第3章 焊條電弧焊的焊接
3.1 電弧焊的過程
焊條電弧焊又稱手工電弧焊，是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接的電弧焊方法，也是各種電弧焊方法中發(fā)展最早、目前仍然應(yīng)用最廣的一種焊接方法。
焊條電弧焊是以外部涂有涂料的焊條與焊件間產(chǎn)生的電弧熱將金屬加熱并熔化而實現(xiàn)焊接的，如圖3-1所示。焊接前，把焊鉗3和焊件1分別接到電焊機4輸出端的兩極，并用焊鉗夾持焊條2。焊接時，在焊條和焊件之間引燃焊接電弧5，利用電弧產(chǎn)生的高溫（6000～7000℃），將焊條和焊件被焊部位的母材熔化（熔點一般在1500℃左右）形成熔池6。隨著焊條沿焊接方向移動，新的熔池不斷形成，而原先的熔池液態(tài)金屬不斷冷卻凝固，構(gòu)成焊縫7，使焊件連接在一起。
圖3-1 焊條電弧焊焊接過程
1—焊件；2—焊條；3—焊鉗；4—電焊機；5—焊接電弧；6—熔池；7—焊縫
（1）電弧
在兩電極之間的氣體中，長時間地強烈放電稱為電弧。電弧放電時，一方面產(chǎn)生大量的熱量，同時還會產(chǎn)生強烈的光線。電弧焊就是利用電弧放熱來熔化焊條和焊件而進(jìn)行焊接的過程。
焊接引弧時，將焊條和焊件接觸，發(fā)生短路，由于接觸處的電阻和通過的電流密度很大，在短時間內(nèi)就產(chǎn)生大量熱能，使焊條端部和焊件迅速加熱，溫度升高。當(dāng)稍提起焊條時，在焊條和焊件之間就有高熱空氣和金屬及焊藥皮的蒸發(fā)氣，這些熱氣體很容易電離，也就是電子很易從原子中逸出形成帶電質(zhì)點，在電弧電壓的作用下，它們按照一定的方向移動，自由電子和陰離子奔向陽極；陽性離子奔向陰極，氣體間隙內(nèi)就流通電流，形成了電弧。電弧維持正常燃燒的電壓為16～35V，但引弧時，為了使陰極高速發(fā)射電子，使空氣電離，要求引弧電壓高于正常燃燒電壓。在正常燃燒時，電弧愈長，需要穩(wěn)定燃燒的電壓愈高，電弧愈短，需要穩(wěn)定燃燒的電壓愈低。圖3-2給出了焊接電弧的示意圖。
圖3-2 焊接電弧示意圖
1—焊條；2—焊件；3—陰極部分；4—陽極部分；5—弧柱部分；6—弧焰
電弧產(chǎn)生于焊條1與焊件2中間，陰極部分3位于焊條末端，而陽極部分4則位于焊件表面，弧柱部分5成錐形，弧柱四周被弧焰6包圍。電弧中各部分產(chǎn)生的熱量是不同的。直流電的電弧熱量，陽極產(chǎn)生的較多，約占42％，陰極為38％，弧柱為20％。電弧中各部分溫度也不相同，對金屬電極，陽極附近溫度約2600℃，陰極附近約為2400℃，而弧柱中心溫度較高，可達(dá)6000～7000℃。
對直流電焊機，如果把陽極接在焊件上，陰極接在焊條上，這樣，電弧中的熱量大部分集中在焊件上，可以加快焊件的熔化速度，大多用于焊接厚焊件，這種連接形式稱為正接法。反之，如果焊件接陰極，焊條接陽極，稱為反接法。
極性接法的選擇，主要取決于焊條的性質(zhì)和焊件所需的熱量。當(dāng)使用堿性低氫型焊條或焊接薄鋼板、低合金鋼和有色金屬時，采用反接法；當(dāng)采用酸性焊條或焊厚鋼板時，一般采用正接法。在施焊時，如何鑒別極性很重要，一般當(dāng)采用堿性焊條時，如果電弧燃燒穩(wěn)定，飛濺很小，聲音平靜，說明用的是反接法；如果電弧不穩(wěn)，飛濺很大，聲音暴躁，說明用的是正接法，應(yīng)該更換極性。
使用交流電焊機時，因電弧中的陽極和陰極在時刻變化，就沒有正反接法的差別。這時，在焊件和焊條上產(chǎn)生的熱量是相等的。
電弧燃燒時應(yīng)該穩(wěn)定，即要求維持一定的長度、不偏吹、不搖擺、不熄滅。電弧燃燒不穩(wěn)定的原因，除操作不熟練外，還有下列因素。
①焊接電源的種類、極性及焊機性能的影響。一般用直流電焊機比交流電焊機焊接時穩(wěn)定，直流焊機用反接法比正接法焊接時穩(wěn)定，空載電壓較高的焊機電弧燃燒也比較穩(wěn)定。
②焊條藥皮的影響。一般厚藥皮焊條比薄藥皮焊條的電弧燃燒穩(wěn)定；當(dāng)有藥皮脫落現(xiàn)象時，也影響電弧燃燒穩(wěn)定性。
③氣流影響。當(dāng)在空氣流速較大的情況下焊接時，會造成嚴(yán)重的電弧偏吹，使焊接無法進(jìn)行。
④焊接處不清潔。如有油污、水分等，也會嚴(yán)重影響電弧的穩(wěn)定燃燒。
⑤磁偏吹。正常燃燒時，電弧的軸線應(yīng)與焊條軸線一致，當(dāng)電弧左右搖擺，使弧柱軸線與焊條軸線不在同一中心線上，就產(chǎn)生了偏吹（圖3-3）。
圖3-3 焊接電弧的偏吹
磁偏吹的產(chǎn)生是在使用直流電焊機時，由于弧柱周圍磁力線分布不均勻，電弧受磁力線分布較密側(cè)的力的作用，迫使電弧向一定方向偏吹的現(xiàn)象。如焊接電流越大，可能產(chǎn)生的磁偏吹也越嚴(yán)重。磁偏吹會使焊縫產(chǎn)生氣孔、未焊透和焊偏等缺陷。
為防止和減小磁偏吹，可采用以下措施：①適當(dāng)改變焊件與焊接電纜的接觸部位，盡可能使弧柱周圍磁力線分布均勻；②適當(dāng)調(diào)整焊條傾斜角度，使焊條朝偏吹方向傾斜。
（2）電弧焊的冶金過程
電弧焊的焊接過程如圖3-1所示，它是利用焊條和焊件作為電極，使兩塊金屬熔合成一體。焊件本身的金屬稱為基本金屬，焊條熔化的熔滴過渡到熔池上的金屬稱為焊著金屬。焊接時，由于電弧吹力，使焊件熔化金屬的底部形成一個凹坑稱為熔池（冷卻后形成弧坑）。焊著金屬和基本金屬不斷熔合而構(gòu)成熔化的焊縫金屬冷卻后形成焊縫。焊縫表面覆蓋的一層渣殼稱為焊渣。焊條熔化末端到熔池表面的距離稱為電弧長。基本金屬表面到熔池底部的距離稱為熔深。如圖3-4所示。
圖3-4 焊縫的形成過程
金屬熔滴向焊縫熔池過渡的力主要有兩種：第一種是重力，在水平施焊時，它能促使熔滴的過渡，而在立焊、橫焊、仰焊時，則阻礙熔滴的過渡；第二種是吹力，這種吹力是由于焊接時焊條的藥皮比金屬芯熔化慢，而形成了一個杯狀小罩，使弧柱內(nèi)產(chǎn)生一個非常集中的氣體壓力，成為熔滴過渡的主要力量。此外，金屬熔滴還承受表面張力和電磁力等的作用。金屬熔滴穿越弧柱向熔池過渡時，少部分變成蒸氣在空氣中氧化成煙氣，還有一部分飛濺出熔池以外，絕大部分落入熔池，冷凝后形成焊縫。
在焊接時，由于熔池溫度極高，熔池體積小和熔池存在時間極短，因此焊接的冶金過程比較復(fù)雜，如熔池中的某些元素發(fā)生蒸發(fā)或燃燒，一些物理化學(xué)反應(yīng)不能像正常冶金過程一樣達(dá)到平衡等。
焊接過程中，極高的電弧溫度使周圍空氣強烈受熱而分解為化學(xué)性很活潑的氧原子（O）和氮原子（N），當(dāng)熔化金屬向熔池過渡時，少部分金屬與氧原子和氮原子接觸而化合成一系列的氧化物和氮化物。如氧與鐵的化合物有氧化鐵（FeO）、三氧化二鐵（Fe2O3）、四氧化三鐵（Fe3O4），其中氧化鐵能熔于鋼液中和鋼中的碳、硅、錳、鉻等元素作用，使這些元素的一部分燒損，形成浮渣或夾雜在焊縫金屬內(nèi)，而使焊縫的強度、塑性和沖擊韌性降低，脆性增加，其余兩種氧化物不能溶于鋼液，而可能在焊縫內(nèi)形成夾渣。氮原子可以直接溶于金屬中，也可變成一氧化氮溶于金屬中，焊縫中如有氨氣存在可提高強度，但塑性和沖擊韌性急劇降低。
為了防止焊縫金屬的氧化和氮化，在施焊時可以控制電弧長度，盡量采用短弧焊，減少熔化金屬和空氣的接觸機會。此外，在焊條藥皮中加入造氣、造渣保護(hù)物質(zhì)，使熔化金屬和空氣隔絕；另外還加入脫氧能力比鐵更強的物質(zhì)，使鐵還原。
為了進(jìn)一步改善焊縫金屬的力學(xué)性能，必須盡量減少焊縫中的硫、磷等有害成分，因為硫、磷會使焊縫金屬發(fā)生熱脆性和冷脆性。因此在焊藥中加入脫硫、磷物質(zhì)，使焊縫金屬得到精煉。另外，為了保證有益成分（硅、錳、鉻、鉬等）具有必要的含量，必須對焊接過程中合金元素的氧化燒損給以補償和調(diào)整焊縫金屬的化學(xué)成分，一般利用在藥皮中加入錳鐵、硅鐵、鉻鐵等鐵合金的方法，在焊接過程中向熔化金屬加入合金元素，使其產(chǎn)生合金化作用，增加焊縫金屬的合金含量，以獲得成分、組織和力學(xué)性能與基本金屬相同或相近的焊縫金屬；同時消除焊接缺陷，改善焊縫金屬的組織和性能。