電焊（英文名：Welding）又稱電弧焊，是通過焊接設(shè)備產(chǎn)生的電弧熱效應(yīng)，促使被焊金屬的截面局部加熱熔化達到液態(tài)，使原來分離的金屬結(jié)合成牢固的、不可拆卸的接頭工藝方法。電焊分為：焊條電弧焊、埋弧焊、氣體保護焊等。
19世紀初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧能局部熔化金屬的高溫熱源，1885～1887年，德國的科學(xué)家獲得了碳極電弧焊專利，俄羅斯的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗。歷經(jīng)8年英國的科學(xué)家由于對電弧焊的完善又獲得了專利。20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。在1914年—1918年世界大戰(zhàn)期間及第二次世界大戰(zhàn)開始期間電弧焊在美國開始應(yīng)用。1951年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊。1953年，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基等人發(fā)明二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應(yīng)用和發(fā)展。1957年美國的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；60年代出現(xiàn)了高能量密度熔焊。電弧焊接技術(shù)是當前工業(yè)生產(chǎn)中的重要基礎(chǔ)工藝，是當前社會發(fā)展過程中各種技術(shù)要求和工業(yè)發(fā)展要求的新型綜合工業(yè)加工技術(shù)和方法。
電焊被廣泛應(yīng)用于造船、壓力容器制造，石油化工等鋼結(jié)構(gòu)制造領(lǐng)域。電焊能夠滿足不同結(jié)構(gòu)件的焊接要求，并且焊接性能優(yōu)良，具有焊接熱應(yīng)力小、焊接結(jié)構(gòu)緊湊等諸多優(yōu)點。電焊作業(yè)工人職業(yè)危害主要有：金屬煙熱、電焊工肺塵病、電光性眼炎、錳中毒、以及吸人氟化氫、氮氧化物、臭氧，引起的呼吸道刺激癥狀。
發(fā)展歷史
早期發(fā)展
19世紀初，英國的戴維斯發(fā)現(xiàn)電弧和氧乙炔焰兩種能局部熔化金屬的高溫熱源，電弧焊很早以前采用了鍛焊，1885～1887年，德國的科學(xué)家獲得了碳極電弧焊專利，俄羅斯的別納爾多斯發(fā)明碳極電弧焊鉗。1887年，美國的湯普森發(fā)明電阻焊，并用于薄板的點焊和滾焊機。歷經(jīng)8年英國的科學(xué)家由于對電弧焊的完善又獲得了專利。
20世紀初，碳極電弧焊和氣焊得到應(yīng)用，同時還出現(xiàn)了薄藥皮焊條電弧焊，電弧比較穩(wěn)定，焊接熔池受到熔渣保護，焊接質(zhì)量得到提高，使手工電弧焊進入實用階段，電弧焊從20年代起成為一種重要的焊接方法。在1914年—1918年世界大戰(zhàn)期間及第二次世界大戰(zhàn)開始期間電弧焊在美國開始應(yīng)用。二十世紀世紀20年代開始使用閃光對焊方法焊接簡單斷面型材和鏈條。至此電阻焊進入實用階段。
1951年蘇聯(lián)的巴頓電焊研究所創(chuàng)造電渣焊。1953年，蘇聯(lián)的柳巴夫斯基等人發(fā)明二氧化碳氣體保護焊，促進了氣體保護電弧焊的應(yīng)用和發(fā)展，如出現(xiàn)了混合氣體保護焊、藥芯焊絲氣渣聯(lián)合保護焊和自保護電弧焊等。
1957年美國的蓋奇發(fā)明等離子弧焊；60年代出現(xiàn)了高能量密度熔焊。
發(fā)展現(xiàn)狀
近二三十年，科學(xué)技術(shù)向前發(fā)展，隨著各種物理技術(shù)和化學(xué)技術(shù)的不斷發(fā)展，使得電弧焊接技術(shù)在應(yīng)用的過程中結(jié)合離子物理、電子束、紅外線、真空、超聲、聲學(xué)乃至計算機技術(shù)、微電嚴技術(shù)、自動控制技術(shù)、材料科學(xué)與工程斷裂力學(xué)、檢測技術(shù)等許多現(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成就。都在電弧焊接上獲得應(yīng)用。奠定了電弧焊接技術(shù)發(fā)展的基礎(chǔ)。增強了電弧焊接技術(shù)本身的能力。擴大了電弧焊接技術(shù)的內(nèi)涵和外延?，F(xiàn)代科學(xué)技術(shù)的新成就已滲透到電弧焊接科學(xué)枝術(shù)領(lǐng)域，促進了現(xiàn)代電弧焊接技術(shù)發(fā)展的—個重要特點。
相關(guān)原理
電弧
電焊是利用電能轉(zhuǎn)換為熱能對金屬進行加熱焊接的方法，電弧焊是熔化焊的一種，它是利用電弧熱，將沿焊縫間隙運動的焊條前端和工件局部熔化，形成的焊縫連接。
電弧是在焊條與工件兩極之間氣體介質(zhì)中的連續(xù)放電現(xiàn)象，也是氣體導(dǎo)電的形式之一。氣體導(dǎo)電現(xiàn)象是在外界高壓電場的作用下，使氣體“電離”而形成的。電弧放電時，電流可達幾百安培以上，但電壓并不高只有幾十伏。電弧產(chǎn)生大量熱能，溫度可高達8000℃，與此同時，發(fā)出強烈的可見光及紫外線、紅外線等輻射線。
電焊機
電焊機是電弧的電源，必須滿足引弧的要求及電弧穩(wěn)定的燃燒以及能方便地調(diào)節(jié)電流大小等。
電源的輸出電壓與電流的關(guān)系稱為“外特性”。電焊機外特性曲線為陡降型，即電流為零時，空載電壓為60~80V，只要電弧引燃有電流存在，則電壓就會迅速下降，只要改變電焊機處特性曲線的分布，就能達到調(diào)節(jié)焊接電流的目的，以滿足焊接不同厚度和不同材質(zhì)的工件要求。
分類
焊條電弧焊
特點
焊條電弧焊（即手工電弧焊）是利用焊條與工件間產(chǎn)生電弧熱，將工件和焊條融化而進行焊接的方法。焊條電弧焊可在室內(nèi)、室外和各種焊接位置進行，設(shè)備簡單，容易維護，焊鉗小，使用靈便，適于焊接高強度鋼、鑄鋼、生鐵和有色金屬，其焊接接插件與工件（母材）的強度相近，是焊接生產(chǎn)中應(yīng)用廣泛的焊接方法。
焊接過程
電弧在焊條與被焊工件之間燃燒，電弧熱作用下，工件與焊芯同時熔化形成熔池，熔化的焊條金屬液滴進入熔池，與工件熔化部分混合。同時也使焊條的藥皮融化和分解。藥皮融化后與液態(tài)金屬發(fā)生物理化學(xué)反應(yīng)，所形成的熔渣不斷從熔池中浮起；藥皮受熱分解產(chǎn)生大量的二氧化碳、一氧化碳和氫氣等保護氣體，圍繞在電弧周圍，熔渣和氣體能防止空氣中氧和氮的侵入，其保護融化金屬的作用。當電弧向前移動時，工件和焊條不斷融化匯成新的熔池。原來的熔池則不斷冷卻凝固，構(gòu)成連續(xù)的焊縫。覆蓋在焊縫表面的熔池也逐漸凝固成為固態(tài)渣殼。這層熔渣和渣殼對焊接成形的好壞和減緩金屬的冷卻速度有著重要的作用。
埋弧焊
特點
生產(chǎn)率高；焊接質(zhì)量高且穩(wěn)定；節(jié)省金屬材料；改善了勞動條件。
焊接過程
埋弧焊也稱熔劑層下電弧焊。焊接時，焊接機頭上的送絲機構(gòu)將焊絲送入電弧區(qū)并保持選定的弧長。電弧在顆粒狀熔劑（焊劑）層下面燃燒，焊機帶著焊絲均勻地沿坡口移動，或者焊機機頭不動，工件勻速運動。在焊絲前方，焊劑從漏斗中不斷流出撒在被焊部位。焊接時，部分焊劑融化形成熔渣覆蓋在焊縫表面，大部分焊劑不熔化，殼重新回收使用。
電弧燃燒后，工件與焊絲被熔化成大體積（可達20m3）的熔池。由于電弧向前移動熔池金屬被電弧氣體排擠向后堆積形成焊縫。電弧周圍的顆粒狀焊劑被熔化成熔渣，與熔池金屬產(chǎn)生物理化學(xué)作用。部分焊劑被蒸發(fā)，生成的氣體將電弧周圍的熔渣排開，形成一個封閉的熔渣泡。它具有一定粘度，能承受一定壓力，使熔化的金屬與空氣隔離，并能防止金屬熔滴向外飛濺。
氣體保護焊
氬弧焊
特點
適于焊接各類合金鋼、易氧化的有色金屬及鋯、等稀有金屬；弧焊電弧穩(wěn)定，飛濺小，焊縫致密；電弧和熔池區(qū)受氣流保護，明弧可見，便于操作，容易實現(xiàn)全位置自動焊接；電弧在氣流壓縮下燃燒，熱量集中，熔池小，焊接速度較快，焊接熱影響區(qū)較窄，因而工件焊后變形小。
氬弧焊是以氬氣作為保護氣體的電弧焊。氬弧焊按所用電極的不同，可分為不熔化極氬弧焊和熔化極氬弧焊2種。
不熔化極氬弧焊
不熔化氬弧焊以高熔點的鎢棒作為電極。焊接時，鎢棒不熔化，只起導(dǎo)電與產(chǎn)生電弧的作用，易實現(xiàn)機械化和自動化焊接。但因電極所能通過的電流有限，只適合焊接厚度6mm以下的工件。
熔化極氬弧焊
熔化極氬弧焊以連續(xù)送進的焊絲作為電極進行焊接。此時可用較大電流焊接厚度為25mm以下的工件。焊接前須把接插件表面清理干凈，否則雜質(zhì)與氧化物會留在焊縫內(nèi)，使焊縫質(zhì)量顯著下降。
二氧化碳保護焊
二氧化碳氣體保護焊是以二氧化碳為保護氣體的電弧焊。它用焊絲作電極，靠焊絲和焊件之間產(chǎn)生的電弧熔化工件與焊絲，熔池凝固后成為焊縫。焊絲的送進靠送絲機構(gòu)實現(xiàn)。
技術(shù)參數(shù)
在手工電弧焊工藝中焊接技術(shù)參數(shù)主要有焊接層數(shù)、電弧電壓、焊接電流等。
焊接層數(shù)
多層數(shù)焊接工序通常是在具有一定厚度的被焊物體下出現(xiàn)的，若對于尋常鋼與低碳鋼開展多層焊接工作，要對焊接厚度進行嚴格的把控，從而使被焊物體的完整性有所保障。一般情況下，是以3.0mm~4.5mm的焊縫層高度為基準，去辨識鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量的優(yōu)劣程度。例如，某鋼結(jié)構(gòu)的焊層為焊條直徑的0.8倍時，其焊接工藝是便捷的，制造效率也得到一定保障。此時其焊接層數(shù)大體上可以由n=h/md公式推導(dǎo)出來（n：焊接層數(shù)；h：焊接厚度；d：焊條直徑；m：經(jīng)驗系數(shù)，取值范圍為0.8～1.2）。
焊條
焊條直徑的長短與焊件厚度之間存在正相關(guān)關(guān)系，在實際生產(chǎn)過程中，需要參照一定數(shù)值去比較焊件厚度與焊條直徑，通常會出現(xiàn)以下幾種比值：一是在焊件厚度一致的情況下焊條直徑數(shù)值可以由焊縫方位坐直徑長度得到[2]。立焊時直徑（d）小于5.0mm，橫焊與仰焊時d小于4.0mm，焊條直徑合理選擇，在降低熔池、防止金屬量過度下流現(xiàn)象出現(xiàn)方面發(fā)揮巨大實效性；二是焊條接頭的選擇。鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中不會出現(xiàn)T形接頭和搭接接頭這些焊接問題，所以為了提升鋼結(jié)構(gòu)焊接工作質(zhì)量，應(yīng)該盡量擇選直徑稍大的焊條。通常情況下，手工電弧焊焊條直徑在選擇上可以參照以下數(shù)據(jù)信息：
焊件厚度（h）≤1.5；2；3；4-5；6-12；≥12
焊條直徑（d）1.5；2；3.2-4；4-5；4-6
焊接的電流
焊條直徑的長短，與焊接電流大小、焊接層數(shù)多少、接頭方式、焊縫位置等要素相關(guān)聯(lián)。在理想情況下，焊條直徑與焊接電流兩者之間存在以下關(guān)系，即所選擇85%％～90%的平焊電流作為橫焊和立焊電流值，仰焊電流則是80%～85%。如果選擇的焊條類型為低氫型，那么焊接電流取值應(yīng)該進一步減少。酸性焊條電流（A）與焊條直徑（d）之間存在如下關(guān)系：
焊條直徑（d）1.6；2；2.5；3.2；73.2
電流（A）25-40；40-65；50-80；100-130；（35-40）d
焊接速率
速率，即在某一時間段內(nèi)焊接工作產(chǎn)出量。鋼結(jié)構(gòu)焊接過程中，要對速度嚴格把控。保證焊接無穿透現(xiàn)象產(chǎn)生是基礎(chǔ)，同時焊接高度與焊接密度要與相關(guān)規(guī)范相匹配。在焊接工作運行速率相對較低，并在高熱位置處停留時間較久的情況下，鋼結(jié)構(gòu)晶粒體積就會有不斷擴展的趨勢。也就是手工電弧焊工藝技術(shù)以慢速度焊接鋼結(jié)構(gòu)時，在操作上存在較大難度。在面對厚度相對較薄的焊接板時，若焊接速度掌控不到位，就加大了燒穿現(xiàn)象出現(xiàn)的概率。但是，如果焊接速度過大，也會基于熔池溫度較低實況而使相鄰焊板間出現(xiàn)密封不嚴等問題。總之，手工電弧焊工藝在鋼結(jié)構(gòu)制造過程中的應(yīng)用，若要使焊接質(zhì)量有所保障，采用適宜的焊接速度是必要的。所以，在確保焊接電流和焊條質(zhì)量的基礎(chǔ)上，應(yīng)該應(yīng)用有效的速度，從而確保鋼結(jié)構(gòu)焊接質(zhì)量與焊接寬窄高度的之間的統(tǒng)一性。
缺點
手工電弧焊缺點種類很多，常見的有焊接裂紋、氣孔、夾渣、咬邊、未焊透、未熔合、焊瘤、弧坑焊縫外形尺寸和形狀不符合要求等。
焊接裂紋
焊接裂紋是焊縫中最危險的缺陷，焊逢結(jié)構(gòu)的破壞多從裂紋開始。在焊接過程中要采取必要的措施防止出現(xiàn)裂紋，焊接裂紋按產(chǎn)生的原因可分為冷裂紋和熱裂紋。
冷裂紋
冷裂紋是焊縫金屬在冷卻過程或冷卻以后，在母材或母材與焊縫交界的熔合線上產(chǎn)生的裂紋。這類裂紋有可能在焊后立即出現(xiàn)，也有可能在焊后幾小時、幾天甚至更長時間才出現(xiàn)。冷裂紋產(chǎn)生的主要原因為：在焊接熱循環(huán)的作用下，熱影響區(qū)生成了硬組織；焊縫中有過量的擴散氫，且具有濃集的條件；接頭剛性大，承受有較大的拘束應(yīng)力。
熱烈紋
熱裂紋是焊縫金屬由液態(tài)到固態(tài)的結(jié)晶過程中產(chǎn)生的裂紋，特征是焊后立即可見，且多發(fā)生在焊縫中心，沿焊縫長度方向分布。產(chǎn)生熱裂紋的原因是焊接熔池中存有低熔點雜質(zhì)(如FeS等)，在外界結(jié)構(gòu)拘束應(yīng)力足夠大和焊縫金屬的凝固收縮作用下，這些低熔點雜質(zhì)在凝固過程中被拉開，或在凝固后不久被拉開，造成晶間開裂。
氣孔
氣孔是指在焊接時，熔池中的氣泡在凝固時未能逸出而形成的空穴。產(chǎn)生氣孔的主要原因有：坡口邊緣不清潔，有水份、油污和銹跡；焊條未按規(guī)定進行焙烘，焊芯銹蝕或藥皮變質(zhì)、剝落等。此外，低氫型焊條焊接時，電弧過長，焊接速度過快，都可能在焊接過程中產(chǎn)生氣孔。
夾渣
夾渣就是殘留在焊縫中的熔渣，夾渣也會降低焊縫的強度和致密性。產(chǎn)生夾渣的原因主要是焊縫邊緣有氧割或碳弧氣刨殘留的熔渣；坡口角度或焊接電流太小，或焊接速度過快。在使用酸性焊條時，由于電流太小或運條不當形成“糊渣”；使用堿性焊條時，由于電弧過長或極性不正確也會造成夾渣。防止產(chǎn)生夾渣的措施有：正確選取坡口尺寸，認真清理坡口邊緣，選用合適的焊接電流和焊接速度，運條擺動要適當。多層焊時應(yīng)仔細觀察坡口兩側(cè)熔化情況，每一焊層都要認真清理焊渣，封底焊渣應(yīng)徹底清除。
咬邊
焊縫邊緣留下的凹陷，稱為咬邊。產(chǎn)生咬邊的原因是焊接電流過大、運條速度快、電弧拉得太長或焊條角度不當?shù)仍斐珊讣蝗刍ヒ欢ㄉ疃龋畛浣饘儆治茨芗皶r填滿。咬邊處造成應(yīng)力集中，故在重要的結(jié)構(gòu)或受動載荷結(jié)構(gòu)中，一般是不允許咬邊存在的。防止產(chǎn)生咬邊的辦法是選擇合適的焊接電流和運條手法，隨時注意控制焊條角度和電弧長度。
未焊透、未熔合
焊接時，接頭根部未完全熔透的現(xiàn)象，稱為未焊透；在焊件與焊縫金屬或焊縫層間的局部未熔透現(xiàn)象，稱為未熔合。未焊透和未熔合的原因是焊件裝配間隙或坡口角度太小、鈍邊太厚、焊條直徑太大、電流過小、速度太快及電弧過長等。焊件坡口表面氧化膜、油污等沒有清除干凈，或在焊接時流入熔渣妨礙了金屬之間的熔合以及運條手法不當，電弧偏在坡口一邊等原因，都會造成邊緣不熔合。防止未焊透或未熔合的方法是正確選取坡口尺寸，合理選用焊接電流和速度，坡口表面氧化皮和油污要清除干凈；封底焊清根要徹底，運條擺動要適當，密切注意坡口兩側(cè)的熔合情況。
其他缺陷
手工電弧焊中還常見到一些焊瘤、弧坑，及焊縫外形尺寸和形狀上的缺陷。產(chǎn)生焊瘤的主要原因是運條不均，造成熔池溫度過高，液態(tài)金屬凝固緩慢下墜，因而在焊縫表面形成金屬瘤。立、仰焊時，采用過大的焊接電流和弧長也有可能出現(xiàn)焊瘤。產(chǎn)生弧坑的原因是熄弧時間過短，焊接突然中斷，或焊接薄板時電流過大等。防止產(chǎn)生焊瘤的主要措施嚴格控制熔池溫度，立、仰焊時，焊接電流應(yīng)比平焊小10-15%；使用堿性焊條時，應(yīng)采用短弧焊接，保持均勻運條。防止產(chǎn)生弧坑的主要措施是，在手工焊收弧時焊條應(yīng)作短時間停留或作幾次環(huán)形運條。焊縫外形尺寸和形狀上的缺陷可以用焊前預(yù)留反變形量，焊接順序?qū)ΨQ使應(yīng)力對消的方式來預(yù)防。
應(yīng)用領(lǐng)域
中國各類工礦企業(yè)中，電焊作業(yè)工人總數(shù)約為1000萬。多分布在金屬制品業(yè)、專用設(shè)備業(yè)、汽車業(yè)、結(jié)構(gòu)性金屬業(yè)、通用設(shè)備業(yè)、電氣機械業(yè)、船舶制造業(yè)以及其他各類制造業(yè)等。
標準規(guī)范
手工電弧焊工藝規(guī)范：
1.在保證接插件力學(xué)性能和外觀質(zhì)量的條件下，盡量采用小線能量焊接，加快工件冷卻速度，縮短接頭敏化溫度區(qū)停留時間。
2.試板正背面各焊一層，先焊正面，后焊背面。正面焊接時，采用熔透焊法，不擊穿母材，防止背面母材被氧化。
3.待正面焊道冷卻至室溫后，再焊背面焊縫。
危害
電焊作業(yè)工人職業(yè)危害主要有：金屬煙熱、電焊工肺塵病、電光性眼炎、錳中毒、以及吸人氟化氫、氮氧化物、臭氧，引起的呼吸道刺激癥狀。
電焊作業(yè)空氣有容物質(zhì)來源
是因為電焊在焊接過程中，焊條藥皮和金屬材熔化并經(jīng)過一系列冶金反應(yīng)后逸散出大量金屬煙氣，尤其在密閉倉室內(nèi)，這些煙氣在空氣中氧化成氧化錳、化氫、氮氧化物、氧化鐵粉塵、奧氧等。這些有害物質(zhì)，從呼吸道侵人體、造成疾病。
電焊作業(yè)對職工危害
危害較嚴重的是造船廠、電焊作業(yè)往往在狹小密閉艙室內(nèi)進行，當局部溫度劇烈膨脹可出現(xiàn)煙塵和氣霧、內(nèi)含有氟化氫、氮氧化物、氧化錳、金屬粉塵，刺激引起、咽炎、頭痛、多夢、記憶力減退、心悸病等神經(jīng)衰弱候群癥癥狀和咳嗽、吐痰、胸悶、氣短、呼吸困難等呼吸道刺激癥狀。少數(shù)焊工受MnO影響出現(xiàn)手顫、舌顫、肌張力增強等椎體外系的癥狀。
電焊工塵肺
焊工長期受粉塵刺激使肺葉間質(zhì)和肺泡周圍組織增生構(gòu)成細小的網(wǎng)狀陰影。肺血管和支氣管周圍纖維組織增生造成紋理增加。長期伴隨吸人氟化氫、氮氧化物刺激氣體易引起呼吸道炎性改變。
慢性錳中毒
目前使用焊條含錳量，酸性焊條7.26%，堿性焊條為6.35%。施焊時空氣中煙塵中、含氧化錳。長期吸人易發(fā)慢性錳中毒。但是慢性錳中毒早期是輕型的。體征早期易與神經(jīng)衰弱相混。為此早期診斷、較困難。當出現(xiàn)明顯錳中毒癥狀時，尿錳可驗出。
電焊工金屬煙熱
電焊工在施焊時因吸人氧化金屬，典型癥狀為工作后夜間發(fā)冷、發(fā)燒、無力、口內(nèi)金屬味、食欲不振、惡心、出汗后癥狀減輕但仍感全身無力。
參考資料 >