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焊接知识:电弧焊从不会到精通

一、焊前准备

1、 焊条烘干

焊前对焊条烘干的目的是去除受潮焊条中的水分,减少熔池和焊缝中的氢,以防止产生气孔和冷裂纹。不同药皮类型的焊条,其烘干工艺不同,遵照焊条产品使用说明书中指定的工艺进行。

2、焊前清理

是指焊前对接头坡口及其附近(约50mm内)的表面被油、锈、漆和水等污染的清除。用碱性焊条焊接时,清理要求严格和彻底,否则极易产生气孔和延迟裂纹。酸性焊条对锈不很敏感,若锈得较轻,而且对焊缝质量要求不高时,可以不清除。

3、 预热

是指焊前对焊件整体或局部进行适当加热的工艺措施,其主要目的是减小接头焊后的冷却速度、避免产生淬硬组织和减小焊接应力与变形。它是防止产生焊接裂纹的有效办法。是否需要预热和预热温度的高低,取决于母材特性、所用的焊条和接头的拘束度。对于刚性不大的低碳钢和强度级别较低的低合金高强度钢的一般结构,一般不需预热。但对刚性大的或焊接性差而容易产生裂纹的结构,焊前需预热。焊接热导率很高的材料,如铜、铝及其合金,有时需要预热,这样可以减小焊接电流和增加熔深,也有利于焊缝金属与母材熔合。必须指出,预热焊接不仅能源消耗、生产率低,而且劳动条件差。只要可能都应不预热或低温预热焊接。采用低氢型焊条可以降低预热温度,因其抗裂性能好,但焊条的含水量必须很低。只要允许,可按低组配的原则选用焊条,即采用熔敷金属的强度低于母材,而塑性和韧性优于母材的焊条施焊,这样可以降低预热温度或不预热。

二、焊接工艺参数

焊接时,为保证焊接质量而选定的诸物理量的总称,叫焊接工艺参数。焊条电弧焊的工艺参数包括:焊条直经、焊接电流、电弧电压、焊接速度、热输入等。过去又称焊接规范。

1 、电流种类

焊条电弧焊既可用交流电也可用直流电,用直流电焊接的最大特点是电弧稳定、柔顺、飞溅少,容易获得优质焊缝。此外直流电弧有极性和明显磁偏吹现象。因此,在下列情况常采用直流电进行焊条电弧焊:

1)使用低氢钠型焊条时,因这种焊条稳弧性差;

2)薄板焊接时,因用的焊接电流小,电弧不稳:

3)立焊、仰焊及短弧焊,而又没有适于全位置焊接的焊条时;

4)有极性要求时,如为了加大焊条熔化速度用正接(工件接正极);为了加大熔深用反接(工件接负极)需要减熔深则用正接;使用碱性焊条时,为了焊接电弧稳定和减少气孔,要求用直流反接等。

用交流电作焊条电弧焊电弧稳定性差,特别是在小电流焊接时对焊工操作技术要求高,但交流电焊接有两大优点:一是电源成本低,二是电弧磁偏吹不明显。因此,除上述的特殊情况外,一般都选用交流电作焊条电弧焊,特别是用铁粉焊条在平焊位置焊接可选较大的焊条直径,较高的焊接电流,以提高生产率。

2、 焊条直径

焊条直径大小对焊接质量和生产率影响很大。通常是在保证焊接质量前提下,尽可能选用大直径焊条以提高生产率。如果从保证焊接质量来选焊条直径时,则须综合考虑:焊件厚度、接头形式、焊接位置、焊道层次和允许的线能量等因素。

厚焊件可以采用大直径焊条及相应大的焊接电流,这样有助于焊缝金属在接头中完全熔合和适当的熔深,其熔敷速度也高于小直径焊条,表1是按板厚来选用焊条直径。

带斜坡口需多层焊的接头,第一层焊缝应选用小直径焊条,这样,在接头根部容易操作,有利于控制熔透和焊波形状,以后各层可用大直径焊条以加大熔深和提高熔敷率,可达到快速填满坡口。在横焊、立焊和仰焊等位置焊接时,由于重力作用,熔化金属易从接头中流出,应选用小直径焊条,因为小的焊接熔池,便于控制。在“船形”位置上焊接角焊缝时,焊条直径不应大于角焊缝的尺寸。对某些金属材料要求严格控制焊接线能量时,只能选用小直径的焊条。

3、焊接电流

焊接电流是焊条电弧焊的主要工艺参数,它直接影响焊接质量和生产率。总的原则是在保证焊接质量的前提下,尽量用较大的焊接电流以提高焊接生产率。但是,要避免如下情况:

1)焊接电流过大,焊条后部发红,药皮失效或崩落,保护效果变差,造成气孔和飞溅,出现焊缝咬边,烧穿等缺陷。此外,还使接头热影响区晶粒粗大,接头的韧性下降。

2)焊接电流过小,则电弧不稳,易造成未焊透、未熔合、气孔和夹渣等缺陷。确定焊条电弧焊焊接电流大小要根据焊条类型、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置、母材性质和施焊环境等因素。其中最主要的是焊条直径和焊接位置。有三种方法可确定焊接电流:

①经验公式 一般碳钢焊接结构是根据焊条直径按下式来确定焊接电流。

式中I —焊接电流(A);

d—焊条(即焊芯)直径( );

k—经验系数

可按表2确定:

根据上面经验公式计算出的焊接电流,只是大概的参考数值,在实际使用时还应根据具体情况灵活掌握。例如板厚较大时,或T形接头和搭接接头时,施焊环境温度低时,均因导热快,焊接电流必须大一些;立焊、横焊和仰焊时,为了防止熔化金属从熔池中流淌,须减小熔池面积以便于控制焊缝成形,须采用较小一些的焊接电流,一般比平焊位置小10%-20% 。焊接不锈钢,使用不锈焊条时,为了减小晶间腐蚀,以及减少焊条发红,焊接电流应小一些。

②由焊接工艺试验确定 对于普通结构,利用经验公式或查表确定焊接电流一般已足够。但是对于某些金属材料如合金钢焊接或重要的焊接结构如锅炉压容器的焊接等,焊接电流必须通过试验加以确定。对热输入敏感的金属材料,必须根据试验得出的许用热输入来确定焊接电流范围。总之,重要金属结构必须按焊接工艺评定合格后的工艺来确定焊接电流。

4、电弧长度

焊条电弧焊中电弧电压不是焊接工艺的重要参数,一般不须确定。但是电弧电压是由电弧长度来决定,电弧长则电弧电压高,反之则低。

电弧长度是焊条芯的熔化端到焊接熔池表面的距离。它的长短控制主要决定于焊工的知识、经验、视力和手工技巧。在焊接过程中,电弧长短直接影响着焊缝的质量和成形。如果电弧太长,电弧漂摆,燃烧不稳定、飞溅增加、熔深减少、熔宽加大,熔敷速度下降,而且外部空气易侵入,造成气孔和焊缝金属被氧或氮的污染,焊缝质量下降。若弧长太短,熔滴过渡时可能经常发生短路,使操作困难。正常的弧长是小于或等于焊条直径,即所谓短弧焊。超过焊条直径的弧长为长弧焊,在使用酸性焊条时,为了预热待焊部位或降低熔池的温度和加大熔宽,有时将电弧稍为拉长进行焊接。碱性低氢型焊条,应用短弧焊以减少气孔等缺陷。

5 、焊接层数

厚板焊接常是开坡口采用多层焊或多层多道焊,见图1 。层数增多对提高焊缝的塑性和韧性有利,因为后焊道对前焊道有回火作用,使热影响区显微组织变细,尤其对易淬火钢效果明显。但随着层数增多,生产效率下降,往往焊接变形也随之增加。层数过少,每层焊缝厚度过大,接头易过热引起晶粒粗化,反而不利。一般每层厚度以不大于4-5mm 为好。

三、焊条电弧焊操作技术

在各类焊工培训教材或焊工手册中对焊条电弧焊操作技术都有详尽介绍,这里简述其要点。

1引弧、运条和收弧

(1)引弧

是将焊条端部在靠近开始焊接的部位引燃电弧。常用划擦法和轻击法引燃。

划擦法是将焊条端在焊件表面划一下即可;相似于划火柴的动作。划擦必须在坡口内进行,引弧点最好选在离焊缝起点10mm 左右的待焊部位上,引燃后立即提起(弧长约等于焊条直径)并移至焊缝的起点,再沿焊接方向进行正常焊接,焊接经过原来引燃点而重熔,从而消除该点可能残留下的弧疤或球滴状焊缝金属。

轻击法是使焊条垂直于焊件上的起弧点,端部与起弧点轻轻碰击并立即提起。引燃后的操作方法同上述划擦法。碰击力不宜过猛,否则造成药皮成块脱落,导致电弧不稳,影响焊接质量。

焊接过程中电弧一旦熄灭,须再引弧。再引弧最好在焊条端部冷却之前立即再次触击焊件,这样有利于再引燃,因为热的药皮往往成为导电体,特别是含大量金属粉末的焊条。再引弧的引弧点应在弧坑上或紧靠弧坑的待焊部位。更换焊条也须再引弧,起弧点应选在前段焊缝弧坑上或它的前方,引燃后把电弧移回填满弧坑后再继续向前焊接。

不许在非焊部位引弧,否则将在引弧处留下坑疤、焊瘤或龟裂等缺陷。

(2)运条

焊接时,通过正确运条可以控制焊接熔池的形状和尺寸,从而获得良好的熔合和焊缝成形。运条过程有三个基本动作,即前进动作、横摆动作和送进动作。

1)前进动作 是使焊条端沿焊缝轴线方向向前移动的动作,它的快慢代表着焊接速度,能影响着焊接热输入和焊缝金属的横截面积。

2)横摆动作 是使焊条端在垂直前进方向上作横向摆动,摆动的方式、幅度和快慢直接影响焊缝的宽度和熔深,以及坡口两侧的熔合情况。

3)送进动作 是使焊条沿自身轴线向熔池不断送进的动作。若焊条送进速度和它的熔化速度相同,则弧长稳定;若送进速度慢于熔化速度,则弧长变长,使熔深变浅,熔宽增加、电弧漂动不稳,保护效果变差,飞溅大等。故一般情况下宜使送进速度等于或略大于熔化速度、让弧长等于或小于焊条直径下焊接。

熟练焊工能够根据焊接接头形式,焊缝位置、焊件厚度、焊条直径和焊接电流等情况,以及在焊接过程中根据熔池形状和大小的变化,不断变更和协调这三个动作,把熔池控制在所需的形状和尺寸范围之内。

表3列出常用的运条方式及其运用范围。

(3)收弧

焊接结束时,若立即断弧则在焊缝终端形成弧坑,使该处焊缝工作截面减少,从而降低接头强度,导致产生弧坑裂纹,还引起应力集中。因此,必须是填满弧坑后收弧。常用的收弧方法有:

1)划圈收弧法 当电弧移至焊缝终端时,焊条端部作圆圈运动,直至填满弧坑后再拉断电弧,此法适于厚板焊接。

2)回焊收弧法 当电弧移至焊缝终端处稍停,且改变焊条角度回焊一小段,然后拉断电弧。此法适用于碱性焊条焊接。

3)反复熄弧再引弧法 电弧在焊缝终端作多次熄弧和再引弧,直至弧坑填满为止适用于大电流或薄板焊接的场合。

2、各种焊接位置操作技术

无论在何种焊接位置施焊,最关键的是能控制住焊接熔池的形状和大小。熔池形状和尺寸主要与熔池温度分布有关,而熔池的温度分布又直接受电弧的热量输入影响。因此,通过调整焊条的倾斜角度以及前述三个运条基本动作的相互配合,就可以调整熔池的温度分布,从而达到控制熔池形状和大小的目的。

(1)平焊

1)基本特点 焊缝处于水平位置。焊接时,熔滴主要靠自重自然过渡。操作容易,便于观察,可以使用较大直径焊条和较高的焊接电流,生产率高,容易获得优质焊缝。因此,应尽可能使焊件处在平焊位置焊接。

2)操作要领 :

对接不开破口

①适用 δ<6mm

②正面焊缝,用φ3.2-φ4mm焊条,短弧焊;焊条角度见左图,运条为直线移动,其移动速度决定于间隙大小和所需的熔宽和熔深,一般要求熔深达2/3δ,熔宽5-8mm ,余高<1.5mm,

③反面封底焊缝,对不重要焊件,可不铲焊根,但必须将熔渣清除干净。用φ3.2-φ4mm焊条,电流可稍大,直线运条,速度稍快,使熔宽小些。

对接开坡口

①适于δ≥6mm ,常用坡口形、双V 形、U 形、双U形等

②正面第一层打底焊缝用直径较小焊条(一般

为φ3.2-φ4mm)运条方法应视间隙大小而选,小间隙时用直线形运条,间隙较大的用直线往返运条以免烧穿。焊第二层前,第一层焊渣除干净,后用较大直径焊条,较高焊接电流施焊,用短弧焊,以直线形,幅度较小的月牙形或锯齿形运条,必须在坡口两侧稍作停留

③以后各层焊接方向相反,焊缝的接头应相互错开。

开坡口多层焊

①δ≥10mm时

②先大致确定层数和每层的道数,每层焊缝不宜过厚。第一层用较小直径焊条,直线运条施焊,焊后清渣

③焊第二层时,与多层焊相似用较大直径焊条和较大电流施焊,但同一层用多道焊缝并列,故用直线运条

④对双V或U形坡口,为了减小角度形,正反面焊缝可以对称交替焊,顺序施焊.

①根据两板的厚度调节焊条的倾角,当板厚不同时,须使电弧偏向厚板的一侧,以使两板温度均

匀。见左图所示角度

②单层焊时(K<8mm时常采用),焊条直径按钢板厚度在3-5mm 范围内选用;K<5mm时,用直线形运条短弧焊。K=5-8mm时, 可用斜圈圆形或反锯齿形法运条。立板侧运条速度比平板侧稍快否则产生咬边和夹渣。收尾时,一定要填满弧坑

③多层焊(K≥8mm )时,第一层用φ3.2-φ4mm

焊条,焊接电流稍大些,以获得较大熔深,直线运

条。清渣后焊第二层,可用φ4mm 焊条。电流不宜过大,否则易咬边,用斜圆圈形或反锯齿形运条,进行多道焊时,第二道焊缝应覆盖第一层焊缝的 2/3以上。

(2)立焊

1)基本特点 立焊是对在垂直平面上垂直方向的焊缝的焊接。立焊时,由于熔渣和熔化金属受重力作用容易下淌,使焊缝成形困难。有两种立焊方式,一种是由下而上施焊,即立向上焊法,是生产中应用最广的操作方法,因为易掌握焊透情况。另一种是由上向下施焊,即立向下焊法,此法要求有专用的立向下焊的焊条施焊才能保证成形。这里介绍立向上焊。

2)操作要点 为了防止熔化金属流淌:

①确定好焊条的角度。对接接头立焊时,焊条与焊件的角度,左右方向各90°°,指向上与焊缝轴线成60°-80° ;T形接头角焊缝立焊时,焊条与两板之间各为45° ,指向上与焊缝轴线成60 °-90°见图 2。

②用较小直径的焊条和较小的焊接电流,大约比一般平焊小 ,以减小熔滴体积,使之少受重力的影响,有利于熔滴过渡。

③采用短弧焊,缩短熔滴过渡到熔池的距离,以形成短路过渡。

④根据接头形式、坡口特点和熔池温度的情况、灵活运用运条方法,此外,充分利用焊接过程引起气体吹力、电磁力和表面张力等促进熔滴顺利过渡。

a. 不开坡口对接接头立焊 常用于薄板焊接。除采取上述措施外,可以适当采用跳弧法、灭弧法或摆动幅度较小的锯齿形法及月牙形法运条。

跳弧法(见图3)是熔滴脱离焊条末端过渡到熔池后,立即将电弧向焊接方向提起,使熔化金属有凝固机会,随后即把电弧拉回熔池,当新的熔滴过渡到熔池后,再提起电弧。为了不使空气侵入熔池,电弧移开熔池的距离尽可能短,且跳弧的最大弧长不超过6mm 。直线跳弧法是焊条只沿间隙不作任何横向摆动,直线向上跳弧施焊,见图3a。月牙形跳弧法或锯齿形跳弧法是在作月牙形或锯齿形摆动的基础上作跳弧焊的方法(见图3b、c)。

灭弧法是当熔滴从焊条末端过渡到熔池后,立即将电弧熄灭,使熔池金属有瞬时凝固机会,随后重新在弧坑引燃电弧,按此交错地进行。灭弧时间长短以不产生烧穿和焊瘤来灵活掌握。灭弧法多用于焊缝收尾时的焊法。

焊接反面封底焊缝时,由于间隙较小,可以适当增大焊接电流以获较大熔深。

b.开坡口对接接头立焊 钢板厚度大于6mm 时,为了焊透常开坡口多层焊,层数由板厚决定。焊正面第一层是关键,应用φ3.2mm 焊条。运条方法,厚板可用小三角形运条法在每个转角处稍作停留;中等厚板或稍薄的板,采用小月牙形或跳弧运条法(图4)。最好的焊缝成形是两侧熔合,焊缝表面较平坦,且焊后要彻底清渣,否则焊第二层时易未焊透或产生夹渣等缺陷。焊第二层以上的焊缝宜用锯齿形运条法,焊条直径不大于 4mm。后一层运条速度要均匀一致,电弧在两侧要短且稍微停留。

c. T形接头立焊 最容易产生根部未焊透和焊缝两侧咬边。因此,施焊时注意焊条角度(见图2)和运条方法,图5为常用的几种运条方法,电弧尽可能短摆幅不大于所要求的焊脚尺寸,摆至两侧时稍为停留以防止咬边和未熔合。

(3)横焊

焊接在垂直平面上水平方向的焊缝为横焊。焊接时,由于熔化金属受重力作用容易下淌而产生咬边、焊瘤及未焊透等缺陷。因此,应采用短弧焊、小直径焊条、适当焊接电流和运条方法。

1)不开坡口的对接横焊 板厚在3-5mm 的不开坡口对接横焊应采取双面焊。正面焊缝宜用φ3.2mm焊条,其焊条角度见图6 。较薄焊件宜采用直线往返运条,以利用焊条前移机会熔池获得冷却。不致熔滴下淌和烧穿。较厚焊件用短弧直线形或斜圆圈形运条法,以得到适当的熔深,焊速应稍快而均匀,避免过多地熔化在一点上,以防止形成焊瘤和焊缝上部咬边。封底焊缝用直径为φ3.2mm焊条,稍大的焊接电流直线形运条法焊接。

2)开坡口的对接横焊   一般采用V形或K形坡口多层焊,坡口主要开在上板上,下板开坡口或少开坡口,这样有利焊缝成形,见图7 。焊第一层时,焊条直径一般为3.2mm ,间隙小时用直线形运条;间隙大时,用直线往复形运条;其后各层用直径3.2mm或4mm 的焊条,用斜圆圈形运条方法,均用短弧焊。多层横焊的焊道排列顺序见图8。焊每一道焊缝时,应适当调整焊条角度。

(4)仰焊)

是焊工仰头向上施焊的水平焊缝。最大的困难是焊接熔池倒悬在焊件下面,熔化金属因自重易下坠,熔滴过渡和焊缝成形困难。为了减小熔池面积,使焊缝容易成形,所用焊条直径和焊接电流均比平焊小。此外,要保持最短的电弧长度,以使熔滴在很短时间过渡到熔池中去,并充分利用焊接时气体吹力,电磁力和流体金属表面张力的有利熔滴过渡的作用,促使焊缝成形良好。熔池宜薄不宜厚,熔池温度过高时,可以抬弧降温。

1)不开坡口的对接仰焊  当焊件厚度为4mm 左右,一般不开坡口,用直径为3.2mm焊条,其角度见图9a ,与焊接方向成70°-80° ,其左右位置为90° 。用短弧焊,间隙小时用直线形法运条。间隙较大时,用直线往返形运条。

2)开坡口的对接仰焊   为了焊透,焊件厚度>5mm 的对接仰焊都要开坡口,其坡口角比平焊坡口大些,以便焊条在坡口内能更自由地摆动和变换位置。焊第一层用直径为3.2mm焊条,用直线形或往复直线形运条法;第二层以后可用月牙形或锯齿形运条,每层熔敷量不宜过多,焊条位置根据每一层焊缝位置作相应调整,以利于熔滴过渡和焊缝成形。

3)T形接头的仰焊 焊脚尺寸在6mm以下宜用单层焊,超过6mm时用多层焊或多层多道焊。单层焊时,焊条角度如图9b所示。焊条直径宜用3.2mm或4mm ,用直线或往复直线形运条法。多层焊或多层多道焊时第一层同单层焊,以后各层可用斜环形或斜三角形运条法。

3 、单面焊双面成形操作技术

无法进行双面施焊而又要求焊透的接头焊接,须采用单面焊双面成形的操作技术。此种技术只适于具有单面V或U形坡口多层焊的焊件上,要求焊后正反面均具有良好的内在和外观质量。

成败的关键在于如何保证第一层焊透且背面成形良好,以后各层和前述多层或多层多道焊焊法相同。焊工在生产中创造出许多操作技术,如灭弧焊法和连弧焊法等。这些操作方法的共同特点是:①③④⑤焊接过程中在熔池前沿均须形成熔孔。它是保证焊透的关键。熔孔必须略大于接头根部间隙且左右对称,一般在坡口根部两侧各熔化1.5mm 左右(见图10 )。②熔孔的形状和尺寸沿缝须均匀一致。熔孔大小对焊缝背面成形影响很大,若不出现熔孔或熔孔过小,则可能产生根部未熔合或未焊透、背面成形不良等缺陷;或熔孔过大,则背面焊道余高过高或产生焊瘤。要控制熔孔大小必须严格控制根部间隙、焊接电流、焊条角度、运条的方法与焊接速度。

以连弧焊为例介绍操作要点:引弧后用短弧在起弧处加热,待接头根部即将熔化时,作一击穿动作,即把焊条往根部下送,待听到“噗”的声音,表示熔孔形成,迅速将焊条移到任一坡口面,以一定焊条角度使该坡口根部熔化约1.5mm左右,然后将焊条提起以1-2mm小距离锯齿形作横向摆动,熔化另一侧坡口根部(约熔化1.5mm 左右),边交替熔化边向前移动。为使熔孔形状和大小始终一致,使焊条中心对准熔池前沿与母材交界处,让每个新熔池与前一个熔池相对叠,见图11 。

4、薄板对接焊操作技术

(1)特点

厚度≤2mm的钢板焊条电弧焊属薄板焊,其最大困难是易烧穿、焊缝成形不良和变形难控制。对接焊比 形接和搭接难操作。

(2)装配要求

装配间隙愈小愈好,最大不应超过0.5mm ,对接边缘应去剪切毛刺或清除切割熔渣;对接处错边不应超过板厚的1/3 ,要求高者应小于0.2-0.3mm ;定位焊用小直径焊条(φ2.0-φ3.2mm),间距适当小些、焊缝呈点状,焊点间距60-80mm ,板愈薄间距愈短。对缝两端定位焊缝约长10mm左右。

(3)焊接

用与定位焊一样的小直径焊条施焊。焊接电流可比焊条使用说明书规定的大一些,但焊接速度高些,以获得小尺寸熔池。采用短弧焊,快速直线形运条,不作横向摆动。若有可能把焊件一头垫高,呈15°-20° 作下坡焊,可提高焊接速度和减小熔深。对防止薄板焊接时烧穿和减小变形有利。还可以采用灭弧焊法,即当熔池温度高,快要烧穿时,立即灭弧待温度降低再引弧焊接;亦可直线前后往复焊,向前时将电弧稍提高一些。

若条件允许最好在立焊位置作立向下焊。使用立向下焊的专用焊条,这样熔深浅,焊速高、操作简便、不易烧穿。

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