碳弧气刨的工作原理

碳弧气刨

使用焊接技术制造金属结构时，必须先将金属切割成符合要求的形状，有时还需要刨削各种坡口，清焊根及清除焊接缺陷。虽然对金属进行切割和刨削的方法多种多样，然而应用电弧热切割和刨削金属具有显著的诸多优点，因而被广泛应用。实际上，电弧切割与电弧气刨的工作原理、电源、工具、材料及气源完全一样，不同之处仅仅在于具体操作略有不同。可以认为电弧气刨是电弧切割的一种特殊形式，而碳弧气刨则是电弧气刨家族中的一员。

1.1 碳弧气刨的原理、特点及应用

1.1.1 原理

碳弧气刨是利用在碳棒与工件之间产生的电弧热将金属熔化，同时用压缩空气将这些熔化金属吹掉，从而在金属上刨削出沟槽的一种热加工工艺。其工作原理如图 1 所示。

图 1 碳弧气刨工作原理示意图

1-碳棒2-气刨枪夹头3-压缩空气4-工件5-电弧L-碳棒外伸长α-碳棒

与工件夹角

1.2 特点

1) 与用风铲或砂轮相比，效率高，噪音小，并可减轻劳动强度。

2) 与等离子弧气刨相比，设备简单，压缩空气容易获得且成本低。

3) 由于碳弧气刨是利用高温而不是利用氧化作用刨削金属的，因而不但适用于黑色金属，而且还适用于不锈钢、铝、铜等有色金属及其合金。

4) 由于碳弧气刨是利用压缩空气把熔化金属吹去，因而可进行全位置操作；手工碳弧气刨的灵活性和可操作性较好，因而在狭窄工位或可达性差的部位，碳弧气刨仍可使用。

5) 在清除焊缝或铸件缺陷时，被刨削面光洁铮亮，在电弧下可清楚地观察到缺陷的形状和深度，故有利于清除缺陷。

6) 碳弧气刨也具有明显的缺点，如产生烟雾、噪音较大、粉尘污染、弧光辐射、对操作者的技术要求高。

1.1.3 应用

1) 清焊根。

2) 开坡口，特别是中、厚板对接坡口，管对接 U 形坡口。

3) 清除焊缝中的缺陷。

4) 清除铸件的毛边、飞刺．浇铸口及缺限。

1.2 设备及材料

碳弧气刨系统由电源、气刨枪、碳棒、电缆气管和压缩空气源等组成。如图 2 所示。

图 2 碳弧气刨系统示意图

1-电源2-气刨枪3-碳棒4-电缆气管5-空气压缩机6-工件

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碳弧气刨

1.2.1 电源

碳弧气刨一般采用具有陡降外特性且动特性较好的手工直流电弧焊机作为电源。

由于碳弧气刨一般使用的电流较大，且连续工作时间较长，因此，应选用功率较大的焊机。例如，当使用Φ 7mm 的碳棒时，碳弧气刨电流为 350A ，故宜选用额定电流为 500A 的

手工直流电弧焊机作为电源。使用工频交流焊接电源进行碳弧气刨时，由于电流过零时间

较长会引起电弧不稳定，故在实际生产中一般并不使用。近年来研制成功的交流方波焊接

电源，尤其是逆变式交流方波焊接电源的过零时间极短，且动态特性和控制性能优良，可

应用于碳弧气刨。

1.2.2 气刨枪

碳弧气刨枪的电极夹头应导电性良好、夹持牢固，外壳绝缘及绝热性能良好，更换碳棒方便，压缩空气喷射集中而准确，重量轻和使用方便。碳弧气刨枪就是在焊条电弧焊钳的基础上，增加了压缩空气的进气管和喷嘴而制成。碳弧气刨枪有侧面送气和圆周送气两种类型。

(1) 侧面送气气刨枪侧面送气气刨枪结构如图 3 所示。侧面送气气刨枪嘴结构如图 4 所示。

图 3 侧面送气气刨枪结构示意图

1-电缆气管2-气刨枪体3-喷嘴4-喷气孔

侧面送气气刨枪的优点：结构简单，压缩空气紧贴碳棒喷出，碳棒长度调节方便。缺点：只能向左或右单一方向进行气刨。

(2) 圆周送气气刨枪圆周送气气刨枪只是枪嘴的结构与侧面送气气刨枪有所不同。圆周送气气刨枪嘴结构如图 5 所示。圆周送气气刨枪的优点：喷嘴外部与工件绝缘，压缩空气由碳棒四周喷出。碳棒冷却均匀，适合在各个方向操作。缺点：结构比较复杂。

图 4 侧面送气气刨枪嘴结构示意图

图 5 圆周送气气刨枪嘴结构示意图

1-电缆气管的螺孔2-气道3-碳棒孔4--紧固碳棒的螺孔

1.2.3 碳棒

碳棒是由碳、石墨加上适当的粘合剂，通过挤压成形，焙烤后镀一层铜而制成。碳棒主要分圆碳棒、扁碳棒和半圆碳棒三种，其中圆碳棒最常用。对碳棒的要求是耐高温，导电性良好，不易断裂，使用时散发烟雾及粉尘少。碳弧气刨的碳棒规格及适用电流如表 1 所示。

碳弧气刨

表 1 碳棒规格及适用电流

断面形状规格／ mm 适用电流／ A

圆形

3 × 355 150~180

4 × 35

5 150~200

5 × 355 150~250

6 × 355 180~300

7 × 355 200~350

8 × 355 250~400

9 × 355 350~450

10 × 355 350~500

扁形3 × 12 × 355 200~300

4 × 8 × 35

5 180~270

4 × 12 × 35

5 200~400

5 × 10 × 355 300~400 5 × 12 × 355 350~450 5 × 15 × 355 400~500 5 × 18 × 355 450~550 5 × 20 × 355 500~600

1.3 碳弧气刨工艺

1.3.1 工艺参数及其影响

(1) 电源极性碳弧气刨一般采用直流反接 ( 工件接负极 ) 。这样电弧稳定，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，电弧发出连续的刷刷声，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。

(2) 电流与碳棒直径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：

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、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，碳棒烧损很快，甚至碳棒熔化，造成野重掺碳小碳棒直径钧选择主要根据所需豹一般碳棒直径应比所要求的刨槽宽度小 2 ～ 4mm 。

(3) 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。刨削速度须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，易造成碳棒与金属短路、电弧熄灭，形成夹碳缺陷。一般刨削速度为 0.5 ～1.2m/min 左右为宜。

(4) 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；压力高，可提高刨削速度和刨槽表面的光滑程度；压力低，则造成刨槽表面粘渣。一般要求压缩空气的压力为 0.4 ～ 0.6Mpa 。压缩空气所含水分和油分可通过在压缩空气的管路中加过滤装置予以限制。

(5) 碳棒的外伸长碳棒从导电嘴到碳棒端点的长度为外伸长。手工碳弧气刨时，外伸长大，压缩空气的喷嘴离电弧就远，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，当外伸长减少至 20 ～ 30mm 时，应将外伸长重新调至 80 ～ 100mm 。

(6) 碳棒与工件间的夹角碳棒与工件间的夹角α( 如图 1 所示 ) 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 °左右为宜。

1.3.2 常见缺陷及排除措施

(1) 夹碳刨削速度和碳棒送进速度不稳，造成短路熄弧，碳棒粘在未熔化的金属上，易产生夹碳缺陷。夹碳缺陷处会形成一层含碳量高达 6.7 ％的硬脆的碳化铁。若夹碳残存在坡口中，焊后易产生气孔和裂纹。

排除措施：夹碳主要是操作不熟练造成的，因此应提高操作技术水平。在操作过