焊条电弧焊的应用和特性

陈金钰，董恩强，孙永莹，卢艳吉，胡亚坤(海洋石油工程股份有限公司，天津 300452)

0 引言

大多数行业中仍在大量使用电极弧焊，除了某些有毒合金外，大多数材料都可以使用电极弧焊。该工艺如此大众化有下列原因。首先，设备简单适用性强，现实应用中，还有许多通过汽油或柴油提供动力的焊机，这样即使在偏远地区也能进行焊接作业。其次，开发的新型电焊机轻量，体积小，携带方便。第三，电极的种类丰富，选择性强，适合在各种条件下使用。第四，通过现代化设备和制造工艺的进步，力求适应环境，不断满足高质量的焊接需求。

1 电极的介绍

1.1 电极的构成

以低碳沸腾丝作为碳钢和低合金钢焊条的芯，电极弧焊是利用电极与待焊金属之间传导电流，使之产生电弧，在电弧热的作用下将焊芯熔化到工件的熔池内。电极弧焊的主要元件是电极本身，所有的合金化都是由电极表面的附着物提供的，这种附着物被称为药皮。干燥的电极药皮是一种非导体，在电弧作用后产生以下作用：(1)药皮分离出的气体可以对熔池提供保护；(2)药皮能分解成渣子覆盖在熔池表面，起到排除无用气体和杂质的作用；(3)药皮含有多种合金元素，可以为焊接提供需要的合金元素；(4)当药皮熔化时，能够改善电性，从而改善电弧稳定性；(5)融化后的药皮附着在熔池表面，为焊缝起到隔热和降低冷却速度的作用。

1.2 电极标识

由于电极在电极弧焊中如此重要，所以必须了解其分类和标识。电极标识由字母E和后续的四或五个数字组成，字母E代表电极，前两位或三位数字代表填充金属的最小抗拉强度。下一个数字表示电极的可焊位置。数字“1”代表可用于所有位置的焊接，数字“2”代表只能用于平焊或横焊的位置，数字“4”代表可用于垂直位置从下向上焊接，数字“3”已经不再使用。末尾一个数字代表电极涂层的成分所具有的其他性能，涂层中的成分决定了该电极的工作性能以及电流的类型和极性。需要额外注意的是电极末位数字为“5”“6”“8”的为碱性电极。这些碱性电极购买时应装在密闭的容器中，存放于离地高0.3 m以上，使用前按照厂家规格书的相关标准进行烘干，从烘箱取出后存放于65～150 ℃的保温箱内进行保温[1]。

1.3 电极的分类及优缺点

按熔渣的碱度可将电极分为：酸性电极和碱性电极两大类，其中药皮中含有大量SiO2、TiO2等酸性物质及一部分碳酸盐等，其熔渣碱度小于1的电极为酸性电极，药皮中含有大量大理石、萤石等碱性物质，及一部分脱氧剂和合金剂的为碱性电极。酸性电极的优点主要有：可以交直流两用，电弧柔和、飞溅少、熔渣流动性良好、容易脱渣、焊缝外观好。缺点是由于药皮中含有较多的氧化铁、氧化钛及氧化硅等氧化性较强的物质，所以在焊接过程中比较容易损耗合金元素，并且在焊缝金属中存在较多的氧和氢元素，降低了塑性和韧性。钛型、钛钙型、钛铁型和氧化铁型都属于酸性电极。

碱性电极的优点是通过碳酸盐分解产生的CO2作为保护气体，在电弧气氛中氢的分压低，萤石(CaF2)在高温时与氢结合转换成HF，因此降低了焊缝中的氢含量，所以碱性电极又称为低氢电极。其熔渣中含有大量CaO，熔渣的脱硫能力强，熔覆金属抗热裂纹能力强，因为熔覆金属中氧和氢含量少，非金属夹杂物含量少，所以，碱性电极的焊缝具有良好的韧性和塑性能力，及良好的抗裂性能。缺点是药皮中存在较多的萤石，阻碍了气体电离，以至于焊接工艺性能(包括稳弧性、脱渣性、飞溅等)较差，一般要求使用直流电源，用反接法焊接。只有当药皮中加入稳弧剂后才能用交流电源。此外，对环境要求严苛如焊件表面的锈蚀、水渍、油污等都会导致气体等缺陷，并且产生的毒气和烟尘多对焊工的身体健康不利。

1.4 电极弧焊的工艺原理

焊接时，将电极与工件接触短路后马上提起电极，引燃电弧。电弧的高温将电极和工件加热至熔融状态，电极头部熔化后的熔液与熔化的母材融合在一起形成熔池，电弧不断向前移动，后面的熔池液态金属开始冷却结晶，形成连接焊缝，电极的药皮在电弧高温作用下燃烧，产生保护气体，并形成熔渣，保护熔池和凝固的焊缝金属不受外界污染。并且有助于改善焊缝外形，形成平整光滑的焊缝表面。由于药皮中含有脱氧剂在药皮熔化过程中还对熔化的金属具有脱氧作用，使之形成致密的焊缝金属。

2 电极的选择、使用和管理

2.1 电极的选用原则

选用电极的基本原则是保证结构的安全、可靠使用的前提下，根据焊件的成分、力学性能要求、工件厚度和接头形式、结构特点、受力情况、使用条件等对焊缝性能的要求、施工条件和经济效益综合考虑，尽可能采用焊件工艺性好、生产效率高的。

在正规的焊件作业中，电极的选用从施工设计阶段就已经开始，设计人员根据结构的强度计算要求，在施工图中规定电极的强度等级，如果根据结构的使用条件，对接头的性能有特别要求，则需要在施工图中附加说明，例如对焊缝的低温冲击韧性有要求，接头焊接完要求进行热处理等方法消除应力。对不锈钢等焊接，应规定焊缝腐蚀试验和评定标准。当施工单位按施工图纸准备投产时，焊接工程师应按图纸对电极强度级别的规定和其他要求，根据自己单位的施工条件，生产情况，焊接设备和组对精度选定合适的电极型号和牌号，并按相关标准规范进行焊接工艺评定试验，评定结果合格后方可投入生产。

2.2 电极的使用

电极在出厂前经过高温烘干，并用袋、筒、罐等防潮材料包装，起到一定的防潮效果，一般在使用前拆封。考虑到电极在长期保存和运输过程中可能受潮，为了保证质量，在电极使用前应进行烘烤。烘干后的碱性低氢电极应存放在100～150 ℃的保温箱内，使用时应一根一根的随用随取，不得手持一把待用。一般情况下低氢型电极在常温下超过4 h时，应再次烘干，重复烘干次数不得超过2次，以防药皮变质、开裂，影响焊接质量。烘干电极时，不得成垛或成捆堆放，应铺放成层状，每层堆放不宜太厚一般为1～3层，避免烘干时受热不均和潮气散不出去，严禁将电极突然放进高温炉内或从炉中突然取出冷却，以防因急冷急热导致药皮开裂、脱皮等。烘干时应做好记录，记录中要有牌号、批号、温度和时间等信息。在烘烤期间，要有专门的技术人员对操作过程进行检查核对，对每批抽查不得少于1次，并在记录上签字[2]。

2.3 电极的管理

电极最大的问题是受潮变质，和错用乱用。这关系到焊接质量和结构安全使用问题，必须十分警惕。对于重要产品的焊接，如锅炉压力容器的制造，一般都把焊接材料的管理作为质量保证体系中的重要一环，建立严格的分级管理制度，一级库主要负责验收、存储与保管；二级库主要负责焊接材料的预处理(如再烘干等)，向焊工发放和回收等。电极入库前，应首先检查包装是否完好，产品说明书、合格证和质量保证书等是否齐全。必要时按国家标准进行复验，合格后才允许入库。库房中应按品种、批号、牌号、规格、入库时间等分开存放。每个区域应标注明确，不得随意放乱。电极应在通风干燥的仓库中保存，并应保持整洁。室温宜在10～25 ℃，相对湿度＜50%。电极储存库内，不许露天存放或放置有害气体和腐蚀性介质环境内。库内的电极应存放在架子上，架子离地面和墙面应保持一定距离，架下应放置干燥剂，严防受潮。电极是一种陶质产品，本身耐冲击能力差，所以装、卸货时应轻拿轻放。

3 电极弧焊的特性

3.1 陡降特性

电极弧焊使用的电源，具有“骤降”的特点。当焊工使电极远离焊道时，电流流经的距离增大，这样会增加回路中的电阻，从而轻微降低了流经电弧间隙的电流。电流的这种轻微降低会急剧地提升电源的电压，而电压的提升又阻碍了电流的进一步减少。因为热量与电压、电流和时间成正比，所以可以容易的看出长电弧产生的热量比短电弧产生的热量更多。从这个原理看，焊工可以很轻松的调整熔融金属的流动性，焊工只要改变电极与工件的距离即可。但是，如果电极离工件过远，电弧浓度就会降低，从而加快流失焊道的热量，影响电弧的稳定性。药皮产生的保护气体量有限，过长的距离也会影响对焊道的保护。

3.2 磁偏吹的危害和解决方法

磁偏吹是一种物理现象，当电流通过导体时就会产生磁场，电流方向与磁场方向垂直，看起来像是很多组同心圆环绕着导体。最强的磁场在导磁材料内部，而导磁材料外面的、必须通过空气行进的磁场则会受阻。所以，当焊接如钢材这种导磁材料时，在电弧接近工件的边缘、焊道端部、或者工件的外形有突变之处时，就会产生磁场扭曲。这种现象会导致气孔、飞溅、咬边、成型不良和降低焊缝熔深等缺陷。那么我们应该如何减少磁偏吹的影响呢，建议使用如下办法：(1)采用交流电源；(2)将电极和工件保持短距离；(3)在工艺规定的范围内尽量使用较小的电流；(4)倾斜焊条并与磁偏吹方向相反；(5)在待焊位置的两端加引弧板和息弧板。

4 电极弧焊的局限性

电极弧焊的缺点之一是较低的生产效率，因为电极长度很短，焊工必须不断地更换电极，这种频繁的操作大大的降低了焊接速度。电极弧焊的另一个缺点是，焊接之后，焊道表面会附着一层焊渣，如果不能清理干净就进行后续焊接会形成夹渣的缺陷。其局限性是：当使用碱性电极时，电极需要提前烘干，并存放于规定的保温桶中，以保持其低氢含量。

5 结语

由于焊条种类繁多，且焊条电弧焊是手工操作，所以不当的操作可能造成诸多缺陷，本文通过对焊条的介绍，焊条电弧焊的特性和局限性分析，简单介绍了一些注意事项和减少缺陷的措施，使长期进行手工焊接作业的人员有一定的深入了解和帮助。