第二章熔化极气体保护焊

第二章熔化极气体保护焊2.1熔化极气体保护焊方法的原理熔化极气体保护焊（英文简称GMAW）采用可熔化的焊丝与被焊工件之间的电弧作为热源来熔化焊丝与母材金属，并向焊接区输送保护气体，使电弧、熔化的焊丝、熔池及附近的母材金属免受周围空气的有害作用。连续送进的焊丝金属不断熔化并过度到熔池，与熔化的母材金属融合形成焊缝金属，从而使工件相互连接起来，如图2.1所示。图2.1熔化极气体保护焊的工作原理2.2熔化极气体保护焊的分类熔化极气体保护焊根据保护气体的种类不同可分为：熔化极惰性气体保护焊（英文简称MIG）、熔化极氧化性混合气体保护焊（英文简称MAG）和CO2气体保护电弧焊三种。1.熔化极惰性气体保护焊（MIG）：保护气体采用氩气、氦气或氩气与氦气的混合气体，它们不与液态金属发生冶金反应，只起保护焊接区使之与空气隔离的作用。因此电弧燃烧稳定，熔滴过度平稳、安定，无激烈飞溅。这种方法特别适用于铝、铜、钛等有色金属的焊接。2.熔化极氧化性混合气体保护焊（MAG）：保护气体由惰性气体和少量氧化性气体混合而成。由于保护气体具有氧化性，常用于黑色金属的焊接。在惰性气体中混入少量氧化性气体的目的是在基本不改变惰性气体电弧特性的条件下，进一步提高电弧的稳定性，改善焊缝成型，降低电弧辐射强度。3.二氧化碳气体保护电弧焊（CO2）：保护气体是CO2，有时采用CO2+O2的混合气体。由于保护气体的价格低廉，采用短路过度时焊缝成型良好，加上使用含脱氧剂的焊丝可获得无内部焊接缺陷的高质量焊接接头，因此这种方法已成为黑色金属材料的最重要的焊接方法之一。2.3熔化极气体保护焊设备的主要构成熔化极气体保护焊设备主要由下部分构成：1.焊接电源及控制装置2.送丝装置3.焊枪4.气体流量调整器5.连接电缆和软管其中，控制装置和焊接电源一般是做成一体的。2.3.1焊接电源有关焊接电源的内容将在下面各种焊接方法中分别介绍。2.3.2送丝装置送丝装置由下列部分构成:①.焊丝送进电机②.保护气体开关电磁阀③.送丝滚轮焊丝供给装置是专门向焊枪供给焊丝的，在机器人焊接中主要采用推丝式单滚轮送丝方式。即在焊丝绕线架一侧设置传送焊丝滚轮，然后通过导管向焊枪传送焊丝。在铝合金的MIG焊接中，由于焊丝比较柔软，所以在开始焊接时或焊接过程中焊丝在滚轮处会发生扭曲现象,为了克服这一难点,采取了各种措施。2.3.3焊枪熔化极气体保护电弧焊焊枪大致有空冷式和水冷式两种形式，空冷式焊枪一般用于中小焊接电流，水冷式焊枪用于大电流焊接。MIG焊枪与CO2/MAG焊枪形状相似，但有以下的差异：1.为了无故障地传送比较柔软的铝焊丝，有专用铝焊接MIG焊枪。2.为了顺利地传送如不锈钢、镍合金、高强度钢等硬质材质的焊丝，有专用焊接合金的MIG焊枪。总之，对应不同的使用目的和不同用途，其焊枪的结构也不同。图2.2给出了几种焊枪的照片。图2.3为CO2气体保护焊焊枪结构示意图。2.2熔化极气体保护焊焊枪图2.3CO2气体保护焊焊枪结构示意图2.3.4气体流量调整器气体流量调整器安装在气瓶出口处，设定焊接时所必须的气体流量，气体流量调整器包括用以降低气瓶内高压的“压力调整器”和读取气体流量的“流量计”等。小型CO2气体流量调整器中，由于气路不会结冰，所以使用非加热式气体流量调整器，而在大型CO2气体流量调整器中，由于能把气瓶内高压减压至0.2Mpa(约2kgf/cm2)，气体的快速膨胀带走热量导致气路结冰，所以在CO2气体流量调整器中要附上加热装置，如图2.4所示。图2.4CO2气体流量调整器2.4熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式3.4.1影响熔滴过渡的主要因素影响熔化极气体保护焊的熔滴过渡形式的主要因素有：(1)电流的大小和种类(2)焊丝直径(3)焊丝成分(4)焊丝干伸长(5)保护气体的种类3.4.2熔滴过渡形式1.短路过渡熔化极气体保护焊当焊丝较细、电流较小时，熔滴过渡形式一般为短路过渡。只有在焊丝与熔池接触的瞬间，熔滴才过渡到熔池，而在电弧空间则没有熔滴的过渡。熔滴的短路过渡频率一般为20—200次/秒，短路过渡时对应的电流和电压波形如图2.5所示。悬挂在焊丝端头的熔滴直接和熔池接触，弧隙短路，焊丝与熔池之间形成液桥，焊接电流提高[图2.5（A），（B），（C），（D）]。在短路电流产生的电磁力和液态金属的表面张力的作用下，液桥形式缩颈变细，液桥断开，熔滴过渡到熔池，电弧重新引燃[图2.5（E），（F）]。短路电流的上升速度应足够使焊丝加热和促使熔滴过渡，但又不能太高，以防止由于熔滴的暴断产生飞溅。短路电流的上升速度可以通过调节电源的回路电感来控制。最佳的电感量的设置取决于焊接回路的电阻和焊丝的熔化温度。电弧燃烧后，焊丝端头的熔滴逐渐增大并送进，再次和熔滴接触，开始下一个短路过程[图2.5(H)]。图2.5CO2短路过渡时的电流及电压波形保护气体的成分对短路过渡的熔滴尺寸及过渡频率有较大的影响，同时影响电弧特性和熔深。CO2与惰性气体相比产生较大的飞溅，但熔深较大。在焊接碳钢和低合金钢时常常采用CO2和Ar的混合气体来降低飞溅和取得较大的熔深。在焊接有色金属时为了提高熔深在Ar气中常加入He气。短路过渡形成的熔池小，冷却速度快，适于薄板的全位置以及根部间隙较大的焊缝的焊接。2.滴状过渡惰性气体保护焊当电流较小时，熔滴的过渡形式为滴状过渡。此时，熔滴的直径大于焊丝的直径，熔滴主要依靠重力过渡到熔池，因此在平焊位置熔滴才能较好地过渡到熔池中。滴状过渡的电弧电压要比短路过渡的电压高，以保证熔滴在与熔池接触之前脱离焊丝端部，但由于电压过高，使得熔深不足，加强高过大，在实际生产中的惰性气体保护焊一般不采用这种过渡形式。在CO2气体保护焊中，当焊接电压和电流大于短路过渡时的电压和电流时，熔滴的过渡为滴状过渡。由于斑点压力的阻碍作用，CO2气体保护焊的滴状过渡是非轴向的，飞溅较大，如图2.6所示。与短路过渡相比，CO2滴状过渡熔深较大，特别适于碳钢的中、厚板的焊接。图2.6CO2气体保护焊的滴状过渡形式3.喷射过渡在纯Ar或富Ar气体中，对于给定的焊丝直径，当焊接电流增大到某一数值时，熔滴即从滴状过渡转变成喷射过渡。这个电流称为临界电流。喷射过渡时，焊丝金属以细滴（小于焊丝直径）沿电弧轴线方向进入熔池，电弧稳定，飞溅极少，如图2.7所示。图2.7熔滴的喷射过渡形式喷射过渡临界电流值与液态金属的表面张力有关，与焊丝直径成反比，焊丝的干伸长对其也有一定的影响。它随着焊丝的熔化温度及保护气体成分的变化而变化，表2.1给出了常用焊丝的临界电流值。表2.1常用焊丝的临界电流值。焊丝材料焊丝直径（mm）保护气体最小的喷射电流（A）碳钢0.898%Ar+2%O21500.91651.12201.6275不锈钢0.91701.12251.6285铝0.8Ar951.11351.6180无氧铜0.91801.12101.6310硅青铜0.91651.12051.6270图2.8脉冲喷射过渡喷射过度的熔深较深，呈指状，适于中、厚板的平焊和横焊位置。为了适应薄板及全位置焊接，采用脉冲喷射过渡。脉冲喷射过渡是一种有规律的断续性喷射过渡，如图2.8所示。焊接电流是脉冲电流，包括恒定的基值电流和脉冲峰值电流两部分，基值电流使焊丝末端预热并局部熔化，但不形成熔滴。脉冲峰值电流作用期间则产生熔滴的喷射过渡。脉冲的幅值和频率决定电弧的能量，通过改变脉冲的幅值和频率就能实现薄板和厚板的全位置焊接。4.亚射流过渡铝及其合金的焊接通常采用射滴和短路相混合的过渡形式，这种过渡称为“亚射流过渡”“(mesosprag)”，如图2.9所示。其特点是弧长较短,电弧电压较低，电弧略带轻微爆破，焊丝端部的熔滴大到大约等于焊丝直径时，便沿电弧线方向一滴一滴过渡到熔池，间有瞬时短路发生。研究指出，在喷射过渡下，常易出现各种缺陷，如熔深呈“指形”，容易产生熔透不良等。此外，在喷射过渡下由于电弧较长，保护效果降低，焊缝起皱及表面易产生黑粉。而采用亚射流过渡，阴极雾化区大，溶池的保护效果好，焊缝成形好，焊接缺陷也较少。在相同的焊接电流下，亚射流过渡的焊丝熔化速度和熔深都较射流过渡大。电弧的固有自调节作用特别强，当弧长受外界干扰而发生变化时，焊丝的熔化速度发生变化较大，促使弧长向消除干扰的方向变化，因而可以迅速恢复到原来的长度。图2.9熔滴的亚射流过渡形式2.5影响焊接结果的工艺参数下面的一些参数影响焊缝的熔深、焊道的几何形状和焊接质量：（1）焊接电流（送丝速度）（2）电源极性（3）电弧电压（电弧长度）（4）焊接速度（5）焊丝干伸长（6）焊枪角度（7）接头位置（8）焊丝直径（9）保护气体的成分和流量2.5.1焊接电流当其它参数不变时，焊接电流随着送丝速度的变化呈非线性变化。在平特性电源中，焊接电流的改变与送丝速度的变化行为相似，碳钢焊丝的焊接电流与送丝速度的关系如图2.10所示。各种直径的焊丝当焊接电流较小时二者之间的关系都近似呈线性关系，焊接电流的增加，特别是小直径焊丝，曲线为非线性，随着焊接电流的增加焊丝的熔化速率提高，这主要是焊丝干伸长上的电阻热的贡献。图2.10碳钢焊丝的焊接电流与送丝速度的关系如图2.10所示，当送丝速度保持不变时，较大的焊丝直径需要较大的焊接电流。焊丝的化学成分对二者之间的关系影响可以比较图2.10、2.11、2.12、.2.13。不同的焊丝对应不同的曲线位置和斜率，是由于焊丝的熔点和电阻率的不同。焊丝的干伸长对它们的关系也有一定的影响。图2.11ER4043铝合金焊丝焊接电流和送丝速度的关系图2.12300系列不锈钢焊丝送丝速度与焊接电流的关系图2.13Ecu铜焊丝焊接电流与送丝速度的关系当其它参数保持不变时，焊接电流的增加对焊缝熔深的影响最为显著，几乎呈正比关系，如图2.14所示。焊缝宽度、余高等有增加的倾向，如图2.15所示。图2.14焊接电流与焊缝熔深的关系图2.15焊接电流与焊缝断面形状焊接电流对熔滴过渡频率和熔滴的体积有较大的影响，随着焊接电流的增大，熔滴过渡频率提高，熔滴体积变小。2.5.2电弧电压（电弧长度）电弧电压和电弧长度通常是可以互换的两个术语，但应该指出它们是不同的。对于G电弧长度是一个独立的参数，而电弧电压除了与电弧长度有关外，还与其它参数有关，如保护气体、焊接方法、甚至焊接电缆。电弧电压是对电弧长度的近似描述，它还应该包括焊丝干伸长上的电压降。电弧电压的设定取决于焊接材料、保护气体和熔滴过渡类型。为了获得最佳的电弧特性和焊道形状，进行工艺试验是非常必要的，因为最佳的电弧电压取决于多种因素,如金属厚度、接头类型、焊接位置、焊丝直径、保护气体成分和焊接方法等。电弧电压与焊缝形状的关系如图2.16所示。电弧电压越高，电弧就越长，焊缝余高越小，焊缝熔宽将增加，熔深略有减小。但电弧电压过大将产生气孔、飞溅和咬边；反之电弧电压越低，则电弧长度越短，焊缝余高越大，熔深将增加，焊缝宽度变窄。但过低的电弧电压会导致焊丝插入熔池。图2.16电弧电压与焊缝形状的关系2.5.3．焊接速度当其它条件不变时，合适的焊接速度可以使焊缝熔深取得最大值。当焊接速度降低时，单位长度上填充金属的熔敷量增加。焊接速度如果过慢，电弧将主要作用在熔池上，使得熔深降低，焊缝增宽，而且容易产生烧穿和焊缝组织粗大等焊接缺陷。在焊速较小时，电弧力的作用方向几乎是垂直向下的，随着焊接速度的提高，弧柱后倾有利熔池液态金属在电弧力作用下向尾部流动，使熔池底部暴露，因而有利于熔深的增加，当焊接速度提高到某一数值时焊缝熔深达到最大值。随后随着焊接速度的提高，每单位长度的母材金属从电弧得到的热量逐渐减少，焊缝的熔宽、熔深及余高都将减少。焊接速度过快会引起焊缝两侧咬边。2.5.4极性用“极性”这个术语来描述焊枪与直流电源的连接方法。当直流电源的正极与焊枪相连时（DCEP），称为反极性；当直流电源的负极与焊枪相连时（DCEN），称为正极性。GMAW焊接方法一般使用反极性。因为这种连接方法电弧稳定，熔滴过渡平稳，飞溅少，焊缝成形美观，在较大的电流范围内都能获得较大的熔深。但在堆焊和补焊