碳弧氣刨的工作原理

1、使用焊接技術(shù)制造金屬結(jié)構(gòu)時(shí)，必須先將金屬切割成符合要求的形狀，有時(shí)還需要刨削各種坡口，清焊根及清除焊接缺陷。雖然對(duì)金屬進(jìn)行切割和刨削的方法多種多樣，然而 應(yīng)用電弧熱切割和刨削金屬具有顯著的諸多優(yōu)點(diǎn)，因而被廣泛應(yīng)用。實(shí)際上，電弧切割與電 弧氣刨的工作原理、電源、工具、材料及氣源完全一樣，不同之處僅僅在于具體操作略有不 同?？梢哉J(rèn)為電弧氣刨是電弧切割的一種特殊形式，而碳弧氣刨則是電弧氣刨家族中的一員。碳弧氣刨的原理、特點(diǎn)及應(yīng)用1.1.1 原理碳弧氣刨是利用在碳棒與工件之間產(chǎn)生的電弧熱將金屬熔化，同時(shí)用壓縮空氣將這 些熔化金屬吹掉，從而在金屬上刨削出溝槽的一種熱加工工藝。其工作原理如圖1所示。圖1碳

2、弧氣刨工作原理示意圖1-碳棒2-氣刨槍夾頭3-壓縮空氣4-工件5-電弧L-碳棒外伸長(zhǎng)”-碳棒與工件夾角特點(diǎn)1）與用風(fēng)鏟或砂輪相比，效率高，噪音小，并可減輕勞動(dòng)強(qiáng)度。2）與等離子弧氣刨相比，設(shè)備簡(jiǎn)單，壓縮空氣容易獲得且成本低。3）由于碳弧氣刨是利用高溫而不是利用氧化作用刨削金屬的，因而不但適用于黑 色金屬，而且還適用于不銹鋼、鋁、銅等有色金屬及其合金。4）由于碳弧氣刨是利用壓縮空氣把熔化金屬吹去，因而可進(jìn)行全位置操作；手工碳弧氣刨的靈活性和可操作性較好，因而在狹窄工位或可達(dá)性差的部位，碳弧氣刨仍可使用。5）在清除焊縫或鑄件缺陷時(shí)，被刨削面光潔錚亮，在電弧下可清楚地觀察到缺陷 的形狀和深度，故有利

3、于清除缺陷。6）碳弧氣刨也具有明顯的缺點(diǎn)，如產(chǎn)生煙霧、噪音較大、粉塵污染、弧光輻射、 對(duì)操作者的技術(shù)要求高。1.1.3應(yīng)用1）清焊根。2）開(kāi)坡口，特別是中、厚板對(duì)接坡口，管對(duì)接 U形坡口。3）清除焊縫中的缺陷。4)清除鑄件的毛邊、飛刺.澆鑄口及缺限。設(shè)備及材料碳弧氣刨系統(tǒng)由電源、氣刨槍、碳棒、電纜氣管和壓縮空氣源等組成。如圖2所示。圖2碳弧氣刨系統(tǒng)示意圖1-電源 2-氣刨槍 3-碳棒4-電纜氣管5-空氣壓縮機(jī)6-工件1 23456碳弧氣刨1.2.1 電源碳弧氣刨一般采用具有陡降外特性且動(dòng)特性較好的手工直流電弧焊機(jī)作為電源。由于碳弧氣刨一般使用的電流較大，且連續(xù)工作時(shí)間較長(zhǎng)，因此，應(yīng)選用功率較大

4、的焊機(jī)。例如，當(dāng)使用 7mm的碳棒時(shí)，碳弧氣刨電流為350A ,故宜選用額定電流為 500A的手工直流電弧焊機(jī)作為電源。使用工頻交流焊接電源進(jìn)行碳弧氣刨時(shí)，由于電流過(guò)零時(shí)間 較長(zhǎng)會(huì)引起電弧不穩(wěn)定，故在實(shí)際生產(chǎn)中一般并不使用。近年來(lái)研制成功的交流方波焊接 電源，尤其是逆變式交流方波焊接電源的過(guò)零時(shí)間極短，且動(dòng)態(tài)特性和控制性能優(yōu)良，可 應(yīng)用于碳弧氣刨。1.2.2 氣刨槍碳弧氣刨槍的電極夾頭應(yīng)導(dǎo)電性良好、夾持牢固，外殼絕緣及絕熱性能良好，更 換碳棒方便，壓縮空氣噴射集中而準(zhǔn)確，重量輕和使用方便。碳弧氣刨槍就是在焊條電弧 焊鉗的基礎(chǔ)上，增加了壓縮空氣的進(jìn)氣管和噴嘴而制成。碳弧氣刨槍有側(cè)面送氣和圓周送

5、氣兩種類型。(1)側(cè)面送氣氣刨槍 側(cè)面送氣氣刨槍結(jié)構(gòu)如圖 3所示。側(cè)面送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu) 如圖4所示。圖3側(cè)面送氣氣刨槍結(jié)構(gòu)示意圖1-電纜氣管2-氣刨槍體3-噴嘴4-噴氣孔側(cè)面送氣氣刨槍的優(yōu)點(diǎn)：結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，壓縮空氣緊貼碳棒噴出，碳棒長(zhǎng)度調(diào)節(jié)方便。缺點(diǎn)：只能向左或右單一方向進(jìn)行氣刨。(2)圓周送氣氣刨槍 圓周送氣氣刨槍只是槍嘴的結(jié)構(gòu)與側(cè)面送氣氣刨槍有所不同。圓周送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)如圖5所示。圓周送氣氣刨槍的優(yōu)點(diǎn)：噴嘴外部與工件絕緣，壓縮空氣由碳棒四周噴出。碳棒冷卻均勻，適合在各個(gè)方向操作。缺點(diǎn)：結(jié)構(gòu)比較復(fù)雜。圖4側(cè)面送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)示意圖圖5圓周送氣氣刨槍嘴結(jié)構(gòu)示意圖1-電纜氣管的螺孔2-氣道 3-碳

6、棒孔4-緊固碳棒的螺孔1.2.3 碳棒碳棒是由碳、石墨加上適當(dāng)?shù)恼澈蟿ㄟ^(guò)擠壓成形，焙烤后鍍一層銅而制成。碳棒主要分圓碳棒、扁碳棒和半圓碳棒三種，其中圓碳棒最常用。對(duì)碳棒的要求是耐高溫，導(dǎo)電性良好，不易斷裂，使用時(shí)散發(fā)煙霧及粉塵少。 碳弧氣刨的碳棒規(guī)格及適用電流如表1所示。碳弧氣刨表1碳棒規(guī)格及適用電流斷面形狀規(guī)格/ mm適用電流/ A圓形3 X 3551501804 X 3551502005 X 3551502506 X 3551803007 X 3552003508 X 3552504009 X 35535045010 X 355350500扁形3 X 12 X 3552003004 X

7、 8 X 3551802704 X 12 X 3552004005 X 10 X 3553004005 X 12 X 3553504505 X 15 X 3554005005 X 18 X 3554505505 X 20 X 355500600碳弧氣刨工藝1.3.1 工藝參數(shù)及其影響(1)電源極性碳弧氣刨一般采用直流反接(工件接負(fù)極)。這樣電弧穩(wěn)定，熔化金屬的流動(dòng)性較好，凝固溫度較低，因此反接時(shí)刨削過(guò)程穩(wěn)定，電弧發(fā)出連 續(xù)的刷刷聲，刨槽寬窄一致，光滑明亮。若極性接錯(cuò)，電弧不穩(wěn)且發(fā)出斷續(xù)的嘟嘟聲。(2)電流與碳棒直徑電流與碳棒直徑成正比關(guān)系，一般可參照下面的經(jīng)驗(yàn)公式選擇電流：I =(30 50)

8、 D 式中I 電流(A);D 碳棒直徑(mm)。對(duì)于一定直徑的碳棒，如果電流較小，則電弧不穩(wěn)，且易產(chǎn)生夾碳缺陷；適當(dāng) 增大電流，可提高刨削速度、刨槽表面光滑、寬度增大。在實(shí)際，應(yīng)用中，一般選用較大 的電流，但電流過(guò)大時(shí)，碳棒燒損很快，甚至碳棒熔化，造成野重?fù)教夹√及糁睆解x選擇 主要根據(jù)所需豹一般碳棒直徑應(yīng)比所要求的刨槽寬度小24mm。(3)刨削速度刨削速度對(duì)刨槽尺寸，表面質(zhì)量和刨削過(guò)程的穩(wěn)定性有一定的影響。刨削速度須與電流大小和刨槽深度(或碳棒與工件間的夾角 )相匹配。刨削速度太快，易造成碳棒與金屬短路、電弧熄滅，形成夾碳缺陷。一般刨削速度為1.2m/min左右為宜。(4)壓縮空氣壓力壓縮空氣

9、的壓力會(huì)直接影響刨削速度和刨槽表面質(zhì)量；壓力高，可提高刨削速度和刨槽表面的光滑程度；壓力低，則造成刨槽表面粘渣。一 般要求壓縮空氣的壓力為。壓縮空氣所含水分和油分可通過(guò)在壓縮空氣的管路中加過(guò)濾裝置予以限制。(5)碳棒的外伸長(zhǎng)碳棒從導(dǎo)電嘴到碳棒端點(diǎn)的長(zhǎng)度為外伸長(zhǎng)。手工碳弧氣刨時(shí)，外伸長(zhǎng)大，壓縮空氣的噴嘴離電弧就遠(yuǎn)，造成風(fēng)力不足，不能將熔渣順利吹掉，而且碳棒也容易折斷。一般外伸長(zhǎng)為80100mm為宜。隨著碳棒燒損，碳棒的外伸長(zhǎng)不斷減少，當(dāng)外伸長(zhǎng)減少至2030mm時(shí)，應(yīng)將外伸長(zhǎng)重新調(diào)至 80100mm。(6)碳棒與工件間的夾角碳棒與工件間的夾角a (如圖1所示)大小，主要會(huì)影響刨槽深度和刨削速度。夾

10、角增大，則刨削深度增加，刨削速度減小。一 般手工碳弧氣刨采用夾角45 °左右為宜。1.3.2 常見(jiàn)缺陷及排除措施(1)夾碳刨削速度和碳棒送進(jìn)速度不穩(wěn)，造成短路熄弧，碳棒粘在未熔化的金屬上，易產(chǎn)生夾碳缺陷。夾碳缺陷處會(huì)形成一層含碳量高達(dá)%的硬脆的碳化鐵。若夾碳?xì)埓嬖谄驴谥?，焊后易產(chǎn)生氣孔和裂紋。排除措施：夾碳主要是操作不熟練造成的，因此應(yīng)提高操作技術(shù)水平。在操作過(guò) 程中要細(xì)心觀察，及時(shí)調(diào)整刨削速度和碳棒送進(jìn)速度。發(fā)生夾碳后，可用砂輪、風(fēng)鏟或重 新用氣刨將夾碳部份清除干凈。(2)粘渣碳弧氣刨吹出的物質(zhì)俗稱為渣。它實(shí)質(zhì)上主要是氧化鐵和碳化鐵等化合物，易粘在刨槽的兩側(cè)而形成粘渣，焊接時(shí)容易形

11、成氣孔。排除措施：粘渣的主要原因是壓縮空氣壓力偏小。發(fā)生粘渣后，可用鋼絲刷、砂 輪或風(fēng)鏟等工具將其清除。(3)銅斑 碳棒表面的銅皮成塊剝落，熔化后.集中熔敷到刨槽表面某處而 形成銅斑。焊接時(shí)，該部位焊縫金屬的含銅量可能增加很多而引起熱裂紋。排除措施：碳棒鍍銅質(zhì)量不好、電流過(guò)大都會(huì)造成銅皮成塊剝落而形成銅斑。因 此，應(yīng)選用質(zhì)量好的碳棒和選擇合適的電流乙發(fā)生銅斑后，可用鋼絲刷、砂輪或重新用氣 刨將銅斑消除干凈。碳弧氣刨(4)刨槽尺寸和形狀不規(guī)則 在碳弧氣刨操作；過(guò)程中小有時(shí)會(huì)產(chǎn)生刨槽不正，深淺不勻甚至刨偏的缺陷。排除措施：產(chǎn)生這種缺陷的主要原因是操作技術(shù)不熟練，因此應(yīng)從以下幾個(gè)方面 改善操作技術(shù)：

12、保持刨削速度和碳棒送進(jìn)速度穩(wěn)。在刨削過(guò)程中，碳：棒的空間位置 尤其是碳棒夾角應(yīng)合理且保持穩(wěn)定。；刨削時(shí)應(yīng)集中注意力，使碳棒對(duì)準(zhǔn)預(yù)定刨削路徑。在清焊根時(shí)，應(yīng)將碳棒對(duì)準(zhǔn)裝配間隙。1.3.3 碳弧氣刨的操作(1)根據(jù)碳棒直徑選擇并調(diào)節(jié)好電流，使氣刨槍夾緊碳棒并調(diào)節(jié)碳棒外伸長(zhǎng)為80100mm左右：打開(kāi)氣閥并調(diào)節(jié)好壓縮空氣流量，使氣刨槍氣口和碳棒對(duì)準(zhǔn)待刨部位。(2)通過(guò)碳棒與工件輕輕接觸引燃電弧。開(kāi)始時(shí)，碳棒與工件的夾角要小，逐漸 將夾角增大到所需的角度。在刨削過(guò)程中，弧長(zhǎng)個(gè)刨削速度和夾角大小三者適當(dāng)配合時(shí)， 電弧穩(wěn)定、刨槽表面光滑明亮：否則電弧不穩(wěn)、刨槽表面可能出現(xiàn)夾碳和粘渣等缺陷。(3)在垂直位置時(shí)

13、，應(yīng)由上向下操作，這樣重力的作用有利于除去熔化金屬；在 平位置時(shí)，既可從左向右，也可從右向左操作；在仰位置時(shí)，熔化金屬由于重力的作用很 容易落下，這時(shí)應(yīng)注意防止熔化金屬燙傷操作人員。(4)碳棒與工件之間的夾角由槽深而定，刨削要求深，夾角就應(yīng)大一些。然而， 一次刨削的深度越大，對(duì)操作人員的技術(shù)要求越高，且容易產(chǎn)生缺陷。因此。刨槽較深時(shí)， 往往要求刨削23次。(5)要保持均勻的刨削速度。均勻清脆的嘶嘶聲表示電弧穩(wěn)定，能得到光滑均勻 的刨槽。速度太快易短路：太慢又易斷弧。每段刨槽銜接時(shí)，應(yīng)在弧坑上引弧，以防止弄 傷刨槽或產(chǎn)生嚴(yán)重凹痕。低碳鋼及合金鋼的碳弧氣刨1.4.1 低碳鋼可采用；碳弧氣刨對(duì)低碳鋼

14、清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。一般刨槽表面有 一深度為0.72mm的硬化層，但它基本上不影響焊接接頭的性能。這是因?yàn)楹盖翱捎娩摻z刷或砂輪對(duì)刨槽表面進(jìn)行清理，而在隨后的焊接中，又將這層硬化層熔化了。1.4.2 不銹鋼可采用碳弧氣刨對(duì)不銹鋼清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。對(duì)不銹鋼進(jìn)行碳弧氣刨后，按下述原則和如圖6所示順序進(jìn)行焊接，不會(huì)影響不銹鋼的抗晶間腐蝕性能。圖6不銹鋼多層焊焊接順序A-介質(zhì)接觸面B-氣刨剿（1-5）各層焊道的焊接順序（1）先在介質(zhì)接觸面的一側(cè)進(jìn)行底層焊接，以便在非介質(zhì)接觸面的一側(cè)清焊根， 并避免碳弧氣刨的飛濺物對(duì)介質(zhì)接觸面的損傷。（2）盡量采用不對(duì)稱的 X形坡口，而介質(zhì)接觸面

15、一側(cè)的坡口較大，以使碳弧氣刨遠(yuǎn)離介質(zhì)接觸面。（3）與介質(zhì)接觸表面的焊縫最后施焊，以保證焊縫的抗腐蝕性。為了防止碳弧氣刨對(duì)不銹鋼抗晶間腐蝕性能的影響，將不銹鋼的刨槽表面用砂輪 磨削干凈以后，再進(jìn)行焊接。對(duì)于接觸強(qiáng)腐蝕介質(zhì)的超低碳不銹鋼，不允許使用碳弧氣刨 清焊根，而應(yīng)采用砂輪磨削。0345 和 0390 鋼可采用碳弧氣刨對(duì) Q345和Q390鋼清焊根、清除焊縫缺陷和加工坡口。對(duì)焊前 要求預(yù)熱的合金鋼，應(yīng)在預(yù)熱的情況下進(jìn)行碳弧氣刨。其預(yù)熱溫度應(yīng)等于或略高于焊前預(yù) 熱溫度。某些對(duì)冷裂紋十分敏感的高強(qiáng)合金鋼厚板，不宜采用碳弧氣刨。自動(dòng)碳弧氣刨1.5.1 自動(dòng)碳弧氣刨的優(yōu)點(diǎn)1）氣刨小車和碳棒送進(jìn)機(jī)構(gòu)可自

16、動(dòng)控制、無(wú)級(jí)調(diào)速。2）刨槽的精度高、穩(wěn)定性好。3）包山槽平滑均勻、刨槽邊緣變形小。4）刨削速度比手工碳弧氣刨速度高五倍左右。5）碳棒消耗量比手工碳弧氣刨少。1.5.2 自動(dòng)碳弧氣刨設(shè)備自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)與全位置行走機(jī)構(gòu)如圖7所示。碳弧氣刨圖7自動(dòng)碳弧氣刨機(jī)與全位置行走機(jī)構(gòu)示意圖1-主電路接觸器（箱內(nèi)）管6-電機(jī)控制電纜道12-牽引爬行器2-控制箱3-牽引爬行器電纜4-水平調(diào)節(jié)器5-電纜氣7-垂直調(diào)節(jié)器8-伺服電動(dòng)機(jī)9-氣刨頭10-碳棒 11-軌13-定位磁鐵14-壓縮空氣調(diào)壓氣15-遙控器碳弧水氣刨碳弧氣刨產(chǎn)生的煙霧和粉塵，嚴(yán)重污染環(huán)境，影響工人的身體健康，特別是在密 閉的容器內(nèi)操作，情況更為惡劣

17、，采用一般的通風(fēng)措施都不能解決問(wèn)題。為了控制碳弧氣 刨引起的煙霧和粉塵污染，根據(jù)水噴霧可以消煙滅塵的道理，有些工廠應(yīng)用了碳弧水氣刨。1.6.1 碳弧水氣刨設(shè)備碳弧水氣刨設(shè)備類似碳弧氣刨設(shè)備，但增加了一個(gè)供水器和供水系統(tǒng)。其示意圖如圖8所示。圖8碳弧水氣刨設(shè)備示意圖1-工件 2-氣刨槍3-電源4-供水器5-空氣壓縮器供水器是提供水霧的裝置，其結(jié)構(gòu)見(jiàn)圖9。壓縮空氣經(jīng)管道重與容器聯(lián)通，水經(jīng)進(jìn)水管3注入容器2內(nèi)，水面達(dá)到 H高度（低于出氣管4的底部）后，關(guān)閉進(jìn)水閥門。 此時(shí)打開(kāi)出氣管4的閥門，就有壓縮空氣從出氣管排出。再打開(kāi)出水管5的閥門，就有壓力水從出水管噴出。若同時(shí)打開(kāi)4和5 ,壓縮空氣和壓力水經(jīng)

18、三通接頭6混合，從而噴射出壓縮空氣和水霧占調(diào)節(jié)出氣管4的閥門和出水管 5的閥門，可改變風(fēng)量及水霧的大小。當(dāng)供水器內(nèi)的水面高度低于h時(shí)，就噴不出水霧。因水在工作中呈霧狀，消耗量較少，一次灌注可用數(shù)日。圖9供水器示意圖1-壓縮空氣進(jìn)氣管2-容器3-進(jìn)水管4-壓縮空氣出氣管5-出水管6-水、氣、混合三通碳弧水氣刨的關(guān)鍵，在于制造合理的供水器，以獲得均勻彌散的水霧。但還必須注意壓縮空氣與壓力水混合的三通管接頭6 ,應(yīng)該使它盡可能地靠近氣刨槍（一般在10mm以內(nèi)）這樣才能保證氣刨槍噴出挺拔的水霧。將碳弧氣刨槍稍作改造即可作為碳弧水氣刨槍。例如，將圓周送氣氣刨槍的內(nèi)體（圖10）和外套在左端尾部釬焊以保密封，同時(shí)將內(nèi)體上的氣道內(nèi)徑由1