[涨知识]千万不要忽视碳弧气刨

1．碳弧气刨的工艺特点

碳弧气刨过程中，因急速加热和冷却以及局部的化学反应，在刨削表面及临近区产生增碳现象和热影响区，引起组织和硬度的变化。

（1）碳弧气刨常见缺陷及防止措施

1) 夹碳

刨削速度太快或碳棒送进过速，使碳棒头部触及铁水或未熔化的金属上，电弧就会因短路而熄灭。由于温度很高，当碳棒再往前送或上提时，端部脱落并粘在未熔化金属上，产生“夹碳”缺陷。

发生夹碳后，在夹碳处电弧不能再引燃，这样就阻碍了碳弧气蚀的继续进行。此外，夹碳外还形成一层硬脆且不容易清除的碳化铁（碳含量达6.7％）。这种缺陷必须注意防止和消除，否则焊后容易出现气孔和裂纹。清除的方法是在缺陷的前端引弧，将夹碳处连根一起刨除，或用角形磨光机磨掉。

2) 粘渣

碳弧气刨操作时，吹出来的铁水叫“渣”，表面是一层氧化铁，内部是含碳很高的金属。如果粘潭在刨槽的两侧，即产生粘渣。

粘渣主要是由于压缩空气压力小引起的，但刨槽速度与电流配合不当，刨削速度太慢也易粘渣，在采用大电流时更为明显。其次在倾角过小时也易粘渣。粘渣可采用风铲清除。

3) 刨槽不正或深浅不均

碳棒歪向刨槽的一侧就会引起刨槽不正，碳棒运动时上下波动就会引起刨槽的深度不均，碳棒的角度变化同样能使刨槽的深度发生变化。刨槽前，注意碳棒与工件的相对位置，提高操作的熟练程度。

4) 刨偏

刨削时往往由于碳棒偏离预定目标造成刨偏。碳弧气刨速度大约比电弧焊高2～4倍，技术不熟练就容易刨偏。刨偏与否和所用气刨枪结构也有一定的关系。例如，采用带有长方槽的圆周送风式和侧面送风式枪，均不易将渣吹到正前方，不妨碍刨削视线，因而减少了刨偏缺陷。

5) 铜斑

采用表面镀铜的碳棒时，有时因镀铜质量不好，会使铜皮成块剥落，剥落的铜皮成熔化状态，在刨槽的表面形成铜斑。在焊前用钢丝刷或砂轮机将铜斑清除，就可避免母材的局部渗铜。如不清除，铜渗入焊缝金属的量达到一定数值时，就会引起热裂纹。为避免这种缺陷要选用镀层质量好的碳棒，采用合适的电流，并注意焊前用钢丝刷或砂轮机清理干净。

（2）碳弧气刨的热影响区组织和硬度

碳弧气刨过程中，热影响区的特性取决于被刨削金属的化学成分和显微组织。下表列出一些典型钢种的热影响区宽度、组织和硬度的变化。附着钢中碳和合金元素含量的增多，热影响区宽度及显微硬度值增大。但是奥氏体钢未发生组织变化和硬度升高现象。

（3）碳弧气刨槽道表层的增碳

碳弧气刨时，增碳主要发生在槽道表层碳含量0.23％的钢在厚0.54～0.72mm表面层中，碳的质量分数增至0.3％，即仅增加0.07％。而18-8型不锈钢槽道表面的增碳层厚度仅为0.02～0.05mm，最厚处也不超过0.11mm。下表列出18-8型不锈钢碳弧气刨区碳的质量分数的分析结果。

离表面深0.2～0.3mm处的碳的质量分数同母材含量十分接近，但粘渣的含量高达1.2％。而且在刨削深槽或多程刨削时，也可能产生厚度达0.2～0.3mm的增碳层。

碳弧气刨加工的坡口或背面虽存在增碳的热影响区，但经过焊接后都被熔化，在焊缝中未发现增碳现象，其力学性能也与用机械加工的坡口相同。但是粘渣和炭灰等必须从槽道中清除，对于某些重要结构件，则需用砂轮去除厚0.5～0.8mm表面层后才能施焊。

（4）碳弧气刨的焊接接头的力学性能

用碳弧气刨削除焊缝的余高，对接头的强度没有影响，但是会使接头的延性降低，冷弯角低于105°。若用砂轮磨去厚0.2～0.5mm表层后，延性可以恢复。碳刨后的零件（除不锈钢零件）通过回火处理即可消除增碳层和热影响区的组织变化。下表列出碳弧气刨对18-8型不锈钢焊接接头耐晶间腐蚀性能的影响。

2． 碳弧气刨的工艺参数

（1）碳棒直径

碳棒直径通常根据钢板的厚度选用，但也要考虑刨槽宽度的需要，一般直径应比所需的槽宽小2～4mm。下表列出碳棒直径选用与板厚的关系。

（2）电源极性

碳素钢和普通低合金钢碳弧气刨时，一般采用直流反接，即工件接负极，碳棒接正极。这样可以使电弧稳定。实验表明，普通低合金钢采用反极性碳弧气刨，其熔化金属的碳含量高1.44％，这是由于碳的正离子被吸引到工件表面，被阴离子还原成碳原子，熔入熔化的金属中。而正极性时碳含量为0.38％。碳含量较高的熔化金属的流动性较好，凝固温度较低，因此反接时刨削过程稳定，电弧发出刷刷声，刨槽宽窄一致，光滑明亮。若极性接错，电弧不稳且发出断续的嘟嘟声。部分金属材料碳弧气刨时电源极性的选择要求见下表。

（3）电流与碳棒直径

刨削电流的选择根据碳棒规格和刨槽尺寸选用。电流与碳棒直径成正比关系，一般可参照下面的经验公式选择电流，即

I＝（30～50）D

式中 I——电流，A；

D——碳棒直径，mm。

对于一定直径的碳棒，如果电流较小，则电弧不稳，且易产生夹碳缺陷；适当增大电流，可提高刨削速度，使刨槽表面光滑、宽度增大。在实际应用中，一般选用较大的电流，但电流过大时，碳棒头部过热而发红，镀铜层易脱落，碳棒烧损很快，甚至碳棒熔化滴入槽道内，使槽道严重渗碳。正常电流下，碳棒发红长度约为25mm。碳棒直径的选择主要根据所需的刨槽宽度而定，碳棒直径越大，则刨槽越宽。一般碳棒直径应比所要求的刨槽宽度小4mm。

（4）刨削速度

刨削速度对刨槽尺寸、表面质量和刨削过程的稳定性有一定的影响。刨削速度需与电流大小和刨槽深度（或碳棒与工件间的夹角）相匹配。刨削速度太快，易造成碳棒与金属接触，使碳凝结在刨槽的顶端，造成短路、电弧熄灭，形成夹碳缺陷。一般刨削速度为0.5～1.2m/min为宜。

（5）压缩空气压力

压缩空气的压力会直接影响刨削速度和刨槽表面质量。压力太小熔化的金属吹不掉，刨削很难进行。压力低于0.4MPa时，就不能进行刨削。压缩空气压力过高，刨削有利。当电流大时，熔化金属也增加。当电流较小时，高的压缩空气压力易使电弧不稳，甚至熄弧。碳弧气刨常用的压缩空气压力为0.4～0.6MPa。压缩空气所含水分和油分都应清除，可通过在压缩空气的管道中加过滤装置，以保证刨削质量。

（6）碳棒的伸出长度

碳棒伸出长度指碳棒从碳棒枪钳口导电处至电弧始端的长度。手工碳弧气刨时，伸出长度大，压缩空气的喷嘴离电弧就远，电阻也增大，碳弧易发热，碳棒烧损也较大。并且造成风力不足，不能将熔渣顺利吹掉，而且碳棒也容易折断。一般外伸长为80～100mm为宜。随着碳棒烧损，碳棒的外伸长不断减少，当外伸长减少到20～30mm时，应将外伸长重新调至80～100mm。

（7）碳棒与工件间的夹角

碳棒与工件间的夹角α大小，主要会影响刨槽深度和刨削速度。夹角增大，则刨削深度增加，刨削速度减小。一般手工碳弧气刨采用夹角45°～60°左右为宜。碳棒夹角与刨槽深度的关系见下表。

（8）电弧长度

碳弧气刨操作时，电弧长度过长会引起电弧不稳，甚至会造成熄弧。操作时电弧长度以1～2mm为宜，并尽量保持短弧。这样可以提高生产效率，同时也可提高碳棒的利用率。但电弧太短时，容易引起“夹碳”缺陷。刨削过程弧长变化尽量小以保证得到均匀的刨削尺寸。

（9）刨缝装配间隙

当板厚不大或施工条件限制需先装配接头后刨削时，接头根部间隙应严格控制。否则刨削薄板易刨穿，刨较厚的板则熔渣氧化铁嵌入缝隙，不宜去除，影响焊接质量。下表列出自动碳弧气刨的典型工艺参数。