机电设备维修的基础知识总结
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机电设备是企业生产的物质技术基础，作为现代化的生产工具在各行各业都有广泛的应用。随着生产力水平的提高，设备技术状态对企业生产的正常运行，对产品生产率、质量、成本、安全、环保和能源消耗等在一定意义上起着决定性的作用。
机电设备在使用过程中，不可避免地会由于磨损、疲劳、断裂、变形、腐蚀和老化等原因造成设备性能的劣化以致出现故障，从而会使其不能正常运行，最终导致设备损坏和停产而使企业蒙受经济损失，甚至造成灾难性的后果。
因此，减缓机电设备劣化速度，排除故障、恢复设备原有的性能和技术要求，需要设备维修从业人员掌握一整套系统的、科学的维护和修理设备的技术和方法。
机械设备维修技术是以机械设备为研究对象，探讨设备出现性能劣化的原因，研究并寻找减缓和防止设备性能劣化的技术及方法，保持或恢复设备的规定功能并延长其使用寿命。
本模块主要研究和讨论机电设备维修技术的基础知识。主要内容有：设备维修体系；发展概况和发展趋势；机械零件的失效及其对策；设备修理的一般工作过程和设备维修前的准备。
一、设备的劣化及补偿
机械设备在使用或者闲置过程中逐渐丧失其原有性能，或者与同类新型设备相比较性能较差，显得旧式化的现象称为设备的劣化。
设备的劣化可分为使用劣化，自然劣化和灾害劣化。使用劣化是指设备在使用过程中，由于磨损和腐蚀所造成的耗损、冲击、疲劳和蠕变等所造成的损坏和变形，原材料的附着和尘埃的污染之类现象，使设备失去其原有的性能。自然劣化是指设备在进厂之后不管使用与否，随着时间的流逝，或者受大气的影响而使材料老朽化，或者遭受意外的灾害而加快这种老朽化的速度的现象。灾害劣化是指由于自然灾害，如暴风、水浸、地震、雷击、爆炸等使设备遭受破坏或设备性能下降的现象。
设备劣化还可分为绝对劣化和相对劣化。绝对劣化就是设备的老朽化，即随着时间的流逝，设备逐渐损耗，逐渐老朽直至需要报废。相对劣化是指原有的设备和新型设备相比较，性能低、质量差，因而显得旧式化的现象。
设备劣化导致设备技术性能下降，或者与新型设备相比，原有设备的技术性能较差，这一类劣化又称之为技术性劣化。如果从设备的经济价值来看待，随着时间的流逝，其价值也在减少，这又称之为经济性劣化。
设备的劣化使设备的性能下降，故障增多，维修费用增加，其所生产的产品产量减少，质量下降，成本增高并且不能保证按期交货，职工的安全感和情绪下降等，造成各种损失。
对设备劣化的补偿方法有两种：一是用新设备来替换已经劣化或损耗的旧设备，即进行设备更新；二是在使用过程中通过检修进行局部性的补偿。由于设备零部件的使用寿命是长短不齐的，因此用检修方法进行局部性的补偿，具有重要的经济意义。
图1-1为设备劣化的周期图。从图中可以看出，设备由建设期进入投产期，其性能逐渐达到设计水平，进人稳定生产期。如再经过革新改造，设备性能得到进一步提高，进入正常生产期。在使用中设备逐渐劣化，每经过一次修理，恢复一定的性能，但设备性能仍呈下降的趋势。这时，如果进行改造，设备性能就可能向新一代的设备靠近。当设备性能急剧劣化，再修理得不偿失时，就应当进行更新。
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图l-1 设备劣化周期图
二、机械零件的失效形式及其对策
机器失去正常工作能力的现象称为故障。在设备使用过程中，机械零件由于设计、材料、工艺及装配等各种原因，丧失规定的功能，无法继续工作的现象称为失效。当机械设备的关键零部件失效时，就意味着设备处于故障状态。机器发生故障后，其经济技术指标部分或全部下降而达不到预定要求，如功率下降、精度降低、加工表面粗糙度达不到预定等级或发生强烈振动、出现不正常的声响等。
机电设备的故障分为自然故障和事故性故障两类。自然故障是指机器各部分零件的正常磨损或物理、化学变化造成零件的变形、断裂、蚀损等，使机器零件失效所引起的故障。事故性故障是指因维护和调整不当，违反操作规程或使用了质量不合格的零件和材料等造成的故障，这种故障是人为造成的，可以避免。
机器的故障和机械零件的失效密不可分。机械设备类型很多，其运行工况和环境条件差异很大。机械零件失效模式也很多，主要有磨损、变形、断裂、蚀损等四种普通的、有代表性的失效模式。
（一）、机械零件的磨损及其对策
相接触的物体相互移动时发生阻力的现象称为摩擦。相对运动的零件的摩擦表面发生尺寸、形状和表面质量变化的现象称为磨损。摩擦是不可避免的自然现象；磨损是摩擦的必然结果，两者均发生于材料表面。摩擦与磨损相伴产生，造成机械零件的失效。当机械零件配合面产生的磨损超过一定限度时，会引起配合性质的改变，使间隙加大、润滑条件变坏。产生冲击，磨损就会变得越来越严重，在这种情况下极易发生事故。一般机械设备中约有80％的零件因磨损而失效报废。据估计，世界上的能源消耗约有30％～50％是由于摩擦和磨损造成的。
摩擦和磨损涉及的科学技术领域甚广，特别是磨损，它是一种微观和动态的过程，在这一过程中，机械零件不仅会发生外形和尺寸的变化，而且会出现其他各种物理、化学和机械现象。零件的工作条件是影响磨损的基本因素。这些条件主要包括：运动速度、相对压力、润滑与防护情况、温度、材料、表面质量和配合间隙等。
以摩擦副为主要零件的机械设备，在正常运转时，机械零件的磨损过程一般可分为磨合(跑合)阶段、稳定磨损阶段和剧烈磨损阶段，如图1-4所示。
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图1-4 机械磨损过程
(1)磨合阶段 新的摩擦副表面具有一定的表面粗糙度，实际接触面积小。开始磨合时，在一定载荷作用下，表面逐渐磨平，磨损速度较大，如图中的OA线段。随着磨合的进行，实际接触面积逐渐增大，磨损速度减缓。在机械设备正式投入运行前，认真进行磨合是十分重要的。
(2)稳定磨损阶段经过磨合阶段，摩擦副表面发生加工硬化，微观几何形状改变，建立了弹性接触条件。这一阶段磨损趋于稳定、缓慢，AB线段的斜率就是磨损速度；B点对应的横坐标时间就是零件的耐磨寿命。
(3)剧烈磨损阶段经过B点以后，由于摩擦条件发生较大的变化，如温度快速升高、金属组织发生变化、冲击增大、磨损速度急剧增加、机械效率下降、精度降低等，从而导致零件失效，机械设备无法正常运转。
通常将机械零件的磨损分为粘着磨损、磨料磨损、疲劳磨损、腐蚀磨损和微动磨损五种类型。
（1）、粘着磨损
粘着磨损又称为粘附磨损，是指当构成摩擦副的两个摩擦表面相互接触并发生相对运动时，由于粘着作用，接触表面的材料从一个表面转移到另一个表面所引起的磨损。
根据零件摩擦表面的破坏程度，粘着磨损可分为轻微磨损、涂抹、擦伤、撕脱和咬死等五类。
1．粘着磨损机理
擦副的表面即使是抛光得很好的光洁表面，但实际上也还是高低不平的。因此，两个金属零件表面的接触，实际上是微凸体之间的接触，实际接触面积很小，仅为理论接触面的1％～1‰。所以即使在载荷不大时，单位面积的接触应力也很大，如果当这一接触应力大到足以使微凸体发生塑性变形，并且接触处很干净，那么这两个零件的金属面将直接接触而产生粘着。当摩擦表面发生相对滑动时，粘着点在切应力作用下变形甚至断裂，造成接触表面的损伤破坏。这时，如果粘着点的粘着力足够大，并超过摩擦接触点两种材料之一的强度，则材料便会从该表面上被扯下，使材料从一个表面转移到另一个表面。通常这种材料的转移是由较软的表面转移到较硬的表面上。在载荷和相对运动作用下，两接触点间重复产生“粘着一剪断一再粘着”的循环过程，使摩擦表面温度显著升高，油膜破坏，严重时表层金属局部软化或熔化，接触点产生进一步粘着。
在金属零件的摩擦中，粘着磨损是剧烈的，常常会导致摩擦副灾难性破坏，应加以避免。但是，在非金属零件或金属零件和聚合物件构成的摩擦副中，摩擦时聚合物会转移到金属表面上形成单分子层，凭借聚合物的润滑特性，可以提高耐磨性，此时粘着磨损则起到有益的作用。
2．减少或消除粘着磨损的对策
摩擦表面产生粘着是粘着磨损的前提，因此，减少或消除粘着磨损的对策就有两方面。
(1)控制摩擦表面的状态摩擦表面的状态主要是指表面自然洁净程度和微观粗糙度。
摩擦表面越洁净，越光滑，越可能发生表面的粘着。因此，应当尽可能使摩擦表面有吸附物质、氧化物层和润滑剂。例如，润滑油中加入油性添加剂，能有效地防止金属表面产生粘着磨损；而大气中的氧通常会在金属表面形成一层保护性氧化膜，能防止金属直接接触和发生粘着，有利于减少摩擦和磨损。
(2)控制摩擦表面材料的成分和金相组织材料成分和金相组织相近的两种金属材料之间最容易发生粘着磨损。这是因为两个摩擦表面的材料形成固溶体的倾向强烈，因此，构成摩擦副的材料应当是形成固溶体倾向最小的两种材料，即应当选用不同材料成分和晶体结构的材料。此外，金属间化合物具有良好的抗粘着磨损性能，因此也可选用易于在摩擦表面形成金属问化合物的材料。如果这两个要求都不能满足，则通常在摩擦表面覆盖能有效抵抗粘着磨损的材料，如铅、锡、银等软金属或合金。
(2)磨料磨损
磨料磨损也称为磨粒磨损，它是当摩擦副的接触表面之间存在着硬质颗粒，或者当摩擦副材料一方的硬度比另一方的硬度大得多时，所产生的一种类似金属切削过程的磨损。它是机械磨损的一种，特征是在接触面上有明显的切削痕迹。在各类磨损中，磨料磨损约占50％．是十分常见且危害性最严重的一种磨损，其磨损速率和磨损强度都很大，致使机械设备的使用寿命大大降低，能源和材料大量消耗。
根据摩擦表面所受的应力和冲击的不同，、磨料磨损的形式可分为錾削式、高应力碾碎式和低应力擦伤式三类。
1．磨料磨损机理
磨料磨损的机理属于磨料颗粒的机械作用，磨料的来源有外界砂尘、切屑侵人、流体带人、表面磨损产物、材料组织的表面硬点及夹杂物等。
目前，关于磨料磨损机理有四种假说：
(1)微量切削认为磨料磨损主要是由于磨料颗粒沿摩擦表面进行微量切削而引起的，微量切屑大多数呈螺旋状、弯曲状或环状，与金属切削加工的切屑形状类似。
(2)压痕破坏认为塑性较大的材料，因磨料在载荷的作用下压人材料表面而产生压痕，并从表层上挤出剥落物。
(3)疲劳破坏认为磨料磨损是磨料使金属表面层受交变应力而变形，使材料表面疲劳破坏，并呈小颗粒状态从表层脱落下来。
(4)断裂认为磨料压入和擦划金属表面时，压痕处的金属要产生变形，磨料压人深度达到临界值时，伴随压人而产生的拉伸应力足以产生裂纹。在擦划过程中，产生的裂纹有两种主要类型：一种是垂直于表面的中间裂纹；另一种是从压痕底部向表面扩展的横向裂纹。当横向裂纹相交或扩展到表面时，便发生材料呈微粒状脱落形成磨屑的现象。
2．减少或消除磨料磨损的对策
磨料磨损是由磨料颗粒与摩擦表面的机械作用而引起的，因而，减少或消除磨料磨损的对策也有两方面。
(1)磨料方面磨料磨损与磨料的相对硬度、形状、大小(粒度)有密切的关系。磨料的硬度相对于摩擦表面材料硬度越大，磨损越严重；呈棱角状的磨料比圆滑状的磨料的挤切能力强，磨损率高。实践与实验表明，在一定粒度范围内，摩擦表面的磨损量随磨粒尺寸的增大而按比例较快地增加，但当磨料粒度达到一定尺寸(称为临界尺寸)后，磨损量基本保持不变。这是因为磨料本身的缺陷和裂纹随着磨料尺寸增大而增多，导致磨料的强度降低，易于断裂破碎。
(2)摩擦表面材料方面 摩擦表面材料的显微组织、力学性能(如硬度、断裂韧度、弹性模量等)与磨料磨损有很大关系。在一定范围内，硬度越高，材料越耐磨，因为硬度反映了被磨损表面抵抗磨料压力的能力。断裂韧度反映材料对裂纹的产生和扩散的敏感性，对材料的磨损特性也有重要的影响。因此必须综合考虑硬度和断裂韧度的取值，只有两者配合合理时，材料的耐磨性才最佳。弹性模量的大小，反映被磨材料是否能以弹性变形的方式去适应磨料、允许磨料通过，而不发生塑性变形或切削作用，避免或减少表面材料的磨损。
(3)腐蚀磨损
在摩擦过程中，金属同时与周围介质发生化学反应或电化学反应，引起金属表面的腐蚀剥落，这种现象称为腐蚀磨损。它是与机械磨损、粘着磨损、磨料磨损等相结合时才能形成的一种机械化学磨损。因此，腐蚀磨损的机理与前述三种磨损的机理不同。腐蚀磨损是一种极为复杂的磨损过程，经常发生在高温或潮湿的环境下，更容易发生在有酸、碱、盐等特殊介质的条件下。
按腐蚀介质的不同类型，腐蚀磨损可分为氧化磨损和特殊介质下的腐蚀磨损两大类。
1．氧化磨损
我们知道，除金、铂等少数金属外，大多数金属表面都被氧化膜覆盖着。若在摩擦过程中，氧化膜被磨掉，摩擦表面与氧化介质反应速度很快，立即又形成新的氧化膜，然后又被磨掉，这种氧化膜不断被磨掉又反复形成的过程，就是氧化磨损。
氧化磨损的产生必须同时具备以下条件：一是摩擦表面要能够发生氧化，而且氧化膜生成速度大于其磨损破坏速度；二是氧化膜与摩擦表面的结合强度大于摩擦表面承受的切应力；三是氧化膜厚度大于摩擦表面破坏的深度。
在通常情况下，氧化磨损比其他磨损轻微得多。
减少或消除氧化磨损的对策主要有：
(1)控制氧化膜生长的速度与厚度在摩擦过程中，金属表面形成氧化物的速度要比非摩擦时快得多。在常温下，金属表面形成的氧化膜厚度非常小，例如铁的氧化膜厚度为1～3mm，铜的氧化膜厚度约为5nm。但是，氧化膜的生成速度随时间而变化。
(2)控制氧化膜的性质金属表面形成的氧化膜的性质对氧化磨损有重要影响。若氧化膜紧密、完整无孔，与金属表面基体结合牢固，则有利于防止金属表面氧化；若氧化膜本身性脆，与金属表面基体结合差，则容易被磨掉。例如铝的氧化膜是硬脆的，在无摩擦时，其保护作用大，但在摩擦时其保护作用很小。低温下，铁的氧化物是紧密的，与基体结合牢固，
三、具体简介汽缸体的缺陷；修复工艺
气缸体是引擎基本结构，是发动机机体组的重要组成部分，在气缸盖和油底壳之间，是可燃气体压缩、燃烧和膨胀的空间。燃烧过程中，燃气的最高温度可达2(XK)℃～3000~℃它的内壁直接受到高温高压气体的作用，而外壁又受到风(或水)的冷却，使缸体承受较大的机械应力和热应力，因此要求气缸套要有足够的强度和刚度，且工作时变形小。此外，气缸体对活塞的运动起导向作用，气缸内壁除受活塞的侧压力外，还由于活塞的高速运动，使气缸壁受到强烈的摩擦，是发动机磨损最严重的表面之一，因此，要求气缸体必须具有一定的耐磨性其工作条件高温高压、且活塞在其中往复运动，摩擦很大，处于这样一个复杂的环境中可以确定经常发生一些问题。
（一）、汽缸体常见的问题
气缸体是发动机组成中技术要求较高的基础件,一般为灰口铸铁。常见的气缸体缺陷有:螺纹滑扣、裂纹、渗漏、局部磨损和缺损,如不及时修复,将会影响发动机的使用性能和寿命。在修理时,首先要详细分析缸体缺陷的性质、缺陷所在位置的刚性,几何形状的复杂程度、有无自由热胀冷缩的可熊性以及修复质量要求等,然后针对缺陷采取相应的措施修复。目前,有不少修理工不会正确选用修复工艺, 以致修复质量不高,甚至将本来很易修复的缸体修坏、报废。为此,本节提出了气缸体缺陷的综合修复工艺,供修复缸体时参考。各种缺陷的维修分类和推荐修复工艺见下表:
缸体缺陷分类与推荐修复工艺 表1
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序号 |
缺陷部位 |
缺陷种类 |
推荐修复工艺 |
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1 |
缸体上的表面 |
螺丝滑扣 |
镶螺套 |
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2 |
裂纹 |
加热减应气焊 |
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3 |
边角缺损 |
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4 |
缸体水套壁 |
裂纹 |
手工电弧冷焊 |
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5 |
破损 |
手工电弧焊挖补 |
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6 |
气门弹簧座 |
裂纹 |
厌氧胶粘补 |
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7 |
气门导管壁 |
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8 |
汽缸套壁 |
渗漏 |
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9 |
轴承座 |
磨损失圆，不通轴度 |
刷镀 |
（二）.汽缸体常见问题的修复方法
3. 1 镶螺套法
将滑扣的螺孔用钻头扩孔,然后攻丝,拧入螺塞,主要用于修复损坏的螺孔。再在螺塞上钻孔, 攻丝即可。例如原螺孔为万M12,拧入的螺塞取M18（见图1），螺塞要稍带锥度,大端为直径为18.5mm,拧入后即能自行栓紧,经钻孔直径为10.1mm后,攻丝M12即能使用。镶套法简便易行,不会产生焊补时出现的开裂现象,所以应用较广泛。
图1 镶螺套
3.2 加热减应气焊法
主要用于修复缸体上平面的裂纹与边角缺损。在用氧乙块焰气焊缸体时,同时对减应区加热,能够消减焊接应力,防止缸体开裂。此法的优点在于焊缝能够进行机械加工,可焊补大块的缺损,与整体预热气焊相比,焊补质量较好,工人的劳动条件也得到改善。
1、焊前准备
（1）清洁
先用碱水清洗缸体,然后用氧乙炔焰对缸体略加烘烤,再用钢丝刷或砂布除掉缺陷表面
锈污和杂质,使其露出金属光泽。
（2）检查裂纹
采用白粉渗油探伤法、着色探伤法或水压试验,探明裂纹位置,然后用冲头沿裂纹冲出标记。
（3）开坡口
气焊铸铁必须焊透,开坡口有利于焊透。开坡口可用钻头先沿裂纹钻孔,再用凿子凿通,也可用角向磨光机磨出合适的坡口。能提高焊接速度,减少输入焊缝的热量,从而减少焊接应力。如果裂纹裂至螺孔,则需将螺孔扩大以便焊接。
（4）选用焊炬
加热减应需要较多的热量,一般采用2号射吸式焊炬H01-12配直径2mm的焊嘴,使火
焰能率大一些。
（5）焊接材料
焊条可用QHT-1型铸铁气焊条,焊粉型号为粉201。
2、操作技术
先用中性焰往复加热坡口,当加热至坡口底部和坡口两侧开始熔化时,将焊条一端加
热,蘸上少许焊粉,在熔化的坡口“摩擦”或搅拌,使焊条熔滴金属与基体金属熔合。如果熔池内出现杂质（白色透明圆点）、气孔或咬边等缺陷时, 应提高熔池温度,扩大熔池范围, 增加熔池深度,同时添加少量焊粉,使杂质自动浮起,用焊条轻轻拨去。如果熔池出现“沸腾”现象,说明温度过高,焊缝过烧,应适当调整火焰。提高焊接速度。
待焊缝填满后,要对焊缝进行整形。整形时要加热焊缝的表层,并观察焊缝金属的成型。整形从焊缝边缘开始,加热边缘,使其熔化,随后用焊条轻轻拨去氧化物和杂质以及多余的焊 肉。整形侧面的焊缝时,待焊缝表面金属一熔化,就立即用焊条拨去, 要防止产生过热造成流淌。
在焊补缺陷时,要随时控制焊接区的温度,随时控制热流方向,即要熟练地、灵活地运用加热减应气焊法。利用局部加热的方法,改变应力的分布状况,降低焊缝区域内的温差,使焊 缝有自由伸缩的可能,从而减少焊接应力。
3、加热减应的要点
（1）加热减应的部位可以选择一处或多处。选择的部位应是与其它部位联系不多或强度较大的边、角、棱等部位。
（2）焊前,预热减应区至400-500℃ ,然后进行焊接,焊补之后,再次对减应区加热至
600-700℃,保持此温,直至焊缝冷却到300℃以下为止。
（3）焊补的顺序是,从工件的里面缺陷开始焊补,逐渐向外延伸,焊接的火焰方向要指向
减应区,切勿朝向其他非焊补区。
（4）加热的减应区形状可以是多种多样的,常用的减应区形状为带状和三角形。带状的缺
陷, 将加热的带状区作为过渡区,使应力逐渐引向外部,见图2中的B。三角形的加热减应区常用于缺陷靠近工件边缘和边角部位的情况下,这些部位自由伸缩的余地较大, 通过加热消减应力的效果最好,见图2中的A和C。
图2 带状和三角形加热减应区
4、注意事项
（1）为了使焊缝金属更好的熔合，充分利用焊接火焰的热量，使整个焊补过程中，焊嘴基本垂直于被焊部位, 成80-90°角,拨渣时, 倾斜角调小至30-40°
（2）焊补应在室内避风处进行。
（3）为便于焊缝熔合和整形，应将被焊部位置于水平位置,成水平焊缝,铁水不易流淌。
（4）要确保焊补全过程中的氧气和乙炔的充分供应,不能中途断气。
3.3手工电弧冷焊法
手工电弧冷焊法用于修补缸体水套壁的裂纹与破损，下面详细介绍一下此种方法的操作。
1、焊前准备
焊前的清洁工作和裂纹检查与气焊相同, 而坡口准备工作的要求则要高些。电焊前需要在裂纹两端的前方约5-8mm处各钻直径为3mm的止裂孔,见图3。止裂孔的大小视壁厚而定,当水套壁的厚度为5-8mm 时,下部的壁厚可达10余毫米,这时可选用小直径为4-8mmm的钻头钻孔。钻孔要沿裂纹的中心线进行,在确保焊透的前提下,坡口尽量不要过宽或过深,更不要钻穿。
钻后用角向磨光砂轮或凿子修整坡口,坡口的形状见图3所示的A-A剖面。
图3 钻止裂孔和坡口淮备工作
2、焊机和焊接材料
手工电弧冷焊以采用直流弧焊机为好。但是直流弧焊机有磁偏吹现象,最好将负极搭铁线（直流反接法）接在引弧板上,然后再将引弧板栓紧在靠近焊缝的螺孔上,这样还可防止因接触不良所造成的电弧烧伤现象。如果用的是交流弧焊机,则空载电压应高一些,一般取75-80V。
焊条型号宜用镍基的铸308型。直径细一些的好焊,常用直径为3.2mm的焊条。焊前需要将焊条在120℃ 下烘烤1-2小时才能使用。焊接电流用90-110A。
3、操作要点
（1）焊接采用间断、倒退、分段的焊法,每段焊接长度不宜超过15mm.运条要如图4所示,先从坡口的一侧引弧,然后将焊条缓慢地提起3-4mm，并向前移10mm起焊。焊条提高了, 电弧就拉长,焊接电压升高, 电流下降, 这样焊得的焊缝熔深减小, 熔宽增大。此时电弧燃烧的声音为“嚓一嚓嚓”, 透过电弧能清楚地看到焊缝金属的熔合情况。最后用打圈圈的运条方式将弧坑填满, 立即将焊条快速地向后拉起熄弧。熄弧后马上用端部带有圆弧的小锤连续锤击焊缝, 待焊缝冷却至60摄氏度左右时方可继续施焊。
图4 运条方式
（2）焊接应从壁厚较厚的部位起焊。如果壁厚超过15mm时, 则不能直接一次焊成, 要分道焊, 如图5所示。先用焊道
