一、手工电弧焊
手工电弧焊是利用电弧热使焊条和工件的接缝熔化，形成牢固的焊缝。它是熔化焊中最基本的一种焊接方法。
手工电弧焊设备简单，操作方便、灵活，适应各种条件下的焊接，是应用最广的一种焊接方法。
1．电弧焊接的基本原理
(1)焊接电弧。
在两个电极(焊条和工件)间的气体介质中，产生强烈而持久的放电现象称为电弧。电弧放电时，能释放出强烈的弧光和集中的热量，电弧焊就是利用此热量熔化焊件金属和焊条进行焊接的。引燃电弧时，应将焊条与焊件接触后立即分开，并保持一定的距离，这时，在焊条端部和焊件之间就产生了电弧(图8－22)。
图8－22 电弧示意
1．焊条 2．电弧 3．焊件
图8－23 电弧的构造
(2)焊接电弧的构造及温度。
焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱三部分组成(图8－23)。阴极区位于焊条的末端，阳极区位于焊件表面，弧柱介于阴极和阳极之间，四周被气体和弧焰包围。弧柱的形状一般呈锥形。
在电弧中，各部分的温度因电极和工件材料不同而有所不同。焊接钢材时，阳极区温度约为2600℃，阴极区温度约为2400℃，电弧中心区温度可高达6000～8000℃。
(3)焊接电弧极性的选择。
使用直流电焊机焊接时，工件接正极，焊条接负极，叫正接法;反之，叫反接法。正接法焊件获得的热量高，适于厚板件的焊接;反接法焊件获得的热量稍低，适于薄板或采用低氢型焊条的焊接。
使用交流电焊机焊接时，电源的极性是交变的，两极上产生的热量相同，不存在正接和反接的问题。
图8－24 电弧焊接过程
1．工件 2．焊缝 3．熔池 4．金属熔滴 5．焊条芯 6．焊条药皮 7．气体 8．液态熔渣 9．固态渣壳
(4)手工电弧焊的过程。手工电弧焊是用焊条和焊件作为两个电极，焊接时，利用电弧热使工件与焊条同时熔化，焊件上的熔化金属在电弧的吹力下形成一凹坑，称为熔池。焊条熔滴借助电弧吹力和重力作用过渡到熔池中(图8－24)。药皮熔化后和液体金属发生强烈的冶金反应，形成的熔渣不断地从熔池中向上浮起，药皮熔化还产生大量二氧化碳和其他气体，围绕于电弧周围。熔渣和气体能防止空气的侵入，使熔化金属缓慢冷却，促进金属中气体的排出，减少了生成气孔的可能性。同时，熔渣对焊缝成型起着重要的作用。
随着电弧向前移动，焊件和焊条金属不断熔化，形成新的熔池，原先的熔池则不断地冷却凝固，形成连续的焊缝。覆盖在焊缝表面的熔渣也逐渐凝固成渣壳。
焊接过程实质上是一个冶金过程。它的特点是:熔池温度很高，加上电弧的搅拌作用，使冶金反应进行得非常强烈，反应速度快;由于熔池的体积小，存在的时间短，所以，温度变化很快;参加反应的元素多。
2．电焊条
焊条由焊芯和药皮(涂料)组成，分为工作部分和尾部。工作部分供焊接用，尾部供焊把夹持用。
①焊芯起导电作用，熔化后成为填充焊缝金属的材料。焊芯金属占焊缝金属的50%～70%。焊芯的化学成分直接影响焊缝的质量，其直径(2.5～5.8)与长度即代表焊条的直径与长度。
②药皮由多种成分组成，在焊弧的冶金反应过程中起稳弧、造气(生成保护气体)、脱氧、造渣与稀释熔渣黏度的作用，以保证焊接有良好的工艺性，促进优质焊缝的形成，见表8－10。
表8－10 药皮的组成和作用
焊条按其药皮熔化后的熔渣特性，分成酸性与碱性两大类。酸性焊条熔渣主要是酸性氧化物，其药皮氧化性强，焊接时合金元素烧损多，焊缝冲击韧度较差，但不易产生气孔，交、直流焊机均可使用，适于一般结构焊接;碱性焊条药皮脱氧能力强，熔渣成分主要是碱性氧化物，焊缝力学性能好，常用于重要结构的焊接，但易生气孔，要求焊前清油除锈。大部分碱性焊条采用直流焊机。
焊条按焊芯化学成分可分成七大类，分别以不同字母代表，构成国标的型号;按用途还可分成十大类，也用不同字母表示，构成统一牌号的第一位，二者的对照见表8－11。各种焊条及使用见表8－12～表8－21。焊条的规格见表8－22。
表8－11 焊条型号大类与牌号大类对照表
表8－13 焊条选用原则
表8－14 常用结构钢焊条使用简明表
表8－15 几种不锈钢焊条使用简表
表8－16 几种耐热钢焊条与低温钢焊条使用简表
表8－19 铝及铝合金焊条
注:药皮盐基型，电流直流反接。
表8－20 部分镍与镍合金焊条
注:牌号中的第一位数字表示熔敷金属成分组成类型:1为纯镍;2为镍铜;3为镍铬耐热合金;4为待开发。
表8－22 电弧焊焊条的规格 (mm)
3．电焊机
(1)交流弧焊机。
交流弧焊机采用交流电焊接，虽然电弧稳定性比直流电差，但由于交流弧焊机具有构造简单、维护方便、效率高、节省电能和材料、焊接时不产生磁偏吹等优点，所以仍得到广泛的应用。目前，国内生产的交流弧焊机品种很多，这里仅介绍常见的两种型号。
①BX1－330型(BS－330型)交流弧焊机。这种弧焊机的结构原理属于动铁心漏磁式，空载电压为60～70V，工作电压为30V，电流调节范围为50～450A。焊机的外形及构造见图8－25(a)。
BX1－330型交流弧焊机的基本构造是一台有三只铁心柱的单相漏磁式降压变压器，见图8－25(b)。中间为可动铁心，两边为固定铁心，其中一边绕有初级线圈。次级线圈分成两部分:一部分绕在初级线圈外面;另一部分兼作电抗线圈在另一侧固定铁心柱上，并且可以调节线圈的圈数。弧焊机上装有接线板，可对电流进行粗调节，转动手柄可以使中间动铁心前后移动，进行电流的微调节。
图8－25 BX1－330型交流弧焊机
这类交流焊机体积小、重量轻、成本低、振动较小，小电流焊接时也较稳定，特别适用于需要经常搬运的单位使用。属于该类型的焊机还有BX1－120型、BX1－500型等。
②BX－500型(BA－500型)交流弧焊机。其结构属于同体式，工作电压为30～40V，电流调节范围为150～700A。焊机的外形及构造见图8－26。
图8－26 BX－500型交流弧焊机
BX－500型交流弧焊机是将变压器部分和电抗器部分装在一起的。铁心形状像个“日”字，上部为电抗器，下部为变压器。变压器的初级线圈和次级线圈同绕在下部铁心的两个柱上，电抗线圈绕在上部的固定铁心和可动铁心上，并与次级线圈串联。
空载时，无焊接电流通过，电抗线圈不产生电压降，因此，空载电压基本上等于次级电压。焊接时，电弧稳定燃烧，电路中有焊接电流通过，电抗线圈产生电压降，从而获得下降特性。短路时，电弧电压等于0，由于有很大的短路电流通过电抗线圈，产生了很大的电压降，使次级线圈的电压接近于0，限制了短路电流。
焊接电流的调节是靠转动手柄以改变电抗器可动铁心的位置来实现的，当顺时针方向转动手柄时，铁心间隙增大，焊接电流增加。反之，则焊接电流减小。
这类焊机容易振动，小电流焊接电弧不稳定，故只适用于大容量。
(2)直流弧焊机。
直流弧焊机有旋转式和硅整流式两种。旋转式直流弧焊机由焊接发电机和三相感应电动机组成。感应电动机以电能作为动力，驱动焊接发电机而获得焊接电流。直流弧焊机同样具有降压、调整电流等性能。焊机的空载电压为50～80V，工作电压为30V。焊接电流有粗调节和细调节两种，粗调节是利用机头处手柄改变电刷的位置来进行的;细调节是依靠调节装在机壳顶部的可变电阻来实现的。
硅整流直流弧焊机是利用整流器将交流电变为直流电的直流弧焊机，由交流焊接变压器和整流两部分组成。前者的作用是获得调节的交流电，后者的作用是将上述交流电变成直流电。
上述两种直流弧焊机都具有引弧容易、电弧稳定、穿透力较强、飞溅少等优点。由于没有旋转部分，硅整流弧焊机还具有噪声小、耗电少、体积小、重量轻、结构简单、制造维修容易等特点。
4．焊接工具
手工电弧焊的主要工具有电焊钳、焊接电缆、防护面罩等。
(1)电焊钳。
电焊钳也叫焊把，用于夹持焊条和传导电流。焊钳应重量轻，导电性能好，更换焊条灵活方便。电焊钳的导电部分用铜制造，手柄为绝缘材料。
(2)焊接电缆。
焊接电缆用于导电，有两根:一根从电焊机的一极引出，连接焊钳;另一根从电焊机的另一极引出，连接焊件。
焊接电缆一般多用导电性能良好的多股紫铜软线，外表有良好的绝缘层，避免发生短路或触电事故。电缆的长度应根据具体使用情况来决定，一般不宜过长。
(3)面罩。
面罩用于遮挡飞溅的金属和电弧中有害的光线，是保护焊工头部和眼睛的重要工具。常用的面罩有手握式和头戴式两种。
面罩上的护目玻璃用来降低电弧光的强度，阻挡红外线和紫外线。焊接时，焊工通过护目玻璃观察熔池情况和掌握操作过程。护目玻璃外面还贴有一块规格相同的普通玻璃片，防止飞溅的金属损坏护目玻璃。普通玻璃可随时更换。
5．焊条电弧焊工艺
(1)焊接接头及坡口形式。
在手工电弧焊接中，由于焊件的结构形状、厚度及质量要求的不同，其接头及坡口形式也有所不同。主要的接头形式有对接、搭接、角接及丁字接头(图8－27)。
根据焊缝的空间位置，手工电弧焊接又有平焊、立焊、横焊和仰焊四种焊接形式(图8－28)。其中，平焊操作技术较易掌握，容易获得优质焊缝，而且生产效率高，故应尽量采用平焊焊接。
图8－27 接头形式
图8－28 焊缝的空间位置
(2)焊接规范的选择。
手工电弧焊时，焊接规范主要是指焊条直径和焊接电流。正确地选择焊接规范，有利于提高焊接质量和焊接生产率。
①焊条直径的大小主要取决于焊件的厚度，厚度越大，则焊缝需要的填充金属也越多，因此，应选用较大直径的焊条。工件厚度与焊条直径的关系见表8－23。
表8－23 焊条直径的选择 (mm)
一般情况下，为了提高劳动生产率，应尽可能地选用较大直径的焊条，在厚板多层焊接时，底层焊缝的焊条直径一般应不超过4mm，以免产生未焊透等缺陷，以后几层可适当选用较大直径的焊条。
在立焊、横焊、仰焊时，为防止熔池过大而铁水下流，选用的焊条直径一般不超过4mm。
②焊接电流主要取决于工件厚度、焊条直径和焊接的位置。焊接电流大，焊条熔化快，生产率高。但电流过大时，飞溅严重，工件易于烧穿，甚至会使后半根焊条药皮烧红而大块脱落，焊缝产生气孔、咬肉、未焊透等缺陷。焊接电流过小时，工件熔化面积小，焊条熔化金属在工件上流不动，熔渣与铁水很难分清，使焊缝窄而高，成型差，并有气孔和夹渣等缺陷。
对于一定直径的焊条，有一个合理的电流使用范围，表8－24所列为酸性焊条平焊时焊接电流的选择范围。
表8－24 酸性焊条平焊时焊接电流的范围
焊接平焊缝时，由于运条和控制熔池中的熔化金属比较容易，因此，可选用较大的电流进行焊接。但在其他位置焊接时，为了避免熔化金属从熔池中流出，要使熔池小些，焊接电流相应地要比平焊时小些。使用碱性焊条时，电流一般要比酸性焊条小一些。
在实际工作中，可通过观察焊接电弧、焊条熔化速度和焊缝成型好坏等几方面情况判断焊接电流是否选择得当。当电流强度适合时，电弧稳定，噪声小，飞溅少，熔渣与铁水容易分离，焊缝成型均匀美观。
(3)操作技术。
①引弧方法。引弧有碰击法和划擦法两种(图8－29)。
碰击法如图8－29(a)所示，引弧是将焊条末端对准焊缝垂直碰击，然后迅速提起并保持一定距离。
图8－29 引弧方法
划擦法如图8－29(b)所示，是将焊条端部在焊件上轻轻擦过一段距离，引燃电弧后迅速将焊条提起并保持一定距离。划擦法引弧较易掌握，但容易擦伤工件表面。
图8－30 引弧点位置示意
上述两种引弧方法，应根据具体情况灵活使用。
在施焊起点或中间更换焊条的引弧，应在焊点前面10mm左右处(图8－30)，引弧后拉长电弧，并迅速将电弧移回起焊点，稍停片刻再对焊件预热，待接点弧坑填满时，再移动焊条进行正常焊接。这种引弧法由于再次熔化引弧点，可将已产生的气孔消除，提高施焊起点或接头处的焊缝质量。
引弧时如焊条黏在工件上，应迅速左右摆动焊钳，使焊条脱离。
②运条方法。电弧引燃后，焊条要有三个基本方向的运动，才能使焊缝成型良好。这三个方向的运动是:向熔池方向逐渐进给;沿焊接方向逐渐移动;做横向摆动。
a．向熔池方向进给。焊接时，焊条不断被电弧熔化变短，为了保持一定的弧长，就必须使焊条向熔池送进，送进速度应与焊条的熔化速度相适应，否则就会发生断弧。
b．沿焊接方向移动。焊条沿焊接方向移动是使熔池金属形成焊缝。焊条的移动速度(焊接速度)对焊缝质量影响很大，因此，移动速度要适当。移动速度太快，焊缝熔深小，易焊不透。移动速度太慢，会使焊缝过高，工件过热，变形增加或烧穿。
c．横向摆动。焊条做横向摆动，可以得到一定宽度的焊缝。
由于摆动中电弧反复搅动熔池，加速了熔化金属的冶金反应，促进熔池中熔渣和气体的浮出，从而改善了焊缝质量。摆动的幅度视焊缝的宽度而定。对于窄焊缝可以不做横向摆动。
以上三个方向的动作必须协调。根据不同的接头形式、间隙、焊缝位置、焊条直径与性能、焊接电流、工件厚度等情况，采用适当的运条方式。图8－31为常用的几种运条方法。
图8－31 焊接运条法
③焊缝的收尾。焊缝焊完时，如果立即熄弧，会在焊缝末尾形成低于焊件表面的弧坑。过深的弧坑很容易产生应力集中而形成裂纹，影响焊缝质量。为了填满弧坑，应在焊接收尾时，焊条停止前移，作圆弧运动，待填满弧坑时再拉断电弧，也可回焊一小段后收尾。对薄板，则常采用在较短时间内反复点燃和熄灭电弧的办法，直至填满弧坑。
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