实验三熔化极气体保护焊设备与工艺实验

实验三熔化极气体保护焊设备与工艺实验一、基础知识熔化极气体保护焊采用的是可熔化的焊丝与焊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。手工移动焊枪、焊丝由送丝机送进的称为半自动熔化极气体保护焊，焊枪移动是机械化的称为自动熔化极气体保护焊。以氩气作保护气体的称为氩弧焊（MIG焊），可以焊接碳素钢、低合金钢、耐热钢、低温钢、不锈钢等材料，并常用来焊接铝及其合金。以CO2气体作保护气体的称为CO2气体保护焊（以活性气体作保护气的称MAG焊）。CO2气体保护焊按填充焊丝的不同分为实芯CO2气体保护焊和药芯CO2气体保护焊。实芯CO2气体保护焊可以焊接低碳钢、低合金钢。药芯CO2气体保护焊（FCAW焊）不仅可以焊接碳素钢、低合金钢、而且可以焊接耐热钢、低温钢、不锈钢等材料。熔化极气体保护焊与渣保护焊方法（如焊条电弧焊和埋弧焊）相比较，在工艺上、生产率与经济效果等方面有着下列优点：（1）气体保护焊是一种明弧焊。焊接过程中电弧及熔池的加热熔化情况清晰可见，便于发现问题与及时调整，故焊接过程与焊缝质量易于控制。（2）气体保护焊在通常情况下不需要采用管状焊丝，所以焊接过程没有熔渣，焊后不需要清渣，省掉了清渣的辅助工时，降低了焊接成本。（3）适用范围广，生产效率高，易进行全位置焊及实现机械化和自动化。不足之处：焊接时采用明弧和使用的电流密度大，电弧光辐射较强；其次，是不适于在有风的地方或露天施焊；设备较复杂。二、实验目的(1)了解熔化极气体保护焊基本原理。(2)了解CO2气体保护焊的结构，逐步掌握CO2焊机的使用方法。(3)了解细丝CO2气体保护焊时熔滴短路过渡的特点。(4)了解影响熔滴短路过渡时电弧稳定性的因素，并掌握规范参数影响电弧稳定的规律。三、实验原理熔化极气体保护焊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。图1熔化极气体保护焊的工作原理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。下面主要介绍2、3、4部分。送丝系统送丝系统通常是由送丝机(包括电动机、减速器、校直轮、送丝轮)、送丝软管、焊丝盘等组成。盘绕在焊丝盘上的焊丝经过校直轮和送丝轮送往焊枪。根据送丝方式的不同，送丝系统可分为四种类型：(1)推丝式推丝式是焊丝被送丝轮推送经过软管而达到焊枪，是半自动熔化极气保护焊的主要送丝方式。这种送丝方式的焊枪结构简单、轻便、操作维修都比较方便，但焊丝送进的阻力较大。随着软管的加长，送丝稳定性变差，一般送丝软管长为3．5～4m左右。(2)拉丝式拉丝式可分为三种形式。一种是将焊丝盘和焊枪分开，两者通过送丝软管连接。另一种是将焊丝盘直接安装在焊枪上。这两种都适用于细丝半自动焊，但前一种操作比较方便。还有一种是不但焊丝盘与焊枪分开，而且送丝电动机也与焊枪分开，这种送丝方式可用于自动熔化极气体保护焊。(3)推拉丝式这种送丝方式的送丝软管最长可以加长到15m左右，扩大了半自动焊的操作距离。焊丝前进时既靠后面的推力，又靠前边的拉力，利用两个力的合力来克服焊丝在软管中的阻力。推拉丝两个动力在调试过程中要有一定配合，尽量做到同步，但以拉为主。焊丝送进过程中，始终要保持焊丝在软管中处于拉直状态。这种送丝方式常被用于半自动熔化极气体保护焊。(4)行星式(线式)行星式送丝系统是根据“轴向固定的旋转螺母能轴向送进螺杆”的原理设计而成的。三个互为120°的滚轮交叉地安装在一块底座上，组成一个驱动盘。驱动盘相当于螺母，通过三个滚轮中间的焊丝相当于螺杆，三个滚轮与焊丝之间有一个预先调定的螺旋角。当电动机的主轴带动驱动盘旋转时，三个滚轮即向焊丝施加一个轴向的推力，将焊丝往前推送。送丝过程中，三个滚轮一方面围绕焊丝公转，另一方面又绕着自己的轴自转。调节电动机的转速即可调节焊丝送进速度。这种送丝机构可一级一级串联起来而成为所谓线式送丝系统，使送丝距离更长(可达60m)。若采用一级传送，可传送7～8m。这种线式送丝方式适合于输送小直径焊丝(φ0.8～1.2mm)和钢焊丝，以及长距离送丝。焊枪熔化极气体保护焊的焊枪分为半自动焊焊枪(手握式)和自动焊焊枪(安装在机械装置上)。在焊枪内部装有导电嘴(紫铜或铬铜等)。焊枪还有一个向焊接区输送保护气体的通道和喷嘴。喷嘴和导电嘴根据需要都可方便地更换。此外，焊接电流通过导电嘴等部件时产生的电阻热和电弧辐射热一起，会使焊枪发热，故需要采取一定的措施冷却焊枪。冷却方式有：空气冷却，内部循环水冷却，或两种方式相结合。对于空气冷却焊枪，在CO2气体保护焊时，断续负载下一般可使用高达600A的电流。但是，在使用氩气或氦气保护焊时，通常只限于200A电流。半自动焊枪通常有两种形式：鹅颈式和手枪式。鹅颈式焊枪适合于小直径焊丝，使用灵活方便，特别适合于紧凑部位、难以达到的拐角处和某些受限制区域的焊接。手枪式焊枪适合于较大直径焊丝，它对于冷却效果要求较高，因而常采用内部循环水冷却。半自动焊焊枪可与送丝机构装在一起，也可分离。自动焊焊枪的基本构造与半自动焊焊枪相同，但其载流容量较大，工作时间较长，有时要采用内部循环水冷却。焊枪直接装在焊接机头的下部，焊丝通过送丝轮和导丝管送进焊枪。气体流量调整器供气系统通常与钨极氩弧焊相似，对于CO2气体，通常还需要安装预热器和干燥器，以吸收气体中的水分，防止焊缝中生成气孔。对于熔化极活性气体保护焊还需要安装气体混合装置，先将气体混合均匀，然后再送入焊枪。水冷式焊枪的冷却水系统由水箱、水泵和冷却水管及水压开关组成。水箱里的冷却水经水泵流经冷却水管，经水压开关后流入焊枪，然后经冷却水管再回流入水箱，形成冷却水循环。水压开关的作用是保证当冷却水未流经焊枪时，焊接系统不能起动焊接，以保护焊枪，避免由于未经冷却而烧坏。熔滴过渡形式：CO2气体保护焊的熔滴过渡特性对焊接过程的稳定性、合金元素的烧损、焊缝成形、飞溅及焊接接头的质量有很大的影响。可分为短路过渡、大颗粒过渡和喷射过渡三种。（一）短路过渡CO2气体保护焊采用细焊丝、小电流、低电压焊接时，熔滴是短路过渡。此时由于焊丝的熔化速度比送丝速度低，电弧长度变得很短，熔滴在还未充分长大时，就与熔池接触而形成短路。熔滴在重力和表面张力的作用下形成液体金属过桥，电弧熄灭，如图1（a）所示。电弧电压很快降低，而短路电流迅速增加，产生强大的电磁收缩力，是液体金属以过桥形式颈缩而拉断，熔滴过渡进入熔池。短路过渡时，整个焊接过程稳定，飞溅少，焊缝成形美观，熔池尺寸较小。因此，实际生产中最适宜于焊接薄板以及全位置焊接。图1熔滴过渡形式示意图图2短路过渡过程及焊接电流、电弧电压波形图a—短路过渡b—大颗粒过渡c—喷射过渡T—一个短路过渡周期的时间T燃—电弧燃烧时间T短——短路时间U弧—电弧电压I短—短路最大电流I稳—稳定的焊接电流短路过渡时，焊接电流、电弧电压的波形见图2。图中所表示的是一个熔滴过渡的全过程，通常把每一次短路和燃弧的时间称为一个周期（T），每秒钟内周期数称为短路频率。CO2气体保护焊的短路频率可达每秒几十次至一百多次。整个周期大致可分为4个间隔期，短路期，即过渡开始。首先是焊丝末端的液体熔滴和熔池接触而电弧熄灭，这时电弧电压很快降低到短路电压，而电流迅速上升。熔滴与熔池的接触面不断扩大，并在焊丝末端形成颈缩。当短路电流增加到一定值时，缩颈即爆断，熔滴全部进入熔池，在此瞬间，电弧电压很快恢复到引燃电压，即电弧引燃期。此时电弧能很快引燃，因为此时焊接贿赂中存在电感，电流不会立即降低，并使电弧进入稳定燃烧期，新的短路期有由此开始进入新的循环。（二）喷射过渡喷射过渡时熔化金属从焊丝末端以很细的颗粒和很高的速度非轴线的射向熔池（图1-c）。CO2气体保护焊的喷射过渡，对于一定直径的焊丝（直径大于1.6mm），焊接电流要达到一定数值（大于400A）后才能形成。进入喷射过渡的转变电流称为临界电流。除此之外，还需要有一定的电弧长度，如果电弧电压很低，弧长过短，无论焊接电流数值有多大，也不能产生喷射过渡。喷射过渡电弧功率较大，电弧稳定，焊缝成形良好，穿透能力强，熔深较大，适合中厚板的平焊。（三）大颗粒状过渡对于一定直径的焊丝（大于1.6mm），当焊接电流未达到喷射过渡的临界电流时（小于400A），熔滴就变大，随着焊接电流的降低，在焊丝末端产生熔滴飘晃现象，形成大颗粒状过渡。过渡缓慢，电弧不稳定，飞溅增加，焊缝成形不良（图1-b）。因此，这种过渡形式在实际生产中不宜采用。影响熔滴过渡的主要因素除焊丝直径、保护气体成分外，主要是焊接电流和电弧电压两个参数。所以，在实际工作中，主要是通过调节焊件电流、电弧电压来控制熔滴的过渡尺寸。四、实验设备和材料实验设备：CO2气体保护焊机（带送丝机构和半自动焊枪）实验材料：焊接用CO2气体，与焊枪配套的焊丝细丝（直径小于1.6mm）1盘，8mm厚Q235钢板若干。五、实验内容和步骤1、了解CO2焊机的结构、供气系统及控制系统；2、CO2焊机接线布置、空载调试、进行引弧和焊接操作；3、观察焊接电流、电压对熔滴过渡和焊缝成形的影响（1）将电流调整至125～165A，电弧电压调整至44V，引弧及焊接使其保持在稳定值，然后将电弧电压逐步降低，每次降低5V并作一次停留，直到降低至19V。观察焊接过程的稳定性、焊缝成形和飞溅情况，并仔细听电弧声响情况，并作记录；（2）将电流调整至280～340A，重复（1）的过程；（3）将电弧电压调至36～38V，并维持不变，将电流由150A逐渐调到300A，每次调50A，进行与（1）相同的方法观察并记录；（4）将电弧电压调至25～27V，重复（3）的过程。4、观察短路过渡频率对焊缝成形和飞溅的影响（1）取6×100×250mm试板，预先画好线，确定每道焊缝的位置将电流调到125～140A，电压调到13V，引燃电弧，焊接时保持电流不变，每条焊道电压上升1V，直至25V为止。焊后对比焊道成形、飞溅等情况，做好记录。（2）将电流调至180～200A，电压分别取19V、21V、23V、25V进行焊接，进行与（1）相同的观察及记录；（3）将电流调至220A，电压分别取17V、19V、21V、23V、25V进行焊接，进行与（1）相同的观察及记录；表一一定电压下不同电流大小对焊缝成形和飞溅的影响表1U＝23～25V不同焊接电流对焊缝成形的影响焊接电流A90～100140～160180～200260～280300～320增高(mm)熔宽（mm）熔深（mm）成形情况表2一定电流下不同焊接电压大小对焊缝成形和飞溅的影响焊接电压V24±126±128±130±1增高(mm)熔宽（mm）熔深（mm）成形情况六、实验报告要求实验后每人都必须书写实验报告，报告要求写明实验名称，主要内容包括：（一）实验目的（二）实验内容（1）说明半自动CO2焊机的结构及各部件的名称及作用。（2）根据实验结果，论述CO2焊熔滴过渡的特点。（3）分析电弧电压、电流对焊缝成形和飞溅的影响。七、思考题（1）CO2气体保护焊发生飞溅的内在原因是什么，应从哪些方面来减少飞溅的发生？