电弧焊的发展和研究现状.doc

电弧悍的发展和研究现状
一、引言
焊接是一种重要的材料加工工艺，它与金属切削加工、压力加工、铸造、热处理等金属加工一起构成的金属加工技术，是现代机器制造业重要的加工技术，它广泛的应用于石油化工、电力、航空航天、海洋工程、核动力工程、微电子技术，桥梁、船舶、潜艇，以及各种金属结构等工业部门，据不完全统计全世界年产量的钢和大量的非铁合金，都是通过焊接而付诸使用的。可以毫不夸大的说，没有现代焊接技术的发展，就不会有现代工业和科学技术的今天，焊接技术的发展水平是衡量一个国家科学技术先进程度的重要标志之一。
二、电弧焊及其发展
早期的焊接是把两块熟铁钢加热到红热状态以后用锻打的方法连接在一起的。现代焊接方法的发展是以电弧焊为起点的。电弧作为一种气体导电的物理现象，早年被俄国人彼得洛夫教授首先发现，并指出可利用电弧来熔化金属。但由于当时电力工业不够发达，不能提供维持电弧稳定燃烧的足够功率的电源，而且焊接冶金也未能解决焊缝质量问题，因而电弧焊并未得到应用。从1892年发现金属极电弧后，直到1910年出现了厚药皮焊条以后电弧焊才真正用于工业生产。由此可见电弧焊的发展是以焊条电弧焊为起点的。最早的电弧焊是以光金属棒作电极和填充金属，电弧在空气中处于无保护状态下燃烧，电弧稳定性和焊缝质量都很差。药皮焊条的应用，使得电弧处于药皮熔化所产生的保护气氛中，这不仅大大改善了电弧稳定性，而且使熔池处在电气氛及药皮所形成的熔渣保护下，使焊缝的质量明显提高。随着熔炼技术及电子技术的发展，近代出现了埋弧自动焊。埋弧自动焊的焊丝兼有电极和填充金属的作用，电弧及熔池都处于焊剂形成的熔渣保护下，无明弧。埋弧自动焊的出现大大提高了焊接生产率，为长直焊缝及大型环焊缝的焊接提供了有效的自动化手段，同时也大大减轻了焊接操作者的劳动强度，改善了操作环境。
由于焊条药皮及埋弧焊焊剂的成分中含有金属及非金属氧化物，所以难以用来焊接铝、镁、钦等活泼金腐及其合金。在第二次世界大战中，由于航空工业的迅猛发展，出现大量由铝合金、不锈钢等金属材料制成的飞机和航空发动机的焊接零部件，而且焊接接头要求质量高，采用己有的焊接方法己不能适应和保证优质的焊接接头。为适应战争的需要，出现了钨极氩弧焊。但是这种焊接方法受钨极许用电流的限制，焊接电流不能过大，而且向焊缝中添加焊丝又不太方便，故不适于焊接厚大件，焊接生产率也不高。为了克服钨极氢弧焊存在的问题，人们在发展钨极氢弧焊的同时又进行了新的探索，于年代末期出现了新的电弧焊方法—熔化极氩弧焊。熔化极氩弧焊有氩气保护的特点，而且焊丝兼有电极和填充金属的作用，焊接时可选用较大的电流密度，所以焊接生产率高。但因为当时氩气较稀缺和昂贵，用于焊接碳钢、低合金结构钢和普通焊接构件时，焊接成本太高。于是人们开始寻求以廉价易得的气体来代替氩气，以降低焊接成本。通过不断的实践，于年代初期，气体保护焊终于获得了应用和推广。气体保护焊具有高效、节能、成本低、工件变形小等优点，现己成为焊接碳钢、低合金结构钢的最常用焊接方法。
前述各种电弧焊方法属于自由电弧，电弧能量不够集中，电弧温度不够高，因而不适于高温难熔金属的焊接。人们开始探索更新的焊接方法以满足新的要求。在年代末期便出现了等离子弧焊。等离子弧焊不但具有钨极氩弧焊的优点，而且还具有自己的特点，即电弧能量密度大，电弧温度高，焊接热影响区窄、焊件变形小等。随着现代工业和科学技术的迅速发展，对焊接技术和焊接质量不断提出新要求。从年代升始，在工业生产中不断涌现出新的电弧焊方法，如微束等离子弧焊、钨极脉冲氩弧焊、熔化极脉冲氩弧焊、混合气体保护电弧焊、等离子弧熔化极气体保护焊、脉冲等离子弧焊、药芯焊丝气体保护焊、高效埋弧焊、保护气体电弧点焊等等。下面几种是常用的弧焊方法
（1）焊条电弧焊焊条电弧焊是用手工操作焊条进行焊接的一种电弧焊。焊条电弧焊时，焊条和工件分别接电源的两极，利用焊条与工件之间产生的电弧放电时产生的热量加热熔化焊条和工件，焊条端部熔化的熔滴和熔化的母材熔合在一起形成熔池，随着电弧地移动，前方焊条和工件继续熔化，后方熔池液体金属逐渐冷却结晶形成焊缝。埋弧焊埋弧焊是电弧在焊剂层下燃烧的一种电弧焊方法。焊丝和工件分别接电源的两极，焊接时焊丝端部与焊剂覆盖下焊接母材短路引弧，电弧在焊丝与工件之间引燃。电弧热使焊件、焊丝和焊剂熔化，以致部分蒸发，金属和焊剂的蒸发气体形成了一个气泡，电弧就在这个气泡空腔内燃烧。同时，熔化的焊剂浮到焊缝表面上形成保护的熔渣层。熔渣层不仅能很好将空气与电弧和熔池隔离，还能屏蔽有害的弧光辐射。随着电弧的远移，熔池结晶为焊缝，熔渣凝固为渣壳。
（2）非熔化极气体保护焊非熔化极气体保护焊是以非熔化极一般是钨棒作为电极，惰性气体作为保护气体的一种焊接方法。焊接时，非熔化极和工件分别接在电源的两极，利用高频震荡或高压击穿引燃电弧，电弧和熔池金属都处于气体保护之中，使其不受周围空气的有害作用，熔滴过渡到熔池形成焊缝。在非熔化极气体保护焊中，电弧燃烧过程中，电极不熔化，故以恒定的电弧长度，焊接过程稳定，容易得到高质量的焊缝。熔化极气体保护焊熔化极气体保护焊是在非熔化极气体保护焊的基础上发展起来的一种焊接方法。焊接时，熔化极和工件分别接电源的两极。焊接热量来自焊丝和工件间的电弧，焊丝被连续送进焊接区，焊丝全部熔化后进入熔池成为填充金属。焊丝端部熔化形成的熔滴、电孤及熔池在焊接过程中由保护气体予以保护，以避免空气侵入。以上这些焊接方法都是常用的焊接方法，但不管是哪种焊接方法，都是工件和焊条焊丝、非熔化电极分别接电源的两极，利用其之间产生的电弧燃烧放出的热量来加热熔化工件以达到焊接的目的。
三、焊条电弧焊的研究现状
由于焊条电弧焊具有灵活性、设备简单、操作方便、适应性广等优点，焊条电弧焊在许多领域仍然是被优先考虑的焊接方法，尤其是在一些维修、野外、高空、和水下等特殊场合的施工中。但是焊条电弧焊由于其断续工作的特点，生产效率低，浪费大，人工费用高，随着高效率的自动焊的出现，焊条电弧焊的应用比重成下降趋势。目前，在发达国家焊条应用占焊接材料重量比稳定，而我国药皮焊条的应用比重占焊接材料总量大，可以看出药皮焊条用量还是占有相当高的比重，所以提高焊条电弧焊的效率是非常有意义的。
焊条的最早出现在十九世纪末俄国人斯拉文诺发明的裸焊条，随后奥赛·皮尔赛史特劳梅育提出了涂料金属极焊条，即药皮焊条。而后在焊条多年的发展历史中，先后发明了矿物性厚药皮、碱性低氢性焊条、低合金钢焊条、堆焊焊条不锈钢焊条和有色金属焊条等。在过去的几十年中，科技工作者为提高焊条的焊接效率，先后出现了普通铁粉焊条、重力焊用铁粉焊条、立向下焊条和高效不锈钢焊条等高效焊条。在世纪四十年代，出现了嵌套的不锈钢焊条。所谓嵌套的焊条就是指一根焊条中含有两根或多根焊芯，这些焊芯除了两头外，彼此之间互相绝缘。焊芯头部使用特定的焊钳夹持，使几根焊芯连在一起，即多根焊芯并联。嵌套焊条焊接时，焊条与工件分别接电源的两极。从理论上讲电流可以同时平行的流过多根焊芯，但是不同焊芯的电阻是不同的，所以电流总是走电阻最小的焊芯，电弧只能从一根焊芯和工件之间产生，焊芯的电阻随温度的升高而增大，而且焊芯逐渐变短，这时电弧从这根燃烧的焊芯转移到离工件最近的焊芯上。电弧总是在离工件最近的一根焊芯与工件之间产生，因而电弧较短。电弧燃烧时，电弧周围的气体发生电离，因此电弧从一根焊芯移到另一根焊芯时，根部不用和工件直接接触，每根焊芯都有燃弧时间和熄弧冷却时间，所以可以用大焊接电流焊接，焊缝的形状有焊芯的嵌套形式决定。
嵌套电弧焊可以通过选择不同的焊条嵌套形式控制焊缝的熔宽，可以得到窄的焊缝，同时提高生产率。手工焊接厚大板时，可以大大降低焊接成本。嵌套焊条的电弧短而有力，焊接时可以很好的保护熔池，得到良好的焊缝成形。但是嵌套焊条也存在很多问题。一是电弧在焊条之间快速移动，电弧不稳定且加热不集中。二是由于嵌套焊条是由两根及两根以上焊芯组成的，几根焊芯不能同时燃烧，电流不能不均分配，每根焊芯所承受的最大电流值将远远超过焊芯所能承受的电流值，易发生焊条爆断现象。1951年，提出了手工多条电弧焊接法，即束状焊条焊接法，嵌套焊条焊接法是该方法的前身，该方法在实际中得到了一定的应用。所谓束状焊条焊接法，就是简单的把二根、三根、五根以上的焊条束在一起，焊条的夹持端用点焊固定进行焊接。这种方法主要是提高焊接效率和解决厚板焊接时焊条直径不够粗的问题。此外，文献对三相手弧焊进行了研究。三相电弧焊的电弧是由三相电源产生的，焊接时由三个电弧同时燃烧。随着各种方法的不同，电弧间的位置也不同，最常见的就是并联焊条式，就是将三相电源分别接于焊件、焊条和焊条上焊条和焊条相互绝缘。除了焊条和焊件件发生电弧外，两根焊条之间也有电弧发生。三相手弧焊热量集中，电弧对焊件的熔透深度增加，可以加大钝边厚度或扩大不开坡口对接焊的厚度。三个电弧同时燃烧，同时使用两根焊条，热能有效利用，大大提高了劳动生产率，降低了生产成本。但是由于是三相供电，电压达到，对人身不安全。而且对工件的熔深增加，对母材的热输入增大，会导致焊接热影响区过热区晶粒的粗大，使焊接接头性能下降。
综上所述，由于多条焊的电弧在焊条之间快速的移动，电弧不稳定而且加热不集中三相手弧焊的焊接电弧之间相互影响严重，所以对提高焊条效率的多条焊、三相手弧焊等焊接方法应用和研究很少。近年来，国内外还着重于研究和推广铁粉焊条、重力焊条、立向下焊条及高效的不锈钢焊条等高效焊条”一。目前我国手工电弧焊理论方面的研究主要集中在电弧形态和熔滴过渡方面。如焊条熔滴过渡形态分析，影响焊条熔滴过渡力学因素的研究，不锈钢焊条熔滴过渡形态及工艺稳定性的研究，电弧的等离子流力、电弧压力及磁场对电弧行为的影响。

四、参考文献：
《焊接手册》
《焊接原理》
《焊接设备》
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