[科普中国]-电弧焊接

简史

早在19世纪的许多焊接实验后，一个名叫威勒德的英国人首先于1865年得到电弧焊接专利，他利用电流通过二个小铁件而成功地将它们熔合，而大约在二十年后，一个名叫伯纳德的俄国人获得一项电弧焊接制程专利，他于碳极棒和工件间维持一电弧，当电弧由手工操作通过工件接头时，将待焊工件熔合在一起。在19世纪90年代，又发展出以实心金属为电极，同时于熔池中消耗并成为焊接金属的一部份，但由于空气中的氧及氮于焊接金属中形成有害的氧化物及氮化物，因而导至焊接品质不佳。

在20世纪初期，保护电弧以避免空气渗入的重要性已受到了解，而利用电弧热将被覆涂料分解成保护气罩的电极成为最佳方法，其间包卷和浸渍法被尝试使用于涂料的涂布作业，而在20世纪20年代中期，发展出被覆焊条，大大改进了焊接金属的品质，同时也可能是电弧焊接最重要的改造。在焊接过程中的主要设备有电焊机、焊钳和面罩等。

原理焊接电弧是由焊接电源供电的，在一定电压作用下，电极(或焊丝、电焊条端部)与工件之间产生的强烈且持久的放电现象。焊接电弧的实质是气体导电，即电弧所在的空间中的中性气体在一定电压作用下分解成带正电荷的正离子和带负电荷的电子，称为电离，这两种带电质点分别向两极方向运动，使局部气体导电形成电弧。电弧把电能转换成热能，加热和熔化金属，形成焊接接头。1

由于电弧被诱发“点燃”后，放电过程自身能够产生维持放电所需的带电粒子，属于一种自持放电现象。并且电弧放电过程电压低、电流大、温度高、发光强。借助这个过程，电能被转换为热能、机械能和光能。焊接则主要利用其热能和机械能来达到连接金属的目的。2

焊接时，电弧在焊条与被焊工件之间燃烧，使被焊工件和焊条芯熔化形成熔池。同时，焊条药皮也被熔化，并发生化学反应，形成熔渣和气体，对焊条端部、熔滴、熔池及高温的焊缝金属起保护作用。

主要分类常见的电弧焊接方法主要包括焊条电弧焊(SMAW)、埋弧焊(SAW)、钨极氩弧焊(GTAW或TIG焊接)、等离子弧焊(PAW)和熔化极气体保护电弧焊(GMAW或者MIG焊接、MAG焊接)等。

焊条电弧焊焊条电弧焊以焊条和工件作为两个电极，焊接时利用电弧的热量和吹力作用使工件局部熔化。同时，在电弧热作用下，焊条末端熔化形成熔滴，工件局部熔化形成一个椭圆形充满液体金属的凹坑，工件熔化的液体金属与熔滴形成熔池，焊接过程中，药皮和非金属夹杂互相熔解，经化学变化形成覆盖于焊缝表面的非金属物质称为熔渣。随着电弧的移动，熔池冷却凝固后形成焊缝。

埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧进行焊接的方法。埋弧焊所用的金属电极是不问断、自动送进的裸焊丝，焊接过程中一般采用焊接小车或其他机械电气装置实现电弧的自动移动。埋弧焊的电弧是埋在颗粒状焊剂下面燃烧，电弧热使工件电弧直接作用的部分、焊丝端部和焊剂熔化并产生蒸发，金属和焊剂蒸发的气体在电弧周围形成一个封闭空腔，电弧在这个空腔中燃烧。空腔被由焊剂熔化产生的熔渣所构成的渣膜所包同，这层渣膜不仅很好地隔绝了空气与电弧、熔池的接触，而且使弧光不能辐射出来。被电弧加热熔化的焊丝以熔滴的形式落下，与熔化的工件金属混合形成熔池。密度较小的熔渣浮在熔池之上，熔渣除了对熔池金属的机械隔离保护作用外，焊接过程中还与熔池金属发生冶金反应，从而影响焊缝金属的化学成分。电弧向前移动，熔池金属逐渐冷却后结晶形成焊缝，浮在熔池上部的熔渣冷却后，形成渣壳继续对高温下的焊缝起保护作用，避免其被氧化。

钨极氩弧焊钨极氩弧焊是指以钨或钨合金(钍钨、铈钨等)作为电极，用氩气作为保护气体的电弧焊方法，简称TIG焊或GTAW焊。焊接时，根据焊缝的坡口形式及焊缝金属性能的需要，可以添加或者不添加填充金属。填充金属通常从电弧的前方加入。由于铝镁及其合金材料的特殊性，其焊接需要采用交流钨极氩弧焊，其他金属材料则采用直流钨极氩弧焊。为了控制热输入量，目前脉冲钨极氩弧焊应用越来越广泛。

等离子弧焊等离子弧是一种特殊形式的电弧，该电弧也是钨或钨合金(钍钨、铈钨等)作为电弧的电极，用氩气作为保护气体，但是其钨极不是伸出喷嘴，而是内缩到喷嘴之内，其喷嘴采用水冷，又称为水冷喷嘴。其惰性气体气分为两部分，一部分是由钨极与水冷喷嘴之间喷出的气体，被称为离子气；另一部分是由水冷喷嘴与保护气罩之间喷出的气体，被称为保护气，利用等离子弧作为热源可以进行焊接、切割、喷涂及堆焊等

熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊是指焊丝代替钨极，焊丝本身即是电弧的一极，起导电、燃弧的作用，同时又作为填充材料，在电弧作用下连续熔化填充到焊缝中。电弧周围常用的保护气体可以是惰性气体Ar，也可以是活性气体C02，或者是Ar+CO2混合气体等。采用Ar作为保护气体的熔化极气体保护焊称为MIG焊；采用CO2作为保护气体的熔化极气体保护焊称为CO2焊。3

技术应用电弧焊可以用来焊接所有的金属材料，例如铝、镁、铜、镍及其合金，不锈钢，碳钢，低合金结构钢等，还用于碳钢、低合金结构钢以及不锈钢等材料的焊接，利用电弧焊接可运用于简单的钢筋接头的搭接这一作用，在大多数的轨道交通行业电弧焊接也得以广泛运用。现在各国主要运用埋弧焊(熔剂层下的电弧焊)的方法来生产大直径、高强度的直缝焊管和螺旋焊管。同时电弧焊接及切割能够在水下进行，用于打捞沉浸的船只工作中、船只水下部分的修理工作及各种水利工程工作中，这些工作均由潜水焊工实现之

另外在钢筋电弧焊接的使用过程中需要注意为保证焊缝金属与钢筋熔合良好，必须根据钢筋的牌号、直径、接头型式和焊接位置，选用合适的焊条、焊接工艺和焊接参数；钢筋端头间隙、钢筋轴线以及帮条尺寸、坡口角度等，均应符合规程有关规定；接头焊接时，引弧应在垫板、帮条或形成焊缝的部位进行，防止烧伤主筋；焊接地线与钢筋应接触良好，防止因接触不良而烧伤主筋；焊接过程中应及时清渣，焊缝表面应光滑，焊缝余高应平缓过渡，弧坑应填满。4