焊条电弧焊: 热能分配及电弧组成分析

焊条电弧焊是熔化焊中最基本的一种焊接方法，它利用电弧产生的热熔化被焊金属，使之形成永久结合。由于它所需要的设备简单、操作灵活，可以对不同焊接位置、不同接头形式的焊缝方便地进行焊接，因此它是目前应用最为广泛的焊接方法。

焊条电弧焊按电极材料的不同可分为熔化极焊条电弧焊和非熔化极焊条电弧焊。熔化极焊条电弧焊是以金属焊条作电极，电弧在焊条端部和母材表面燃烧的焊接方法。图3-35所示是焊条电弧焊示意图。图中电路是以弧焊电源为起点，通过焊接电缆、焊钳、焊条、工件、接地电缆形成回路。在有电弧存在时构成闭合回路，形成焊接过程。焊条和工件在这里既作为焊接材料，也是导体。焊接开始后，电弧的高温瞬间融化了焊条端部和电弧下面的工件表面，使之形成熔池，焊条端部的熔化金属以细小的熔滴状过渡到熔池中去，与母材熔化金属混合，凝固后成为焊缝。

图3-35 焊条电弧焊示意图

焊条电弧焊所用的设备需根据焊条和被焊材料选取。电源分为交流电和直流电两种。使用酸性焊条焊接低碳钢构件时，应优先选用价格低廉、维修方便的交流弧焊机；使用碱性焊条焊接高压容器、高压管道等重要钢结构，或焊接合金钢、有色金属、铸铁时，则应选用直流弧焊机。

1.焊接电弧

焊接电弧是指发生在电极与工件之间的强烈、持久的气体放电现象。

(1)电弧的引燃 常态下的气体由中性分子或原子组成，不含带电粒子。要使气体导电，首先要有一个使其产生带电粒子的过程。焊接操作中一般采用接触引弧。先将电极(钨棒或焊条)和焊件接触形成短路(图3-36a)，此时在某些接触点上产生很大的短路电流，温度迅速上升，为电子的逸出和气体电离提供能量条件，然后将电极提起一定距离(＜5mm，图3-36b)。在电场力的作用下，被加热的阴极有电子高速逸出，撞击空气中的中性分子和原子，使空气电离成阳离子、阴离子和自由电子。这些带电粒子在外电场的作用下定向运动，阳离子奔向阴极，阴离子和自由电子奔向阳极。在它们的运动过程中，不断碰撞和结合，产生大量的光和热，形成电弧(图3-36c)。电弧的热量与焊接电流和电压的乘积成正比，电流越大，电弧产生的总热量就越大。

图3-36 电弧的引燃

(2)电弧的组成 焊接电弧由阴极区、阳极区和弧柱区3部分组成。阴极区因发射大量电子而消耗一定的能量，产生的热量较少，约占电弧热的36％；阳极表面受高速电子的撞击，传入较多的能量，因此阳极区产生的热量较多，占电弧热的43％；其余21％左右的热量在弧柱区产生。

电弧中阳极区和阴极区的温度因电极材料不同而有所不同。用钢焊条焊接钢材料时，阳极区热力学温度约为2600K，阴极区热力学温度约为2400K，弧柱区热力学温度高达5000～8000K。正接时，电弧热量主要集中在焊件(阳极)上，有利于加快焊件的熔化，保证足够的熔深，适用于焊接较厚的工件。反接时，焊条接阳极，适用于焊接有色金属及薄钢板，以避免烧穿焊件。

2.焊接接头

焊缝以及周围不同程度加热和冷却的母材是焊缝的热影响区，统称为焊接接头。

(1)焊缝的形成过程 熔焊焊缝的形成经历了局部加热熔化，使分离工件的结合部位产生共同熔池，再经凝固结晶成为一个整体的过程。

图3-37所示为焊缝形成示意图。在电弧高温作用下，焊条和工件同时产生局部熔化，形成熔池。熔化的填充金属呈球滴状过渡到熔池。电弧在沿焊接方向移动过程中，熔池前部不断参与熔化，并依靠电弧吹力和电磁力的作用，将熔化金属吹向熔池后部，逐步脱离电弧高温而冷却结晶。所以电弧的移动形成动态熔池，熔池前部的加热熔化与后部的顺序冷却结晶同时进行，形成完整的焊缝。

图3-37 焊条电弧焊焊缝形成示意图

焊条药皮在电弧高温下一部分分解为气体，包围电弧空间和熔池，形成保护层，另一部分直接进入熔池，与熔池金属发生冶金反应，并形成渣而浮于焊缝表面，构成渣保护。

(2)焊接冶金过程 焊条电弧焊时，焊接区内各种物质在高温下相互作用，产生一系列变化的过程称为冶金过程。像在小型电弧炼钢炉中炼钢一样，熔池中也进行着熔化、氧化、还原、造渣、精炼和渗合金等一系列的物理化学过程。焊接的冶金过程与一般的冶金过程相比较，有以下特点:温度远高于一般的冶炼温度，因此金属元素强烈蒸发，并使电弧区的气体分解成原子状态，使气体的活性大为增加，导致金属元素烧损或形成有害杂质；冷却速度快，熔池体积小，四周又是冷的金属，熔池处于液态时间很短，一般在10s左右，各种化学反应难以达到平衡状态致使化学成分不均匀，气体和杂质来不及浮出，从而产生气孔和夹渣等缺陷。

由于上述特点，所以在焊接过程中如不加以保护，空气中的氧、氮和氢等气体就会侵入焊接区，并在高温下分解出原子状态的氧、氮和氢，与金属发生一系列的物理化学作用

Fe＋O→Fe 4 FeO→Fe₃ O₄＋Fe

C＋O→CO C＋FeO→Fe＋CO

Mn＋O→MnO Mn＋FeO→Fe＋MnO

Si＋2O→SiO₂ Si＋2FeO→2Fe＋SiO₂

其结果是，钢中的一些元素被氧化，形成FeO·SiO₂、Mn·SiO₂等熔渣，使焊缝中C、Mn、Si等大量烧损。当熔池迅速冷却后，一部分氧化物熔渣残存在焊缝中，形成夹渣，显著降低焊缝的力学性能。

氢和氮在高温时能溶解于液态金属内，氮和铁还可以形成Fe₄ N、Fe₂ N。冷却后，一部分氮保留在钢的固溶体中，Fe₄ N则呈片状夹杂物留存在焊缝中，使焊缝的塑性和韧性下降。氢的存在则引起氢脆性，促使冷裂纹的形成，并且易造成气孔。

所以为保证焊缝质量，焊接过程中必须采取必要的工艺措施，来限制有害气体进入焊缝区，并补充一些烧损的合金元素。焊条电弧焊条的药皮、埋弧焊的焊剂等均能起到这类作用。

3.焊条

(1)焊条的组成及作用 焊条由药皮和焊芯两部分组成。药皮是焊条中压涂在焊芯外表面的涂料层，焊芯是焊条中被药皮包覆的金属芯。焊接时，焊芯既是电极，又是填充金属，因此，焊芯的化学成分和性能对焊接金属有着直接影响。焊接时应根据被焊金属的种类，选择相应牌号的焊丝作为焊芯。焊接碳钢和低合金钢的结构钢焊条常选用型号为ER50-2或ER50-3的低碳钢焊丝为焊芯。“ER”表示焊丝，ER后面的数字表示熔覆金属的最低抗拉强度，短划线“-”后面的数字表示焊丝的化学成分分类代号。碳素钢焊丝的型号及化学成分见表3-8。

表3-8 碳素钢焊丝的型号及化学成分(摘自GB/T 8110—2008)

焊条药皮的作用主要有如下三个方面。

1)保护作用。在电弧热的作用下，药皮熔化形成熔渣并产生某些气体。熔渣和这些气体联合起来，使熔滴、熔池和焊接区与空气隔离，防止氢气等有害气体侵入从而起到保护的作用。

2)冶金作用。焊接过程中，熔渣与溶池金属相互作用进行冶金反应，其结果是去除有害杂质(如氧、氢、硫、磷等)，并向焊缝中添加有益的合金元素(如锰、钛、铝、钒、铌等)，使焊缝具有较理想的化学成分，较高的力学性能和良好的抗气孔及抗裂性能。

3)使焊条具有良好的工艺性能。焊条药皮可以使电弧容易引燃并能稳定地连续燃烧；焊接飞溅少；焊缝成形美观；焊缝易于脱渣及适用于各种空间位置的施焊。

(2)焊条的种类、型号及牌号 焊条种类繁多，我国将焊条按用途分为十大类，即低温钢焊条(W)、铬及铬钼耐热钢焊条(R)、镍基镍合金焊条(N)、结构钢焊条(J)、不锈钢焊条(B)、堆焊焊条(D)、铜及铜合金焊条(T)、铝及铝合金焊条(L)、特殊钢焊条(TS)等，其中应用最多的是结构钢焊条。

按药皮熔化后的酸碱度不同，焊条分为酸性焊条和碱性焊条两类。酸性焊条药皮中以酸性氧化物为主(如SiO₂、TiO₂等)，氧化性强，合金元素烧损大，故焊缝的塑性和韧性不高，且焊缝中氢含量高，抗裂性差，但酸性焊条具有良好的工艺性，对油、水、锈不敏感，交直流电源均可用，广泛用于一般结构件的焊接。碱性焊条(又称低氢焊条)药皮中以碱性氧化物(CaO、FeO、MgO等)为主，并含有较多的铁合金，脱氧、除氢、渗金属作用强。但碱性焊条工艺稳定性较差，电弧稳定性差，对油污、水、锈较敏感，抗气孔性差，一般要求采用直流电源，主要用于焊接重要的钢结构或合金钢结构。

焊条型号是国家标准中的焊条代号。国家标准《非合金钢及细晶粒钢焊条》GB/T 5117—2012规定了非合金钢及细晶粒钢焊条代号。焊条型号由五部分组成:

1)第一部分用字母E表示焊条。

2)第二部分为字母E后面紧邻的两位数字，表示熔敷金属的最小抗拉强度代号，见表3-9。

3)第三部分为字母E后面第三和第四两位数字，表示药皮类型、焊接位置和电流类型，见表3-10。

4)第四部分为熔敷金属的化学成分分类代号，可为“无标记”或短划“-”后的字母、数字或字母和数字组合，见表3-11。

5)第五部分为熔敷金属的化学成分分类代号之后的焊后状态代号，其中“无标记”表示焊态，“P”表示热处理状态，“AP”表示焊态和焊后热处理两种状态均可。

除以上强制分类代号外，根据地供需双方协商，可在型号后依次附加如下可选代号:

1)字母“U”，表示在规定试验温度下，冲击吸收能量可以达到47J以上。

2)扩散氢代号“H×”，其中×代表15、10或5，分别表示每100g熔敷金属中扩散氢含量的最大值(mL)，见表3-12。

例如型号E5515-N5PUH10，其中“E”表示焊条；“55”表示熔敷金属抗拉强度最小值为550MPa；“15”表示药皮类型为碱性，适用于全位置焊接，采用直流反接；“N5”表示熔敷金属化学成分分类代号；“P”表示焊后状态，此处表示热处理状态；“U”可选附加代号，表示在规定试验温度下，冲击吸收能量在47J以上；“H10”可选附加代号，表示熔敷金属扩散氢含量不大于10mL/100g。

表3-9 熔敷金属抗拉强度代号

表3-10 药皮类型代号

①焊接位置见GB/T 16672，其中PA表示平焊，PB表示平角焊，PC表示横焊，PG表示向下立焊。

②此处“全位置”并不一定包含向下立焊，由制造商确定。

表3-11 熔敷金属化学成分分类代号

表3-12 熔敷金属扩散氢含量

(3)焊条的选用原则 焊条的种类很多，各有其适用范围。选用是否恰当将直接影响焊接质量、劳动生产率和产品成本。通常应根据母材的化学成分、力学性能、抗裂性、耐腐蚀性以及高温性能等要求，选用相应的焊条种类。再考虑焊接结构形状、受力情况、工作条件和焊接设备等方面来选用具体的型号与牌号。

1)考虑母材的力学性能和化学成分。焊接低碳钢和低合金结构钢时，应根据焊接件的抗拉强度选择相应强度等级的焊条，即等强度原则:焊接耐热钢、不锈钢等材料时，则应选择与焊接件化学成分相同或相近的焊条，即等成分原则。

2)考虑结构的使用条件和特点。对于承受动载荷或冲击载荷的焊接件，或结构复杂、大厚度的焊接件，为保证焊缝具有较高的塑性和韧性，应选择碱性焊条。

3)考虑焊条的工艺性。对于焊缝清理困难，且容易产生气孔的焊接件，应选择酸性焊条；如果母材中含碳、硫、磷量较高，则应选择抗裂性较好的碱性焊条。

图3-38 焊缝区各点温度变化示意图

4.焊接接头的金属组织与性能

(1)焊接工件温度的变化与分布 焊接时，电弧沿着工件逐渐移动并对工件进行局部加热，焊缝区的金属都是由常温状态开始被加热到较高的温度，然后再逐渐冷却到常温。但随着各点金属所在位置的不同，其最高加热温度是不同的。图3-38所示是焊接时焊件横截面上不同点的温度变化情况，由于各点离焊缝中心距离不同，所以各点最高温度也不一样。又因热传导需要一定的时间，所以各点是在不同的时间达到最高温度的。总的看，焊接过程中，焊缝受到一次冶金过程，焊缝区附近相当于受到一次不同规范的热处理，因此必然引起相应组织与性能的变化。

(2)焊接接头金属组织与性能的变化 以碳钢为例，焊缝和焊缝区附近由于受到电弧不同加热而产生的金属组织与性能的变化如图3-39所示。图中左侧下部是焊件的横截面，上部是相应个点在焊接过程中被加热的最高温度曲线(并非某一瞬时该截面的实际温度分布曲线)。图中1、2、3等各段金属组织性能的变化，可从右侧所示的部分铁-碳合金状态图来对照分析。工件截面图上已示出了各相应点的金属组织变化情况。

图3-39 低碳钢焊接热影响区组织变化示意图

1)焊缝金属。焊缝金属的结晶过程，首先从熔池和母材的交界处开始，然后以联生结晶的方式，即依附于母材晶粒现成表面而形成共同晶粒的方式向熔池中心生长，形成柱状晶，如图3-40所示。因结晶时各个方向冷却速度不同，因而形成柱状的铸态组织，由铁素体和少量珠光体组成。

图3-40 焊缝的柱状晶

因结晶是从熔池底壁的半熔化区开始逐渐进行的，低熔点的硫磷杂质和氧化铁等易偏析集中在焊缝中心区，将影响焊缝的力学性能，因此对焊条或其他焊接材料应慎重选用。

焊接时，熔池金属受电弧吹力和保护气体吹动，使熔池底壁的柱状晶体成长受到干扰，因此柱状晶体呈倾斜层状，晶粒有所细化。又因焊接材料的渗合金作用，焊缝金属中锰、硅等合金元素含量可能比基本金属(母材)高，所以焊缝金属的性能可不低于基本金属。

2)焊接热影响区。焊接热影响区是指焊缝两侧因焊接热作用而发生组织性能变化的区域。由于焊缝附近各点受热情况不同，热影响区可分为熔合区、过热区、正火区和部分相变区等。

①熔合区。熔合区是焊缝和基本金属的交界区，相当于加热到固相线和液相线之间，焊接过程中母材部分熔化，所以也称为半熔化区。熔化的金属凝固成铸态金属，未熔化的金属因加热温度过高而成为过热粗晶。在低碳钢焊接接头中，熔合区虽然很窄(约0.1～1mm)，但因强度、塑性和韧性都下降，而此处接头断面又发生变化，引起应力集中，所以熔合区在很大程度上决定接头的性能。

②过热区。被加热到Ac₃以上100～200℃至固相线温度区间，奥氏体晶粒急剧长大，形成过热组织，因而过热区的塑性及韧性降低。对于易淬火硬化钢材，此区脆性更大。

③正火区。被加热到Ac₃至Ac₃以上100～200℃区间，金属发生重结晶，冷却后得到均匀而细小的铁素体和珠光体组织，其机械性能优于母材。

④部分相变区。相当于加热到Ac₁～Ac₃温度区间。珠光体和部分铁素体发生重结晶，使晶粒细化；部分铁素体来不及转变，冷却后晶粒大小不一，因此力学性能稍差。

5.焊接应力变形

金属构件在焊接以后，总要发生变形和产生焊接应力，且二者是伴生的。焊接应力的存在，对构件质量、使用性能和焊后机械加工精度有很大影响，甚至导致整个构件断裂；焊接变形不仅给装配工作带来很大的困难，还会影响构件的工作性能。变形量超过允许数值时必须进行矫正，因此，在设计和制造焊接结构时，应尽量减少焊接应力和变形。

常见的焊接变形有收缩变形、角变形、弯曲变形、波浪变形和扭曲变形等五种形式，如图3-41所示。

收缩变形是由于焊缝金属沿纵向和横向的焊后收缩而引起的；角变形是由于焊缝截面上下不对称，焊后沿横向上下收缩不均匀而引起的；弯曲变形是由于焊缝布置不对称，焊缝较集中的一侧纵向收缩较大而引起的；扭曲变形常常是由于焊接顺序不合理而引起的；波浪变形则是由于薄板焊接后焊缝收缩时，产生较大的收缩应力，使焊件丧失稳定性而引起的。

图3-41 焊接变形的基本形式

a)收缩变形 b)角变形 c)弯曲变形 d)扭曲变形 e)波浪变形

减少焊接应力与变形的措施除了设计时应考虑外，还可采取一定的工艺措施，有预留变形量法、反变形法、刚性固定法、锤击焊缝法、加热“感应区”法等。