由于所需要的设备简单、操作灵活，可以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此手工电弧焊是目前应用最为广泛的焊接方法。

手工电弧焊按电极材料的不同可分为熔化极手工电弧焊和非熔化极手工电弧焊（如手工钨极惰性气体保护焊）。熔化极手工电弧焊是以金属焊条作电极，电弧在焊条端部和母材表面燃烧的焊接方法。

图9-66所示是手工电弧焊示意图。图中的电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。在有电弧存在时形成闭合回路，形成焊接过程。焊条和工件在这里既作为焊接材料，也作为导体。焊接开始后，电弧的高热瞬间熔化了焊条端部和电弧下面的工件表面，使工件表面形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。

图9-66　手工电弧焊示意图

手工电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电源和直流电源两种。使用酸性焊条焊接低碳钢一般构件时，应优先考虑选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，应选用直流弧焊机。购置能力有限而焊件材料的类型繁多时，可考虑选用通用性强的交直流两用弧焊机。当采用某些碱性焊条时，如结507时，必须选用直流电源，而且要注意此时应将弧焊机的负极接工件、正极接焊条，这称为直流反接法；反之称为直流正接法。采用直流电焊接的极性接法如图9-67所示。

图9-67　采用直流电焊接的极性接法

1.焊接电弧

焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。

1）电弧引燃

常态下的气体由中性分子或原子组成，不含带电粒子。要使气体导电，首先要有一个使其产生带电粒子的过程。操作中一般采用接触引弧。先将电极（钨棒或焊条）和工件接触形成短路（见图9-68（a）），此时在某些接触点上产生很大的短路电流，温度迅速升高，为电子的逸出和气体电离提供能量条件，而后将电极提起一定距离（＜5 mm，见图9-68（b））。在电场力的作用下，被加热的阴极有电子高速逸出，撞击空气中的中性分子和原子，使空气电离成阳离子、阴离子和自由电子。这些带电粒子在外电场作用下定向运动，阳离子奔向阴极，阴离子和自由电子奔向阳极。它们在运动过程中不断碰撞和结合，产生大量的光和热，形成电弧（见图9-68（c））。电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比，电流越大，电弧产生的总热量就越大。

图9-68　电弧的引燃

2）电弧的组成

焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三个部分组成（见图9-68（c））。

阴极区因发射大量电子而消耗一定的能量，产生的热量较少，约占电弧热的36%；阳极表面受高速电子的撞击，传入较多的能量，因此阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%；其余21%左右的热量在弧柱区产生。

电弧中阳极区和阴极区的温度因电极的材料（主要是电极熔点）不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材料时，阳极区热力学温度约2600 K，阴极区热力学温度约2400 K，弧柱区热力学温度高达5000～8000 K。正接时，电弧热量主要集中在工件（阳极）上，有利于加快工件熔化，保证足够的熔深。正接适用于焊接较厚的工件。反接时，焊条接阳极。反接适用于焊接有色金属及薄钢板，以避免烧穿工件。

2.焊接接头

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。

1）焊缝形成过程

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。

图9-69所示为电弧焊焊缝形成示意图。在电弧的高温作用下，焊条和工件同时产生局部熔化，形成熔池。熔化的填充金属呈球滴状过渡到熔池。电弧在沿焊接方向移动过程中，熔池前部（②—①—②区）不断参与熔化，并依靠电弧吹力和电磁力的作用，将熔化金属吹向熔池后部（②—③—②区），逐步脱离电弧高温而冷却结晶。所以，电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热熔化与后部的顺序冷却结晶同时进行，形成完整的焊缝。

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。

2）焊接冶金过程

电弧焊时，焊接区内各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为冶金过程。像在小型电弧炼钢炉中炼钢一样，熔池中进行着熔化、氧化、还原、造渣、精炼和渗合金等一系列物理化学过程。与一般的冶炼过程相比较，焊接的冶金过程有以下特点：温度远高于一般冶炼温度，因此金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，使气体的活性大为增强，导致金属元素烧损或形成有害杂质；冷却速度快，熔池体积小，四周又是冷的金属，溶池处于液态时间很短，一般在10 s左右，各种化学反应难以达到平衡状态，致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，从而产生气孔和夹渣等缺陷。

图9-69　电弧焊焊缝形成示意图

1—已凝固的焊缝金属；2—熔渣；3—熔化金属（熔池）；4—焊条药皮燃烧产生的保护气体；5—焊条药皮；6—焊条芯；7—金属熔滴；8—母材

由于上述特点，所以在焊接过程中如果不加以保护，空气中的氧、氮和氢等气体就会侵入焊接区，并在高温作用下分解出原子状态的氧、氮和氢，与金属元素发生一系列物理化学作用。其结果是，钢中的一些元素被氧化，形成熔渣，使焊缝中C、Mn、Si等大量烧损。在熔池迅速冷却后，一部分氧化物熔渣残存在焊缝金属中，形成夹渣，显著降低焊缝的力学性能。(https://www.xing528.com)

氢和氮在高温时能溶解于液态金属内，冷却后，一部分氮保留在钢的固溶体中，Fe4N则呈片状夹杂物留存在焊缝中，使焊缝的塑性和韧性下降。氢的存在引起氢脆性，促进冷裂纹的形成，并且易造成气孔。

为了保证焊缝质量，焊接过程中必须采取必要的工艺措施，来限制有害气体进入焊缝区，并补充一些烧损的合金元素。手工电弧焊焊条的药皮、埋弧自动焊的焊剂等均能起到这类作用。气体保护焊的保护气体虽不能补充金属元素，但也能起到保护作用。

3.焊条

1）焊条的组成和作用

焊条是由焊芯和药皮两个部分组成的，结构如图9-70所示。

（1）焊芯的主要作用：一是传导焊接电流；二是焊芯本身熔化作为填充材料。焊芯在焊缝中占50%～70%。熔化焊的钢丝牌号和化学成分应符合国家标准《熔化焊用钢丝》（GB/T 14957—1994）规定，其中常用钢号有H08A、H08E、H08C、H08MnA、H15A、H15Mn等。

图9-70　焊条的结构

焊芯的直径即称为焊条直径，为1.6～8 mm，生产中用量最多的是φ3.2 mm、φ4 mm和φ5 mm。

（2）药皮的主要作用：一是利用渣、气对焊接熔池起机械保护作用；二是进行物、化反应除杂质，补有益元素，保证焊缝的成分和力学性能；三是具有良好的工艺性能，能稳定燃烧，飞溅少，焊缝成形好，易脱渣等。

药皮组成物根据在焊接中的作用可分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、增塑剂、黏结剂和成形剂等。药皮可分为若干类型，如钛钙型、低氢钠型、低氢钾型等。

2）焊条的分类、钢焊条型号和焊条牌号编制方法

（1）焊条按用途分为结构钢钢焊条、钼及铬钼耐热焊条、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。

（2）焊条型号是国家标准中规定的焊条代号。根据《非合金钢及细晶粒钢焊条》（GB/T 5117—2012）和《热强钢焊条》（GB/T 5118—2012）标准规定，焊条型号根据熔敷金属力学性能、药皮类型、焊接位置和电流类型、熔敷金属化学成分等进行划分。

非合金钢及细晶粒钢焊条的型号由以下五个部分组成：第一部分用字母“E”表示焊条；第二部分为字母“E”后面的近邻两位数字，表示熔敷金属的最小抗拉强度代号；第三部分为字母“E”后面的第三、第四两位数字，表示药皮类型、焊接位置和电流类型；第四部分为熔敷金属的化学成分分类代号，可为“无标记”或短划“-”后的字母、数字或字母和数字的组合；第五部分为熔敷金属的化学成分分类代号后的焊后状态代号，其中“无标记”表示焊态，“P”表示热处理状态，“AP”表示焊态和焊后热处理两种状态均可。除上述强制分类代号外，根据供需双方协商，可在型号后一次附加可选代号：字母“U”，表示在规定试验温度下，冲击吸收能量可以达到47 J以上；扩散氢代号“HX”，其中“X”代表15、10或5，分别表示每100 g熔敷金属中扩散氢含量的最大值（mL）。非合金钢及细晶粒钢焊条型号示例如图9-71所示。

（3）焊条牌号是焊条生产企业统一的焊条代码。焊条牌号一般以一个或两个字母后加三个数字表示。前面的字母：J——结构钢钢焊条、R——钼及铬钼耐热焊条、W——低温钢焊条、G和A——不锈钢焊条、D——堆焊焊条、Z——铸铁焊条、Ni——镍及镍合金焊条、T——铜及铜合金焊条、L——铝及铝合金焊条、TS——特殊用途焊条。前两位数字表示焊缝金属的抗拉强度等级，末位数字表示电流种类和药皮类型。

3）焊条的选择原则

（1）碳钢和低合金结构钢一般用于制造受力构件，无特殊性能要求，所以，选择焊条时主要考虑焊缝的抗拉强度不低于被焊构件的抗拉强度即可。例如，工件材料Q235A钢的抗拉强度为420 MPa，焊条应选用E43系列的焊条。

图9-71　非合金钢及细晶粒钢焊条型号示例

（2）焊条药皮类型的选择主要取决于焊接结构的重要性、复杂程度、板厚、对焊缝抗裂性能的要求、载荷性质、使用温度等因素。例如，焊缝要求塑性好、冲击韧度高、抗裂性能好、低温性能好，应选用碱性焊条。此外，选用酸性焊条，可使焊接成本降低。

（3）低碳钢和低合金结构钢焊接或不同强度等级的低合金结构钢焊接，一般选用与较低强度等级钢材的焊条。

（4）按焊接生产率及设备等条件选择焊条。

4.焊接应力与变形

金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是伴生的。

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的影响，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的困难，还会影响构件的工作性能。变形量超过允许数值时必须进行矫正，矫正无效时只能报废。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）焊接过程中，对焊接件进行不均匀加热和冷却，是产生焊接应力和变形的根本原因。

（2）常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、扭曲变形和波浪变形等五种形式，如图9-72所示。

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，使工件丧失稳定性而引起的。

（3）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，如预留变形量法、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，详细可参阅有关资料。