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第四单元熔化极气体保护电弧焊（GMAW）知识目标1.掌握熔化极气体保护焊的原理、特点及应用；2.深入了解熔化极气体保护焊的焊接材料、冶金特性和工艺要点；3.了解熔化极气体保护焊设备的工作原理，熟悉常用CO2气体保护焊设备的构造；4.了解熔化极气体保护焊的相关标准。能力目标1.能正确选择熔化极气体保护焊的工艺参数；2.能操作熔化极气体保护焊；能正确选择熔化极气保焊的工艺参数；3.能按焊接安全的要求安装和维护焊机；4.知道熔化极气体保护焊常见缺陷产生的原因，并能提出解决的方法。学习目标模块一熔化极气体保护焊的特点和应用熔化极气体保护电弧焊是指使用熔化电极，用外加气体作为电弧介质并保护电弧和焊接区的电弧焊，英文简称为熔化极气体保护焊（GMAW）。其焊接示见图4-1。图4-1熔化极气体保护焊示意图一、熔化极气体保护焊的分类及特点1．熔化极气体保护焊的分类作为熔化电极的焊丝，有实心和药芯(管状)两类，前者一般含有脱氧用的和焊缝金属所需要的合金元素；后者的药芯成分及作用与焊条的药皮相似。按使用保护气体和焊丝的种类不同，熔化极气体保护焊分类如图4-2。图4-2熔化极气体保护焊分类2．熔化极气体保护焊的特点（1）优点：与焊条电弧焊和埋弧焊相比1）焊接生产率高，焊接变形小。2）可以获得含氢量较焊条电弧焊为低的焊缝金属。3）烟雾少，可以减轻对通风的要求。4）在相同电流下，熔深比焊条电弧焊大。5）明弧焊接，可观察到电弧和熔池的状态和行为。6）可以进行全位置焊接。不像埋弧焊只能处在平焊位置焊接。7）无需清渣。（2）缺点1）焊接过程受环境制约。为了确保焊接区获得良好的气体保护，在室外操作需有防风装置。2）半自动焊枪比焊条电弧焊焊钳重，不轻便、操作灵活性较差。对于狭小空间的接头，焊枪不易接近。3）设备较复杂，对使用和维护要求较高。二、熔化极气体保护焊的应用1．适焊的材料熔化极惰性气体保护焊使用惰性气体，既可以焊接黑色金属又可以焊接有色金属，但从焊丝供应以及制造成本考虑主要用于铝、铜、钛及其合金，以及不锈钢、耐热钢的焊接。熔化极活性混合气体保护焊和CO2气体保护焊主要用于焊接碳钢、低合金高强度钢。熔化极活性混合气体保护焊常焊接较为重要的金属结构，CO2气体保护焊则广泛用于焊接普通的金属结构。对低熔点的金属如铅、锡和锌等，不宜采用熔化极气体保护焊。表面包覆这类金属的涂层钢板也不适宜采用这类焊接方法。2.焊接位置熔化极气体保护焊适应性较好，可进行全位置焊接，其中以平焊位置和横焊位置焊接效率最高，其他焊接位置的效率也比焊条电弧焊高。3.可焊厚度熔化极气体保护焊可焊接的金属厚度范围很广，最薄可焊至1mm以下，最厚几乎不受限制。模块二熔化极气体保护焊设备一设备组成及要求图4-3半自动熔化极气体保护电弧焊机示意图熔化极气体保护焊所用的设备有半自动焊机和自动焊机两类。在实际生产中,半自动焊机使用较多。焊机主要由焊接电源、送丝系统、焊枪及行走机构（自动焊）、供气系统和水冷系统等部分组成。图4-3为半自动熔化极气体保护焊机示意图。用于推丝式送丝的鹅颈式焊枪推丝式送丝机CO2焊机及其推丝式送丝机、枪熔化极气体保护焊机一般配用直流弧焊电源。各种类型的弧焊整流器均可采用。（1）电源外特性1）平特性电源格2）下降外特性电源（2）电源主要技术参数1）电弧电压2）焊接电流1．焊接电源2．送丝系统送丝系统通常是由送丝机构（如图4-4）、送丝软管、焊丝盘等组成。图4-4送丝机构组成单主动式送丝机构双主动式送丝机构压紧轮主动轮熔化极气体保护焊焊机的送丝系统根据其送丝方式的不同，通常可分为三种类型：⑴推丝式送丝软管不能太长，一般在3～5m左右。⑵拉丝式它又分为两种形式，一种是焊丝盘和焊枪分开；另一种是将焊丝盘直接装在焊枪上。⑶推拉丝式此方式把上述两种方式结合起来，克服了使用推丝式焊枪操作范围小的缺点，送丝软管可加长到15m左右。图4-5半自动焊机送丝方式示意图a)推丝式b)c)拉丝式d)推拉丝式3．焊枪①推丝式焊枪。推丝式焊枪常用的形式有两种：一种是鹅颈式焊枪，如图4-6；另一种是手枪式焊枪，如图4-7。图4-6鹅颈式焊枪图4-7手枪式焊枪的构造②拉丝式焊枪。拉丝式焊枪的结构如图4-8。图4-8拉丝式焊枪③自动焊枪自动熔化极气体保护焊机如图4-9所示。图4-9CO2自动焊机示意图（3）焊枪的喷嘴和导电嘴喷嘴形状多为圆柱形，也有圆锥形，喷嘴内孔直径与电流大小有关，通常为12～24mm。电流较小时，喷嘴直径也小；电流较大时，喷嘴直径也大。喷嘴采用紫铜或陶瓷材料制作。导电嘴的材料要求导电性良好、耐磨性好和熔点高，一般选用紫铜、铬紫铜或钨青铜。导电嘴孔径的大小对送丝速度和焊丝伸出长度有很大影响。如孔径过大或过小，会造成工艺参数不稳定而影响焊接质量。喷嘴和导电嘴都是易损件，需要经常更换，所以应便于装拆。并且应结构简单、制造方便和成本低廉。4．供气与水冷系统（1）供气系统熔化极气体保护焊机的供气系统由气瓶、减压器、流量计、电磁气阀等组成。但CO2气体保护焊机一般还需在CO2气瓶出口处安装预热器和干燥器。如图4-10所示。流量计气压表减压及预热装置开关CO2减压流量计由于液态CO2转变成气态时，将吸收大量的热，再经减压后，气体体积膨胀，会使温度下降。为防止气路冻结，在减压之前要将CO2气体通过预热器进行预热。预热器采用电阻加热式，一般采用36V交流供电，功率约75～100W左右。（2）水冷系统用水冷式焊枪，必须有水冷系统，一般由水箱、水泵和冷却水管及水压开关组成。冷却水可循环使用。水压开关的作用是保证当冷却水没流经焊枪时，焊接系统不能启动，以达到保护焊枪的目的。二、典型控制电路熔化极气体保护焊的控制系统由基本控制系统和程序控制系统两部分组成。基本控制系统的作用主要是在焊前或焊接过程中调节焊接工艺参数；程序控制系统的主要作用是对整套设备的各组成部分按照预先设计好的焊接工艺程序进行控制，以便协调地完成焊接。模块三二氧化碳气体保护焊二氧化碳气体保护焊是利用CO2作为保护气体的熔化极气体保护焊方法，简称为CO2焊。CO2焊是目前焊接黑色金属材料的重要焊接方法之一。一、CO2焊的特点1．CO2焊的原理CO2焊是利用CO2气体使焊接区与周围空气隔离，防止空气中的氧、氮对焊接区的有害作用，从而获得优良的机械保护性能。CO2电弧焊的原理示意图如图4-12所示。图4-12CO2焊的原理示意图2．CO2焊的工艺特点（1）CO2的穿透能力强，厚板焊接时可增加坡口的钝边和减小坡口；焊接电流密度大（通常为100～300A/mm2）,故焊丝熔化率高；焊后一般无须清渣，所以CO2焊的生产率比焊条电弧焊高约1～3倍。（2）CO2气体来源广，价格便宜，而且电能消耗少，故使焊接成本降低。通常CO2焊的成本只有埋弧焊或焊条电弧焊的40%～50%。（3）可实现全位置焊接，并且对于薄板、中厚板甚至厚板都能焊接。由于电弧加热集中，同时CO2气流有较强的冷却作用，所以焊接变形小，特别适宜于薄板焊接。（4）对铁锈敏感性小，焊缝含氢量少，抗裂性能好。（5）飞溅率较大，并且焊缝表面成形较差。特别当焊接工艺参数匹配不当时，更为严重。（6）电弧气氛有很强的氧化性，不能焊接易氧化的金属材料。抗侧向风能力较弱、室处作业需有防风措施。（7）焊接弧光较强，特别是大电流焊接时，要注意对操作人员防弧光辐射保护。3．CO2焊的应用CO2电弧焊主要用于焊接低碳钢及低合金钢等黑色金属。只能用于对焊缝性能要求不高的不锈钢工件。CO2焊还可用于耐磨零件的堆焊、铸钢件的焊补以及电铆焊等方面。此外，CO2焊还可以用于水下焊接。CO2焊所能焊接的材料厚度范围较大，最薄的目前焊到0.8mm，最厚的已经焊到250mm左右。二、CO2焊的冶金特性1．合金元素的氧化（1）直接氧化（2）间接氧化（3）脱氧措施及焊缝金属合金化解决CO2焊氧化性的措施是脱氧。具体做法是在焊丝中（或在药芯焊丝的芯料中）加入一定量的脱氧剂。CO2焊所用的脱氧剂，主要有Si、Mn、Al、Ti等合金元素。Si含量过高会降低焊缝的抗热裂纹能力；Mn含量过高会使焊缝金属的冲击值下降。焊接低碳钢和低合金钢用的焊丝，Si一般含1％左右。焊丝中的Mn含量一般为1～2％左右。2．CO2焊的气孔（1）CO气孔这类气孔通常出现在焊缝的根部或近表面的部位，且多呈针尖状。只要焊丝中有足够的脱氧元素，以及限制焊丝中的含碳量，就能有效地防止CO气孔。（2）氮气孔氮气孔产生的主要原因是保护气层遭到破坏，使大量空气侵入焊接区。避免N2气孔，必须改善气保护效果。要选用纯度合格的CO2气体，焊接时采用适当的气体流量参数；要检验从气瓶至焊枪的气路是否有漏气或阻塞；要增加室外焊接的防风措施。（3）氢气孔主要原因是由于在高温时溶入了大量氢气，在结晶过程中留在焊缝金属中成为气孔。CO2气体可以抑制氢气孔的产生，只要焊前对CO2气体进行干燥处理，去除水分，清除焊丝和工件表面的杂质，产生氢气孔的可能性很小。3．CO2焊的飞溅及防止措施（1）飞溅产生的原因1）由冶金反应引起。2）由电弧的斑点压力引起。3）由于短路过渡不正常引起。4）当焊接参数选择不当引起。（2）减少金属飞溅的措施1）合理选择焊接工艺参数。2）细滴过渡时在CO2中加入Ar气。3)合理选择焊接电源特性，并匹配合适的可调电感。4）采用低飞溅率焊丝。选用药芯焊丝或活化处理焊丝。三、CO2焊的焊接材料1．CO2气体CO2气体来源广，可由专门生产厂提供，也可从食品加工厂（如酒精厂）的副产品中获得。用于焊接的气体，其纯度要求99.5%。CO2气钢瓶外表涂铝白色，并写有黑色“CO2”字样。气瓶的压力与环境温度有关，当温度为0～20℃时。瓶中压力为40～60大气压（4.5～6.8×106Pa）,当环境温度在30℃以上时，瓶中压力急剧增加。所以气瓶不得放在火炉、暖气等热源附近，也不得放在烈日下爆晒，以防发生爆炸。当厂家生产的CO2气体纯度不稳定时,为确保CO2气体的纯度,可采取提纯的措施；当瓶中气体压力低于1×106Pa（10个大气压）时，CO2气体的含水量急剧增加，这将引起在焊缝中形成气孔。所以低于该压力时不得再继续使用。2．焊丝对焊丝的要求如下：（1）焊丝必须含有足够的脱氧元素。（2）焊丝的含碳量要低，要求C＜0.11％。（3）要保证焊缝具有满意的力学性能和抗裂性能。通常在焊接低碳钢或低合金钢时，可选用的焊丝较多，一般首选的是H08Mn2SiA。也可选用其它的焊丝，如H10MnSi，比较便宜，与前者相比其含C量稍高，而含Si、Mn量较低，故焊缝金属强度略高，但焊缝金属的塑性和冲击韧度稍差。表4-2CO2焊常用的焊丝牌号、化学成分和用途焊丝牌号合金元素含量(%)用途CSiMnTiAlCrMoVSPH10MnSi＜0.140.6～0.90.8～1.1--＜0.20--＜0.03＜0.04焊接低碳钢和低合金钢H08MnSi＜0.100.7～1.01.0～1.3--＜0.20--＜0.03＜0.04焊接低碳钢和低合金钢H08Mn2SiA＜0.100.65～0.951.8～2.1--＜0.20--＜0.030＜0.035焊接低碳钢和低合金钢H04MnSiAlTiA＜0.040.4～0.81.4～1.80.35～0.650.2～0.4---＜0.025＜0.025焊接低碳钢和低合金钢H10MnSiMo＜0.140.7～1.10.9～1.2--＜0.200.15～0.25-＜0.03＜0.04焊接低合金高强钢H08MnSiCrMoA＜0.100.6～0.91.5～1.9--0.8～1.10.5～0.7-＜0.03＜0.03焊接低合金高强钢H08MnSiCrMoVA＜0.100.6～0.91.2～1.5--0.95～1.250.6～0.80.25～0.4＜0.03＜0.03焊接低合金高强钢H08Cr3Mn2MoA＜0.100.3～0.52.0～2.5--2.5～3.00.35～0.5-＜0.03＜0.03焊接贝氏体钢合金钢用的焊丝冶炼和拔制困难，故CO2焊用的合金钢焊丝逐渐向药芯焊丝方向发展。四、CO2焊工艺1．短路