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中图分类号：TG444 文献标识码：A 文章编号：1009-914X（2014）27-0304-02
碳弧气刨是焊接金属材料、制造特种设备的一项重要工艺。碳弧气刨质量直接影响到焊接质量。了解碳弧气刨时常见缺陷及其产生的原因并掌握防止措施，制定合理的碳弧气刨工艺，会更好地保证碳弧气刨的质量，从而保证焊接的质量。本人根据工作经验谈一点看法。
一、碳弧气刨的特点和应用范围：
碳弧气刨是利用碳棒与工艺之间，在通电后产生的电弧高温，将工件局部熔化，并利用压缩空气将熔化金属吹除的一种工艺方法。基本原理如图1。
1.碳弧气刨的特点：
（1）手工碳弧气刨机动性强。由于操作空间小，对空间较小的受限的位置，可进行全位置操作。
（2）当进行清除焊缝或工件的缺陷时，可见性强，在一层一层清除过程中，操作者借助电弧光可以清除观察到缺陷的位置、形状和深度，直至缺陷被彻底清除。
（3）碳弧气刨噪声小，精度高，降低劳动强度，提高效率，设备简单。
（4）能切割氧-炔焰难于切割的金属材料。
（5）碳弧气刨的缺点：烟雾和粉尘大，弧光较强，要求采用较大功率的直流电压，成本较高，对作业人员的操作技能要求较高，操作不当容易引起刨削处碳。
2.碳弧气刨应用范围：
（1）用于低碳钢、低合金钢和不锈钢材料双面焊接时清除焊根。
（2）可清除工件或工件焊缝中超标缺陷。
（3）可用于不规则焊缝坡口加工，特别是U形坡口加工。
（4）可切割金属材料，注意碳弧气刨不适宜应用于对冷裂纹敏感的低合金钢厚板。
二、碳弧气刨工艺
碳弧气刨工艺参数包括电原极性、碳棒直径与电流、碳棒直径与板厚、碳棒伸出长度、碳棒倾角、压缩空气压力，电弧长度、刨削速度等。
1、电源极性
低碳钢、低碳金钢和不锈钢进行碳弧气刨时，采用直流反接，即工件接负极，碳弧气刨钳接正极，如图2所示。采用直流反接进行碳弧气刨时，电弧稳定，刨削速度均匀，电弧发出连续的刷刷声，刨槽两侧宽窄一致，刨槽表面光滑明亮。如采用直流正接，则电弧发生抖动，刨槽两侧出现与电弧抖动相对的圆弧状。
2、碳棒直径与电流
碳弧气刨削电流与碳棒直径成正比例关系。经验公式，刨削电流碳棒直径存在下列经验关系。
I=（35～50）d 式中：I―刨削电流（A），d―碳棒直径（mm）
可参照表一选取刨削电流
刨削电流在碳弧气刨操作中是一个重要的工艺参数，对刨槽的尺寸影响很大。若刨削电流偏小，则电弧不稳，并且容易产生夹碳现象；若电流过大时，刨槽宽度增大，刨槽深度也加深，碳棒烧损较快，甚至碳棒熔化，造成刨槽严重渗碳。只有选择适当电流，才能获得表面光滑、宽度和深度均匀的刨槽。
注意在清除焊缝缺陷时，若电流较大，则刨削速度和刨槽深度增大，不利于发现焊缝内部缺陷，所在在返修焊缝缺陷时，刨削电流应该选取小一些。
3、碳棒直径与工件厚度
碳棒直径的选择是依据工件的厚度确定，工件越厚，散热越快。为了提高刨削速度，就要加大刨削电流，所以也要选择较大直径的碳棒。碳棒直径与工件厚度的关系如表2
碳棒直径的选择与刨槽宽度也有关系，碳棒直径越大，则刨槽越宽，碳棒直径一般比所要求刨槽宽小2～4 mm。
4、碳棒伸出长度
碳棒从导电咀到碳棒端点的长度为伸出长度，手工碳弧气刨时，伸出长度过大，导电咀离电弧越远，造成压端空气吹到熔化金属处的吹力不足，不能将熔化金属顺利吹除，不仅操作不方便，而且碳棒容易烧损。若伸出长度过小，操作者要频繁调整伸出长度，降低气刨速度。外伸长度一般为80～100 mm。
应该注意，在操作时，碳棒伸出长度会不断减小，当伸出长度减少至20～30 mm，应重新将伸出长度调整至80～100 mm为宜。
5、碳棒倾角
碳棒轴线与工件刨削方向的夹角称为碳棒倾角，倾角的大小主要影响到刨槽深度和刨削速度。倾角增大，是刨削深度增加，刨削速度下降。倾角减小，则刨削深度减小，速度增大。手工碳弧气刨采用角25°～45°为宜。
6、压缩空气压力
压缩空气的主要作用是吹去被熔化金属。压力大小会直接影响到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洁程度；压力低，则造成刨槽表面粘渣，渗碳层增厚。压缩空气的压力主要由刨削电流大小来决定，一般压缩空气压力宜为0.4～0.6MPa； 大电流时，金属熔化量增加，要求压缩空气压力和流量也相应增加。
压缩空气所含水份和油份对刨槽质量有较大影响，若空气中水份和油太多，应在管路安装油水分离器将其予以清除。
7、电弧长度
电弧长度是碳棒端部至工件表面距离，电弧长度对刨槽的表面质量影响很大。若弧长增长，电弧则很不稳定，甚至会熄弧，因此操作时尽量采用短弧。这样不仅使碳弧气刨能顺利进行，而且可以提高生产率和电极的利用率。但又不能太短，太短则容易引起“夹碳”缺陷。故弧长宜为1～2 mm，在刨削过程中弧长尽量保持稳定，以保证刨槽尺寸均匀。
8、刨削速度
刨削速度是指单位时间内完成刨槽长度。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，刨削速度与刨削电流大小及刨槽深度相匹配。刨削速度增加，刨槽宽度和深度减少。刨削速度过快，易造成碳棒与工件短路，电弧熄灭，易形成刨槽夹碳缺陷。故一般刨削速度宜为0.5～1.2m/min。
三、碳弧气刨的操作
碳弧气刨工艺确定后，碳弧气刨的操作是影响气刨质量的关键一环。
（一）、基本操作
1、操作技工要求：进行碳弧气刨作业人员应进行技术培训，掌握相应的基础知识，具有相应的操作技能，能保障碳弧气刨过程的安全和气刨的质量。
2、气刨前准备工作
碳弧气刨工作前应作好如下准备工作：
（1）检查电源导线的连接是否牢固，绝缘体是否良好。
（2）检查压端空气管道的连接是否良好，有无泄漏。
（3）检查碳弧气刨选择电源极性及接线是否正确。
（4）检查依据工件材质及厚度选择碳棒直径及刨削电流是否符合碳弧气刨工艺要求。
（5）检查碳棒伸出长度是否在80～100 mm范围内。
（6）检查作业周围是否有易燃易爆物质。
3、引弧
引燃电弧前，应先打开碳弧气刨钳体上的压缩空气开关，以免在引弧时产生夹碳。手工碳弧气刨引弧时，应逐渐将倾角增大到所需的角度；在刨削过程中，弧长、刨削速度和碳棒倾角三者之间必须配合适当。若配合适当，则电弧稳定，刨槽表面光滑；配合不当，则电弧不稳，刨槽表面可能出现夹碳和粘渣缺陷。结束时，应先断弧，后关空气。
4、刨削：
如要求的刨槽较浅，可一次完成刨削；若要求刨槽较深或要求焊缝背面清焊根，则往往要刨削2―3次，才能达到刨槽的形状，尺寸和表面粗糙度的要求。在刨削过程中，碳棒应沿刨削方向作直线运动，不应做前后往复运动，更不能横向摆动。
（二）刨坡口
刨坡口是碳弧气刨的用途之一。首先要根据工件厚度选择U形槽的宽度，然后确定碳棒的直径和刨削电流。应特别注意的是，碳棒轴向中心线应与坡口的中心线重合，否则坡口形状不对称。
（三）清除焊根
在工件需双面焊接时，为了保证焊透，通常在正面焊接结束后，翻转焊件，将焊缝的根部清除干净，再进行反面焊接，这也是碳弧气刨工作艺的主要用途之一。
焊工应根据不同的材料、不同的厚度，选择合适的工艺参数。需注意的是，一般环焊缝应先焊内环缝。在进行外环焊缝清除焊根时，则应使熔化金属向下被吹除。对较厚工件清除焊根时，需要多次刨削才能达到要求。
（四）刨削焊缝缺陷
在焊接时，由于种种原因，焊缝中难免存在各种各样超标缺陷。对于这些超标缺陷，必须彻底消除，并按返修工艺进行补焊。碳弧刨则是清除焊缝缺陷众多方法中的主要方法。
在这里要强调是：在清除焊缝缺陷时，使用的刨削电流要适当小一些。在刨削过程中，每次刨削的深度应尽量浅一些，当看到缺陷露出时，应当轻轻地刨削，直到缺陷全部刨焊为止。
四、碳弧气刨常见缺陷
碳弧气刨时由于各种原因易产生夹碳、粘渣、铜斑及刨槽尺寸、形状不规则等。
1、夹碳：
由于操作不当，刨削速度过快或碳棒送进速度过快，造成短路熄弧，碳棒末端粘在未熔化金属上，产生夹碳缺陷。夹碳缺陷处形成一层碳含量高达6.7%（质量分数）的硬脆的碳化铁。此处难以行弧，必须清除后，才能继续刨削。若夹碳残存在坡口中，则在焊接时容易产生气孔和裂纹。
2、粘渣：
碳弧气刨时吹出的氧化物称作渣。它实质上是一层很薄的氧化铁和碳化铁，很容易粘在刨槽的两侧，而造成粘渣。粘渣的主要原因是由于压缩空气压力低而造成的。施焊前要采用角向砂轮将粘渣清除干净。若清除不彻底时，施焊时焊接电弧与粘渣相遇，熔化会发生沸腾现象，严重时造成气孔。
3、铜斑：
采用表面镀铜的碳棒进行碳弧气刨时，因镀铜质量不好，剥落的铜皮熔敷在刨槽表面可形成铜斑；或导电咀与工件之间短路后，由于铜制导电嘴熔化，而在刨槽表面形成铜斑。施焊前应将刨槽表面铜斑清除干净，避免焊缝局部形成铜斑。
4、刨槽尺寸和形状不规则：
刨槽的尺寸和形状主要取决于碳弧气刨工艺参数及操作技术。刨槽尺寸和形状不规则的原因主要是：
（1）刨削速度和碳棒送进速度不均、不稳，以致刨槽宽窄不一致，深度不均匀。
（2）碳棒在刨削方向与工件的倾角。当其与两侧工件表面夹角不均等，导致刨槽两侧不对称。
（3）背面清除焊根时，刨削方向没有对正电弧前的装配间隙，故产生刨偏。
五、常用钢类材料的碳弧气刨
1、低碳钢的碳弧气刨：
碳弧气刨通常用于低碳钢的坡口加工、清除焊根、清除焊接缺陷。一般刨槽表面会产生不大于1mm的硬化层；这是由于刨槽表面的高温金属被压缩空气急冷形成的。在施焊前，清除刨槽表面硬化层，在随后施焊过程中将硬化层熔化掉，所以碳弧气刨对低碳钢进行刨削后，并不影响焊接性能。
2、合金钢的碳弧气刨：
低合金钢含有合金元素总的质量分数
对于碳当量较大的高合金钢，其淬硬倾向大，焊接时应采取一些特殊工艺措施，则这些钢种在碳钢气刨时也应采取一些特殊工艺措施，包括对工作的预热措施等。
3、不锈钢的碳弧气刨：
目前，对不锈钢也已经广泛采用碳弧气刨清除焊根和焊缝缺陷。但是要注意不锈钢碳弧气刨的特殊性。
工件应先在介质接触面的一侧开内坡口，进行跟部焊接，以便在外侧非介质接触面清理焊根，以避免碳弧气刨的飞溅物对于介质接触面的损伤。
尽量采用不对称的X形坡口，而介质接触一侧的坡口较大，以便使刨槽面远离介质面。
与介质接触的表面最后施焊，保证焊的耐蚀性能。
为防止碳弧气刨对不锈钢耐腐蚀性能的影响，应将刨槽表面硬化层用角向砂轮清除干净，再进行施焊。
对于接触强腐蚀介质的超低碳不锈钢，不允许使碳弧气刨清除焊根。