3.2 焊条电弧焊
3.2.1 焊条电弧焊的基本知识
1.焊条电弧焊的过程及工艺特点
（1）焊条电弧焊的过程 图3-2是采用碱性焊条 E5015直流反接法焊接过程示意图。焊接前，将焊件与直流弧焊机的负极相连，焊条夹持在焊钳上与正极相连。
1.焊钳；2.焊条；3.焊件；4.焊缝；5.熔池；6.直流弧焊机；7.焊接电缆；8.地线夹钳
图3-2 焊接过程示意图
焊接时，用焊条与焊件被焊部位接触后迅速拉开，在焊条与焊件接触部位立即会产生明亮刺眼的电弧，电弧同时将焊条和焊件局部熔化并形成熔池，随着电弧沿着焊接方向移动，被熔化的金属迅速冷却，凝固形成焊缝，使两个或两个以上的焊件局部达到原子间的结合。如图3-3所示为焊接接头示意图。
1.焊缝；2.熔合区；3.热影响区；4.母材
图3-3 对接和搭接接头示意图
（2）焊条电弧焊工艺特点
1）焊条电弧焊所用设备，重量相对较轻，不固定，便于移动，不受场地条件限制，在厂房、野外、高空均可工作。焊条电弧焊焊接灵活，基本不受焊缝空间位置、接头形式、焊缝长短、焊接结构几何形状、板厚的限制。
2）焊条电弧焊不仅可以焊接低碳钢、低合金结构钢、铸铁，也可以焊接各种不锈钢、有色金属等。还可堆焊耐磨、耐热、耐蚀等特殊性能的表面层。
3）焊接时，焊工可根据焊缝部位的变化，适时调整电弧的位置和运条的方法，修正焊接工艺参数，以保证焊缝的外观、内部的质量和根部焊透。
4）因受到焊条长度、焊条直径和药皮的限制，焊接电流不能过大、不能进行连续焊，此外，每根焊条都要丢弃焊钳夹持端的焊条头，浪费了优质钢材。
5）焊接产生的电弧高温、烟尘、金属粉尘、金属蒸气等对焊工健康都有一定影响。
2.焊接电弧
图3-4为直流焊机工件接正焊条接负电弧构造示意图，它由阴极区、阳极区和弧柱区三个区组成。其中焊条端部阴极区的厚度为10-5～10-6/cm、焊件阳极区的厚度为10-3～10-4/ cm，很薄，可以忽略不计，所以，一般把弧柱的长度近似看作弧长。
图3-4 焊接电弧构造示意图
由于阴极区发射电子要消耗一定的能量，而阳极区不发射电子，所以，当焊条和焊件均为低碳钢时，阳极区温度约为4200K，占电弧总热量的43%；阴极区温度约为2600K，占电弧总热量的36%；弧柱区的温度约为5000～8000K，占总热量的21%。
3.直流焊机极性及应用
直流电源焊接，有正接法（正极性）和反接法（负极性）。当弧焊电源的正极与焊件相连，负极与焊条相接时，称为正接法或正极性；反之，正极与焊条连接时，称为反接法或负极性。
直流电焊接阴极区的温度小于阳极区，因此焊接厚钢板时应采用直流正接法，以获得较大的熔深；焊接薄板时为避免烧穿应采用反接法。当使用 E50150低氢型焊条时，则无论焊薄板还是厚板，都应采用直流反接法。
4.电弧的静特性
所谓电弧的静特性是指在电极材料、气体介质和弧长一定的情况下，电弧稳定燃烧时焊接电流和电弧电压变化的关系称为电弧的静特性（呈 U 形曲线），如图3-5所示为电弧静特性曲线。
图3-5 电弧的静特性曲线（l1，l2—电弧长度）
当焊接电流值在 a 点以左时，电弧静特性属于下降特性区，随着电流的增加，电弧电压减小；当焊接电流值在 a、b 区内增大时，电弧特性属于水平特性区，当焊接电流值变化时，而电弧电压几乎不变；当焊接电流值在 b 点以右增大时，电弧特性属于上升特性区，焊条电弧焊的电弧主要工作于下降和水平特性段。当弧长增加时，静特性曲线向上平移，电弧电压增加，否则相反，弧长过长时断弧。
5.焊条电弧焊设备
（1）对焊接电源的基本要求
1）为了保证电弧是电源用电的负载、焊接中电弧长短变化、电弧稳定燃烧，要求电焊机外特性为陡降的外特性。
图3-6中 A0点为电弧的静特性曲线与电源的外特性曲线电弧燃烧的工作点。
2）图3-6中 U0为空载电压。适当的空载电压保证电弧的引弧性能和稳定性。
图3-6 电源特性曲线与电弧静特性曲线工作点A0
3）适当的短路电流是在频繁引弧下，保护电焊机过载，减小液态金属飞溅，使熔滴过渡均匀。
4）能方便、灵活、均匀地调节焊接电流。
5）为了适应电弧长短变化和经常短路的需要，弧焊电源具有良好的动态特性。
（2）常用焊条电弧焊机
1）交流弧焊机：交流弧焊机也称弧焊变压器，由初、次级线圈相隔离的主变压器以及所需的调节和指示装置构成。常见的型号有：BX1—315、BX3—315、BX6—315等。其中 B 表示弧焊变压器， X 为下降特性的电源，1为动铁心式，3为动线圈式，6为变换抽头式，315为额定电流的安培数。
2）直流弧焊机：直流弧焊电源包括直流弧焊发电机和弧焊整流器。直流弧焊发电机的缺点是体积大、笨重、空载损耗大、噪声大、效率低、制造耗能高、维修困难等，为淘汰产品。
① 常见的整流式直流弧焊机有 ZX3—500、 ZXG—500，其中 Z 表示弧焊整流器， G 为硅整流式， X 为下降特性的电源，3为动线圈式，500为额定电流的安培数。
② 常见的逆变弧焊电源有 ZX7—160等，其中7为逆变式，160为额定电流安培数。
3.2.2 焊条的组成和作用
1.焊条的组成
焊条是指在焊心（焊丝）表面压涂上适当厚度的药皮，用作焊条电弧焊的电极，是由焊心和药皮两部分组成，其结构如图3-7所示。
1.夹持端；2.药皮；3.焊心；4.引弧端
图3-7 焊条的结构
焊条所用实心焊心（钢丝）的牌号 H08A 表示如下。
焊心的直径即为焊条直径，如2、3.2、4、5（或4.8）、5.6（或5.8）、6.0、8.0等，单位为mm，生产中用量最多的直径有3.2、4和5焊条。
焊条标准 GB/T5117—1995和 GB/T5118—1995分别规定了碳钢焊条和低合金钢焊条的基本尺寸，如表3-1所示。
表3-1 焊条直径与焊条长度范围/mm
焊条药皮由多种矿物质、铁合金粉、有机物、黏结剂等按一定比例配制，压制而成。
2.焊条的分类
（1）按用途分类 焊条分为结构钢焊条、钼及铬钼耐热钢焊条、低温钢焊条、不锈钢焊条、铬不锈钢焊条、镍不锈钢焊条、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10大类。
（2）按照熔渣的酸碱性分类 熔渣的酸碱度是以渣中酸性氧化物（如 TiO2、F2O3、SiO2等）与碱性氧化物（如 CaO、MgO、MnO 等）的比值来划分的。按照熔渣的酸碱性可将焊条分为酸性焊条和碱性焊条。
3.焊条的型号和牌号
（1）焊条型号 焊条型号编排以字母E后加四位数字表示。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 MPa；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（平焊、立焊、仰焊、横焊），“2”表示适用于平焊及平角焊，“4”表示焊条适用于向下立焊；第三、四位数字组合表示焊接电流种类和药皮类型。如E4303：
（2）结构钢焊条牌号 结构钢焊条牌号（包括低合金高强钢焊条）采用以一个汉语拼音字母“J”或汉字“结”打头与后面三位数字串联表示。其中拼音字母或汉字表示焊条各大类，而后面的三位数字中，前两位数字表示各大类中的若干小类，第三位数字表示各种焊条牌号的药皮类型及焊接电源种类。如 J422：
4.碳钢、低合金结构钢选择焊条的原则
（1）熔敷金属与焊件的抗拉强度基本相等 用于制造受力构件的碳钢和低合金钢，选择焊条时主要考虑熔敷金属的抗拉强度不低于被焊构件的抗拉强度即可。如焊件为Q345A 钢，其抗拉强度大于等于490MPa，则焊条应选用 E50系列的。
（2）焊条药皮类型的选择 对于要求塑性好，冲击韧度、抗裂性能高、低温性能好的焊缝，应选用碱性焊条。
（3）抗拉强度不相等钢材焊条的选择 低碳钢、低合金钢的焊接或不同强度等级的低合金钢焊接，一般选用与较低强度等级钢材等强度的焊条。
（4）焊接一般钢结构焊条的选择 当焊接结构不太重要，焊缝质量要求较低时，应按焊工劳动条件、焊接生产率及设备等条件来选择。一般来说，在保证质量的前提下，应尽可能选用酸性焊条。
3.2.3 焊条电弧焊操作技能
焊条电弧焊平焊时，焊条与焊件之间操作时的角度如图3-8所示。图3-9中1、2、3为焊条三个运动方向。其中焊条向熔池送进（如图3-9中1）是为保证电弧的弧长不变；焊条沿焊接方向运动（如图3-9中3）是为保证焊道成形；焊条的横向摆动是为了得到一定宽度的焊缝。焊条电弧焊的基本操作技术包括引弧、运条、连接和收尾。
图3-8 焊条与焊件之间的角度
图3-9 焊条的三个运动方向
1.引弧
引弧有撞击法和划擦法两种方法。
撞击法是首先将焊条引弧端裸漏的焊芯端面撞击焊件表面，与焊件形成短路，然后迅速将焊条提起2～4mm，即引燃了电弧，如图3-10（a）所示。
划擦法是将焊条引弧端裸漏的焊芯端面与焊件表面与划火柴相似，即可引燃电弧，如图3-10（b）所示。
图3-10 引弧方法
2.运条
电弧引燃后焊条应作三个方向的基本运动。一是焊条以等同熔化焊条的速度向熔池方向送进，始终保持电弧的长度在正常范围；二是为保证焊缝有一定的宽度，焊条应做横向摆动，摆动范围应符合焊缝宽度的要求，焊条横向摆动的形式如图3-11所示；三是焊条沿着焊接方向匀速移动，移动速度应根据焊件的厚度、焊接电流的大小、焊缝尺寸的要求、焊接位置等来确定。
图3-11 焊条横向摆动形式
3.焊缝接头的连接
焊缝接头的连接形式如图3-12所示。
1.先焊焊缝；2.后焊焊缝
图3-12 焊缝接头的连接形式
4.收弧
焊缝焊完后应将弧坑填满，否则在弧坑的部位会出现应力集中而产生弧坑裂纹、弧坑气孔等缺陷，常见的收弧动作如图3-13所示。
图3-13 电弧的三种收弧法
（1）划圈收弧法 在焊缝末端，电弧在弧坑位置做圆周运动，直到填满弧坑为止。此法适用于厚板以及碱性焊条和酸性焊条的收弧，如图3-13（a）所示。
（2）反复断弧收弧法 在焊缝末端，电弧在弧坑位置进行反复熄弧，直到弧坑填满为止，此法适合于厚板、薄板以及大电流酸性焊条的收弧，如图3-13（b）所示。
（3）焊条后移收弧法 在焊缝末端，电弧对准弧坑，将焊条焊接时摆放的75° 位置均匀缓慢的按照1、2、3后移到图示的75° 位置，此法适用厚板的收弧，如图3-13（c）所示。
5.焊前点固焊后清理
点固焊缝不宜过长（约10～20mm），点固焊缝之间距离根据焊件厚度而定，薄板控制在50mm 左右，厚板80～100mm，焊件越厚间距可以越大。
焊后采用钢丝刷等工具把焊缝表面的焊渣和飞溅物清理干净。对不锈钢、铝及其合金，焊后用化学方法清理焊缝周围的氧化膜和多余的溶剂。
6.平堆焊实习操作步骤
（1）备料
1）试板材料和尺寸：低碳钢、 Q235钢钢板。画线，用剪板机或气割方法下料，尺寸为300mm×200mm×（5～10）mm 若干块。用粉笔在钢板中心画出20mm 宽的焊缝位置线。
2）焊条：E4303，直径3.2或4。在焊条烘干箱中150°C 保温1.5h。
（2）焊前清理 用机械和化学方法清除坡口及两侧20mm 范围内的铁锈、油污、杂质。
（3）电焊机及电流调整 采用交流弧焊机或直流弧焊机。焊条直径3.2mm 的电流为90～130A，焊条直径4.0mm 的电流为160～210A。
（4）焊接操作
1）选择合适的焊接工艺参数。
2）进行起头、接头、收弧的基本训练。
3）焊接操作注意事项
① 焊接中要保证焊条送进速度等于焊条熔化速度，焊条向熔池送进速度过快焊条进入熔池，过慢导致电弧拉长甚至熄弧。电弧过长、过短都会使电弧不稳，影响焊缝质量。电弧长度控制在3～4mm；
② 焊条向焊接方向移动速度要均匀，移动速度过慢或过快会使焊缝宽窄不一、焊不透、焊缝余高超标、烧穿等缺陷；
③ 焊条横向摆动幅度要一致，幅度过大或过小都会导致焊缝宽窄不一、咬边、焊缝外形尺寸不合格等缺陷。
以上三个动作要连贯，相互协调，做到眼快、手快、脑子快。
（5）焊后清理 用钢丝刷等工具清除焊件表面的焊渣和飞溅物。
（6）检验与修补 宏观检验堆焊焊缝质量，对不合格外观缺陷要尽可能修补。
3.2.4 焊条电弧焊工艺
1.焊条直径的选择
焊条直径主要依据焊件的厚度进行选择，此外，还与焊缝位置、焊接接头形式和焊接层数等因素有关。如表3-2所示为焊条直径与焊件厚度关系的参考数值。
表3-2 焊条直径与焊件厚度关系的参考数值/mm
2.焊接电流的选择
焊接电流的大小主要依据焊条直径和焊件厚度进行选择，此外，与接头形式和焊接位置等有关。如表3-3中是常用的酸性焊条直径与使用焊接电流范围。
表3-3 焊条直径与使用焊接电流范围
为提高生产率，应遵循在保证焊接质量的前提下，焊接电流越大越好的原则。
焊接电流大小也可通过以下经验公式计算：
3.焊接层数的选择
对于厚度较大的焊件，一般都需要开坡口并采取多层焊。为保证焊接质量，每层焊缝厚度应控制在4～5mm，也可采用如下经验公式：
4.焊接速度的选择
焊条电弧焊的焊接速度根据具体情况应灵活掌握。高质量的焊缝要求焊接速度均匀，既保证焊缝厚度适当，又保证焊件打底焊焊透和不烧穿。
为了提高生产率，原则是在保证焊接质量的前提下，尽量采用较大的焊条直径、焊接电流和适当的焊接速度。
5.焊接接头与坡口形式及选择
（1）焊接接头形式及选择 焊接接头包括焊缝、熔合区和热影响区。焊条电弧焊常用的焊接接头如图3-14所示。选择接头时主要根据产品的结构特点、结构受力情况和加工成本。对接接头与搭接接头相比，受力均匀、节省材料，可以作为工作焊缝，也可作为联系焊缝，所以应作为首选。
图3-14 焊条电弧焊接头形式
（2）坡口形式及选择 对接接头常用的坡口形式有 I 形、 Y 形、双 Y 形、带钝边 U 形等，如图3-15所示。
图3-15 对接接头坡口形式
在选择坡口时，应考虑选择的坡口形式是否便于焊工操作，并能保证焊透，根据企业的现有情况能否加工，尽可能地节省焊条等。
6.焊缝的空间位置
焊缝的空间位置是指焊条电弧焊时焊缝所处的空间位置。按焊缝在空间所处的位置分为平焊、立焊、横焊和仰焊，如图3-16所示。各种焊接位置中平焊操作技术是比较容易掌握的。由于焊缝处于水平位置，熔滴可以靠自重自上而下过渡，所以，尽可能选择较大直径焊条和较大的焊接电流，采用平对接焊和船形平焊。此外，平焊劳动条件好，生产率高，焊缝质量容易得到保证，立焊和横焊次之，仰焊位置相对比较难掌握。
图3-16 焊缝的空间位置
3.2.5 焊接缺陷及分析
焊接缺陷种类较多，常见的焊接缺陷按其在焊缝中位置的不同，有内部缺陷和外部缺陷。外部缺陷可以通过肉眼或低倍放大镜观察到。内部缺陷必须通过无损探伤等方法进行检测。部分常见缺陷特征及产生原因分析如表3-4所示。
表3-4 焊接缺陷、特征及产生原因分析
（续表）
3.2.6 焊接质量检验
焊缝质量检验可分为破坏检验和无损检验，其中破坏检验包括力学性能检验、金相检验、化学成分检验等。常用的无损检验方法及特点如表3-5所示。
表3-5 焊缝质量检验方法及特点
（续表）
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