第一節(jié)焊條電弧焊與電弧切割的工作原理、適用范圍及安全特點(diǎn)

1、第三章 焊條電弧焊與電弧切割 第一節(jié) 焊條電弧焊與電弧切割的工作原理、適用范圍及安全特點(diǎn)  一、焊條電弧焊與電弧切割的基本原理 (一)焊條電弧焊的基本原理 焊條電弧焊是工業(yè)生產(chǎn)中應(yīng)用最廣泛的焊接方法，它的原理是利用電弧放電(俗稱電弧燃燒)所產(chǎn)生的熱量將焊條與工件互相熔化并在冷凝后形成焊縫，從而獲得牢固接頭的焊接過(guò)程，如圖31所示。 圖31 焊條電弧焊示意圖1焊條芯；2焊藥：3液態(tài)熔渣；4凝固的熔渣；5保護(hù)氣體；6熔滴；7熔池；8焊縫；9工件；10電?。?1焊鉗  在工件與焊條兩電極之間的氣體介質(zhì)中持續(xù)強(qiáng)烈的放電現(xiàn)象稱為電弧。焊條電弧焊焊接低碳鋼或低合金鋼

2、時(shí)，電弧中心部分的溫度可達(dá)60008000，兩電極的溫度可達(dá)到24002600，如圖32所示。 圖32 電弧示意圖  電弧燃燒的必要條件是氣體電離及陰極電子發(fā)射。 1氣體電離 氣體和自然界的一切物質(zhì)一樣，其電子是按一定的軌道環(huán)繞原子核運(yùn)動(dòng)，在常態(tài)下原子是呈中性的，氣體的分子也是呈中性的，氣體中幾乎沒(méi)有帶電質(zhì)點(diǎn)，因此常態(tài)下氣體不能導(dǎo)電，電流也通不過(guò)，電弧不能自發(fā)地產(chǎn)生。但是在一定的條件下，氣體原子中的電子從外部獲得足夠的能量，就能脫離原子核的引力而成為自由電子，同時(shí)原子因失去電子而成為正離子。這種使中性的氣體分子或原子釋放電子形成正離子的過(guò)程稱為氣體電離。 在焊接時(shí)，使氣體介

3、質(zhì)電離的種類主要有熱電離、電場(chǎng)作用下的電離、光電離。 (1)熱電離 氣體粒子受熱的作用而產(chǎn)生的電離稱為熱電離。溫度越高，熱電離作用越大。 (2)電場(chǎng)作用下的電離 帶電粒子在電場(chǎng)的作用下，各作定向高速運(yùn)動(dòng)；產(chǎn)生較大的動(dòng)能，當(dāng)不斷與中性粒子相碰撞時(shí)，則不斷地產(chǎn)生電離。如兩電極間的電壓越高，電場(chǎng)作用越大，則電離作用越強(qiáng)烈。 (3)光電離 中性粒子在光輻射的作用下產(chǎn)生的電離，稱為光電離。 2陰極電子發(fā)射 陰極的金屬表面連續(xù)地向外發(fā)射出電子的現(xiàn)象，稱為陰極電子發(fā)射。 焊接時(shí)，氣體的電離是產(chǎn)生電弧的重要條件，但是，如果只有氣體電離而陰極不能發(fā)射電子，沒(méi)有電流通過(guò)，那么電弧還是不能形成。因此陰極電子發(fā)射也和

4、氣體電離一樣，都是電弧產(chǎn)生和維持的必要條件。 一般情況下，電子是不能自由離開金屬表面向外發(fā)射的，要使電子逸出電極金屬表面而產(chǎn)生電子發(fā)射，就必須加給電子一定的能量，使它克服電極金屬內(nèi)部正電荷對(duì)它的靜電引力。所加的能量越大，促使陰極產(chǎn)生電子發(fā)射作用就越強(qiáng)烈。 焊接時(shí)陰極所吸收的能量的不同，所產(chǎn)生的電子發(fā)射有以下幾類；熱發(fā)射、電場(chǎng)發(fā)射、撞擊發(fā)射等。陰極發(fā)射電子后，又從焊接電源獲得新的電子。 (1)熱發(fā)射 焊接時(shí)，陰極表面溫度很高，陰極中的電子運(yùn)動(dòng)速度很快，當(dāng)電子的動(dòng)能大于陰極內(nèi)部正電荷的吸引力時(shí)，電子即沖出陰極表面，產(chǎn)生熱發(fā)射。溫度越高，則熱發(fā)射作用越強(qiáng)烈。 (2)電場(chǎng)發(fā)射 在強(qiáng)電場(chǎng)的作用下，由于電

5、場(chǎng)對(duì)陰極表面電子的吸引力，電子可以獲得足夠的動(dòng)能，從陰極表面發(fā)射出來(lái)。當(dāng)兩電極的電壓越高，金屬的逸出功小，則電場(chǎng)發(fā)射作用越大。 (3)撞擊發(fā)射 當(dāng)運(yùn)動(dòng)速度較高、能量較大的正離子撞擊陰極表面時(shí)，將能量傳遞給陰極而產(chǎn)生的電子發(fā)射現(xiàn)象，叫做撞擊發(fā)射。如果電場(chǎng)強(qiáng)度越大，在電場(chǎng)的作用下正離子的運(yùn)動(dòng)速度也越快，則產(chǎn)生的撞擊發(fā)射作用也越強(qiáng)烈。 實(shí)際上在焊接時(shí)，以上幾種電子發(fā)射作用常常是同時(shí)存在，相互促進(jìn)的，但在不同條件下，它們所起的作用可能稍有差異。例如，在引弧過(guò)程中，熱發(fā)射和電場(chǎng)發(fā)射起著主要作用；電弧正常燃燒時(shí)，如采用熔點(diǎn)較高的材料(鎢或碳等)作陰極，則熱發(fā)射作用較顯著；如采用銅或鋁等作陰極時(shí)，撞擊發(fā)射和

6、電場(chǎng)發(fā)射就起主要影響；而鋼作陰極時(shí)，則和熱發(fā)射、撞擊發(fā)射、電場(chǎng)發(fā)射都有關(guān)系。 (二)電弧切割的基本原理 電弧切割主要有碳弧氣割、碳弧刨割條和等離子弧切割。等離子弧切割將在第五章中介紹。 1碳弧氣割 碳弧氣割是利用碳極電弧的高溫，把金屬的局部加熱到熔化狀態(tài)，同時(shí)用壓縮空氣的氣流把熔化金屬吹掉，從而達(dá)到對(duì)金屬進(jìn)行切割的一種加工方法，如圖33所示。目前，這種切割金屬的方法在金屬結(jié)構(gòu)制造部門得到廣泛應(yīng)用。 圖33 碳弧氣刨切割示意圖  碳弧氣割過(guò)程中，壓縮空氣的主要作用是把碳極電弧高溫加熱而熔化的金屬吹掉，還可以對(duì)碳棒電極起冷卻作用，這樣可以相應(yīng)地減少碳棒的燒損。但是，壓縮空氣的流

7、量過(guò)大時(shí)，將會(huì)使被熔化的金屬溫度降低，而不利于對(duì)所要切割的金屬進(jìn)行加工。 2碳弧刨割條 電弧刨割條的外形與普通焊條相同，是利用藥皮在電弧高溫下產(chǎn)生的噴射氣流，吹除熔化金屬、達(dá)到刨割的目的。工作時(shí)只需交、直流弧焊機(jī)，不用空氣壓縮機(jī)。操作時(shí)其電弧必須達(dá)到一定的噴射能力，才能除去熔化金屬。  二、焊條電弧焊與電弧切割的適用范圍 (一)焊條電弧焊的適用范圍 焊條電弧焊是用手工操縱焊條進(jìn)行焊接工作的，可以進(jìn)行平焊、立焊、橫焊和仰焊等多位置焊接。另外由于焊條電弧焊設(shè)備輕便，搬運(yùn)靈活，所以說(shuō)，焊條電弧焊可以在任何有電源的地方進(jìn)行焊接作業(yè)。適用于各種金屬材料、各種厚度、各種結(jié)構(gòu)形狀的焊接。 (二)電

8、弧切割的適用范圍 (1)用電弧切割對(duì)焊縫進(jìn)行清根，比過(guò)去生產(chǎn)中常使用的風(fēng)鏟生產(chǎn)效率可提高數(shù)倍，尤其是在仰焊和立焊位置進(jìn)行焊縫清根時(shí)，其優(yōu)越性更為突出。 (2)改善了工人的勞動(dòng)條件：過(guò)去在使用風(fēng)鏟進(jìn)行開坡口和清根時(shí)，噪聲和振動(dòng)大，長(zhǎng)年使用風(fēng)鏟工作的工人，多患有耳聾性職業(yè)病，而且勞動(dòng)強(qiáng)度也很高。 (3)可以用電弧切割來(lái)加工焊縫坡口，特別適用于開U型坡口。 (4)使用方便，操作靈活：對(duì)處于窄小空間位置的焊縫，只要輕巧的刨槍能伸進(jìn)去的地方，就可以進(jìn)行切割作業(yè)。 (5)可以用電弧切割清除不合格焊縫中的缺陷，然后進(jìn)行修復(fù)。也可以用電弧切割清理鑄件的毛邊、飛刺、澆鑄冒口及鑄件中的缺陷。 (6)可以用電弧切割

9、的方法加工多種不能用氣割加工的金屬，如鑄鐵、不銹鋼、銅、鋁等。 (7)設(shè)備、工具簡(jiǎn)單，操作使用安全。只要有一臺(tái)直流電焊機(jī)，有壓縮空氣，有專用的電弧切割極及碳棒，就可以工作了。不需要像氧一乙炔焰切割那樣使用易燃、易爆氣體，因此操作使用安全。  三、焊條電弧焊與電弧切割的安全特點(diǎn) (一)焊條電弧焊的安全特點(diǎn) (1)焊條電弧焊焊接設(shè)備的空載電壓一般為5090V。而人體所能承受的安全電壓為3045V，由此可見手工電弧焊焊接設(shè)備的空載電壓高于人體所能承受的安全電壓，所以當(dāng)操作人員在更換焊條時(shí)，有可能發(fā)生觸電事故。尤其在容器和管道內(nèi)操作，四周都是金屬導(dǎo)體，觸電危險(xiǎn)性更大。因此焊條電弧焊操作者在操

10、作時(shí)應(yīng)戴手套，穿絕緣鞋。 (2)焊接電弧弧柱中心的溫度高達(dá)60008000。焊條電弧焊時(shí)，焊條、焊件和藥皮在電弧高溫作用下，發(fā)生蒸發(fā)、凝結(jié)和氣體，產(chǎn)生大量煙塵。同時(shí)，電弧周圍的空氣在弧光強(qiáng)烈輻射作用下，還會(huì)產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有毒氣體，在通風(fēng)不良的情況下，長(zhǎng)期接觸會(huì)引起危害焊工健康的多種疾病。因此焊接環(huán)境應(yīng)通風(fēng)良好。 (3)焊接時(shí)人體直接受到弧光輻射(主要是紫外線和紅外線的過(guò)度照射)時(shí)，會(huì)引起操作者眼睛和皮膚的疾病。因此操作者在操作時(shí)應(yīng)戴防護(hù)面具和穿工作服。 (4)焊條電弧焊操作過(guò)程中，由于電焊機(jī)線路故障或者飛濺物引燃可燃易爆物品以及燃料容器管道補(bǔ)焊時(shí)防爆措施不當(dāng)?shù)?，都?huì)引起爆炸和火災(zāi)事故。 (二)電弧切割的安全特點(diǎn) 電弧切割時(shí)，除應(yīng)知道焊條電弧焊的安全特點(diǎn)外，還應(yīng)注意以下幾點(diǎn)： (1)電弧切割過(guò)程中，由于有壓縮空氣的存在，露天操作時(shí)，應(yīng)注意順風(fēng)方向進(jìn)行操作，以防吹散的熔渣燒壞工作服和灼傷皮膚，并要注意周圍場(chǎng)地的防火。 (2)在容器或艙室內(nèi)部操作時(shí)，內(nèi)部空間尺寸不能過(guò)于窄小，并要加強(qiáng)抽風(fēng)及排除煙塵措施。 (3)切割時(shí)應(yīng)盡量使用帶銅皮的專用碳棒。 (4)電弧切割時(shí)使用電流較大，連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，要注意防止焊機(jī)超載，以免燒毀焊機(jī)。 為克服電弧切割的