常见补偿器的焊接方法——手工电弧焊

  焊条电弧焊是最常用的熔焊方法之一,它使用的设备简单、操作方便灵活,适应在各种条件下的焊接,特别适合于形状复杂的焊接结构的焊接。因此,焊条电弧焊仍然在国内外焊接生产中占据着重要位置。

一、焊条电弧焊的原理及特点

(一)焊条电弧焊的基本原理

  焊条电弧焊是利用焊条与工件之间建立起来的稳定燃烧的电弧,使焊条和工件熔化,从而获得牢固焊接接头的工艺方法。焊接过程中,药皮不断地分解、熔化而生成气体及溶渣,保护焊条端部、电弧、熔池及其附近区域,防止大气对熔化金属的有害污染。焊条芯也在电弧热作用下不断熔化,进入熔池,组成焊缝的填充金属。

(二)焊条电弧焊的特点

  焊条电弧焊与其他的熔焊方法相比,具有下列特点:

1.操作灵活

  焊条电弧焊之所以成为应用最广泛的焊接方法,主要是因为它的灵活性。由于焊条电弧焊设备简单、移动方便、电缆长、焊把轻,因而广泛应用于平焊、立焊、横焊、仰焊等各种空间位置和对接、搭接、角接、T形接头等各种接头形式的焊接。无论是在车间内,还是在野外施工现场均可采用。可以说,凡是焊条能达到的任何位置的接头,均可采用焊条电弧焊方法连接。对于复杂结构、不规则形状的构件以及单件、非定型结构的制造,由于可以不用辅助工装、变位器、胎夹具等就可以焊接,焊条电弧焊的优越性显得尤为突出。

2.待焊接头装配要求低

  由于焊接过程由焊工手工控制,可以适时调整电弧位置和运条姿势,修正焊接参数,以保证跟踪接缝和均匀熔透。因此,对焊接接头的装配精度要求相对降低。

3.可焊金属材料广

  焊条电弧焊广泛应用于低碳钢、低合金结构钢的焊接。选配相应的焊条,焊条电弧焊也常用于不锈钢、耐热钢、低温钢等合金结构钢的焊接,还可用于铸铁、铜合金、镍合金等材料的焊接,以及耐磨损、耐腐蚀等特殊使用要求的构件进行表面层堆焊。

4.焊接生产率低

  焊条电弧焊与其它电弧焊相比,由于其使用的焊接电流小,每焊完一根焊条后必须更换焊条,以及因清渣而停止焊接等,故这种焊接方法的熔敷速度慢,焊接生产率低。

5.焊接质量受人为因素的影响大

  虽然焊接接头的力学性能可以通过选择与母材力学性能相当的焊条来保证,但焊缝质量在很大程度上依赖于焊工的操作技能及现场发挥,甚至焊工的精神状态也会影响焊缝质量。

6. 焊接成本较高

  焊条成本高,焊接过程中焊接材料的损耗大,焊接生产率低导致焊接人工费用高。因此,焊条电弧焊与其它电弧焊(如CO2气体保护焊,埋弧焊等)相比,焊接成本相对较高。

二、焊条电弧焊设备及工具

(一)对焊条电弧焊设备的要求

  焊接电源是焊条电弧焊的主要设备。电源外特性、动特性及焊接参数调节特性的优劣,直接影响电弧和焊接过程的稳定性,所以焊条电弧焊电源应满足下列要求:

1.对弧焊电源外特性形状的要求

  焊条电弧焊电极尺寸较大,电流密度低。在电弧稳定燃烧条件下,其负载特性处于U形曲线的水平段,故首先要求电源外特性曲线与电弧静特性曲线的水平段相交,即要求焊条电弧焊的电源应具有下降的外特性。再从焊接参数稳定性考虑,要求电源外特性形状陡降一些为好,因为对于相同的弧长变化,陡降外特性电源所引起的电流变化比缓降外特性电源所引起的电流变化小得多。焊条电弧焊过程中,弧长的变化是经常发生的。为了保证焊接参数稳定,从而获得均匀一致的焊缝,显然要求电源具有陡降的外特性。

  垂降外特性能克服由于弧长波动所引起的电流变化,但其短路电流过小,不利于引弧。最理想的焊条电弧焊电源的外特性是具有垂降带外拖的外特性。在正常电弧电压范围内,弧长变化时焊接电流保持不变。当电弧电压低于拐点电压值时,外特性曲线向外倾斜,焊接电流变大,增大了熔滴过渡的推力。由于短路电流也相应增大,有利于引燃电弧。

2.对电源空载电压的要求

  电源空载电压的确定应保证引弧容易和电弧功率稳定。电源的空载电压越高,引弧越容易,电弧燃烧的稳定性越好,电弧功率越稳定。但空载电压越高,安全性越低;电源所需的铁、铜材料越多,体积和重量越大,同时还会增加能量的损耗,降低弧焊电源效率。为保证人身和设备安全,提高经济性,就要求对空载电压必须加以限制。

  因此,在设计弧焊电源确定空载电压时,应在满足弧焊工艺需要的前提下,尽可能采用较低的空载电压。对于通用的交流和直流焊条电弧焊电源的空载电压有如下规定:

  焊条电弧焊交流弧焊电源U0=55~70V、U0≥(1.8~2.25)Uf

  焊条电弧焊直流弧焊电源U0=45~70V

3.对电源调节特性的要求

  为了满足不同焊接工艺的要求,如不同的焊芯直径、焊接位置、工件厚度等,要求焊机有良好的调节特性。焊条电弧焊电源的调节是指调节焊接电流,实质上是改变电源的外特性。其调节特性有以下三种情况:

  第一种是焊接电流小时,空载电压同时降低。

  第二种是空载电压U0不变,通过改变电源外特性陡降程度而实现焊接电流的改变。

  第三种是空载电压随焊接电流的减小而增大,随电流的增大而减小。

3.对弧焊电源动特性的要求

  焊接电弧对弧焊电源而言是一个动负载。形成动负载的主要原因是熔滴过渡时弧长发生频繁的变化。尤其短路过渡时这种变化尤为突出,使电弧的燃烧过程经常处于不稳定状态。这就要求弧焊电源具有良好的动态特性,从而适应焊接电流和电弧电压的瞬态变化。

(二)常用焊条电弧焊机简介

  焊条电弧焊机按电源种类可分为弧焊变压器、直流弧焊机发电机和弧焊整流器三大类。这三大类焊机的比较见表1-1。

表1-1三类焊条电弧焊机比较

项目
弧焊变压器
弧焊发电机
弧焊整流器
稳弧性
较差
较好
噪声
较小
硅钢片与铜导线需要量
较少
结构与维修
简单
复杂
较简单
功率因素
较低
较高
较高
空载电压
较大
较小
较小
成本
较高
重量
较轻

1.弧焊变压器

  弧焊变压器一般称为交流弧焊机,它是一个特殊的降压变压器。与普通电力变压器相比,其区别在于:为了保证电弧引燃并能稳定燃烧和得到陡降的外特性,常用的交流弧焊变压器必须具有较大的漏感,而普通变压器的漏感很小。根据增大漏感的方式和其结构特点,这类交流弧焊变压器有动铁心式(BX1—200、BX1—300、BX1—500)、动绕组式(BX3—300、BX3—500)和抽头式(BX6—120)等类型。

2.直流弧焊发电机

  旋转式直流弧焊发电机是由一台电动机和一台弧焊发电机组成的机组,由电动机带动弧焊发电机发出直流焊接电流。一般常用直流弧焊发电机根据其磁极和励磁方式的不同,可分为裂极式(AX—320)、差复励式(AX1—500、AX7—500)、换向极去磁式(AX4—300)等几种。

3.弧焊整流器

(1)硅弧焊整流器硅弧焊整流器是一种直流弧焊电源,它由三相变压器和硅整流器系统组成。交流电源经过降压和硅二极管的桥式全波整流获得直流电,并且通过电抗器(交流电抗器或磁饱和电抗器)调节焊接电流,达到陡降的外特性。常用硅弧焊整流器的型号及技术数据如表1-2所示。

表1-2常用硅弧焊整流器的型号及技术数据

型号
技术数据
动圈式
磁饱和电抗器式
ZXG—160
ZXG1—260
ZXG1—400
ZXG—400
额定焊接电流
电流调节范围
空载电压
额定工作电压
额定负载持续率
额定输出功率
160
40~192
71.5
26
60
4.22
250
62~300
71.5
30
60
7.5
400
100~480
71.5
36
60
14.4
400
40~480
80
36
60
14.4
电网电压
相数
频率
额定初级相电流
额定容量
380
3
50
17
11.2
380
3
50
27
17.8
380
3
50
42
27.7
380
3
50
53
34.9
功率因数
效率(%)
重量(kg)
0.66
55
138
0.66
66
182
0.68
76.5
238
75
310

 

(2)晶闸管式弧焊整流器晶闸管式弧焊整流器用晶闸管作为整流元件,其组成如图2-6所示。由于晶闸管具有良好的可控性,因此,焊接电源外特性、焊接参数的调节,都可以通过改变晶闸管的导通角来实现。它的性能优于硅弧焊整流器。目前已成为一种主要的直流弧焊电源。我国生产的晶闸管式弧焊整流器有ZX5系列和ZDK—500型等。

(3)弧焊逆变器

  这是一种新型的整流弧焊电源。这种弧焊整流器的优点是:1)高效节能,效率可达80%~90%,功率因素可提高到0.99,空载损耗小,因此是一种节能效果极为显著的弧焊电源;2)重量轻、体积小,整机重量仅为传统弧焊电源的1/10~1/5,体积也只有传统弧焊电源的1/3左右;3)具有良好的动特性和焊接工艺性能。目前我国生产的弧焊逆变器主要有晶闸管、IGBT、场效应管等三种电子器件的弧焊逆变器,产品有ZX7系列如ZX7—400、ZX7—315ST等。

  综上所述,弧焊变压器的优点是结构简单、使用可靠、维修容易、成本低、效率高;其缺点是电弧稳定性差、功率因数低。直流弧焊发电机与弧焊变压器相比,具有引弧容易、电弧稳定、过载能力强等优点;其缺点是效率低、空载损耗大、噪声大、造价高、维修难。在我国当前大力提倡节约能源的情况下不宜继续使用。弧焊整流器与直流弧焊发电机相比,具有制造方便、价格低、空载损耗小、噪声低等优点,而且大多可以远距离调节,能自动补偿电网波动对焊接电压、电流的影响。弧焊逆变器高效节能、体积小、功率因数高、焊接性能好等独特优点,是一种最有发展前途的普及性焊条电弧焊机。

(三)焊条电弧焊所用工具

焊条电弧焊常用的工具有:

1.电焊钳

  又称焊把,是用以夹持焊条、传导电流的工具。有300A、500A两种规格。

2.面罩和护目镜

  是防止焊接飞溅、弧光及高温对焊工面部及颈部灼伤的一种工具。面罩一般分为手持式和头盔式两种,。护目镜按亮度的深浅不同分为6个型号(7~12号),号数越大,色泽越深。

3.电焊条保温筒

  使用低氢型焊条焊接重要结构时,焊条必须先进烘箱焙烘,烘干温度和保温时间因材料和季节而异。焊条从烘箱内取出后,应贮存在焊条保温筒内,在施工现逐根取出使用。

4.焊缝接头尺寸检测器用以测量坡口角度、间隙、错边以及余高、缝宽、角焊缝厚度等尺寸。由直尺、探尺和角度规组成。

5.敲渣锤用来清除焊渣的一种尖锤,可以提高清渣效率。

6.钢丝刷用来清除工件表面的铁锈、油污等氧化物。


三、焊条电弧焊工艺

(一)焊接接头型式、坡口和焊缝

1.接头型式

  用焊接的方法把两工件连接在一起的地方称为焊接接头。焊条电弧焊常用的基本接头型式有对接接头、T形接头、角接接头和搭接接头。

选择接头形式时,主要根据产品的结构,并综合考虑受力条件、加工成本等因素。

2.坡口

  坡口是根据设计或工艺需要,在工件的待焊部位加工成一定几何形状并经装配后构成的沟槽。用机械、火焰或电弧加工坡口的过程称为开坡口。开坡口的目的是为保证电弧能深入到焊缝根部使其焊透,并获得良好的焊缝成形以及便于清渣。对于合金钢来说,坡口还能起到调节母材金属和填充金属比例的作用。

  坡口形式取决于焊接接头形式,工件厚度以及对接头质量的要求,国家标准GB/T985—1988对此作了详细规定。

  对接接头是焊接结构中最常见的接头型式。根据板厚不同,对接接头常用的坡口类型有I形、Y形、X形、带钝边U形等。

  根据工件厚度、结构形式及承载情况不同,角接接头和T型接头的坡口型式可分为I形、钝边的单边V形坡口、K形坡口等。

3.焊缝

(1)焊缝分类

  按空间位置可分为平焊缝、横焊缝、立焊缝及仰焊缝四种型式;按结合方式可分为对接焊缝、角焊缝及塞焊缝三种型式;按焊缝断续情况可分为连续焊缝和间断焊缝两种型式。

(2)焊缝符号为了在焊接结构设计的图纸中标注出焊缝型式、焊缝和坡口的尺寸及其它焊接要求,GB/T324—1988规定了"焊缝符号表示法"。

  焊缝符号主要由基本符号、辅助符号、焊缝尺寸符号和引出线等组成。

(二)焊接工艺参数及选择

  焊条电弧焊的焊接工艺参数通常包括:焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、电源种类和极性、焊接层数等。焊接工艺参数选择的正确与否,直接影响焊缝形状、尺寸、焊接质量和生产率,因此选择合适的焊接工艺参数是焊接生产中不可忽视的一个重要问题。

1.焊条直径

  焊条直径是指焊芯直径。它是保证焊接质量和效率的重要因素。焊条直径一般根据工件厚度选择。同时还要考虑接头形式、施焊位置和焊接层数,对于重要结构还要考虑焊接热输入的要求,在一般情况下,焊条直径与工件厚度之间关系的参考数据,如表1-3所示。

表1-3焊条直径的选择

工件厚度(mm)
2
3
4~5
6~12
13
焊条直径(mm)
2
3.2
3.2~4
4~5
4~6

  在板厚相同的条件下,平焊位置的焊接所选用的焊条直径应比其它位置大一些,立焊、横焊和仰焊应选用较细的焊条,一般不超过4.0mm。第一层焊道应选用小直径焊条焊接,以后各层可以根据工件厚度,选用较大直径的焊条。T型接头、搭接接头都应选用较大直径的焊条。

2.焊接电源种类和极性的选择

  用交流电焊接时,电弧稳定性差。采用直流电焊接,电弧稳定、柔顺、飞溅少。但电弧磁偏吹较交流严重。低氢型焊条稳弧性差,必须采用直流弧焊电源。用小电流焊接薄板时,也常用直流弧焊电源,因为引弧比较容易,电弧比较稳定。

  低氢型焊条用直流电焊接时,一般要用反接,因为反接的电弧比正接稳定。焊接薄板时,焊接电流小,电弧不稳,因此焊接薄板时,不论用碱性焊条还是用酸性焊条,都选用直流反接。

3.焊接电流的选择

  选择焊接电流时,应根据焊条类型、焊条直径、工件厚度、接头型式、焊接位置和层数等因素综合考虑。如果焊接电流过小会使电弧不稳,造成未焊透、夹渣以及焊缝成形不良等缺陷。反之,焊接电流过大易产生咬边、焊穿、增加工件变形和金属飞溅量,也会使焊接接头的组织由于过热而发生变化。所以,焊接时要合理选择电流。

  对于一定直径的焊条有一个合适的焊接电流范围,可参考表1-4选择。

表1-4焊接电流和焊条直径的关系

焊条直径(mm)
1.6
2.0
2.5
3.2
4
5
6
焊接电流(A)
25~40
40~65
50~80
100~130
160~210
200~270
260~300

  在相同焊条直径的条件下,平焊时焊接电流可大些,其它位置焊接电流小些。

  在相同条件的情况下,碱性焊条使用焊接电流一般可比酸性焊条小10%左右,否则焊缝中易产生气孔。

  总之,在保证不焊穿和成形良好的条件下,应尽量采用较大的焊接电流,并适当提高焊接速度,以提高生产率。

4.焊缝层数的选择

  在工件厚度较大时,往往需要进行多层焊。对于低碳钢和强度等级较低的低合金钢的多层焊时,每层焊缝厚度过大时,对焊缝金属的塑性(主要表现在冷弯上)有不利影响。因此,对质量要求较高的焊缝,每层厚度最好不大于4~5mm。

  焊接层数主要根据钢板厚度、焊条直径、坡口型式和装配间隙等来确定,可作如下近似估算:

  n=δ/d

式中:n为焊接层数;δ为工件厚度(毫米); d为焊条直径(毫米)。

5.电弧电压与焊接速度的控制

  焊条电弧焊的电弧电压主要由电弧长度来决定:电弧长度越大,电弧电压越高,电弧长度越短,电弧电压越低。在焊接过程中,应尽量使用短弧焊接。立焊、仰焊

  时弧长应比平焊更短些,以利于熔滴过渡,防止熔化金属下滴。碱性焊条焊接时应比酸性焊条弧长短些,以利于电弧的稳定和防止气孔。

  焊接过程中,焊接速度应该均匀适当,既要保证焊透又要保证不焊穿,同时还要使焊缝宽度和余高符合设计要求。如果焊速过快,熔化温度不够,易造成未熔合、焊缝成形不良等缺陷;如果焊速过慢,使高温停留时间增长,热影响区宽度增加,焊接接头的晶粒变粗,力学性降低,同时使工件变形量增大。当焊接较薄工件时,易形成烧穿。

  焊接速度直接影响焊接生产率,所以应该在保证焊缝质量的基础上采用较大的焊条直径和焊接电流,同时根据具体情况适当加快焊接速度,以提高焊接生产率。

  焊接工艺参数对热影响区的大小和性能有很大的影响。采用小的工艺参数,如降低焊接电流,增大焊接速度等,都可以减小热影响区的尺寸。不仅如此,从防止过热组织和晶粒细化角度看,也是采用小参数比较好。

三、焊条电弧焊的基本操作技术

1.引弧

  电弧焊开始时,引燃焊接电弧的过程叫引弧。焊条电弧焊通常采用接触引弧法,它是先将焊条与工件接触形成短路,再拉开焊条引燃电弧的方法。根据操作手法不同又可分为:直击引弧法和划擦引弧法。

  直击引弧法是使焊条与工件表面垂直地接触,当焊条的末端与工件表面轻轻一碰后,便迅速提起焊条,并保持一定距离,而将电弧引燃的方法。

  划擦引弧法与划火柴有些类似,先将焊条末端对准工件,然后将焊条在工件表面划擦一下,当电弧引燃后立即将焊条末端与被焊工件表面距离保持在2~4mm,电弧就能稳定地燃烧。

  以上两种接触式引弧方法中,划擦法比较容易掌握,但在狭小工作面上或不允许工件表面有划痕时,应采用直击法。在使用碱性焊条时,为防止引弧处出现气孔,宜采用划擦法。

  引弧的位置应选在焊缝起点前约10mm处。引燃后将电弧适当拉长并迅速移到焊缝的起点,同时逐渐将电弧长度调到正常范围。这样做的目的是对焊缝起点处起预热作用,以保证焊缝始端熔深正常,并有消除引弧点气孔的作用。重要的结构往往需增加引弧板。

2.运条

  焊接过程中,焊条相对焊缝所做的各种动作的总称叫运条。运条包括沿焊条轴线的送进、沿焊缝轴线方向的纵向移动和横向摆动三个动作。

  焊条向熔池送进的作用是保证焊条在不断熔化时电弧的长度保持一定,因此送进的速度应该等于焊芯熔化的速度。焊条沿焊接方向运动的作用是形成一定长度、一定尺寸的焊缝,其运动速度实际上就是焊接速度。为了保证焊缝的宽度,焊条还必须作横向摆动。适当的横向摆动不仅可以保证焊缝的宽度,而且还可根据焊缝的位置及要求,合理控制电弧对名部分的加热程度,从而获得良好的焊缝成形。

  运条的方法很多,选用时应根据接头的形式、装配间隙、焊缝的空间位置、焊条直径与性能、焊接电流及焊工技术水平等方面而定。常用运条方法及适用范围见表1-5。

表1-5常用运条方法及适用范围

运条方法
运条示意图
适用范围
直线形运条法
 
1)3~5mm厚度I形坡口对接平焊
2)多层焊的第一层焊道
3)多层多道焊
直线往返形运条法
 
1)薄板焊
2)对接平焊(间隙较大)
锯齿形运条法
 
1)对接接头(平焊、立焊、仰焊)
2)角接接头(立焊)
月牙形运条法
 
同锯齿形运条法
三角形
运条法
斜三角形
 
1)角接接头(仰焊)
2)对接接头(开V形坡口横焊)
正三角形
 
1)角接接头(立焊、)
2)对接接头
圆圈形
运条法
斜圆圈形
 
1)角接接头(平焊、仰焊)
2)对接接头(横焊)
正圆圈形
 
对接接头(厚工件平焊)
八字形运条法
 
对接接头(厚工件平焊)

  表1-5所示的运条型式,实际上是焊条前进与摆动的合成。其中以锯齿形、月牙形和环形应用较多。

  总之,焊接时三个基本运动必须配合得当,以保证焊接电弧长度稳定、焊速适当而均匀、摆幅前后一致,才能得到外观与尺寸合格的焊缝。

3.收尾

  焊缝的收尾是指一条焊缝焊完后如何收弧。焊接结束时,如果将电弧突然熄灭,则焊缝表面留有凹陷较深的弧坑会降低焊缝收尾处的强度,并容易引起弧坑裂纹。过快拉断电弧,液体金属中的气体来不及逸出,还容易产生气孔等缺陷。为克服弧坑缺陷,可采用下述方法收尾:

(1)反复收尾法焊条移到焊缝终点时,在弧坑处反复熄弧、引弧数次,直到填满弧坑为止,此方法适用于薄板和大电流焊接时的收尾,不适用于碱性焊条。

(2)划圈收尾法焊条移到焊缝终点时,在弧坑处做圆圈运动,直到填满弧坑再拉断电弧,此方法适用于厚板。

(3)转移收尾法焊条移到焊缝终点时,在弧坑处稍作停留,将电弧慢慢拉长,引到焊缝边缘的母材坡口内,这时熔池会逐渐缩小,凝固后一般不出现缺陷,此方法适用于换焊条或临时停弧时的收尾。

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