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焊接安全技术

焊接安全技术：

第三章焊接方法及安全

　　焊接按其方法可分为三大类：

熔焊、压焊及钎焊。

这一章介绍利用电能所产生的电弧热来加热或熔化金属进行焊接或切割的几种方法，也是生产中常用的几种焊接（切割）方法。

本着焊接安全问题就是技术问题这一原则，本章着重从焊接方法的基本原理、安全技术和工艺技术要点等方面进行阐述。

第一节手工电弧焊

手工电弧焊亦称焊条电弧焊是利用焊条和焊件之间的电弧热使金属和母材熔化形成焊缝的一种焊接方法。

如图3-1所示，焊接过程中，在电弧高热作用下，焊条和被焊金属局部熔化。

由于电弧的吹力作用，在被焊金属上形成了一个椭圆形充满液体金属的凹坑，这个凹坑称为熔池。

同时熔化了的焊条金属向熔池过渡。

焊条药皮熔化过程中产生一定量的保护气体和液态熔渣。

产生的气体充满在电弧和熔池周围，起隔绝大气的作用。

液态熔渣浮起盖在液体金属上面，也起着保护液体金属的作用。

熔池中液态金属、液态熔渣和气体间进行着复杂的物理、化学反应，称之为冶金反应，这种反应起着精炼焊缝金属的作用，能够提高焊缝的质量。

　　随着电弧的前移，熔池后方的液体金属温度逐渐下降，渐次冷凝形成焊缝。

一、焊接电弧及其特性

　　1．焊接电弧的产生

　　在两个电极之间的气体介质中，强烈而持久的气体放电现象称为电弧。

而发生在焊接电极与工件间隙电离后放电称之为焊接电弧。

焊接电弧从实质上看是气体导电，把电能转化成热能、机械能和光能。

其中热能和机械能被用来熔化金属，形成焊接接头。

光能就得靠劳动保护来加以防护。

使气体电离的办法主要有两种：

一种是在电极和工件之间加上很高的电压，在所形成的强电场的作用下使气体电离，就是击穿这部分气体，使它变成导体；另一种办法是使电极本身发射电子，这些发射电子撞击气体原子，使自由电子脱离原子核，形成自由电子和正离子，从而使气体电离。

根据这两种电离原理，在电弧焊中有相应的两种引弧方法，即非接触引弧法和接触引弧法。

在非熔化极电弧焊中，广泛采用非接触引弧法，如钨极氩弧焊常用高频振荡器引弧，其电压高达2000V以上。

在熔化极电弧焊中，如手工电弧焊、埋弧焊和熔化极气体保护焊中都采用接触引弧法。

电弧的引燃过程如图3-2所示。

　　沿着电弧长度方向焊接电弧由三部分组成：

阴极区、弧柱区和阳极区。

　　阳极区的热量主要来自自由电子撞人时所释放出来的能量。

其温度约为2300℃。

在阳极区产生的热量约占电弧总热量的43％。

　　阴极区的热量主要来自正离子撞入时所释放出来的能量。

阴极发射电子就要消耗一部分能量。

因此，一般来说阴极区的温度要低于阳极区的温度。

其温度约为2100℃，在阴极区产生的热量约占电弧总热量的36％。

　　弧柱区的热量约占电弧总热量的21％。

但因散热条件比阳极区和阴极区都差，因此温度很高，一般在4700～7700℃之间。

　　当焊接电流为交流电时，由于电流在1s内要变换100次方向，电极和母材轮流为阴极或阳极，因而阴极区和阳极区的温度相同，等于其平均值。

　　电弧焊主要利用在阳极区和阴极区所产生的热量来熔化金属。

　　2、焊接电弧的静特性及静特性曲线

焊接电弧稳定燃烧时，焊接电流和电弧电压之间有一定的匹配关系，称这种关系为电弧的静特性。

焊接电流和电弧电压之间的关系常用一条曲线形象地表示出来，称这样的曲线为焊接电弧的静特性曲线，如图3-3所示。

从图3-3可以看出：

曲线呈U形，分三个区。

I区称为下降电弧静特性曲线。

在该区内，焊接电流增加时，电弧电压则逐渐降低。

此段相当于小电流焊接时

的情况，生产实际上很少采用该区所包括的电流电压值。

　　Ⅱ区称为平直电弧静特性曲线。

在此区内，电弧长度不变时电弧焊非熔化极气体保护焊的正常焊接工艺参数都在此区内。

　　Ⅲ区称为上升电弧静特性曲线。

在此区内，电流密度非常大，电弧电压随焊接电流的增加而增加。

熔化极气体保护焊的正常焊接工艺参数在此区内。

　　3．影响焊接电弧稳定的因素

　　实际生产中，焊接电弧可能由于各种原因而发生燃烧不稳定的现象，如电弧经常间断，不能连续燃烧，电弧偏离焊条轴线方向或电弧摇摆不稳等。

而焊接电弧能否稳定，直接影响到焊接质量的优劣和焊接过程的正常进行。

　　影响电弧稳定的因素，除操作者技术不熟练外，大致可归为以下几个方面。

（1）焊接电源的种类、极性及性能的影响。

一般来说，用直流焊机比用交流焊机电弧稳定，反接比正接电弧稳定，空载电压较高的焊机较之空载电压较低的焊机电弧稳定。

（2）焊条药皮的影响。

药皮中含有易电离的元素，如钾、钠、钙和它们的化合物越多，电弧稳定性越好。

含有难于电离的物质，如氟的化合物越多，电弧稳定性就越差。

　　此外，焊条药皮偏心，熔点过高和焊条保存不好，造成药皮局部脱落等都会造成电弧不稳。

　　（3）焊接区清洁度和气流影响。

焊接区若油漆、油脂、水分及污物过多时，会影响电弧的稳定性。

在风较大的情况下露天作业，或在气流速度大的管道中焊接，气流能把电弧吹偏而拉长，也会降低电弧的稳定性。

　　（4）磁偏吹的影响。

在焊接时，会发生电弧不能保持在焊条轴线方向，而偏向一边，这种现象称为电弧的偏吹。

　　引起电弧偏吹原因除焊条偏心，电弧周围气流影响外，在采用直流电焊接时，还会发生因焊接电流磁场所引起的磁偏吹。

磁偏吹使焊工难以掌握，电弧对接缝处的集中加热，使焊缝焊偏，严重时会使电弧熄灭。

　　引起磁偏吹的根本原因是由于电磁周围磁场分布不均匀所致。

造成磁场不均匀有两方面：

一种是焊接电缆接在焊件的一侧，焊接电流只从焊件的一边流过；另一种是在靠近直流电弧的地方有较大的铁磁物体存在时，引起电弧两侧磁场分布不均匀。

在焊接过程中，可采用短弧、调整焊条倾角（将焊条朝着偏吹方向倾斜）或选择恰当的接线部位等措施来克服磁偏吹。

二、弧焊电源

　　1．对电源静特性的要求

　　弧焊电源在规定运行范围内稳定输出电流和输出电压间的关系，称为电源静（或外）特性，一般分下降特性和

平特性两类。

如图3-4所示。

　　下降特性有三种：

陡降（恒流）特性，适于钨极氩弧焊和等离子弧焊，在电弧电压（弧长）变化时电流几乎不变；曲线缓降特性，适于一般手弧焊和埋弧焊，电压（弧长）变化时电流也变化，但变化不大；近直线缓降特性，适于粗丝CO，焊和一般手弧焊、埋弧焊，特别适于立焊和仰焊。

　　平特性有两种：

平或稍下降的外特性，适于等速送丝的粗丝气体保护焊；上升特性，适于等速送丝的细丝气保焊。

对平特性电源，弧长变化电压变化极小而电流变化显著，加强电弧自调节作用，保持焊接规范稳定。

　　电源外特性曲线和电弧静特性曲线的交点才是电弧燃烧工作点。

在电流、电压偏离工作点时能自动修正回复到原工作点的才是稳定工作点。

　　2．对电源动特性要求

　　电源对负载状态突然变化的反应能力，即焊接电源适应焊接电弧变化的特性称为电源的动特性。

电弧的引燃和燃烧看起来很简单，实际上在引弧和电弧燃烧的过程中发生了许多眼睛看不出的变化。

例如，焊条电弧焊时，焊条与工件相碰，焊接电源要迅速提供合适的短路电流；焊条抬起时，焊接电源要很快达到空载电压。

焊接时，熔滴从焊条过渡到熔池，也频繁地发生上述的短路和重新引弧的过程。

如果焊接电源输出的电流和电压不能很快地适应电弧焊这些过程中的变化，电弧就不能稳定燃烧甚至熄灭。

　　因此说，动特性好的电源，按弧长的变化能很快地提供所需要的电流与电压，使电弧从一个稳定工作点过渡到另一个稳定工作点；电源的动特性好时，引弧容易，即使弧长有变化，电弧仍能稳定燃烧，焊接飞溅小，焊缝成形好。

　　3．对电源空载电压的要求

为保证顺利引弧和电弧稳定，要求电源有较高的空载电压，一般选U空≥（1．5～2．4）U工。

但为保障焊工和焊机容量设计不太大，希望U空尽量低，一般不超过100V，各种弧焊电源的空载电压要求见表3-1。

　　4．弧焊电源

弧焊电源根据其各自的特点可分为弧焊变压器、弧焊整流器、弧焊发电机、晶闸管弧焊电源、晶体管弧焊电源等。

具体见表3-2及表3-3。

　　5．手工弧焊设备

（1）手弧焊机目前，我国手弧焊用的焊机有三大类：

弧焊变压器、直流弧焊发电机和弧焊整流器。

其中直流弧焊发电机虽然稳弧性好，经久耐用，电网电压波动的影响小，但硅钢片和铜导线的需要量大，结构复杂，成本高，正逐渐被淘汰。

而弧焊整流器的制造质量的提高正越来越被应用，并且出现了一些新型焊机，如逆变型弧电源。

（2）手弧焊辅助设备及工具手弧焊辅助设备和工具有焊钳、焊接电缆、面罩、敲渣锤、钢丝刷和焊条保温筒等。

①焊钳是用以夹持焊条进行焊接的工具，它应安全、轻便、耐用。

常用的焊钳有300A和500A两种，见表3-4。

②焊接电缆应用多股细铜线电缆，一般可选用YHH型电焊橡皮套电缆或YHHR型电焊橡皮套特软电缆。

电缆断面可根据焊机额定焊接电流参数表3-5选择。

焊接电缆长度一般不宜超过20～30m。

③面罩是为了防止焊接时的飞溅、弧光及其他辐射对焊工面部及颈部损伤的一种遮蔽工具，有手持式和头盔式两种。

焊工护目遮光镜片可按表3-6选用。

　　三、焊条

焊条按其用途分为碳钢焊条（GB5117—95）、低合金钢焊条（GB5118—95）、不锈钢焊条（GB983—95）、堆焊焊条（GB984—85）、铸铁焊条（GB10044—88）、铜及铜合金焊条（GB9460—88）、铝及铝合金焊条（GB3669—83）等。

在各类焊条中根据主要性能或化学成分的不同，再分成若干型号，其具体的编号和分类可参阅有关国家标准。

　　习惯上按焊条药皮的化学成分不同又可分为酸性氧化物焊条和碱性氧化物焊条两大类。

（1）酸性氧化物焊条一般称为酸性焊条，其药皮中主要含有TiO2、FeO和SiO2等酸性氧化物，所以焊条药皮的氧化性较强。

酸性焊条的主要特点是工艺性能良好，成形美观，对油、锈和水分的敏感性不大，抗气孔能力强。

（2）碱性氧化物焊条一般称为碱性焊条，其药皮中主要含有CaCO3、CaF2、MnO2和MgCO3等碱性氧化物，并含有较多的铁合金作为脱氧剂和渗合金剂，使焊条具有足够的脱氧能力。

碱性焊条主要特点是焊缝金属的抗裂性良好，力学性能特别是冲击韧性较高。

由于焊缝金属扩散氢含量低，亦称之为低氢型焊条。

但碱性焊条主要缺点是工艺性能差，易吸潮，对油、锈、水分等脏物敏感性强，脱渣性极差等。

　　组成各种型号药皮的酸性氧化物和碱性氧化物在焊接时汇同合金元素蒸发氧化，变成各种有毒物质，呈气溶胶状态逸出，有碍人的身体健康，尤其是碱性焊条比酸性焊条危害性大。

　　焊条的选用应根据钢材的类别、化学成分及力学性能，结构的工作条件（载荷、温度、介质）和结构的刚度特点等进行综合考虑，必要时，需要进行焊接试验来确定焊条型号和牌号。

　　1．碳钢焊条的选用

　　一般按焊缝与母材等强的原则选用，但在焊缝冷却速度大（如薄板施焊、单层焊）时，往往也选用强度比母材低一级的焊条。

而厚板的多层焊及焊后需进行正火处理的情况，为防止焊缝强度低于母材，可选用强度高一级的焊条。

不同强度级别的母材施焊，应选用强度级别较低的钢的焊条。

　　2．低合金钢焊条的选用

　　对强度级别较低的钢材，其选用原则与低碳钢焊条相同，基本上是等强原则。

对于强度级别较高的钢材，特别是高强度钢，选用焊条时，应侧重考虑焊缝的塑性；对于铬钼钢，则着眼于接头的高温性能；对于镍钢，则重点考虑焊缝的低温韧性。

低合金异种钢焊接时，则应该依照强度级别较低钢种选用焊条，而施焊工艺则依照强度级别较高钢种的工艺，同时还应注意其他因素。

　　3．不锈钢焊条的选用

主要依据熔敷金属化学成分和母材相同或相近的原则，以满足焊缝的耐腐蚀性能。

对于Cr5Mo、Cr9Mo、Cr13、Cr27类钢，为简化工艺，往往选用铬镍奥氏体不锈钢焊条来施焊。

　　四、手工电弧焊的不安全因素和事故

（1）触电。

触电是手工电弧焊的主要危险之一，造成触电事故的原因如下。

　　①在更换焊条、电极和焊接操作中，手或身体某部位接触到电焊条、焊钳或焊枪的带电部位，而脚或身体其他部位对地和金属结构之间无绝缘防护。

在金属容器、管道、锅炉、船舱内或金属结构上，或当身上大量出汗，在阴雨天、潮湿地点焊接，尤其容易发生这种事故。

　　②在接线、调节焊接电流和移动焊接设备时，手或身体某部位碰触到接线柱、极板带电体而触电。

　　③电焊设备的罩壳漏电，人体碰触罩壳而触电。

　　④由于电焊设备接地错误引起的事故。

例如，焊机的火线与零线错接，使外壳带电，人体碰触壳体而触电。

　　⑤电焊操作过程中，人体触及绝缘破损的电缆、破裂的胶木盒等。

　　⑥由于利用厂房的金属结构、管道、轨道、天车吊钩或其他金属物体搭接作为焊接回路而发生的触电事故。

（2）电气火灾，爆炸和灼烫等。

焊机和线路的短路、超负荷等能引起电气火灾，在操作地点附近或高空作业点下方存放有可燃爆炸物品时，可能引起火灾和爆炸；由于压缩钢瓶及保护气体（如氢原子焊使用氢气作为保护气体）的爆炸和着火；特别需要强调指出，燃料容器和管道的检修焊补大多采用电弧焊，当防爆措施不当时，容易发生火灾爆炸和灼烫等严重事故；操作过程中的火花飞溅也会造成灼烫伤事故。

　　（3）二次事故。

登高电焊作业，除可能发生直接从高空坠落伤亡事故外，还可能发生因触电失控、从空中坠落的二次事故。

　　（4）电焊烟尘和弧光辐射。

　　五、手工电弧焊操作规程

　　分析研究焊接发生事故的原因表明，焊接设备和工具的缺陷以及操作失误是两大主要原因，因此，建立和执行必要的安全操作规程是保障焊工安全与健康、促进安全生产的一项重要措施。

考虑到操作过程的连续性以及安全问题也就是技术问题的原则，故将焊接安全与技术操作规程集中在一起讲述。

　　1．准备工作

（1）熟悉构件的焊接工艺、焊缝尺寸要求，选择施焊方法。

（2）准备好工具及防护用品，检查调整设备，使其导线、电缆接触良好，如有漏电之处，应立即拉下电源开关，通知电工修理。

焊钳应绝缘可靠，禁止私自触动。

　　（3）检查施焊工地零件堆放是否安全，施焊件支撑是否可靠平稳。

　　（4）焊缝组对间隙和坡口形式尺寸应符合产品图样要求，若图样无要求，在板厚小于或等于6mm时，焊缝间隙不大于2mm，板厚大于6mm，焊缝间隙不大于3mm。

　　（5）清除焊缝边缘左右10mm范围内油、锈、水分等污物。

对于铸钢件，应将焊接处的砂子、氧化物清理干净，露出金属光泽。

　　（6）调整好焊接规范，尽量采用水平和船形位置施焊。

　　（7）电焊机禁止放置在高温场所和潮湿地方。

　　（8）工作地点周围不得有易燃易爆物品，并要离开乙炔瓶和氧气瓶5m以上。

　　（9）焊机要求有可靠而牢固的接地或接零。

　　2．安全技术

（1）在下雨、下雪时，不得露天施焊。

（2）在高处作业时，焊接电缆不准放在电焊机上，横跨道路的焊接电缆必须装在铁管内防止被压破漏电。

事先检查周围有无易燃易爆物品，操作者必须系好安全带。

　　（3）严禁将焊接电缆与气焊的胶管混在一起。

　　（4）二次电缆不易过长，一般应根据工作时的具体情况而定。

焊接电缆截面积和允许焊接电流见表3-6。

　　（5）在施焊过程中，当电焊机发生故障而需要检查电焊机时，必须切断电源后才能进行，禁止在通电情况下用手触动电焊机的任何部位，以免发生事故。

　　（6）在船舱内焊接时，应设法通风或两个人轮换工作。

　　（7）在容器内焊接时，应使用胶皮绝缘防护用具，并在附近安设一个电源开关，由助手专门负责看管和监护，同时要听从焊接操作人员指示，随时切断电源。

　　（8）在焊接时，不可将工件拿在手中或用手扶着工件进行焊接。

　　（9）连续焊接超过1h，应检查焊机电缆，如发热温度达到80℃，必须切断电源。

　　3．焊接工艺

　　手工电弧焊的工艺参数有焊条直径、焊接电流、电弧电压、焊接速度、焊道层数、电源种类和极性等。

（1）焊条直径的选择是根据被焊工件的厚度、接头形状、焊接位置和预热条件来确定的。

焊条直径规格为：

1．6mm，2．5mm，3．2mm，5．0mm、5．8mm等。

根据被焊工件的厚度，焊条直径按表3-7进行选择。

　　带坡口多层焊时，首层用Φ3．2mm焊条，其他各层用直径较大的焊条。

立、仰或横焊，使用焊条直径不宜大于Φ4．0mm，以便形成较小的熔池，减少熔化金属下淌的可能性。

焊接中碳钢或普通低合金钢时，焊条直径应适当比焊接低碳钢时要小一些。

（2）焊接电流的选择焊接电流对焊接过程焊接质量和生产率的影响见表3-8。

焊接电流的选择，主要决定于焊条的类型、焊件材质、焊条直径、焊件厚度、接头形式、焊接位置以及焊接层数等。

在使用一般碳钢焊条时，焊接电流大小和焊条直径的关系为

式中I——焊接电流，A；

　　d——焊条直径，mm。

　　根据以上公式所求得的焊接电流，只是一个大概数值。

对于同样直径的焊条焊接不同材质和厚度的工件，焊接电流亦不同。

一般板越厚，焊接热量散失的越快，应取电流值的上限值；对焊接输入热要求严格控制的材质，应在保证焊接过程稳定的前提下，取下限值。

对于横、立、仰焊时所用的焊接电流，应比平均的数值小10％～20％左右。

焊接中碳钢或普通低合金钢时，其焊接电流应比焊低碳钢时小10％～20％，碱性焊条比酸性焊条小20％。

而在锅炉和压力容器的实际焊接生产中，焊工应按照焊接工艺文件规定的参数施焊。

（3）电弧电压的选择电弧电压是由电弧的长度来决定的，焊接过程中，要求电弧长度不宜过长，否则出现电弧燃烧不稳定的现象。

电弧电压对焊缝质量的影响以及防止措施见表3-9。

　　（4）焊接速度就是焊条沿焊接方向移动的速度。

较大的焊接速度可以获得较高的焊接生产率，但是，焊接速度过大，会造成咬边、未焊透、气孔等缺陷；而过慢的焊接速度，又会造成熔池满溢、夹渣、未熔合等缺陷。

对于不同的钢材，焊接速度还应与焊接电流和电弧电压有合适的匹配，以便有一个合适的线能量。

　　（5）电源种类和极性的选择电源的种类和极性主要取决于焊条的类型。

直流电源的电弧燃烧稳定，焊接接头的质量容易保证；交流电源的电弧稳定性差，接头质量也较难保证。

　　利用不同的极性，可焊接不同要求的焊件，如采用酸性焊条焊接厚度较大的焊件时，可采用直流正接法（即焊条接负极，焊件接正极），以获得较大的熔深，而在焊接薄板焊件时，则采用直流反接，可防止烧穿。

若酸性焊条采用交流电源焊接时，其熔深介于直流正接和反接之间。

　　（6）焊接层数的选择多层多道焊有利于提高焊接接头的塑性和韧性，除了低碳钢对焊接层数不敏感外，其他钢种都希望采用多层多道无摆动法焊接，每层增高不得大于4mm。