埋弧焊的特点和应用

第1章
电弧焊

电弧焊是以电弧为热源来熔化和连接金属的焊接方法。在电极和工件间引燃电弧，电极用手工或机械方式沿焊缝移动，或者工件在电极下方移动，高温移动的电弧使接头熔化，冷却结晶形成永久连接。电弧焊在工业中应用最为广泛。本节根据电弧的移动方式、电极的种类、电弧的特点及保护方式和工艺特点，重点介绍几种最常用的电弧焊接方法。

1.1　焊接电弧

焊接电弧是在电极与工件间的气体介质中长时间而有力的放电现象，即在局部气体介质中有大量电子流通过的导电现象。

电极可以是金属丝、钨丝、碳棒或焊条，一般手工电弧焊（简称手弧焊）都使用焊条。

1.1.1　电弧的形成

气体在两电极间电离（中性粒子变成正离子和电子）是产生电弧的前提条件。

下面以手弧焊为例，说明焊接电弧的形成过程。由于空气是不导电的，因此焊接时采用将焊条与工件短路的办法来引燃电弧。焊条与工件接触后立刻拉开并保持在2～4 mm的距离，即能引燃电弧。这是因为短路时焊条与工件接触的两个界面凹凸不平，只有个别点接触，致使这些接触点通过的电流密度很大，瞬间即被加热达高温，阴极处产生电子放射，这些电子在电场作用下以极高速度向阳极运动，中途撞击中性的空气分子并使其电离。因电离而出现的正离子和电子同样在电场的作用下分别向两极加速运动，同时产生复合，产生了光和热，于是就产生了电弧。

1.1.2　电弧的构造及热与温度的分布

焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区三部分组成，如图4.1.1所示。

（1）阴极区

阴极区是电子发射的地方。发射电子需要消耗一定的能量，所以阴极区产生的热量不多，占电弧热的36%。用钢焊条焊接时，阴极区温度约为2 400 K，用于加热工件或焊条。

（2）阳极区

由于高速电子撞击阳极表面并进入阳极区而释放能量，因此阳极区产生的热量较多，占电弧热的43%。用钢焊条焊接时，阳极温度约为2 600 K，用于加热工件或焊条。

（3）弧柱区

弧柱区指阴极区和阳极区之间的区域。由于阴极区和阳极区很窄，可忽略不计，所以常把弧柱长度（图中4.1.1）近似地看成电弧长度。弧柱区的热量仅占电弧热的21%，但弧柱区温度却高达6 000～8 000 K，其热

量大部分通过对流、辐射散失到周围空气中。

图4.1.1　电弧的构造
1—电源（直流）　2—焊条　3—阴极区
4—弧柱　5—阳极区　6—工件

1.1.3　电弧的极性

阴极区和阳极区的热量和温度不同，当采用直流电焊接时，便有两种极性的接法：

①正接：工件接阳极，焊条接阴极，此时工件受热多，宜焊厚大工件。

②反接：工件接阴极，焊条接阳极，此时工件受热少，易焊薄小工件。

当采用交流电焊接时，因电流每秒钟正负变化达100次，所以两极加热一样，就不存在正接或反接问题。

1.2　手弧焊的焊接过程

用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，称为手弧焊。

手弧焊的焊接过程如图4.1.2所示。在电弧高温的作用下，焊条和被焊工件（母材）同时熔化成为熔池。电弧热还使焊条的药皮熔化及燃烧。药皮熔化后和液体金属起物理化学作用，所形成的熔渣不断地从熔池中向上浮起，药皮燃烧产生的大量CO2气流围绕在电弧周围，熔渣和气流可防止空气中氧、氮的侵入，起保护熔化金属的作用。

图4.1.2　手工电弧焊示意图
1—已凝固的焊缝金属　2—熔渣　3—熔化金属
4—焊条药皮燃烧产生的保护气体　5，7—焊条药皮
6—焊条芯　8—电弧　9—金属熔滴　10—母材

当电弧向前移动时，工件和焊条金属不断熔化汇成新的熔池。原先的熔池则不断地冷却凝固，构成连续的焊缝。覆盖在焊缝表面的熔渣也逐渐凝固成为固态渣壳，这层熔渣和渣壳对焊缝成型好坏和减缓焊缝的冷却速度有着重要的作用。

上述焊接过程直至焊缝被焊完为止。焊后敲去渣壳，即可露出表面呈鱼鳞纹状的焊缝金属。

1.3　电弧焊的冶金特点

在电弧焊的熔池中，熔化的金属、熔渣以及气体之间进行着类似于金属冶炼时的物理化学反应（氧化、还原、气体的溶解等），但因焊接熔池体积与炼钢相比甚小，所以有其自己的特点：

（1）反应区温度高

焊接电弧和熔池金属的温度高于一般的冶炼温度，使金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解为原子状态，增大了气体的活泼性，导致金属烧损，形成有害杂质。

（2）金属熔池体积小

由于熔池体积小，四周又是冷金属，所以熔池处于液态的时间很短，致使各种化学反应难于达到平衡状态，化学成分不够均匀，气体和杂质来不及浮出而易产生气孔和夹渣等缺陷。

由上可知，在焊接过程中，如果不采取适当的保护措施，则焊缝金属的力学性能，尤其是塑性和韧性将远比基本金属低。

因此，为了保证焊缝质量，要从两个方面采取措施：

①造成有效的保护，减少有害元素进入熔池。

②清除已进入熔池的有害元素，向熔池中渗入合金元素。

在电弧焊中，常通过选择焊芯（或焊丝），配以不同成分的焊条药皮（或焊剂，或CO2，Ar等保护气体），来保证得到合格的焊接接头。

1.4　电焊条

1.4.1　焊条的组成和作用

手弧焊焊条由焊芯和药皮两部分组成。

（1）焊芯

焊芯作为电极，起导电作用，产生电弧，提供焊接热源；焊芯作为填充金属，与熔化的母材共同组成焊缝金属。因此，可以通过焊芯调整焊缝金属的化学成分。

焊芯采用焊接专用金属丝。结构钢焊条的焊芯常用H08A等，不锈钢焊条的焊芯采用不锈钢焊丝。表4.1.1是几种常用焊接碳素结构钢的焊芯（或焊丝）的化学成分。

表4.1.1　碳素钢焊接钢芯的牌号和成分

表中焊芯（丝）牌号的第一个字母“H”，是“焊”字的第一个拼音字母，代表焊条用钢。焊丝牌号中其他字母和数字代表的意义如下：

“08”表示焊芯（丝）的平均含碳量为0.08%。

“Mn”表示焊芯（丝）平均含锰（Mn）量约1%。

“A”表示高级优质，即硫、磷含量不大于0.03%。

从表中可以看出，焊芯（丝）的含碳量通常是低的，有害杂质少，有一定的合金元素含量。

常用焊芯直径（即为焊条直径）有：1.6，2.0，2.5，3.2，4，5 mm等，长度在200～450 mm之间。

（2）药皮

焊条药皮保证手工电弧焊的焊缝质量极为重要。焊条药皮的作用主要有：

①改善焊接工艺性　药皮中的稳弧剂具有易于引弧和稳定电弧燃烧的作用，减少金属飞溅，便于保证焊接质量，并使焊缝成形美观。

②机械保护作用　药皮熔化后产生气体和熔渣，隔绝空气，保护熔滴和熔池金属。

③冶金处理作用　药皮里有铁合金等，能脱氧、去硫、渗合金。药皮还可以去氢，特别是碱性焊条。因为碱性焊条的药皮里有较多的萤石（CaF2），氟能与氢结合成稳定气体HF，从而防止氢进入熔池，产生“氢脆”现象。

焊条药皮的组成物按其作用分为稳弧剂、造气剂、造渣剂、脱氧剂、合金剂、黏结剂、稀渣剂、增塑剂等。药皮的原料归纳起来有矿石、铁合金、有机物和化工产品等四类。各种原材料粉末按一定比例配成涂料（或称配方），压涂在焊芯上。表4.1.2为结构钢焊条药皮配方示例。

表4.1.2　结构钢焊条药皮配方示例　%

1.4.2　焊条的种类、型号和牌号

焊条按用途分为十大类，即结构纲焊条、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、铝及铝合金焊条和特殊用途焊条。其表示方法见表4.1.3。

表4.1.3　焊条种类及其表示方法

在各类焊条中，应用最广泛的是结构钢焊条，下面主要介绍结构钢焊条的型号和牌号。

新国标将原来结构钢焊条分为《碳钢焊条》（GB 5117—85）和《低合金钢焊条》（GB 5118—85）两个标准。碳钢焊条的型号是根据熔敷金属（完全由填充金属熔化后所形成的焊缝金属）的抗拉强度、药皮类型、焊接位置和焊接电流的种类来划分的。具体型号编制方法是：由英文字母E后面加4位数字组成。其中“E”表示焊条；前两位数字表示熔敷金属抗拉强度的最小值，单位为kgf／mm2；第三位数字表示焊条的焊接位置，“0”及“1”表示焊条适用于全位置焊接（平、立、仰、横），“2”表示焊条适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三位和第四位数字组合时表示焊接电流种类及药皮类型。例如：

低合金钢焊条型号的编制方法除具有上述相同的四项内容外，还有型号后缀字母表示熔敷金属的化学成分分类代号，个别型号还包括附加化学成分元素符号。例如：

焊条牌号是焊条行业统一的焊条代号。焊条牌号一般用一个大写拼音字母和三个数字表示。拼音字母表示焊条的大类，如“J”表示结构钢焊条，“Z”表示铸铁焊条等；前两位数字表示各大类中若干小类，如结构钢焊条前两位数字表示焊缝金属抗拉强度等级，单位为kgf／mm2；最后一个数字表示药皮类型和电流种类，其中1～5为酸性焊条，6和7为碱性焊条。1～6为交、直流两用，7只用于直流电焊接。例如：

表4.1.4为部分结构钢焊条牌号与新国标规定的对照及主要用途。

表4.1.4　结构钢焊条部分牌号简况

1.4.3　碱性焊条和酸性焊条

酸性焊条和碱性焊条的性能差别很大，应根据焊缝质量要求、焊接材料慎重地选择焊条种类。

酸性焊条药皮中主要含SiO2，TiO2，MnO，FeO等和少量有机物，其熔渣的化学性质呈酸性，称酸性渣。酸性渣氧化性较强，焊缝中合金元素烧损多，焊缝金属中氧、氮含量较高，焊缝力学性能特别是冲击韧性差。酸性渣脱硫能力差，焊缝金属中含氢量较高，所以抗裂性差。但酸性焊条焊接时，由于碳的氧化造成熔池沸腾，有利于气体逸出，不易产生气孔。酸性熔渣流动性好，有利于焊缝成形和清除渣壳，同时不受电源限制，交流直流两用。因此，酸性焊条广泛用于一般结构的焊接。

碱性焊条药皮熔渣呈碱性。由于药皮中含有较多的大理石和萤石，并含有较多的铁合金作为脱氧剂和合金剂，使焊条具有足够的脱氧能力和良好的去硫作用，故焊缝力学性能较高。同时，由于药皮中含氢物质少（无有机物），而有能起去氢作用的萤石，所以碱性焊条的焊缝金属含氢量低，抗裂性好。因而将碱性焊条又称低氢焊条。碱性焊条常用于焊接重要的焊接结构。其缺点是对油、锈和水的敏感性大，焊接时使用不当容易产生气孔。药皮中萤石产生的氟会阻碍气体电离，故电弧稳定性差，一般要求采用直流电源焊接。焊接时产生的有毒烟尘（HF）较多，使用时应注意通风和防护，尤其是在容器内焊接时更应注意。

1.4.4　焊条的选用

焊条选用的原则是要求含缝和母材具有相同水平的使用性能，主要考虑以下原则：

①选择与母材化学成分相同或相近的焊条。例如：焊件为碳素结构，应选用结构钢焊条；焊件为不锈钢，则选用不锈钢焊条等。

②选择与母材等强度的焊条。根据母材的抗拉强度，按“等强”原则选择相同强度等级的焊条，如16Mn的σb约为520 MPa，因此一般应选用型号E5003或E5015，E5016焊条；对于不同钢种的焊接，如低碳钢与低合金钢，或不同牌号的低合金钢之间的焊接，一般选用与强度较低钢材相应的焊条。

③根据结构的使用条件选择焊条药皮的类型。例如：对一般焊接结构选用较经济的酸性焊条；而对于承受冲击载荷对焊缝性能要求较高或在高温、低温条件下工作，或者结构刚度大、工件厚度大易产生裂纹的焊接结构，应选用碱性焊条。

1.5　埋弧自动焊

埋弧自动焊是电弧“埋”在焊剂层下燃烧的电弧焊，简称埋弧焊。

科技和生产的发展，要求有优质和高生产率的焊接方法。手弧焊满足不了这个要求，它的质量和生产率都受到焊条的限制。因为如果大幅度提高焊接电流，将导致焊条过热，使药皮发红失效甚至剥落，焊接困难，质量下降。同时，单根焊条的不连续施焊方式，也严重妨碍焊接过程的机械化和自动化。对此，埋弧焊采取以下三个改进措施：

①使用颗粒焊剂代替焊条的药皮；

②采用长焊丝代替单根焊条，用焊丝盘盘绕可达几十米；

③用焊接小车自动完成引弧和送丝焊接的操作。

1.5.1　埋弧焊的焊接过程

埋弧自动焊焊接时，电弧被焊剂所包围。引弧、送丝、电弧沿焊接方向移动等过程均由焊机自动完成，如图4.1.3、图4.1.4所示。

图4.1.3　埋弧焊机
1—焊剂斗　2—焊丝盘　3—导电嘴

图4.1.4　埋弧焊示意图
1—工件　2—焊剂　3—焊丝　4—电弧
5—熔池　6—熔渣　7—焊缝　8—渣壳

埋弧焊过程具体如下：

（1）准备

它包括按规定严格调整焊接规范，例如接头坡口的准备、焊丝的选择、焊接电流和速度以及送丝速度的选择等。此外，还包括将焊剂铺盖在待焊件上约高30～50 mm等工作。

（2）引弧

按下启动开关，靠焊接小车上的送丝机构将焊丝送入并穿过焊剂层，至焊丝端触及焊件短路时，焊丝又迅速自动回抽，遂引燃电弧。

（3）焊接

电弧引燃后，焊丝、焊剂和焊件皆被熔化，部分蒸发，形成金属熔池和熔渣，并在蒸气作用下，形成由熔渣和熔池金属包围的封闭空间，电弧就“埋”在这里燃烧。与此同时，焊接小车沿着待焊的接缝均匀移动，并将焊丝连续不断地送向焊区。这样，新的熔池和熔渣不断地形成，原先的熔池金属及覆盖其上的熔渣冷凝成焊缝及渣壳。焊接结束前，先关停丝用的电机，借着惯性使送丝渐慢，待弧坑填满，电弧也因弧长拉长而自行熄灭。最后切断焊接主电源，焊接全部结束。

1.5.2　埋弧焊工艺特点

（1）焊前准备工作要求严格

埋弧焊对下料和坡口加工要求较严，要保证组装间隙均匀，装配时要用优质焊条点固。焊接前，要清除坡口及其两侧的锈、油、水，以防止气孔。

（2）焊接电流大，熔深大

板厚24 mm以下的工件可以不开坡口一次焊透。但一般手弧焊板厚10 mm就开坡口，常用坡口有V形坡口、X形坡口、U形坡口。埋弧焊对接一般能采用双面焊的均采用双面焊，以便于焊透，减少焊接变形。在不能采用双面焊时，采用单面焊工艺。

（3）采用引弧板和引出板

为了保证焊缝首尾部分的焊接质量，要使用引弧板和引出板，如图4.1.5所示。从引弧板开始焊接，到引出板焊接结束，焊后将它们去掉。

图4.1.5　自动焊的引弧板和引出板

　
图4.1.6　自动焊的焊剂垫

（4）采用焊剂垫或钢垫板

为了防止焊件烧穿和获得良好的焊缝成形，可采用焊剂垫或钢垫板，如图4.1.6所示。

（5）采用导向装置

焊接直线焊缝时焊接小车由导轨导向。而焊大直径圆筒的圆周焊缝时采用滚轮架，使筒体（工件）转动。为防止熔池金属和熔渣从筒体表面流失，保证焊缝成形良好，焊丝要逆工件旋转方向偏离中心线一定距离a。

1.5.3　埋弧焊的特点和应用

埋弧焊同手弧焊相比，有以下特点：

（1）生产率高、成本低

埋弧焊由于焊丝没有药皮，焊丝伸出长度短，没有飞溅等原因，焊接电流可以比手弧焊大得多。因此，埋弧焊生产率高，比手弧焊提高5～10倍，同时，由于埋弧焊熔深大，可以不开或少开坡口。这样，可以节省坡口加工工时，节省焊接材料，节省焊接工时，节省电能等。此外，没有焊条头，焊丝利用率高；焊剂用量少，也较便宜。

（2）焊接质量好，而且稳定

这是因为焊接电弧和熔池都在焊剂层下面发生和形成，提供了良好的焊接保护；焊接规范自动进行调整，焊接过程稳定。因此，埋弧自动焊接质量好，且焊缝表面成形美观。

（3）劳动条件好

焊接时看不到弧光，烟尘较少，焊工仅调整和管理自动焊机，劳动条件有极大程度改善。

埋弧自动焊要添置昂贵设备，焊前准备时间较长，所以只有在大量生产条件下，焊接较厚焊件的长直焊缝或大直径环形焊缝，才能充分显示其优越性。埋弧自动焊适用于焊接6～60 mm厚的焊件，平焊位置的对接、搭接和丁字接头。

目前埋弧自动焊在制造机车车辆、锅炉、船舶、化工容器等设备中获得广泛应用。

1.6　气体保护焊

气体保护焊是用外加气体保护电弧区的熔滴和熔池及焊缝的电弧焊。它包括两种，一种是氩弧焊，另一种是CO2气体保护焊。

1.6.1　氩弧焊

氩弧焊是以氩气作为保护气体。氩气是惰性气体，可保护电极和熔化金属不受空气的侵害，甚至在高温下，氩气也不与金属发生化学反应，也不溶于液态金属中，因此，氩气是一种比较理想的保护气体。

氩弧焊按所用电极的不同可分为不熔化极氩弧焊和熔化极氩弧焊两种，如图4.1.7所示。

图4.1.7　氩弧焊示意图

（1）非熔化极氩弧焊

非熔化极氩弧焊又称钨极氩弧焊，它是以高熔点的钍钨棒或铈钨棒作为电极，焊接时，钨极不熔化，只起导电与产生电弧作用。因电极所能通过的电流有限，所以只适于焊接6 mm以下的工件。

当钨极为阴极时，发热量小。如果钨极作阳极时，发热量大，钨极烧损严重，电弧不稳定，焊缝产生夹钨。因此，一般钨极氩弧焊采用直流正接。在焊接铝、镁及其合金时，则希望用直流反接或交流电源。因为极间正离子撞击工件熔池表面，有“阴极雾化”作用，可使其致密的氧化膜破碎，有利于焊接熔合和保证质量。

钨极氩弧焊需加填充金属。填充金属可以是焊丝，也可以是焊接接头中附加填充金属条或采用卷边接头等。

（2）熔化极氩弧焊

它利用金属焊丝作电极并兼作填充金属，焊接过程可采用自动或半自动式。焊接时，在焊丝和焊件间产生电弧，焊丝连续送进，金属熔滴通常呈很细颗粒、喷射过渡进入熔池。因此，熔化极氩弧焊所用的焊接电流可大大提高，通常适用于焊接较厚（25 mm以下）的焊件。为了使电弧稳定，一般采用直流反接。

氩弧焊的特点：

①机械保护效果良好　由于氩气是惰性气体，它既不与金属发生化学反应使被焊金属或合金被氧化烧损，又不溶解于金属中产生气孔，能获得高质量焊缝。

②电弧稳定性好　因为氩气的导热系数小，且是单原子气体，高温时不分解吸热，电弧热量损失少，电弧稳定性好，即使在小电流时也很稳定。因此，钨极氩弧焊容易控制熔池温度，容易做到单面焊双面成形。为了更容易保证背面均匀熔透和焊缝成形，现在较为普遍地采用了脉冲电流来焊接，这种焊接方法称为脉冲氩弧焊。

③电弧和熔池区是气流保护，明弧可见，便于操作，容易实现全位置自动焊接。

④氩气贵，成本高。

因此氩弧焊适用于焊接易氧化的有色金属和合金钢，如铝、镁、钛和不锈钢、耐热钢等；钨极氩弧焊，尤其是脉冲钨极氩弧焊，还适用于薄板焊接。

1.6.2　CO2气体保护焊

CO2气体保护焊是以CO2气体为保护气体的电弧焊。

CO2气体在电弧高温作用下，能分解，有氧化性，容易氧化金属，烧损合金元素，因此不能用来焊接有色金属和合金钢。在焊接低碳钢和普通低合金钢时，要通过含有较多合金元素的焊丝来脱氧和渗合金等冶金处理。现在常用的CO2气体保护焊焊丝是H08Mn2SiA，适用于低碳钢和抗拉强度600 MPa以下的普通低合金钢的CO2气体保护焊。

CO2焊接的熔滴过渡采用短路过渡和细颗粒过渡。为了使电弧稳定、飞溅少，CO2焊接采用直流反接。

CO2焊接设备的组成如图4.1.8所示。一般情况下，无须接干燥器，甚至预热器也可不要。但用于300 A以上的焊枪需用水冷却。

图4.1.8　CO2气体保护焊设备示意图

CO2气体保护焊的特点：

①成本低　由于采用廉价的CO2气体，CO2保护焊的成本仅为埋弧自动焊和手弧焊的45%左右。

②生产率高　CO2保护焊的电流密度大，熔深大，焊接速度快，又不需要清理渣壳，因此CO2保护焊生产率比手弧焊提高1～3倍。

③焊接质量比较高　这是因为CO2保护焊焊缝含氢量低，采用合金钢焊丝，易保证焊缝性能，所以CO2保护焊焊缝裂纹倾向小。此外，焊接变形小，适于薄板焊接。

但CO2保护焊接时，金属和合金元素易氧化、烧损，不宜焊接有色金属和合金钢。

④采用明弧操作，能全位置焊，易实现自动或半自动焊接。

⑤焊缝成形差，金属飞溅严重。

CO2保护焊目前已广泛用于造船、机车车辆、汽车、农业机械等工业，主要用于焊接30 mm以下厚度的低碳钢和部分低合金结构钢。