第八章 碳弧气刨安全技术
一、碳弧气刨原理
利用石墨棒或碳极与工件间产生的电弧将金属熔化，并用压缩空气将其吹掉，实现在金属表面上加上沟槽的方法叫碳弧气刨，如图8－1所示。
图8－1 碳弧气刨原理图
碳弧气刨可以用来挑焊根、开坡口、返修焊缝缺陷及切割铸铁和不锈钢等。
与其他表面加工和切割方法比较，碳弧气刨具有如下优点:
(1)与风铲相比，在开坡口及挑焊根时，可以提高工效4倍以上，尤其是在开U形坡口时，效果更加显著。
(2)与风铲相比，能减轻劳动强度，减少噪声，提高劳动条件。
(3)与风铲相比，在刨除焊缝缺陷时，操作者可直接用肉眼观察是否被刨净，焊补后的合格率很高。
(4)与氧气切割相比，能切割氧气切割难以切割的材料，如不锈钢、铸铁、铜和铝等。
(5)工具设备简单，操作方便，最适合于金属缺陷的清除工作。
碳弧气刨的缺点是气刨过程中会产生烟尘，对环境造成污染，对操作者健康有一定影响，并且需要采用功率较大的直流电源，费用较高。
二、碳弧气刨的设备和材料
碳弧气刨用的主要设备如图8－2所示。
1．电源
碳弧气刨应采用具有下降特性的直流弧焊电源，由于气刨时碳棒不熔化，负载持续率较大，而使用的电流又较大，所以就选用功率较大的电源，常用的有ZX5－630、ZX－500型整流弧焊机和AX1－500型弧焊发电机等。
图8－2 碳弧气刨用设备
2．气刨枪
气刨枪的作用是夹持碳棒、传导电流和输送压缩空气，常用的有焊钳式气刨枪、扁碳棒气刨枪和圆周送风式气刨枪，如图8－3所示。
图8－3 碳弧气刨枪
(a)焊钳式气刨枪 (b)圆周送风式气刨枪 (c)扁碳棒式气刨枪
3．空气压缩机和空气导管
碳弧气刨所需的压缩空气的压力范围0．4～0．8MPa，由空气压缩机或集中式供气管道供气，然后由空气导管输送至气刨枪，较新式的是气电合一的碳弧气刨软管，如图8－4所示。
图8－4 气电合一的碳弧气刨软管
1－弹簧管;2－附加钢丝;3－夹线胶管;4－多股导线
4．碳棒
碳棒在碳弧气刨时作为电极，用作传导电流和引燃电弧。对碳棒的要求是耐高温、导电性良好和不易开裂。常用的是镀铜实芯碳棒，镀铜的目的是更好地传导电流。外形有圆碳棒和扁碳棒两种，圆碳棒主要用于在焊缝反面挑焊根、清焊根;扁碳棒刨槽较宽，可以用于来坡口、刨焊瘤或切割大量金属的场合。
碳弧气刨用碳棒的规格及适用电流，如表8－1所示。
表8－1 碳弧气刨用碳棒的规格及适用电流
三、碳弧气刨工艺
1．电源极性
碳弧气刨时，电源的极性根据被刨金属材料来确定。一般碳钢、普通低合金钢采用直流反接;铸铁、铜及其合金多采用直流正接。
2．刨削电流及碳棒直径
刨削电流对刨槽的尺寸影响较大。电流大，则槽宽增加，槽深也增加，且槽深的增加更为显著。增大刨削电流，还可以提高刨削速度才能获得较光滑的刨槽，因此一般采用较大的电流。但在返修焊缝缺陷时，若采用大电流就会使刨削速度和刨槽深度都增加，不利于发现缺陷，因此刨削电流应偏低一些。
不同直径的碳棒刨削电流的选择，可参照表8－1，也可以根据下面的经验公式进行计算:
式中:I———刨削电流，A;
K———系数，其值为35～50;
D———碳棒直径，mm。
碳棒的直径，可根据被刨板的厚度进行选择。被刨板越厚，选用的碳棒直径越大。不同板厚选用的碳棒直径，如表8－2所示。
表8－2 碳棒直径的选择 单位:mm
碳棒直径的大小还与所要求的刨槽宽度有关，一般碳棒直径应比所要求的槽宽小2～4mm。
3．刨削速度
刨削速度对刨槽尺寸及表面质量都产生一定的影响。刨削速度太快，使刨槽的深度变浅、宽度变窄。如果刨削速度太快，不仅使刨槽的宽度和深度达不到要求，而且容易使碳棒与前端金属相碰造成短路，形成夹碳缺陷。一般刨削速度为0．5～1．2mm/min较合适。
4．压缩空气压力
压缩空气的作用是用来吹走易熔化的金属。压缩空气压力高，刨削有力，能立即把熔化的金属吹掉。因此，适当的提高压缩空气压力，能够提高压缩空气压力，能够提高刨削速度。常用的压缩空气压力为0．4～0．8MPa。
5．电弧长度
电弧长度对气刨的表面质量影响很大。当弧长超过了3mm时，电弧很不稳定，甚至发生熄弧。因此，操作时应尽量采用短弧，这样不仅使气刨能顺利进行，而且可以提高生产率和电极的利用率。但电弧太短，容易引起“夹碳”的缺陷，一般弧长约1～2mm。在刨削过程中弧长应尽量保持不变，以保证刨槽尺寸均匀。
6．碳棒与工件的倾角
碳棒与工件的倾角大小，主要影响刨槽的深度。倾角增大，使刨槽的深度增大，宽度变小;相反，倾角减小，则使刨槽深度变浅，宽度增加。碳棒倾角与刨槽深度有关，如表8－3所示。
表8－3 碳棒倾角与刨槽深度的关系
7．碳棒的伸出长度
碳棒从钳口导电嘴到电弧端的长度称为碳棒的伸出长度，如图8－5所示。刨削时，碳棒伸出长度应为80～100mm，当碳棒烧损20～30mm后，就需要进行调整。如果碳棒伸出太长，压缩空气吹到熔池的力不足，就不能及时把熔化金属吹走，同时碳棒本身的烧损也大;相反，碳棒伸出太短，会引起操作不便，容易不刨槽偏，也容易使气刨枪与工件短路，造成电弧不稳和烧坏气刨枪。
图8－5 碳棒伸出长度
碳弧气刨工艺参数对刨槽的影响。如表8－4所示。
表8－4 碳弧气刨工艺参数
8．操作技术
(1)开始气刨前，要检查电源极性，根据碳棒直径选择并调节好电流。调节碳棒伸出长度至80～100mm。调节好出风口，使风口能对准刨槽。
(2)刨削时，先打开气阀，随后引燃电弧，以免产生“夹碳”。在垂直位置气刨时，应由上向下移动，便于熔渣流出。
(3)碳棒倾角按要求的槽深而定，刨削要求深，倾角就应大一些，一般可在45°左右为宜。
(4)碳棒中心线应与刨槽中心线重合，否则刨槽形状不对称，如图8－6所示。
(5)要保持均匀的刨削速度，刨削均匀清脆的嘶嘶声表示电弧稳定，能得到光滑均匀的刨槽。每段刨槽衔接时，应在弧坑上引弧，防止触伤刨槽或产生凹痕。
(6)刨削结束时，应先断弧，过几秒再停气，使碳棒冷却。
图8－6 刨槽形状
(a)刨槽形状对称 (b)刨槽形状不对称
(四)常用金属材料的碳弧气刨
1．低碳钢的碳弧气刨
低碳钢气刨后，在刨槽表面会产生一层硬化层，其深度约为0．54～0．72mm并随工艺参数的变化而变化，但最深部超过1mm。表面硬化层是由于处于高温的表层金属被迅速冷却后造成，而不是由于渗碳的结果。根据化学分析，当基本金属含碳量为0．20%～0．24%时，该硬化层的含碳量仅为0．19%～0．22%。因此，在正常操作的情况下，并不发生渗碳现象，所以对碳弧气刨后的低碳钢进行焊接，并不影响焊接质量。
2．不锈钢的碳弧气刨
不锈钢碳弧气刨时，气泡产生的金属飞溅———熔渣，其含碳量可高达1．3%，但很快被压缩空气吹走。黏附在刨槽边缘的熔渣其含碳量也能高达1．2%，但只要在气刨后认真做好刨槽边缘的清理工作，并不影响焊接质量。气刨后的不锈钢表面，其渗碳层的深度一般仅在0．02～0．05mm之间，最深处也不超过0．11mm，且渗碳层还是继续的熔化金属，所以碳弧气刨对不锈钢的渗碳作用是极其微小的。碳弧气刨18－8型不锈钢的含碳量的分析，如表8－5所示。
表8－5 碳弧气刨18－8型不锈钢
碳弧气刨对不锈钢切割面有热作用，但因弧柱下形成的高温液态金属很快地被吹走，不再继续对切割面起加热作用，所以实际上碳弧气刨的热影响区比焊条电弧焊来得小，在正常的操作工艺参数下，热影响区只有1mm左右。
由上所述，碳弧气刨对不锈钢的渗碳和热作用都是很小的，因此对不锈钢的抗晶间腐蚀性能没有什么影响。曾进行过试验，试件材料是18－8型不锈钢钢板，焊条牌号是奥102，电源采用AX1－500型直流弧焊机，碳棒为直径5mm的镀铜碳棒。将试件进行对接焊，先正焊两层，再在反面清根，然后在反面焊1～2层。试样的腐蚀试验按“T”法的规定进行。清理焊根采用两种办法:一种是碳弧气刨，气刨后，一部分试样用不锈钢钢丝刷将气刨面清理干净后施焊，另一部分试样，用砂轮打磨干净气刨面后再施焊;另一种是风铲清根，然后进行施焊。
3．碳弧气刨常见的缺陷
(1)夹碳。刨削速度太快或碳棒送进速度过猛，使碳棒头部碰到铁水或未熔化的金属上，电弧就会因短路而熄灭。由于温度很高，当碳棒再往前送或向上提起时，头部脱落，并粘在未熔化的金属上，就成为“夹碳”缺陷。
产生夹碳后，在夹碳处电弧就不能再引燃，于是阻碍了气刨的继续进行。此外，夹碳处还形成一层硬脆的且不易清除的碳化铁(含碳量达6．7%)。对这种缺陷必须注意防止和清除，否则焊后易出现气孔和裂纹。清除方法是在缺陷前端引弧，将夹碳处连根一起刨掉。
(2)粘渣。碳弧气刨时，吹出来的铁水叫渣，它的表面是一层氧化铁，内部是含碳量很高的金属。如果渣粘在刨槽的两侧，即所谓粘渣。粘渣主要由于压缩空气压力太小引起，但刨削速度与电流配合不当，刨削速度太慢亦容易产生粘渣，这在大电流时更为明显。其次，碳棒对焊件的倾角太小时也容易引起粘渣。粘渣可用扁铲清除。
(3)刨槽不正和深浅不匀。碳棒歪向槽的一侧就会引起刨槽不正。碳棒运动时上、下波动会引起刨槽的深度不匀。
(4)刨偏。刨削时往往由于碳棒偏离预定目标而刨偏。因此，刨削时一定要将注意力集中在目标线上。碳弧气刨速度大约比弧焊快2～4倍，技术不熟练就容易刨偏。刨偏与所使用的气刨枪的结构也有一定关系。例如，采用带有长方槽的圆周送风式和侧面送风式枪，均不易将渣吹到正前方，也就是不妨碍视线。
(5)铜斑。采用表面镀铜的碳棒时，有时因镀铜质量不好而铜皮成块剥落。剥落的铜皮呈熔化状态，在刨槽表面形成铜斑点。只要在焊前用钢丝刷将铜斑刷干净，就可避免母材的局部渗铜。如不注意清理，铜进入焊缝金属的量达到一定数值后，便会引起热裂纹。
(五)安全技术
(1)在雨雪天和大风天不得进行露天气刨和切割。
(2)露天作业时，应尽可能顺风向操作，防止被吹散的铁水及熔渣烧伤。并注意场地的防火。
(3)在容器或舱室内部作业时，内部尺寸不能过于狭小，而且必须加强通风，以便排除烟尘，而且要求两人以上。
(4)气刨时使用的电流较大，应注意防止电源过载或长时间连续使用而发热。
(5)操作地点的防火距离要大于一般电焊、气割作业的防火距离。
(6)为了防止火灾和降低烟尘，气刨普通碳钢时，可采用水雾电弧气刨法，即在碳棒周围喷射出适量的水雾，以熄灭飞溅的火花和降低烟尘。此时应注意气刨枪不能漏水，以防触电。
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