焊條電弧焊與電弧切割的工作原理適用范圍及安全特點

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  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，電弧中心部分的溫度可達60008000，兩電極的溫度可達到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)繞原子核運動，在常態(tài)下原子是呈中性的，氣體的分子也是呈中性的，氣體中幾乎沒有帶電質(zhì)點，因此常態(tài)下氣體不能導(dǎo)電，電流也通不過，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程稱為氣體電離。 在焊接時，使氣體介

3、質(zhì)電離的種類主要有熱電離、電場作用下的電離、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)電場作用下的電離 帶電粒子在電場的作用下，各作定向高速運動；產(chǎn)生較大的動能，當不斷與中性粒子相碰撞時，則不斷地產(chǎn)生電離。如兩電極間的電壓越高，電場作用越大，則電離作用越強烈。 (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，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，沒有電流通過，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)射作用就越強烈。 焊接時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，陰極表面溫度很高，陰極中的電子運動速度很快，當電子的動能大于陰極內(nèi)部正電荷的吸引力時，電子即沖出陰極表面，產(chǎn)生熱發(fā)射。溫度越高，則熱發(fā)射作用越強烈。 (2)電場發(fā)射 在強電場的作用下，由于電

5、場對陰極表面電子的吸引力，電子可以獲得足夠的動能，從陰極表面發(fā)射出來。當兩電極的電壓越高，金屬的逸出功小，則電場發(fā)射作用越大。 (3)撞擊發(fā)射 當運動速度較高、能量較大的正離子撞擊陰極表面時，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。如果電場強度越大，在電場的作用下正離子的運動速度也越快，則產(chǎn)生的撞擊發(fā)射作用也越強烈。 實際上在焊接時，以上幾種電子發(fā)射作用常常是同時存在，相互促進的，但在不同條件下，它們所起的作用可能稍有差異。例如，在引弧過程中，熱發(fā)射和電場發(fā)射起著主要作用；電弧正常燃燒時，如采用熔點較高的材料(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，撞擊發(fā)射和

6、電場發(fā)射就起主要影響；而鋼作陰極時，則和熱發(fā)射、撞擊發(fā)射、電場發(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)，同時用壓縮空氣的氣流把熔化金屬吹掉，從而達到對金屬進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、量過大時，將會使被熔化的金屬溫度降低，而不利于對所要切割的金屬進行加工。 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、達到刨割的目的。工作時只需交、直流弧焊機，不用空氣壓縮機。操作時其電弧必須達到一定的噴射能力，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行焊接工作的，可以進行平焊、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，搬運靈活，所以說，焊條電弧焊可以在任何有電源的地方進行焊接作業(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)用電弧切割對焊縫進行清根，比過去生產(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行焊縫清根時，其優(yōu)越性更為突出。 (2)改善了工人的勞動條件：過去在使用風(fēng)鏟進行開坡口和清根時，噪聲和振動大，長年使用風(fēng)鏟工作的工人，多患有耳聾性職業(yè)病，而且勞動強度也很高。 (3)可以用電弧切割來加工焊縫坡口，特別適用于開U型坡口。 (4)使用方便，操作靈活：對處于窄小空間位置的焊縫，只要輕巧的刨槍能伸進去的地方，就可以進行切割作業(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、工具簡單，操作使用安全。只要有一臺直流電焊機，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 (一)焊條電弧焊的安全特點 (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，所以當操作人員在更換焊條時，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，觸電危險性更大。因此焊條電弧焊操作者在操

10、作時應(yīng)戴手套，穿絕緣鞋。 (2)焊接電弧弧柱中心的溫度高達60008000。焊條電弧焊時，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，電弧周圍的空氣在弧光強烈輻射作用下，還會產(chǎn)生臭氧、氮氧化物等有毒氣體，在通風(fēng)不良的情況下，長期接觸會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)焊接時人體直接受到弧光輻射(主要是紫外線和紅外線的過度照射)時，會引起操作者眼睛和皮膚的疾病。因此操作者在操作時應(yīng)戴防護面具和穿工作服。 (4)焊條電弧焊操作過程中，由于電焊機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焊時防爆措施不當?shù)?，都會引起爆炸和火?zāi)事故。 (二)電弧切割的安全特點 電弧切割時，除應(yīng)知道焊條電弧焊的安全特點外，還應(yīng)注意以下幾點： (1)電弧切割過程中，由于有壓縮空氣的存在，露天操作時，應(yīng)注意順風(fēng)方向進行操作，以防吹散的熔渣燒壞工作服和灼傷皮膚，并要注意周圍場地的防火。 (2)在容器或艙室內(nèi)部操作時，內(nèi)部空間尺寸不能過于窄小，并要加強抽風(fēng)及排除煙塵措施。 (3)切割時應(yīng)盡量使用帶銅皮的專用碳棒。 (4)電弧切割時使用電流較大，連續(xù)工作時間較長，要注意防止焊機超載，以免燒毀焊機。 為克服電弧切割的