第3章 焊条电弧焊的焊接
3.1 电弧焊的过程
焊条电弧焊又称手工电弧焊，是用手工操纵焊条进行焊接的电弧焊方法，也是各种电弧焊方法中发展最早、目前仍然应用最广的一种焊接方法。
焊条电弧焊是以外部涂有涂料的焊条与焊件间产生的电弧热将金属加热并熔化而实现焊接的，如图3-1所示。焊接前，把焊钳3和焊件1分别接到电焊机4输出端的两极，并用焊钳夹持焊条2。焊接时，在焊条和焊件之间引燃焊接电弧5，利用电弧产生的高温（6000～7000℃），将焊条和焊件被焊部位的母材熔化（熔点一般在1500℃左右）形成熔池6。随着焊条沿焊接方向移动，新的熔池不断形成，而原先的熔池液态金属不断冷却凝固，构成焊缝7，使焊件连接在一起。
图3-1 焊条电弧焊焊接过程
1—焊件；2—焊条；3—焊钳；4—电焊机；5—焊接电弧；6—熔池；7—焊缝
（1）电弧
在两电极之间的气体中，长时间地强烈放电称为电弧。电弧放电时，一方面产生大量的热量，同时还会产生强烈的光线。电弧焊就是利用电弧放热来熔化焊条和焊件而进行焊接的过程。
焊接引弧时，将焊条和焊件接触，发生短路，由于接触处的电阻和通过的电流密度很大，在短时间内就产生大量热能，使焊条端部和焊件迅速加热，温度升高。当稍提起焊条时，在焊条和焊件之间就有高热空气和金属及焊药皮的蒸发气，这些热气体很容易电离，也就是电子很易从原子中逸出形成带电质点，在电弧电压的作用下，它们按照一定的方向移动，自由电子和阴离子奔向阳极；阳性离子奔向阴极，气体间隙内就流通电流，形成了电弧。电弧维持正常燃烧的电压为16～35V，但引弧时，为了使阴极高速发射电子，使空气电离，要求引弧电压高于正常燃烧电压。在正常燃烧时，电弧愈长，需要稳定燃烧的电压愈高，电弧愈短，需要稳定燃烧的电压愈低。图3-2给出了焊接电弧的示意图。
图3-2 焊接电弧示意图
1—焊条；2—焊件；3—阴极部分；4—阳极部分；5—弧柱部分；6—弧焰
电弧产生于焊条1与焊件2中间，阴极部分3位于焊条末端，而阳极部分4则位于焊件表面，弧柱部分5成锥形，弧柱四周被弧焰6包围。电弧中各部分产生的热量是不同的。直流电的电弧热量，阳极产生的较多，约占42％，阴极为38％，弧柱为20％。电弧中各部分温度也不相同，对金属电极，阳极附近温度约2600℃，阴极附近约为2400℃，而弧柱中心温度较高，可达6000～7000℃。
对直流电焊机，如果把阳极接在焊件上，阴极接在焊条上，这样，电弧中的热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，这种连接形式称为正接法。反之，如果焊件接阴极，焊条接阳极，称为反接法。
极性接法的选择，主要取决于焊条的性质和焊件所需的热量。当使用碱性低氢型焊条或焊接薄钢板、低合金钢和有色金属时，采用反接法；当采用酸性焊条或焊厚钢板时，一般采用正接法。在施焊时，如何鉴别极性很重要，一般当采用碱性焊条时，如果电弧燃烧稳定，飞溅很小，声音平静，说明用的是反接法；如果电弧不稳，飞溅很大，声音暴躁，说明用的是正接法，应该更换极性。
使用交流电焊机时，因电弧中的阳极和阴极在时刻变化，就没有正反接法的差别。这时，在焊件和焊条上产生的热量是相等的。
电弧燃烧时应该稳定，即要求维持一定的长度、不偏吹、不摇摆、不熄灭。电弧燃烧不稳定的原因，除操作不熟练外，还有下列因素。
①焊接电源的种类、极性及焊机性能的影响。一般用直流电焊机比交流电焊机焊接时稳定，直流焊机用反接法比正接法焊接时稳定，空载电压较高的焊机电弧燃烧也比较稳定。
②焊条药皮的影响。一般厚药皮焊条比薄药皮焊条的电弧燃烧稳定；当有药皮脱落现象时，也影响电弧燃烧稳定性。
③气流影响。当在空气流速较大的情况下焊接时，会造成严重的电弧偏吹，使焊接无法进行。
④焊接处不清洁。如有油污、水分等，也会严重影响电弧的稳定燃烧。
⑤磁偏吹。正常燃烧时，电弧的轴线应与焊条轴线一致，当电弧左右摇摆，使弧柱轴线与焊条轴线不在同一中心线上，就产生了偏吹（图3-3）。
图3-3 焊接电弧的偏吹
磁偏吹的产生是在使用直流电焊机时，由于弧柱周围磁力线分布不均匀，电弧受磁力线分布较密侧的力的作用，迫使电弧向一定方向偏吹的现象。如焊接电流越大，可能产生的磁偏吹也越严重。磁偏吹会使焊缝产生气孔、未焊透和焊偏等缺陷。
为防止和减小磁偏吹，可采用以下措施：①适当改变焊件与焊接电缆的接触部位，尽可能使弧柱周围磁力线分布均匀；②适当调整焊条倾斜角度，使焊条朝偏吹方向倾斜。
（2）电弧焊的冶金过程
电弧焊的焊接过程如图3-1所示，它是利用焊条和焊件作为电极，使两块金属熔合成一体。焊件本身的金属称为基本金属，焊条熔化的熔滴过渡到熔池上的金属称为焊着金属。焊接时，由于电弧吹力，使焊件熔化金属的底部形成一个凹坑称为熔池（冷却后形成弧坑）。焊着金属和基本金属不断熔合而构成熔化的焊缝金属冷却后形成焊缝。焊缝表面覆盖的一层渣壳称为焊渣。焊条熔化末端到熔池表面的距离称为电弧长。基本金属表面到熔池底部的距离称为熔深。如图3-4所示。
图3-4 焊缝的形成过程
金属熔滴向焊缝熔池过渡的力主要有两种：第一种是重力，在水平施焊时，它能促使熔滴的过渡，而在立焊、横焊、仰焊时，则阻碍熔滴的过渡；第二种是吹力，这种吹力是由于焊接时焊条的药皮比金属芯熔化慢，而形成了一个杯状小罩，使弧柱内产生一个非常集中的气体压力，成为熔滴过渡的主要力量。此外，金属熔滴还承受表面张力和电磁力等的作用。金属熔滴穿越弧柱向熔池过渡时，少部分变成蒸气在空气中氧化成烟气，还有一部分飞溅出熔池以外，绝大部分落入熔池，冷凝后形成焊缝。
在焊接时，由于熔池温度极高，熔池体积小和熔池存在时间极短，因此焊接的冶金过程比较复杂，如熔池中的某些元素发生蒸发或燃烧，一些物理化学反应不能像正常冶金过程一样达到平衡等。
焊接过程中，极高的电弧温度使周围空气强烈受热而分解为化学性很活泼的氧原子（O）和氮原子（N），当熔化金属向熔池过渡时，少部分金属与氧原子和氮原子接触而化合成一系列的氧化物和氮化物。如氧与铁的化合物有氧化铁（FeO）、三氧化二铁（Fe2O3）、四氧化三铁（Fe3O4），其中氧化铁能熔于钢液中和钢中的碳、硅、锰、铬等元素作用，使这些元素的一部分烧损，形成浮渣或夹杂在焊缝金属内，而使焊缝的强度、塑性和冲击韧性降低，脆性增加，其余两种氧化物不能溶于钢液，而可能在焊缝内形成夹渣。氮原子可以直接溶于金属中，也可变成一氧化氮溶于金属中，焊缝中如有氨气存在可提高强度，但塑性和冲击韧性急剧降低。
为了防止焊缝金属的氧化和氮化，在施焊时可以控制电弧长度，尽量采用短弧焊，减少熔化金属和空气的接触机会。此外，在焊条药皮中加入造气、造渣保护物质，使熔化金属和空气隔绝；另外还加入脱氧能力比铁更强的物质，使铁还原。
为了进一步改善焊缝金属的力学性能，必须尽量减少焊缝中的硫、磷等有害成分，因为硫、磷会使焊缝金属发生热脆性和冷脆性。因此在焊药中加入脱硫、磷物质，使焊缝金属得到精炼。另外，为了保证有益成分（硅、锰、铬、钼等）具有必要的含量，必须对焊接过程中合金元素的氧化烧损给以补偿和调整焊缝金属的化学成分，一般利用在药皮中加入锰铁、硅铁、铬铁等铁合金的方法，在焊接过程中向熔化金属加入合金元素，使其产生合金化作用，增加焊缝金属的合金含量，以获得成分、组织和力学性能与基本金属相同或相近的焊缝金属；同时消除焊接缺陷，改善焊缝金属的组织和性能。