焊條電弧焊的應(yīng)用和特性

陳金鈺，董恩強(qiáng)，孫永瑩，盧艷吉，胡亞坤(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

大多數(shù)行業(yè)中仍在大量使用電極弧焊，除了某些有毒合金外，大多數(shù)材料都可以使用電極弧焊。該工藝如此大眾化有下列原因。首先，設(shè)備簡(jiǎn)單適用性強(qiáng)，現(xiàn)實(shí)應(yīng)用中，還有許多通過(guò)汽油或柴油提供動(dòng)力的焊機(jī)，這樣即使在偏遠(yuǎn)地區(qū)也能進(jìn)行焊接作業(yè)。其次，開(kāi)發(fā)的新型電焊機(jī)輕量，體積小，攜帶方便。第三，電極的種類豐富，選擇性強(qiáng)，適合在各種條件下使用。第四，通過(guò)現(xiàn)代化設(shè)備和制造工藝的進(jìn)步，力求適應(yīng)環(huán)境，不斷滿足高質(zhì)量的焊接需求。

1 電極的介紹

1.1 電極的構(gòu)成

以低碳沸騰絲作為碳鋼和低合金鋼焊條的芯，電極弧焊是利用電極與待焊金屬之間傳導(dǎo)電流，使之產(chǎn)生電弧，在電弧熱的作用下將焊芯熔化到工件的熔池內(nèi)。電極弧焊的主要元件是電極本身，所有的合金化都是由電極表面的附著物提供的，這種附著物被稱為藥皮。干燥的電極藥皮是一種非導(dǎo)體，在電弧作用后產(chǎn)生以下作用：(1)藥皮分離出的氣體可以對(duì)熔池提供保護(hù)；(2)藥皮能分解成渣子覆蓋在熔池表面，起到排除無(wú)用氣體和雜質(zhì)的作用；(3)藥皮含有多種合金元素，可以為焊接提供需要的合金元素；(4)當(dāng)藥皮熔化時(shí)，能夠改善電性，從而改善電弧穩(wěn)定性；(5)融化后的藥皮附著在熔池表面，為焊縫起到隔熱和降低冷卻速度的作用。

1.2 電極標(biāo)識(shí)

由于電極在電極弧焊中如此重要，所以必須了解其分類和標(biāo)識(shí)。電極標(biāo)識(shí)由字母E和后續(xù)的四或五個(gè)數(shù)字組成，字母E代表電極，前兩位或三位數(shù)字代表填充金屬的最小抗拉強(qiáng)度。下一個(gè)數(shù)字表示電極的可焊位置。數(shù)字“1”代表可用于所有位置的焊接，數(shù)字“2”代表只能用于平焊或橫焊的位置，數(shù)字“4”代表可用于垂直位置從下向上焊接，數(shù)字“3”已經(jīng)不再使用。末尾一個(gè)數(shù)字代表電極涂層的成分所具有的其他性能，涂層中的成分決定了該電極的工作性能以及電流的類型和極性。需要額外注意的是電極末位數(shù)字為“5”“6”“8”的為堿性電極。這些堿性電極購(gòu)買(mǎi)時(shí)應(yīng)裝在密閉的容器中，存放于離地高0.3 m以上，使用前按照廠家規(guī)格書(shū)的相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行烘干，從烘箱取出后存放于65～150 ℃的保溫箱內(nèi)進(jìn)行保溫[1]。

1.3 電極的分類及優(yōu)缺點(diǎn)

按熔渣的堿度可將電極分為：酸性電極和堿性電極兩大類，其中藥皮中含有大量SiO2、TiO2等酸性物質(zhì)及一部分碳酸鹽等，其熔渣堿度小于1的電極為酸性電極，藥皮中含有大量大理石、螢石等堿性物質(zhì)，及一部分脫氧劑和合金劑的為堿性電極。酸性電極的優(yōu)點(diǎn)主要有：可以交直流兩用，電弧柔和、飛濺少、熔渣流動(dòng)性良好、容易脫渣、焊縫外觀好。缺點(diǎn)是由于藥皮中含有較多的氧化鐵、氧化鈦及氧化硅等氧化性較強(qiáng)的物質(zhì)，所以在焊接過(guò)程中比較容易損耗合金元素，并且在焊縫金屬中存在較多的氧和氫元素，降低了塑性和韌性。鈦型、鈦鈣型、鈦鐵型和氧化鐵型都屬于酸性電極。

堿性電極的優(yōu)點(diǎn)是通過(guò)碳酸鹽分解產(chǎn)生的CO2作為保護(hù)氣體，在電弧氣氛中氫的分壓低，螢石(CaF2)在高溫時(shí)與氫結(jié)合轉(zhuǎn)換成HF，因此降低了焊縫中的氫含量，所以堿性電極又稱為低氫電極。其熔渣中含有大量CaO，熔渣的脫硫能力強(qiáng)，熔覆金屬抗熱裂紋能力強(qiáng)，因?yàn)槿鄹步饘僦醒鹾蜌浜可伲墙饘賷A雜物含量少，所以，堿性電極的焊縫具有良好的韌性和塑性能力，及良好的抗裂性能。缺點(diǎn)是藥皮中存在較多的螢石，阻礙了氣體電離，以至于焊接工藝性能(包括穩(wěn)弧性、脫渣性、飛濺等)較差，一般要求使用直流電源，用反接法焊接。只有當(dāng)藥皮中加入穩(wěn)弧劑后才能用交流電源。此外，對(duì)環(huán)境要求嚴(yán)苛如焊件表面的銹蝕、水漬、油污等都會(huì)導(dǎo)致氣體等缺陷，并且產(chǎn)生的毒氣和煙塵多對(duì)焊工的身體健康不利。

1.4 電極弧焊的工藝原理

焊接時(shí)，將電極與工件接觸短路后馬上提起電極，引燃電弧。電弧的高溫將電極和工件加熱至熔融狀態(tài)，電極頭部熔化后的熔液與熔化的母材融合在一起形成熔池，電弧不斷向前移動(dòng)，后面的熔池液態(tài)金屬開(kāi)始冷卻結(jié)晶，形成連接焊縫，電極的藥皮在電弧高溫作用下燃燒，產(chǎn)生保護(hù)氣體，并形成熔渣，保護(hù)熔池和凝固的焊縫金屬不受外界污染。并且有助于改善焊縫外形，形成平整光滑的焊縫表面。由于藥皮中含有脫氧劑在藥皮熔化過(guò)程中還對(duì)熔化的金屬具有脫氧作用，使之形成致密的焊縫金屬。

2 電極的選擇、使用和管理

2.1 電極的選用原則

選用電極的基本原則是保證結(jié)構(gòu)的安全、可靠使用的前提下，根據(jù)焊件的成分、力學(xué)性能要求、工件厚度和接頭形式、結(jié)構(gòu)特點(diǎn)、受力情況、使用條件等對(duì)焊縫性能的要求、施工條件和經(jīng)濟(jì)效益綜合考慮，盡可能采用焊件工藝性好、生產(chǎn)效率高的。

在正規(guī)的焊件作業(yè)中，電極的選用從施工設(shè)計(jì)階段就已經(jīng)開(kāi)始，設(shè)計(jì)人員根據(jù)結(jié)構(gòu)的強(qiáng)度計(jì)算要求，在施工圖中規(guī)定電極的強(qiáng)度等級(jí)，如果根據(jù)結(jié)構(gòu)的使用條件，對(duì)接頭的性能有特別要求，則需要在施工圖中附加說(shuō)明，例如對(duì)焊縫的低溫沖擊韌性有要求，接頭焊接完要求進(jìn)行熱處理等方法消除應(yīng)力。對(duì)不銹鋼等焊接，應(yīng)規(guī)定焊縫腐蝕試驗(yàn)和評(píng)定標(biāo)準(zhǔn)。當(dāng)施工單位按施工圖紙準(zhǔn)備投產(chǎn)時(shí)，焊接工程師應(yīng)按圖紙對(duì)電極強(qiáng)度級(jí)別的規(guī)定和其他要求，根據(jù)自己?jiǎn)挝坏氖┕l件，生產(chǎn)情況，焊接設(shè)備和組對(duì)精度選定合適的電極型號(hào)和牌號(hào)，并按相關(guān)標(biāo)準(zhǔn)規(guī)范進(jìn)行焊接工藝評(píng)定試驗(yàn)，評(píng)定結(jié)果合格后方可投入生產(chǎn)。

2.2 電極的使用

電極在出廠前經(jīng)過(guò)高溫烘干，并用袋、筒、罐等防潮材料包裝，起到一定的防潮效果，一般在使用前拆封。考慮到電極在長(zhǎng)期保存和運(yùn)輸過(guò)程中可能受潮，為了保證質(zhì)量，在電極使用前應(yīng)進(jìn)行烘烤。烘干后的堿性低氫電極應(yīng)存放在100～150 ℃的保溫箱內(nèi)，使用時(shí)應(yīng)一根一根的隨用隨取，不得手持一把待用。一般情況下低氫型電極在常溫下超過(guò)4 h時(shí)，應(yīng)再次烘干，重復(fù)烘干次數(shù)不得超過(guò)2次，以防藥皮變質(zhì)、開(kāi)裂，影響焊接質(zhì)量。烘干電極時(shí)，不得成垛或成捆堆放，應(yīng)鋪放成層狀，每層堆放不宜太厚一般為1～3層，避免烘干時(shí)受熱不均和潮氣散不出去，嚴(yán)禁將電極突然放進(jìn)高溫爐內(nèi)或從爐中突然取出冷卻，以防因急冷急熱導(dǎo)致藥皮開(kāi)裂、脫皮等。烘干時(shí)應(yīng)做好記錄，記錄中要有牌號(hào)、批號(hào)、溫度和時(shí)間等信息。在烘烤期間，要有專門(mén)的技術(shù)人員對(duì)操作過(guò)程進(jìn)行檢查核對(duì)，對(duì)每批抽查不得少于1次，并在記錄上簽字[2]。

2.3 電極的管理

電極最大的問(wèn)題是受潮變質(zhì)，和錯(cuò)用亂用。這關(guān)系到焊接質(zhì)量和結(jié)構(gòu)安全使用問(wèn)題，必須十分警惕。對(duì)于重要產(chǎn)品的焊接，如鍋爐壓力容器的制造，一般都把焊接材料的管理作為質(zhì)量保證體系中的重要一環(huán)，建立嚴(yán)格的分級(jí)管理制度，一級(jí)庫(kù)主要負(fù)責(zé)驗(yàn)收、存儲(chǔ)與保管；二級(jí)庫(kù)主要負(fù)責(zé)焊接材料的預(yù)處理(如再烘干等)，向焊工發(fā)放和回收等。電極入庫(kù)前，應(yīng)首先檢查包裝是否完好，產(chǎn)品說(shuō)明書(shū)、合格證和質(zhì)量保證書(shū)等是否齊全。必要時(shí)按國(guó)家標(biāo)準(zhǔn)進(jìn)行復(fù)驗(yàn)，合格后才允許入庫(kù)。庫(kù)房中應(yīng)按品種、批號(hào)、牌號(hào)、規(guī)格、入庫(kù)時(shí)間等分開(kāi)存放。每個(gè)區(qū)域應(yīng)標(biāo)注明確，不得隨意放亂。電極應(yīng)在通風(fēng)干燥的倉(cāng)庫(kù)中保存，并應(yīng)保持整潔。室溫宜在10～25 ℃，相對(duì)濕度＜50%。電極儲(chǔ)存庫(kù)內(nèi)，不許露天存放或放置有害氣體和腐蝕性介質(zhì)環(huán)境內(nèi)。庫(kù)內(nèi)的電極應(yīng)存放在架子上，架子離地面和墻面應(yīng)保持一定距離，架下應(yīng)放置干燥劑，嚴(yán)防受潮。電極是一種陶質(zhì)產(chǎn)品，本身耐沖擊能力差，所以裝、卸貨時(shí)應(yīng)輕拿輕放。

3 電極弧焊的特性

3.1 陡降特性

電極弧焊使用的電源，具有“驟降”的特點(diǎn)。當(dāng)焊工使電極遠(yuǎn)離焊道時(shí)，電流流經(jīng)的距離增大，這樣會(huì)增加回路中的電阻，從而輕微降低了流經(jīng)電弧間隙的電流。電流的這種輕微降低會(huì)急劇地提升電源的電壓，而電壓的提升又阻礙了電流的進(jìn)一步減少。因?yàn)闊崃颗c電壓、電流和時(shí)間成正比，所以可以容易的看出長(zhǎng)電弧產(chǎn)生的熱量比短電弧產(chǎn)生的熱量更多。從這個(gè)原理看，焊工可以很輕松的調(diào)整熔融金屬的流動(dòng)性，焊工只要改變電極與工件的距離即可。但是，如果電極離工件過(guò)遠(yuǎn)，電弧濃度就會(huì)降低，從而加快流失焊道的熱量，影響電弧的穩(wěn)定性。藥皮產(chǎn)生的保護(hù)氣體量有限，過(guò)長(zhǎng)的距離也會(huì)影響對(duì)焊道的保護(hù)。

3.2 磁偏吹的危害和解決方法

磁偏吹是一種物理現(xiàn)象，當(dāng)電流通過(guò)導(dǎo)體時(shí)就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)，電流方向與磁場(chǎng)方向垂直，看起來(lái)像是很多組同心圓環(huán)繞著導(dǎo)體。最強(qiáng)的磁場(chǎng)在導(dǎo)磁材料內(nèi)部，而導(dǎo)磁材料外面的、必須通過(guò)空氣行進(jìn)的磁場(chǎng)則會(huì)受阻。所以，當(dāng)焊接如鋼材這種導(dǎo)磁材料時(shí)，在電弧接近工件的邊緣、焊道端部、或者工件的外形有突變之處時(shí)，就會(huì)產(chǎn)生磁場(chǎng)扭曲。這種現(xiàn)象會(huì)導(dǎo)致氣孔、飛濺、咬邊、成型不良和降低焊縫熔深等缺陷。那么我們應(yīng)該如何減少磁偏吹的影響呢，建議使用如下辦法：(1)采用交流電源；(2)將電極和工件保持短距離；(3)在工藝規(guī)定的范圍內(nèi)盡量使用較小的電流；(4)傾斜焊條并與磁偏吹方向相反；(5)在待焊位置的兩端加引弧板和息弧板。

4 電極弧焊的局限性

電極弧焊的缺點(diǎn)之一是較低的生產(chǎn)效率，因?yàn)殡姌O長(zhǎng)度很短，焊工必須不斷地更換電極，這種頻繁的操作大大的降低了焊接速度。電極弧焊的另一個(gè)缺點(diǎn)是，焊接之后，焊道表面會(huì)附著一層焊渣，如果不能清理干凈就進(jìn)行后續(xù)焊接會(huì)形成夾渣的缺陷。其局限性是：當(dāng)使用堿性電極時(shí)，電極需要提前烘干，并存放于規(guī)定的保溫桶中，以保持其低氫含量。

5 結(jié)語(yǔ)

由于焊條種類繁多，且焊條電弧焊是手工操作，所以不當(dāng)?shù)牟僮骺赡茉斐芍T多缺陷，本文通過(guò)對(duì)焊條的介紹，焊條電弧焊的特性和局限性分析，簡(jiǎn)單介紹了一些注意事項(xiàng)和減少缺陷的措施，使長(zhǎng)期進(jìn)行手工焊接作業(yè)的人員有一定的深入了解和幫助。