手弧焊 (MMA) 基礎知識

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概述

手弧焊焊接(焊接方法編號 111)屬于一種熔化焊接方法,進一步是歸類到金屬電弧焊接方法。ISO 857-1 標準(1998年出版)中對這類焊接方法做了描述,下面是從英語翻譯過來的描述:
金屬電弧焊接:一種電弧焊接過程,在這個過程中采用了一個消耗性的電極。沒有保護氣體的金屬電弧焊接:一種金屬電弧焊接過程,在這個過程中沒有外部輸入的保護氣體。手工金屬電弧焊接:由手工完成的金屬電弧焊接,在這個過程中采用了一個包敷了一層藥皮的電極。
在德國人們將最后提到的這種方法稱為電弧手工焊接或簡稱為手弧焊(口語中也會被成為電極焊接)。在說英語的地區,對這種方法的縮寫是 MMA 或 MMAW (Manual Metal Arc Welding)。這種方法的特點是,電弧在一個熔化的電極和熔池之間燃燒,沒有外加的保護,所有的防止大氣的保護作用均來自于電極本身。電極既是電弧的載體,又是填充材料。外層的藥皮會生成熔渣和/或保護氣體,它們保護過渡的熔滴和熔池不受大氣中的氧氣,氮氣和氫氣的侵入。

Anwendung E-Hand

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電流類型

電弧手工焊接(MMA手弧焊)在原則上既可以用直流電流,也可以用交流電流來焊接。當然,并不是所有藥皮類型的電焊條都可以用正弦波的交流電流來焊接,例如純堿性的焊條就不行。大部分的焊條類型在用直流電流焊接時都是焊條接負極性,工件接正極性。堿性焊條在此卻屬于例外,這類焊條接正極性時焊接效果更好。有一些纖維素型的焊條品牌也是接正極性焊接。在關于電焊條類型的章節中有更詳細的描述。電焊條是焊工手上的工具,焊工將燃燒著電弧的電焊條置于焊縫處并使焊縫邊緣的金屬熔化。不同的焊縫形式和母材厚度需要用不同強度的電流。對于一定的電焊條,其所能承受的電流強度有一定的限度,該限度和電焊條的直徑和長度有關,所以在市場上有各種不同直徑和長度規格的電焊條。DIN EN 759 標準中對這些尺寸作了規定。電焊條的芯棒直徑越大,所要用到的焊接電流也越大。

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電焊條類型

電焊條上包敷的藥皮有不同的類別,其成分有很大的差別。藥皮的構成決定了電焊條的熔化特性,焊接性能和焊縫的強度(更多的闡述見章節 "各種電焊條的不同應用" )。在 DIN EN 499 標準中給出了用于非合金鋼焊接的電焊條的不同藥皮的類型。其中分有基本型和混合型。分類中使用的縮寫字母來自于英語的表達。其中 C=cellulose(纖維素), A=acid(酸性), R=rutile(氧化鈦)和 B=basic(堿性)。在德國占主導應用的是氧化鈦型。電焊條上的藥皮有薄層藥皮,中厚層藥皮和厚層藥皮。對氧化鈦焊條來說,這三種不同的藥皮厚度都常見,為了容易辨別,所以對厚藥皮焊條用RR表示。合金鋼和高合金鋼焊條則沒有這么多樣化的藥皮類型。例如,焊接不銹鋼的電焊條只有氧化鈦型和堿性兩種,在DIN EN 1600 標準中有其分類。焊接熱強鋼的電焊條也是如此(DIN EN 1599),但是這類氧化鈦型焊條中還有氧化鈦/堿性混合型焊條,只不過沒有專門標出來。這種焊條用在強制性位置焊接時有更好的焊接性能。用于焊接高強鋼的電焊條(DIN EN 757)則只有堿性藥皮。

Stabelektroden

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不同藥皮類型的性能

藥皮的成分和厚度對焊接性能有很大的影響。受其影響的既有電弧的穩定性,也有焊接中材料的過渡方式,以及熔渣和熔池的黏性。特別是電弧中過渡熔滴的顆粒大小受到影響。
這張示意圖顯示了四種基本類型藥皮的熔滴過渡狀態:纖維素 (a),氧化鈦 (b),酸性 (c),堿性 (d)。
釬維素藥皮主要是由有機物組成,它們在電弧燃燒并且會形成保護氣體來保護焊接位置。藥皮中除了釬維素和其它的有機物外,只含有少量的用來穩定電弧的物質,所以幾乎不會出現熔渣。釬維素型焊條特別適合用于向下立焊,因為不用擔心熔渣往下流淌。

酸性藥皮 (A)主要組成部分是鐵和錳的礦物質,在電弧中會生成大量的氧氣。這些氧氣也會被焊接的液態金屬吸收,并由此降低其表面張力。結果是出現一個顆粒非常細小,噴射形的熔滴過渡和熔池很淺的焊縫。所以這種類型的焊條不適合用于在強制性位置進行焊接。其電弧非?!盁帷?,雖然可以快速焊接,但是容易造成焊縫咬邊。因為這些缺點,所以純酸性的電焊條現在在德國幾乎不再被使用。

現在使用的是氧化鈦酸性類型(RA),這是一種由酸性和氧化鈦混合組成的電焊條,它具有和藥皮相應的焊接特性。氧化鈦型藥皮(R/RR)的成分主要是礦物質的氧化鈦(TiO2)和鈦鐵礦(TiO2 . FeO)或者是人工制造的氧化鈦。這種類型電焊條的焊接特征是細小到中等顆粒的熔滴過渡,熔化過程平穩并且飛濺少,焊縫表面非常細致,表面熔渣很容易被清除和很好的重新引弧性能。最后的這個特征只有在電焊條藥皮中TiO2含量很高的情況下才能體現出來。這種電焊條如果已經被焊過一段,再次使用時不用清除焊條上熔化過的弧坑也可以重新引弧。當TiO2的含量足夠多時,弧坑上的熔渣層就像半導體一樣具有導電性,將焊條的弧坑邊沿接觸工件后會有足夠的電流流通,使電弧重新引燃,因而不需要焊條的鐵芯直接和工件接觸。對經常要中斷的焊接過程,例如短焊縫,這種能自發地重新引弧性能是非常有用的。

除了純氧化鈦型外,這一類電焊條還有一些混合型。這里提一下氧化鈦-纖維素型(RC),在這種型號的藥皮中,有一部分氧化鈦被纖維素代替。纖維素在焊接中會燃燒,因此焊接表面形成的熔渣很少。所以這種類型的焊條也可以用于立向下焊接(焊接位置 PG),如果用在其它常見的焊接位置,它也具有很好的焊接性能。

另外一種混合型藥皮是氧化鈦/堿性型(RB)。這類的藥皮厚度比 RR型的厚度要薄一點。這種藥皮的熔渣特性使得它特別適合用于向上立焊(PF)。還有一種是堿性藥皮(B),該藥皮的主要成分是堿性的氧化鈣(CaO)和氧化鎂(MgO),還會添加一些氟化鈣(CaF2)作為熔渣稀釋劑。過多的氟化鈣會使交流電流的焊接性變差。所以純堿性焊條不能用正弦波形的交流電焊接,當然也有一些混合型的藥皮,其中含有較少量的氟化鈣,這種焊條可以用交流電焊接。堿性焊條熔滴過渡的顆粒大小是中等到大塊顆粒,熔池很粘。這種焊條可以用在所有的焊接位置上焊接。由于熔池的黏度很大,所以形成的焊縫呈明顯的凸出和粗羽毛狀。其焊接接頭有很好的韌性。

堿性藥皮容易吸收濕氣。所以要特別注意將焊條存放于干燥的地方。受了潮的焊條必須要烘干后才使用。用這種干燥的焊條可以焊出含氫量非常低的焊縫。焊條的熔敷率通常小于105%,也有一些焊條會在其藥皮中添加鐵粉,使其有更高的熔敷率,這類焊條的熔敷率大部分都高于160%。它們也被稱為鐵粉型或高效率焊條。這種焊條的熔敷速度很高,在很多應用中比普通焊條更有經濟效益,但是其應用通常僅限于平焊位置(PA)和(PB)的焊接。

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正確的手弧焊焊接

焊工需要有過良好的培訓,而且不僅是在動手技巧方面,還必須要有相關的專業知識,以避免出錯。德國焊接協會(DVS)的培訓綱要是被全世界認可,而且后來還被國際焊接協會(IIW)接受。在焊接前,通常都需要對工件進行定位焊接。定位點應有足夠的長度和厚度,以避免被焊工件在焊接中出現嚴重的收縮和確保定位焊點不會被撕裂。

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  1. 被焊工件
  2. 焊縫
  3. 熔渣
  4. 電弧
  5. 包敷了藥皮的電焊條
  6. 電焊鉗
  7. 焊接電源

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電弧的引燃

手弧焊焊接時,電弧是通過接觸引弧點燃。將電焊條和工件接觸,造成短路,形成一個電流回路,然后將電焊條略微提起 – 電弧就被引燃。不要在焊縫區外引弧,電弧引燃后,引弧點的位置要隨即被電弧熔化。否則,有些敏感的材料會因為引弧點的突然受熱而出現裂紋。對有焊接氣孔傾向的堿性焊條來說,要在焊縫起始位置后面一點的地方引弧,引弧后立即將電弧移到焊縫起始位置開始焊接,隨后在焊接經過引弧點時就可以將引弧時散落的,通常都是帶有氣孔的熔滴再重新熔化。

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電焊條的移動

電焊條垂直于被焊工件表面,或斜偏一點點。電焊條在焊接方向有所傾斜??梢姷碾娀¢L度,也就是說電焊條熔坑的端頭到工件表面的距離,應該和電焊條的焊芯直徑大概相同。堿性焊條必須用更短的電弧來焊接(距離=0,5 x 焊芯直徑)。為了保證這一點,焊接時堿性焊條的傾斜度要比氧化鈦型焊條更直一些。在大部分的焊接位置都是一直往前焊,或者在向上焊而且焊縫間隙逐漸變大時也會做輕微的擺動焊。如果是焊接位置PF,就需要在整個焊縫區間做擺動焊接。通常都是采用拖著焊,只有在焊接位置PF是推著電焊條焊接。

  1. 焊縫
  2. 電焊條
  3. 液態熔池
  4. 液態熔渣
  5. 凝固熔渣

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磁偏吹

偏吹現象是說電弧偏離了其中心軸,因此電弧變長,同時還會發出嘶嘶的噪音。這種偏移會造成不連續性,使熔深變淺,在會形成熔渣的焊接工藝中還會因為熔渣往前流動而造成焊縫中夾雜熔渣。出現這種偏移是因為周邊的磁場的作用力。正如有電流流通的導線一樣,焊條和電弧的周邊也會出現環繞的磁場 – 電弧區域的磁場會受母材的影響而改變??拷覆囊贿叺拇帕€會變密,而另一邊的會變疏。電弧會向磁通線密度密密集的一方偏移。偏移造成電弧變長,電弧電壓變大,并因此出現嘶嘶聲的噪音。改變焊接極性對電弧也不會產生有利的影響。因為磁場在鐵磁性材料中比在空氣中能更好地傳播,由此還會出現另外一個磁力。質量很大的鐵塊對電弧有吸引作用。例如,在焊接可磁化的材料時,焊到板材的端頭時可以觀察到電弧往內偏移。焊接中相應地使焊條傾斜可以減少電弧偏移的影響。偏吹對直流電流焊接的影響更大,所以在可能條件下,用交流電流來焊接,可以避免或至少是顯著減少偏吹的影響。焊接打底焊縫時,由于受周邊母材影響,偏吹的現象更為嚴重。通過密集的定位焊點,并且每個焊點的長度不要太短,可以改善磁通,這有助于改善偏吹的不利影響。

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焊接參數

在手弧焊中,只設定焊接電流的大小。電弧電壓則取決于電弧的長度,也就是決定于焊工手持電焊條的高度。 在設定電流大小時必須要考慮到所用電焊條的直徑及其電流承受能力。適用的規則是,電焊條的焊接電流下限適用于打底焊接和PF 位置的焊接,而焊接電流的上限則適用于其它焊接位置的焊接以及填縫焊和蓋面焊。焊接電流越大,焊條的熔化速度也越快,所以焊接速度就更快。隨著焊接電流的增大,焊接的熔深也更深。下面給出的電流大小適用于非合金鋼和低合金鋼的焊接。如果是焊接高合金鋼或鎳基合金,由于這類材料焊芯的電阻較高,所以需要將焊接電流值設定得低一點。

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焊接電流大小和電焊條直徑的關系

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為了計算所需焊接電流(A)的大小,請參考下面的經驗公式:

20-40 x ?

  • i電焊條直徑為 2,0 mm,焊接電流應該在 40-80 A 之間
  • 電焊條直徑為2,5 mm,焊接電流應該在 50-100 A 之間

30-50 x ?

  • 電焊條直徑為3,2 mm,焊接電流應該在 90-150 A之間
  • 電焊條直徑為4,0 mm,焊接電流應該在 120-200 A之間
  • 電焊條直徑為5,0 mm,焊接電流應該在 180-270 A之間

35-60 x ?

  • 電焊條直徑為6,0 mm,焊接電流應該在 220-360 A之間

手弧焊焊接需要用到的裝備:

更多關于 手弧焊焊接的信息請參見我們的 焊接知識讀物.

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