给科研人员的家庭氩弧焊指南

我们在做高真空实验(比如质谱仪、冷原子)和一些惰性气体实验的时候,经常需要定制各种不锈钢高真空管件和各种箱体。贵得离谱不说,有时候我突然想实验一个新想法,真的很着急想在某个地方加一个法兰接口或者航空插头接口,如果临时去找焊工师傅的话又要预约再等几天,说不定2天过去好不容易调好的仪器又失锁或者温漂或者怎么了,心态就直接崩了。所以我决定自力更生,抄起焊枪自己搞。一方面是省钱又省时间,另一方面节省了和人家比划半天的功夫,有这功夫给人讲清楚我想要个什么结构我自己都焊出来了。

在我决定学习氩弧焊技术的时候,我以为这是一件很困难的事,所以在事先花了大概1天的功夫学习了一下相关的理论,甚至去拉来了一后备箱金属废品准备用来练习,但是在我上手之后,仅仅10分钟我就已经很熟练了。。。练习20分钟之后,我自己焊接了一个 10 吨级的小型液压压药装置,虽然有些边角处理得不是很好,但强度完全达到了要求。这之后又焊接了各种气密装置,效果都很好,甚至因为自己制作的用料更加扎实,各种泄漏率和散热情况还要更好一些。。。

实际上,我认为整个氩弧焊操作是比较容易掌握的,之所以各种技校和培训中心需要教学很长时间,是因为还需要讲解各种理论知识、参数选择和变通情况等等,而这些正是我们搞研究的人已经非常熟悉的。另外,因为我们不涉及高压力标准的压力容器焊接、焊缝后期热处理等比较硬核的内容,所以学起来很快也很正常。写这个指南的目的,就是给大家参考一下我的经验,在前期节省更多的时间。

花个一两天熟悉氩弧焊之后,平时也可以做很多有意思的东西,比如说和朋友一起搞院子烧烤的烤架、制作高真空微型扩散泵之类。我还顺便在家里焊接了一个惰性气氛手套箱,非常奢侈地配置了超大工作区和双过渡舱、四路气液接口和舱内循环再生装置,这样的手套箱市场上至少12万元起步,自己切割焊接组装实际上只需要几千元的材料费,虽然焊接这么大的工件比较费体力,但非常好玩,作为休闲 project 可以玩上好几天。

焊接施工中的手套箱

氩弧焊的基本概念

焊接其实就是用热把两个材料熔化之后连接在一起,常见的金属材料除了铝合金基本上都很容易焊接,铝合金或者纯铝因为化学性质很活泼,在空气环境下一熔化表面就氧化形成一层膜,两边被膜挡住就连不起来了。钢、铁、铜、钛等都比较好焊。

焊接的时候,如果两边拼得比较紧,就可以不用补材料,而如果两边拼起来之后有缝隙,就需要往缝隙里面填入额外的材料,这种材料叫做焊料,一般是制作成细丝或者长棍的样子,称为焊丝。比方说如果我们要把两块304不锈钢板焊在一起,就可以用304的焊丝,在焊接的时候往中间加。

焊接常用的办法有好几种,区别就在于如何对材料进行加热。有的是用火,有的是用电流,还有的是用激光。其中最常用的是用电流加热进行焊接,这一般又分为3种

  • 直接用焊料在外面包上一层保护材料(药皮)当电极,焊接的时候电极末端和待焊的缝隙靠近之后由一个电源产生一个大电流,使两者一起熔化,这一般叫做电焊
  • 用钨针当电极,用氩气保护焊接区防止氧化,这叫做钨极氩弧焊或者 TIG
  • 用二氧化碳做保护气,这叫二保焊

平时我们主要用的就是氩弧焊。焊接加热用的电流由一种叫做焊机的设备产生,保护气则是从钢瓶引出。从焊机上会引出两个电极,一个是夹子,夹在待焊的材料上(比如说想把两块板连接起来,就夹在随便一块板上),另一个电极叫做焊枪,是一个手持的把手,钨针就藏在把手里面露出一个尖头,把手上面有一个开关可以控制电流和气流,保护气的管子经过焊机之后也连通到焊枪上。焊接的时候,将把手中钨针的尖头对准缝隙,按住开关保护气就会从把手中吹出,同时产生一个电弧把缝隙熔化。

氩弧焊的准备

为了进行焊接,事先要进行以下的准备

焊机

首先要买一台氩弧焊焊机。焊机这方面国产的非常厉害,好像比国外的质量还要好一些。我也不是什么老师傅,所以不算很懂行,个人用就推荐瑞凌这个牌子(网上很多山寨,注意不要买错),也是问了认识的焊工师傅推荐的,一千块就能搞定,目前我用了很长时间了,很好用。注意一定要购买支持氩弧焊的型号(上面有气管接口的),别买成电焊焊机。

焊枪

然后要买一把焊枪,新手就买 QQ150 型号就可以,因为这把焊枪很轻而且比较小巧。QQ150是一把气冷焊枪,连续焊接时间长了之后会比较发烫,以后熟练了如果经常长时间焊接可以换水冷焊枪。

钨针

然后要买一盒钨针,也是国产的北钨电极就可以。焊接用的钨针电极实际上并不是纯钨,根据能焊接的材料不同,会在里面掺杂不同的改良元素,因此有绿头、红头、灰头等区别,代表不同的成分,具体的成分和适用类型可以查看商家的说明。

因为我们一般焊不锈钢,可以选择灰头、红头或者粉头钨针。灰头是掺铈电极,红头是掺钍电极,粉头则是掺复合稀土电极,使用体验差不多,红头的比较便宜但是有放射性,粉头的比较健康、综合性能最好但是贵一些。但因为钨针消耗速度也不快,我们无脑选粉头就可以了。

钨针有不同的粗细,常用的有 1.6 mm, 2.0 mm, 2.4 mm, 3.2 mm, 4.0 mm。适合用在不同厚度的材料上,比较普适的话就买个 2.4 mm 的,个人感觉这个粗细的啥活都能干。或者你也可以学我,把每个粗细的都买一盒就行了。

减压阀和气管

氩弧焊需要使用专门的减压阀和气管,直接在网上搜氩弧焊专用减压阀/气管就可以买到,减压阀为固定压力式的流量阀,输出压力固定为 0.15 MPa,带一个流量计用于控制气流速度。

氩气钢瓶

如果你家就在实验室附近那就很方便了,直接让平时给实验室供货的送一瓶到家里就可以,如果超出范围的话就需要联系周边的气体厂了。氩气这东西很便宜,用于焊接的不需要高纯99.999的气体,99.99的一瓶也就70块左右。气瓶可以租一个也可以买一个,每5年需要年检一次(不需要我们处理,气体厂的人看到过期了就会在灌装前帮忙年检的)。

大部分搞研究的应该都学过气瓶安全,这里就不再多说了,帮大家复习一下最重要的两条:1. 气瓶转运必须使用专用小推车,严禁冲击。2. 气瓶必须竖直存放,用铁链绑定。可以先用膨胀螺丝把气瓶固定架安装在地面上,再把气瓶绑在固定架上。

如果有的仪器需要现场焊接,那肯定没有办法带着国标40L大瓶到处跑,所以建议大家再买一个国标10L小钢瓶,这种钢瓶一个人就可以很容易搬得动,从厂家买到 40L 大瓶的氩气后,用高压过气管把氩气充到小瓶中就可以用了。

个人防护

氩弧焊的时候,焊接区由于高热以及电弧强烈激发空气,会产生非常强的红外、紫外辐射以及可见弧光,晚上操作的时候我的同学曾经发出“比一万个太阳还要亮”的感叹,所以必须用东西挡住脸和手,不能有皮肤被直接照射到,否则会烧伤。

因此,氩弧焊必须佩戴氩弧焊面罩,一方面是防止弧光伤害眼睛和面部皮肤,另一方面可以防止熔化的金属飞溅或者滴到脸上。面罩的眼睛部分有黑玻璃和变光面罩两种选择,黑玻璃就是一个黑色的玻璃,虽然非常便宜,但是戴上之后啥都看不到,只有弧光这种亮度的光能透一点过来,只有老司机中的老司机才会选这种。新手或者像我一样的懒人建议选择变光面罩,一般来说用 3M 100V 即可。

焊接的时候钨极和金属材料都会被蒸发一部分,形成焊接烟尘,会有一定的放射性(主要来自钨钍电极)和毒性,因此氩弧焊需要佩戴防毒面具,滤毒装置选择 3M 2097CN 等或者更高等级的 P100 滤棉。

最后是防烫阻燃手套,一般来说选择牛皮或者羊皮材质的手套,这个要求不怎么严格,随便选购即可。

衣着方面,尽量干净利落就可以,不能穿短袖,衣服上不要有飘来飘去的部件防止烧起来。有条件的可以整一个牛仔背心或者工服。

氩弧焊的操作

氩弧焊操作起来很容易,这里我给出一个流程,另外,具体的各种手法大家可以去看看 bilibili 上 up 主 “电焊工1233” 的视频,非常详细而且容易学。

  1. 首先将待焊区域用角磨机打磨干净,也可以用丙酮等易挥发有机溶剂先进行清洗
  2. 将两个待连接的工件用强力磁铁、螺栓、夹具等进行粗固定
  3. 粗调节焊机电流和氩气流量,如果材料上标明了推荐参数可以直接用,如果没有,就按照经验先进行试探,比如 3 mm 厚的板件可以先用 80 A, 4L/min 的参数尝试,再根据情况调节。在焊机的说明书上也有一个经验参数参考表,遇到不清楚的情况时可以查表。
  4. 将导电夹子夹在工件上。如果使用的是导电的台面(比如铁桌子),也可以将导电夹子夹在桌子上,并且将工件直接放在导电台面上。
  5. 依次佩戴防毒面具、变光面罩、隔热手套
  6. 在焊缝的两端和中间点用点焊手法制造几个连接点,减轻后期的热变形。点焊就是指先将钨极的头部靠近缝隙(间距 1 mm左右),然后轻点开关后马上放开,让缝隙被薄薄的一层熔化材料盖住
  7. 从焊缝一端出发,将钨极头部靠近缝隙后按下开关,此时透过变光面罩可以看到在电极旁边的材料被熔化形成一个局部的小池子,被称为熔池。大致按照 x=t+1.2 sin(π t) 这样向另一端移动焊枪,熔池就会跟随焊枪被来回拖动,这样可以产生非常漂亮的鱼鳞状的冷却物,直到焊枪到达焊缝另一端,这条缝就焊上了。
  8. 如果焊接之后焊缝发黑,说明保护气不足,这时候需要去调节氩气减压阀上的流量旋钮将流速开大。正常焊缝表面为银色、金色、蓝色或者比较均匀的彩色,以银色和金色为佳
  9. 如果移动中板件被烧穿,说明焊接电流太大,需要调小一些
  10. 如果焊缝比较大,就需要用焊丝去补,手法大概就是在上面的移动过程中,x的每个局部极小时刻用焊丝往熔池里戳一下就可以送进去一段焊丝
  11. 焊缝冷却后,用角磨机略微打磨干净表面,勿破坏鱼鳞状盖面

其它的注意事项

  • 钨针买回来之后一盒是10根,但并不是可以直接用的,需要用锉刀或者角磨机磨一下,像削铅笔一样磨成一个尖,𝜑=45°左右,这样可以让电弧比较集中,使得熔池面积容易控制。钨针电极使用一段时间后,头部会由于严重的烧蚀作用变形,因此大约连续焊接几个小时之后就要重新打磨钨针。如果钨针损耗过快,应当考虑是否选择了过大的焊接电流或者过小的氩气流量,并且考虑换用更粗的钨针。
  • 如果是焊接特别薄的零件,用氩弧焊可能会烧穿,可以买专门的点焊机,但点焊机不适合用于结构件,因为焊接深度不足
  • 在各种焊接中,管件和板件是最常见的,如果需要临时修改板件和管件的尺寸,经常会使用角磨机的切割功能。但角磨机属于高速工具,建议使用前认真观看角磨机安全教程和禁忌事项,用角磨机不规范把自己或者别人切进医院的每年都有很多。
  • 对于新手来说,要同时控制焊枪运动和开关可能不太灵活,如果非常手残,可以选购脚踏开关代替焊枪上的附属开关,这样手上就只需要管运动,开关由脚踩控制。
  • 如果氩气流量开得比较大之后保护效果仍然不好,就要考虑是否是环境中风速过大或者工件的形状对气流有影响。这时候可以去买一种带有筛网的气嘴,这种气嘴流动阻力大且更昂贵,但有助于集中保护气流,在同等气流流速下保护效果一般更好,平时使用可以节省氩气。
  • 钨针安装在焊枪上时,不宜伸出太长,一般来说刚好长出气嘴几个mm即可,否则保护效果不好。新手如果觉得气嘴挡住了观察焊针头的视线,可以另外购买石英材质的透明气嘴。
  • 气嘴有很多种型号,一般的焊接使用 QQ150 附赠的气嘴即可,如果保护效果不太好也可以买几个出口更大的气嘴,不过这样会比较费氩气。

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