电弧焊焊接工艺介绍（焊接方法，电源，安全，发展历史）

电弧焊是一种焊接工艺，用于通过使用电力产生足够的热量来熔化金属来将金属连接，并且冷却时,熔化的金属结合。这是一种使用焊接电源在金属棒（“ 电极 ”）和基材之间产生电弧,以在接触点熔化金属的焊接类型。弧焊机可以使用直流（DC）或交流（AC）电流，以及消耗或非消耗电极。

焊接区域通常由某种类型的保护气体，蒸汽或炉渣保护。弧焊工艺可以是手动，半自动或全自动。最初是在19世纪后期开发的，在第二次世界大战期间，弧焊在造船业中等商业中具有很重要的地位。今天，它仍然是制造钢结构和车辆的重要焊接技术。

【电弧焊电源】

为了提供电弧焊接过程所需的电能，可以使用许多不同的电源。最常见的分类是恒定电流电源和恒定电压电源。

在电弧焊接中，电压与电弧长度直接相关，电流与热输入量有关。恒流电源最常用于手工焊接工艺，如钨极气体保护焊和金属保护焊，因为即使电压变化，它们也能保持相对恒定的电流。这一点很重要，因为在手工焊接中，很难保持电极完全稳定，因此弧长和电压容易波动。

恒压电源保持电压恒定并改变电流，因此，最常用于自动焊接工艺，如气体保护金属极电弧焊、药芯焊丝电弧焊和埋弧焊。在这些过程中，电弧长度保持不变，因为电流的大变化可以迅速纠正导线和母材之间距离的任何波动。例如，如果金属丝和基体材料的距离太近，电流将迅速增加，从而导致热量增加，金属丝的尖端熔化，使其回到原来的分离距离。

电弧焊接中的电流方向在焊接中也起着重要作用。自耗电极过程，如保护金属电弧焊和气体保护金属电弧焊，通常使用直流电，但电极可以正电荷或负电荷。一般来说，带正电的阳极会有更高的热浓度（约60%）。

注意，一般情况下，对于粘焊，最常用的是直流+极性。它产生了一个良好的焊道轮廓和较高的渗透水平。直流极性导致渗透性降低，电极熔化速度加快。例如，有时在薄金属板上使用它以防止烧穿，  “除少数例外，电极正极（反极性）导致更深的穿透。电极负极性（直极性）导致电极更快熔化，因此沉积速度更快。” 非自耗电极工艺，例如气体钨极电弧焊，可以使用任何类型的直流电（DC）以及交流电（AC）。然而，对于直流电，由于电极仅产生电弧并且不提供填充材料，带正电的电极导致浅焊接，而带负电的电极产生更深的焊接。

交替电流在这两者之间快速移动，导致中等穿透焊缝。AC的一个缺点是，在电弧必须在每次过零后重新点燃，这一事实已经通过发明特殊的功率单元来解决，该功率单元产生的是方波模式，而不是正常的正弦波，消除了过零后的低压时间，并将问题的影响降到最低。

工作周期是一种焊接设备规范，规定了10分钟内的分钟数，在此期间，给定的电弧焊机可以安全使用。例如，具有60%工作循环的80 A焊工必须在连续焊接6分钟后“休息”至少4分钟。

不遵守工作循环限制可能会损坏焊工。商业级或专业级焊工通常有100%的工作周期。

【自耗电极方法】

最常见的电弧焊接类型之一是屏蔽金属电弧焊（SMAW），也称为手工金属电弧焊（MMAW）或棒焊。电流用于在基材和自耗电极棒或棒之间撞击电弧。电极棒由与被焊接的基材相容的材料制成，并覆盖有助焊剂，该助焊剂释放蒸汽作为保护气体并提供一层炉渣，这两者都保护焊接区域免受空污染。电极芯本身充当填充材料，不需要单独的填充物。该过程非常通用，几乎不需要操作员培训和便宜的设备。然而，焊接时间相当慢，因为必须经常更换自耗电极，并且因为熔渣（焊剂中的残留物）必须在焊接后切掉。

此外，该工艺通常仅限于焊接黑色金属材料，尽管特种电极可以焊接铸铁，镍，铝，铜和其他金属。该方法的多功能性使其在许多应用中受欢迎，包括修理工作和构造。

气体保护金属电弧焊（GMAW），通常称为MIG（用于金属/惰性气体），是一种半自动或自动焊接工艺，连续供给的消耗线作为电极和填充金属，同时具有惰性或半惰性惰性保护气体在导线周围流动，以保护焊接部位免受污染。恒定电压直流电源最常用于GMAW，但也使用恒定电流交流电。通过连续供给填充电极，GMAW提供相对较高的焊接速度; 然而，与SMAW工艺相比，更复杂的设备降低了便利性和多功能性。最初开发用于焊接铝在20世纪40年代，GMAW和其他有色金属材料很快被经济地应用于钢材。如今，GMAW 因其质量，多功能性和速度而广泛用于汽车工业等行业。由于需要在焊接部位周围保持稳定的保护气体护罩，因此在诸如室外的高空气运动区域中使用GMAW工艺可能是有问题的。

药芯焊丝电弧焊（FCAW）是GMAW技术的一种变体。FCAW焊丝实际上是一种填充有粉末焊剂材料的精细金属管。有时使用外部提供的保护气体，但通常依靠焊剂本身来产生对空气的必要保护。由于其高焊接速度和便携性，该工艺广泛用于建筑。

埋弧焊（SAW）是一种高生产率的焊接工艺，其中电弧在粒状焊剂的覆盖层下面被击打。这增加了电弧质量，因为空气的污染物被焊剂阻挡。在焊缝上形成的熔渣通常会自己脱落，并且与使用连续焊丝进料相结合，焊接沉积速率很高。与其他电弧焊接工艺相比，工作条件得到了很大改善，因为焊剂隐藏了电弧并且没有产生烟雾。该工艺通常用于工业，特别是大型产品。由于弧不可见，因此通常是自动化的。SAW仅适用于1F（扁平圆角），2F（水平圆角）和1G（平槽）位置。

【非自耗电极方法】

气体保护钨极电弧焊（GTAW）或钨/惰性气体（TIG）焊接是一种手工工艺，使用由钨制成的非自耗电极，惰性或半惰性气体混合物和单独的填充材料。这种方法特别适用于焊接薄材料，其特点是电弧稳定，焊接质量高，但需要很高的操作技能，而且只能以相对较低的速度完成。它几乎可用于所有可焊接的金属，但最常用于不锈钢和轻金属。它通常在非常重要的高质量焊接时使用，例如自行车，飞机和船舶等应用中。

相关工艺，等离子弧焊，也使用钨电极但使用等离子气体来制造电弧。电弧比GTAW电弧更集中，使横向控制更加关键，因此通常将技术限制在机械化过程中。由于其稳定的电流，该方法可用于比GTAW（气保焊）工艺更宽范围的材料厚度，并且速度更快。除镁外，它可以应用于与GTAW（气保焊）相同的所有材料; 自动焊接不锈钢是该工艺的一个重要应用。该工艺的一种变化是等离子切割，一种有效的钢切割工艺。

其他电弧焊接工艺包括原子氢焊接，碳弧焊接，电渣焊接，电气焊接和螺柱电弧焊接。

【腐蚀问题】

一些材料，特别是高强度钢，铝和钛合金，易受氢脆化影响。如果用于焊接的电极含有微量水分，则水在电弧的热量中分解，释放的氢进入材料的晶格，导致其脆性。这种材料的棒状电极采用特殊的低氢涂层，采用密封防潮包装。新的电极可以直接从罐中使用，但是当怀疑可能吸湿时，必须在干燥炉中通过烘烤（通常在450至550℃或840至1,020°F）干燥它们。使用的助焊剂也必须保持干燥。

一些奥氏体不锈钢和镍基合金易于发生晶间腐蚀。当在700°C（1300°F）左右的温度下长时间使用时，铬会与材料中的碳反应，形成碳化铬并耗尽铬的晶体边缘，在一个称为敏化的过程中削弱其耐腐蚀性。这种敏化钢在靠近焊缝的区域受到腐蚀，其中温度 - 时间有利于形成碳化物。这种腐蚀通常被称为焊接腐蚀。

镍腐蚀（kla）是影响焊缝的另一种腐蚀，它对铌稳定的钢材产生冲击。铌和碳化铌在高温下溶于钢中。在某些冷却状态下，铌碳化物不会沉淀，钢的行为就像不稳定的钢，形成碳化铬。这只影响焊缝附近几毫米宽的薄区域，使其难以定位并增加腐蚀速度。当碳化铬溶解，碳化铌形成时，由这种钢制成的结构必须整体加热到大约1000°C（1830°F）。这种处理后的冷却速度并不重要。

根据环境条件选择不当的填充金属（电极材料）也会使其对腐蚀敏感。如果电极成分与焊接材料完全不同，或材料本身不同，也会出现电偶腐蚀问题。即使在不同等级的镍基不锈钢之间，焊接接头的腐蚀也会很严重，尽管它们在机械连接时很少发生电偶腐蚀。

【安全问题】

没有适当的预防措施，焊接可能是一种危险和不健康的做法；但是，使用新技术和适当的保护措施，可以大大降低与焊接相关的伤害或死亡风险。

热，火和爆炸危险

由于许多常见的焊接工艺涉及到开放式电弧或火焰，因此热和火花造成烧伤的风险非常大。为防止出现这种情况，焊工应穿戴厚皮手套和保护性长袖夹克形式的防护服，以避免暴露在极热、火焰和火花中。在许多焊接过程中使用压缩气体和火焰也会造成爆炸和火灾风险；一些常见的预防措施包括限制空气中的氧气量和使易燃材料远离工作场所。

眼睛受损

带90×110 mm筒体和3.78×1.85的自动变暗焊接罩

暴露在焊接区域的亮度下会导致一种称为弧眼的情况，紫外线会导致角膜发炎，并会灼伤眼睛的视网膜。焊接护目镜和头盔的深色面板比太阳镜或氧燃料护目镜要深得多，为防止这种暴露。近年来，新的头盔模型已经被生产出来，其特征是面板可以自动变暗，为了保护旁观者，透明的焊接窗帘经常环绕焊接区域。这些窗帘由聚氯乙烯塑料薄膜制成，可以保护附近的工人免受电弧紫外线的照射。

吸入的物质

焊工也经常接触危险气体和颗粒物。药芯电弧焊和保护金属电弧焊等工艺会产生含有各种氧化物颗粒的烟尘。颗粒的大小往往会影响烟气的毒性，更小的颗粒会带来更大的危险。此外，许多工艺产生各种气体（最常见的是二氧化碳和臭氧，但也有其他气体），如果通风不足，这些气体被证明可能会是危险的。

干扰心脏起搏器

某些使用高频交流电组件的焊机在电源装置2米和焊接点1米范围内会影响心脏起搏器的工作。

【电弧焊历史】

虽然锻造焊接的例子可以追溯到青铜时代和铁器时代，但电弧焊接直到很晚才开始实施。

1800年，汉弗莱·戴维爵士发明了短脉冲电弧。俄罗斯物理学家瓦西里·彼得罗夫于1802年发明了连续电弧并随后提出了其可能的实际应用，包括焊接。

首次开发弧焊时，尼古拉·贝纳多斯于1881年在巴黎国际电力展览会上展示了使用碳电极进行金属电弧焊接，并于1887年与StanisławOlszewski一起获得专利。

同年，法国电气发明者奥古斯特·代·梅里滕斯还发明了碳电弧焊接方法，在1881年申请专利，这已成功用于在制造铅酸蓄电池焊接引线。

19世纪末，一个俄罗斯人尼可莱·斯拉维亚诺夫（1888年）和一个美国人C.L.科芬发明了金属电极，从而使铅酸电池的实际应用得以继续。1900年左右，AP Strohmenger在英国发布了一种涂层金属电极，可产生更稳定的电弧。1905年，俄罗斯科学家Vladimir Mitkevich提出使用三相电弧进行焊接。1919年，交流电焊接由CJ Holslag发明，但在未来十年内并未流行。

在这段时间内，电阻焊和氧燃料焊等竞争性焊接工艺也得到了发展；但两者，尤其是后者，都面临着与电弧焊接的激烈竞争，特别是在电极的金属覆盖层（称为焊剂）稳定电弧和保护母材不受杂质影响后，继续得到发展。

1943年，一位年轻的妇女在澳大利亚的一家军火厂里进行电弧焊接。

第一次世界大战期间，焊接开始在英国的造船业中代替铆接钢板。当德国在战争开始时在纽约港发动攻击后，美国也开始接受新技术，因为这一技术可以使他们能够迅速修理自己的船只。战争期间，电弧焊接也首次应用于飞机上，1919年，一些德国飞机机身采用了这一技术。

20世纪20年代，焊接技术取得了重大进展，其中包括1920年引进自动焊接技术，其中电极丝不断地被送入。当科学家们试图保护焊缝不受大气中氧和氮的影响时，保护气体成为了一个备受关注的课题。多孔性和脆性是主要问题，解决方案包括使用氢、氩和氦作为焊接气体。

在接下来的十年中，进一步的允许焊接活性金属，如铝和镁。这与自动焊接、交流电和焊剂的发展相结合，在20世纪30年代和第二次世界大战期间大大扩大了电弧焊的应用范围。

在本世纪中叶，人们发明了许多新的焊接方法。埋弧焊接发明于1930年，至今仍很流行。

1932年，一位俄罗斯人Konstantin Khrenov成功实施了第一次水下电弧焊。气体保护钨极电弧焊接，经过十年的发展，钨极气体保护焊终于在1941年得到完善，随后的金属极气体保护焊也在1948年得到完善，使得有色金属材料的快速焊接成为可能，但需要昂贵的保护气体。使用自耗电极和二氧化碳气体保护气体，它很快成为最流行的金属电弧焊工艺。1957年，药芯焊丝电弧焊工艺首次亮相，自保护丝电极可与自动化设备配套使用，大大提高了焊接速度。同年，人们发明了等离子弧焊接。1958年发布了电渣焊，1961年发布了电渣焊。

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