焊條電弧焊的應用和特性

陳金鈺，董恩強，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

大多數行業中仍在大量使用電極弧焊，除了某些有毒合金外，大多數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，設備簡單適用性強，現實應用中，還有許多通過汽油或柴油提供動力的焊機，這樣即使在偏遠地區也能進行焊接作業。其次，開發的新型電焊機輕量，體積小，攜帶方便。第三，電極的種類豐富，選擇性強，適合在各種條件下使用。第四，通過現代化設備和制造工藝的進步，力求適應環境，不斷滿足高質量的焊接需求。

1 電極的介紹

1.1 電極的構成

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電流，使之產生電弧，在電弧熱的作用下將焊芯熔化到工件的熔池內。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體，在電弧作用后產生以下作用：(1)藥皮分離出的氣體可以對熔池提供保護；(2)藥皮能分解成渣子覆蓋在熔池表面，起到排除無用氣體和雜質的作用；(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)當藥皮熔化時，能夠改善電性，從而改善電弧穩定性；(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 電極標識

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識。電極標識由字母E和后續的四或五個數字組成，字母E代表電極，前兩位或三位數字代表填充金屬的最小抗拉強度。下一個數字表示電極的可焊位置。數字“1”代表可用于所有位置的焊接，數字“2”代表只能用于平焊或橫焊的位置，數字“4”代表可用于垂直位置從下向上焊接，數字“3”已經不再使用。末尾一個數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字為“5”“6”“8”的為堿性電極。這些堿性電極購買時應裝在密閉的容器中，存放于離地高0.3 m以上，使用前按照廠家規格書的相關標準進行烘干，從烘箱取出后存放于65～150 ℃的保溫箱內進行保溫[1]。

1.3 電極的分類及優缺點

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，及一部分脫氧劑和合金劑的為堿性電極。酸性電極的優點主要有：可以交直流兩用，電弧柔和、飛濺少、熔渣流動性良好、容易脫渣、焊縫外觀好。缺點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的物質，所以在焊接過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。

堿性電極的優點是通過碳酸鹽分解產生的CO2作為保護氣體，在電弧氣氛中氫的分壓低，螢石(CaF2)在高溫時與氫結合轉換成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，熔覆金屬抗熱裂紋能力強，因為熔覆金屬中氧和氫含量少，非金屬夾雜物含量少，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。只有當藥皮中加入穩弧劑后才能用交流電源。此外，對環境要求嚴苛如焊件表面的銹蝕、水漬、油污等都會導致氣體等缺陷，并且產生的毒氣和煙塵多對焊工的身體健康不利。

1.4 電極弧焊的工藝原理

焊接時，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，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，后面的熔池液態金屬開始冷卻結晶，形成連接焊縫，電極的藥皮在電弧高溫作用下燃燒，產生保護氣體，并形成熔渣，保護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程中還對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構的安全、可靠使用的前提下，根據焊件的成分、力學性能要求、工件厚度和接頭形式、結構特點、受力情況、使用條件等對焊縫性能的要求、施工條件和經濟效益綜合考慮，盡可能采用焊件工藝性好、生產效率高的。

在正規的焊件作業中，電極的選用從施工設計階段就已經開始，設計人員根據結構的強度計算要求，在施工圖中規定電極的強度等級，如果根據結構的使用條件，對接頭的性能有特別要求，則需要在施工圖中附加說明，例如對焊縫的低溫沖擊韌性有要求，接頭焊接完要求進行熱處理等方法消除應力。對不銹鋼等焊接，應規定焊縫腐蝕試驗和評定標準。當施工單位按施工圖紙準備投產時，焊接工程師應按圖紙對電極強度級別的規定和其他要求，根據自己單位的施工條件，生產情況，焊接設備和組對精度選定合適的電極型號和牌號，并按相關標準規范進行焊接工藝評定試驗，評定結果合格后方可投入生產。

2.2 電極的使用

電極在出廠前經過高溫烘干，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。考慮到電極在長期保存和運輸過程中可能受潮，為了保證質量，在電極使用前應進行烘烤。烘干后的堿性低氫電極應存放在100～150 ℃的保溫箱內，使用時應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4 h時，應再次烘干，重復烘干次數不得超過2次，以防藥皮變質、開裂，影響焊接質量。烘干電極時，不得成垛或成捆堆放，應鋪放成層狀，每層堆放不宜太厚一般為1～3層，避免烘干時受熱不均和潮氣散不出去，嚴禁將電極突然放進高溫爐內或從爐中突然取出冷卻，以防因急冷急熱導致藥皮開裂、脫皮等。烘干時應做好記錄，記錄中要有牌號、批號、溫度和時間等信息。在烘烤期間，要有專門的技術人員對操作過程進行檢查核對，對每批抽查不得少于1次，并在記錄上簽字[2]。

2.3 電極的管理

電極最大的問題是受潮變質，和錯用亂用。這關系到焊接質量和結構安全使用問題，必須十分警惕。對于重要產品的焊接，如鍋爐壓力容器的制造，一般都把焊接材料的管理作為質量保證體系中的重要一環，建立嚴格的分級管理制度，一級庫主要負責驗收、存儲與保管；二級庫主要負責焊接材料的預處理(如再烘干等)，向焊工發放和回收等。電極入庫前，應首先檢查包裝是否完好，產品說明書、合格證和質量保證書等是否齊全。必要時按國家標準進行復驗，合格后才允許入庫。庫房中應按品種、批號、牌號、規格、入庫時間等分開存放。每個區域應標注明確，不得隨意放亂。電極應在通風干燥的倉庫中保存，并應保持整潔。室溫宜在10～25 ℃，相對濕度＜50%。電極儲存庫內，不許露天存放或放置有害氣體和腐蝕性介質環境內。庫內的電極應存放在架子上，架子離地面和墻面應保持一定距離，架下應放置干燥劑，嚴防受潮。電極是一種陶質產品，本身耐沖擊能力差，所以裝、卸貨時應輕拿輕放。

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。當焊工使電極遠離焊道時，電流流經的距離增大，這樣會增加回路中的電阻，從而輕微降低了流經電弧間隙的電流。電流的這種輕微降低會急劇地提升電源的電壓，而電壓的提升又阻礙了電流的進一步減少。因為熱量與電壓、電流和時間成正比，所以可以容易的看出長電弧產生的熱量比短電弧產生的熱量更多。從這個原理看，焊工可以很輕松的調整熔融金屬的流動性，焊工只要改變電極與工件的距離即可。但是，如果電極離工件過遠，電弧濃度就會降低，從而加快流失焊道的熱量，影響電弧的穩定性。藥皮產生的保護氣體量有限，過長的距離也會影響對焊道的保護。

3.2 磁偏吹的危害和解決方法

磁偏吹是一種物理現象，當電流通過導體時就會產生磁場，電流方向與磁場方向垂直，看起來像是很多組同心圓環繞著導體。最強的磁場在導磁材料內部，而導磁材料外面的、必須通過空氣行進的磁場則會受阻。所以，當焊接如鋼材這種導磁材料時，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，就會產生磁場扭曲。這種現象會導致氣孔、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)在工藝規定的范圍內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

電極弧焊的缺點之一是較低的生產效率，因為電極長度很短，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。電極弧焊的另一個缺點是，焊接之后，焊道表面會附著一層焊渣，如果不能清理干凈就進行后續焊接會形成夾渣的缺陷。其局限性是：當使用堿性電極時，電極需要提前烘干，并存放于規定的保溫桶中，以保持其低氫含量。

5 結語

由于焊條種類繁多，且焊條電弧焊是手工操作，所以不當的操作可能造成諸多缺陷，本文通過對焊條的介紹，焊條電弧焊的特性和局限性分析，簡單介紹了一些注意事項和減少缺陷的措施，使長期進行手工焊接作業的人員有一定的深入了解和幫助。