电弧焊

2023-03-20 12:33

电弧焊

电弧焊的应用范围很广，通常用于所有金属结构，例如汽车，铁路车辆，轮船，飞机，建筑物和建筑机械。基材通常是钢，但也用于其他金属，例如铝和钛。

特征和类型

当电极（焊条，焊丝，TIG焊枪等）相互接触并且电极彼此分离时，在基材和电极之间会产生电弧。产生的电弧的温度约为5,000°C到20,000°C。这是一种结合方法，利用热量作为热源，将母材和填充金属或焊条融合在一起。因此，基本上，电弧焊的目的只是电导体。有时将其称为电焊，但该名称也包括电阻焊。

电弧焊

消耗性和非消耗性电极类型

在许多情况下，电弧焊根据电极是否熔化而大致分为两种。消耗性电极焊接（电极焊接），其中电极熔化并以液滴的形式转移至母材，电极未熔化，但填充材料（焊条）被送入熔池并熔化成母材非消耗电极式焊接（非焊接电极式）。另外，这两种方法中的每一种主要通过屏蔽方法分类如下。

消耗电极类型（电极类型）
- 电弧焊
- MAG焊接（金属活性气体保护焊）
  - 二氧化碳气体保护焊
  - 氩气/二氧化碳弧焊
- MIG焊接（金属惰性气体保护焊）
- 自保护电弧焊
- 埋弧焊
非消耗电极型（非电极型）
- TIG焊接（钨极惰性气体保护焊）
- 等离子焊接

气体保护电弧焊

TIG焊接，MIG焊接，MAG焊接，碳酸气电弧焊接在焊缝的氩或氦，二氧化碳覆盖有气体，电弧和熔融金属，因为它是从大气中受保护的稳定化，所述屏蔽气体弧焊和可以分类。用于此目的的气体称为保护气体。

MIG焊，MAG焊和CO2电弧焊是可消耗的电极类型，因此，由于焊接设备的性质，可以连续供应填充金属（焊丝）。正在进步。在气体保护电弧焊中，将喷嘴指向行进方向，即从右向左用右手，从左向右用左手，向前的方法。根据用途和基材形状适当使用它们。以氦或氩等惰性气体作为保护气体的方法称为惰性电弧焊。

手工焊接

电弧焊在原理上不能实现自动化，而是需要人工完成，因此有时被称为手工焊或手工焊，这种名称指的是电弧焊。覆盖电弧焊中使用的焊条用称为覆盖材料的保护材料覆盖金属芯线，该保护材料的厚度约为几毫米。由于在焊接期间通过电弧的高温使涂层材料气化，因此屏蔽了焊接部分以防止大气中的氮和氧进入焊接部分。另外，涂层材料对焊缝金属具有脱氧作用，并用作保护焊道和调节焊道形状形成的炉渣。惯用右手的人在有盖电弧焊中的行进方向是从左到右，对于惯用左手的人，行进方向是从右到左，并且在任何情况下都相对于行进方向倾斜5到10度。

半自动焊接

通过焊接设备，连续填料（电线等）和保护气供应源，同时保持电弧长度恒定，到海特波焊接焊接进一步进行焊接半自动发言权。上述的电弧焊使用焊条作为焊接材料，但是由于焊条比较短，因此常常需要更换缩短的焊条，这不适合进行大量的焊接。另一方面，在半自动电弧焊中，使用很长的焊丝作为焊接材料，目的是进行连续的大批量焊接。半自动焊接是气体保护电弧焊，因此抗风性较弱，难以在室外使用，因此主要用于工厂。

电弧的电气特性

在电弧焊中重要的是在保持适当的电流值的同时连续进行焊接。然而，在手工作业的情况下，如果由于电极的磨损或操作者的手的移动而使电极的位置发生变化，则电弧的长度发生变化，施加于电弧的电压（电弧电压）发生较大变化。当电压变化时，电流值变化，从而难以进行稳定的焊接。此外，在用于诸如二氧化碳电弧焊的半自动焊接的焊接机中，需要任意选择电压值和电流值，并且操作者必须基于工程知识来设定适当的值。

由于电流在电弧中的电子流动戏剧，阴极部分的特性是电子主导影响电弧焊接释放部分。

电弧的电气特性在很大程度上受到电流和电压大小的影响。在直流电的情况下，当电流值小时，电弧电压具有负电阻特性，并且随着电流的增加而降低。当电流为中等值时，例如在有保护电弧焊中使用时，电弧电压几乎不变并且显示出恒定的电压特性。对于作为用于二氧化碳气体保护焊将上升特性，电弧电压随着电流的增加大电流。在交流电的情况下，平均后的特性几乎与直流电相同，但是由于交流电，此刻的电压在小电流，中电流和大电流下均表现出特性。在切换电流值的极性时，电弧会重复熄灭并重新点燃，因此交流电源的空载电压超过了重新点燃时所需的电压，并且空载电压的相位比电流高电源设备需要这种特性。

焊接电源的特性

取决于条件，存在用于电弧焊的各种电源装置，并且控制电流和电压的方法不同。操作者需要根据电源的特性和上述电弧的特性来综合判断，并选择和操作合适的电源。

掉落特性

下垂特性是指电流增加时电压下降的特性，是具有内部电阻值的电池或发电机等一般电源的特性。即使在焊接过程中电弧长度变化和电弧电压变化时，负载电流值也几乎恒定^[9]，因此填充金属的熔化量几乎没有变化。由于焊接电流变化不大并且可以手动进行稳定的焊接，因此下垂特性的电源结构简单，价格便宜，并且可以用于电弧焊和埋弧焊。由于它变化约几十安培，因此当基材的焊接部分需要精度和致密性时，就不能使用它。另外，交流下垂特性电源在结构上比直流电源的稳定性差，并且电击的危险性比其他电源高。

恒定电流特性

如果不能容忍下降特性电源中的上述缺点或电流值的变化，则使用恒定电流特性电源。恒定电流特性电源具有即使电弧长度变化输出电流也完全不变化的结构，并且被用作用于电弧焊的直流电源。电弧也变宽稳定易施工范围，称为生成吹塑磁可能的问题，具有表面是高复杂的定价结构。一些TIG焊接电源，存在这个功能配备情况。

恒压特性

在半自动焊接（尤其是电磁焊接）中，焊枪的操作是手动的。具有保持恒定的电弧长度同时允许焊炬操作的轻微波动的功能的电源是具有恒定的电压特性的电源。除了电源，能够通过金属丝的供给，以保持恒定的弧的长度在恒速进料模式中的填料金属。恒定电压特性是即使负载电流增加或减少负载电压也恒定的特性。当使用具有这种特性的电源进行半自动焊接时，由于焊枪模糊而引起的电弧长度的增加或减少表现为轻微的电压变化。电流值相对于该电压变化在几十到几百A之间极大地波动，但是由于电流值的变化，焊丝的熔化量极大地变化。另一方面，以恒定的速度供应焊丝，因此，如果焊丝仅被轻微熔化（电流值低），则会过度供应焊丝，电弧会立即收缩（增加电流），反之亦然如果电流熔化（电流值很高），则导线的电源不足，电弧立即加长（电流减小）。校正所需的时间非常短，被称为电弧长度的自控制或电源的自控制特性。在半自动电弧焊中，电流的设定值直接成为送丝速度。另外，操作人员必须调整电弧电压，以使电弧长度合适。当线直径较薄在相同的电流值，导线的熔化量增加时，局部的热输入的增加。因此，导线越细，越容易融化。

电弧焊的液滴转移

焊条或焊丝熔化的熔融金属在母材上的运动称为液滴转移。液滴的转移状态根据电压，电流，保护气体，焊接材料的种类等而显着变化。

在低电流状态下，被电弧热熔化的填充金属（焊条）的尖端与熔融的母材接触（短路），电弧消失，金属从填充金属流向母材。熔融金属移动。这称为短路过渡。

在二氧化碳气体保护焊中以大电流的状态，熔融的填充金属以大的液滴的形式被输送，并且发生诸如熔融金属的一部分飞散的现象。这称为球状过渡。飞溅的熔融金属被称为飞溅物，并粘在焊缝周围，导致焊缝外观变差。但是，球状过渡的优点是，如果可以很好地控制它，则可以进行高速焊接。

在MAG焊接的大电流状态下，焊接金属从填充金属到母材的运动以非常小的液滴状态进行。这称为喷雾转移。由于飞溅少，因此喷雾转移的外观良好，渗透性高，焊接效率高。

保护气

在电弧焊期间，当熔融金属与大气接触时，大量的氮熔化到金属中。当熔融金属凝固时，该氮一瞬间沉淀并形成气泡并直接凝固。将该状态称为气孔，达到该状态时，焊接部的机械强度显着降低。当水迅速冻结时，二氧化碳气体沉淀并变成纯白色冰，这是相同的现象。

为了防止这种焊接缺陷，在焊接期间吹入适当的气体以切断空气和电弧或空气和熔池。此时使用的气体称为保护气体，即所谓的惰性气体，即使在高温下也不会与化学活性金属发生反应，例如氦气或氩气，或者是根据各种需求而具有活性的活性气体。和的二氧化碳被使用并且有时氢气和氧气加入保护气体并用于。在日本，使用二氧化碳的二氧化碳电弧焊是主流。

电弧和保护气体

顾名思义，保护气体还具有保护熔融金属不受大气影响的目的，但具有本身成为电弧的重要功能。电弧可以说是一种等离子体，在高温下气体在其中被离子化。由于保护气体的电弧允许电子在空气中移动，因此电弧是导电的导体，与作为绝缘子的空气不同。作为补充，人们误解了电弧是“蒸发的金属”，但是如上所述，这是不正确的，因为电弧焊接中的电弧是气体的电离。

当填充气体（焊条或焊丝）首先与基础材料产生火花并且热量将保护气体转化为等离子体时，会产生xxx电弧。由于电弧导电，因此一旦产生电弧，电流就会流过电弧。然后，电弧本身产生热量并使周围的保护气体电离。当电弧增长到某个阶段时，它在某些条件下会进入稳定状态。电弧熔化了填充金属和贱金属。

保护气体保护电弧，并且是电弧本身的基础。因此，保护气体的组成极大地影响电弧状态，并且对焊接结果有很大影响。特别地，二氧化碳是极大改变电弧特性的物质。

保护气体的类型

用于保护气体的物质是二氧化碳，氩气，然后是氦气，氢气，氧气等。根据焊接方法和焊接条件的不同，这些可以单独使用也可以混合使用。氦气在美国也相对使用。

由于氩气包含在空气中，因此会根据沸点的差异从液化空气中产生氩气。但是，氩气和氧气具有相似的沸点（分别为-186°C和-183°C），并且很难分离。因此，使用劣质的氩气会增加焊接中的炉渣量，并且容易引起缺陷。此外，氩气作用略有不同气和氦气。防护气体的制造商正在研究这些气体的混合比例，并出售用于不同目的的最合适的防护气体。例如，能够高速焊接的保护气体，能够提高焊接质量的保护气体，能够获得深熔的保护气体等。

在电弧焊接中的二氧化碳的运作

作为用于低碳钢等的批量生产的焊接中使用的保护气体，惰性气体例如氩气相对昂贵并且不经济。此外，由于惰性保护气体没有清洁作用，这可能导致缺陷。已经设计出的一种解决方案是使用二氧化碳（CO ₂）的防护罩。

CO ₂在高温下分解，分解为氧气和一氧化碳。离子化成等离子体，形成电弧。一氧化碳对钢具有还原作用（在保护方向上起作用），而氧具有氧化作用，即具有降低钢性能的作用。因此，在将二氧化碳用作保护气体的情况下，需要在焊丝添加脱氧元素（例如，Mn或Si）。这虽然产生熔池氧化锰和氧化硅，它是在熔池表面上浮动，没有给它的气孔，以形成炉渣。但是，必须注意以下事实：根据焊接条件，炉渣可能会进入焊接内部并导致焊接缺陷。另外，当CO ₂在高温下分解时，其结果是体积迅速膨胀，并进一步从电弧中除去热量。此时，电弧从周围被冷却，变薄且变尖，并且热量容易集中在狭窄的范围内。这就是所谓的热捏效应^[21]。结果，电弧不会包裹液滴，而是从液滴的下端产生的。然后洛伦兹力结果，液滴被提起，并且液滴长大，然后移动到熔池中。在这段时间中，由于电弧持续不断地产生，所以由于热量的输入，很容易渗入基材，并且可以进行快速焊接。这些现象给焊接带来了更容易产生飞溅的不良因素，焊接缺陷和不良外观，以及使熔深深，热效应小并且可以快速进行焊接的良好因素。

应当注意，CO ₂不适合用作具有强电离趋势的金属（例如铝）焊接中的保护气体。这是因为添加剂不能对产生的氧气起作用并且不能被还原。

如上所述，由于CO ₂是活性的，因此在焊接期间它处于比氩气等更复杂的状态，因此需要足够的知识和技能来使用。根据目的，建议单独使用或与氩气结合使用。

虽然用二氧化碳屏蔽的焊接被称为二氧化碳气体电弧焊，但是有一种同时使用二氧化碳和氩气的焊接方法，这被称为混合气保焊。在混合气体电磁焊接中，将含20％CO _2和 80％氩气的保护气体用作标准气体。

电弧焊和材料

热效应

通过弧焊连接对接时的热效应示意图。最暗的部分是焊缝。

金属仅部分加热和冷却时会变形。因此，当进行焊接时，焊接构件变形。

仅加热一部分金属自然会使该部分膨胀。但是周围仍然很冷。然后，扩展部分受到来自周围环境的压缩。结果，加热部分比冷部分软，从而加热部分在收缩方向上塑性变形。此外，当仅对该部分加热的金属冷却至室温时，被加热的部分变得小于原始体积，并且用强力拉动周围环境。结果，整个产品变形。在加热部分周围仍保留有很强的拉伸应力。这称为残余应力，会影响最终产品的强度。

焊缝周围母材的结构发生变化。每种标准都确定了金属的晶体结构和化学成分，但是当像焊接一样快速加热和冷却时，晶体结构和化学成分会发生变化。

钢铁

Fe-C相图
根据碳含量和温度，铁具有多种结构。

电弧焊的主要靶材是钢。

右图是Fe-C相图，其中纵轴为温度，横轴为碳含量。钢根据温度和碳含量经历相变，并转变成具有不同物理性质的组织。右图显示了采取足够的冷却时间后钢的相变。在焊接的情况下，涉及快速的温度变化，从而如右图所示的相变剧烈地转变并且根据加热和冷却的方式改变成各种结构。

因此，即使被称为钢铁，也存在各种各样的钢材，有些不适合于电弧焊。一些可焊接钢需要特殊处理才能进行焊接。用于这种焊接的材料的特性称为可焊性。通常，较硬的材料较难焊接。

当铁被电弧焊接时，熔融部分从液相迅速变为固相并迅速冷却。另外，焊缝的xxx在快速加热之后也经历快速冷却。铁的组成和晶体结构由于这些热效应而改变，并且根据铁的类型，强度可能不足，变形或破裂。当将钢材加热到一定程度然后迅速冷却时，钢材就会变成所谓的淬火和硬化。由于钢材中含有碳，因此碳会因与铁发生化学反应或改变晶体结构而变硬。当钢硬化时，它变脆，从而可能降低机械强度。因此，通常认为碳少的钢材的焊接性更好。

硬化铁的物质不仅是碳，而且锰和硅也会引起硬化。这些物质的作用转换为碳的作用称为碳当量。

电子从电弧的阴极一侧从漂浮在熔融焊接基体表面的称为渣的氧化物层上的阴极点的一部分跳出。与铝和钛不同，铁很少会被氧化膜覆盖，因此，使用含有氧化钛金红石（TiO ₂）的焊剂来稳定地提供电弧电流。这是因为氧化钛比铝，硅和锰的氧化物导电性更好。钛也被添加到焊丝中。在焊接钢时使用二氧化碳气体作为保护气体并在氩气中添加少量氧气的原因是为了促进氧化物的形成。另外，通过将氧化钛施加到焊丝的表面，减少了“液滴”。这是因为当熔融氧化物薄薄地覆盖液滴的表面时，熔融氧化物的表面张力降低，并且熔融氧化物以小颗粒的状态从焊丝飞到焊接基材的表面。当将薄钢板与汽车钢板等焊接时，不施加二氧化钛，并且通过使焊丝与母材之间的大液滴短距离接触，焊丝不会直接穿透薄钢板。

氧化钛（金红石）溶解在焊接部中，并且由钛氧化物作为核形成的晶粒为几μm或更小，并且钛钢部分的晶体结构微细，并且韧性提高。包含在焊接现场氧化物是钢基材的10倍，和优异的，而不是强度等。

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