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精品课程材料成形装备及自动化第四章（4.2）华中科技大学材料科学与工程学院SchoolofMaterialScienceandTechnology，HUST4.2.3CO2气体保护电弧焊设备9/20/20202保护气体：CO2气体特点：成本低，高效率、焊接质量好应用：船舶、车辆、石油化工机械等钢结构的制造。分类：操作方式：自动焊和半自动焊送丝方式：等速送丝式和变速送丝通常采用半自动焊、细焊丝（直径≤1.6mm）、等速送丝系统配以平特性弧焊电源。半自动CO2焊机的组成：焊接电源、送丝机、焊枪、供气系统和控制系统等部分组成，下图所示。第四章9/20/20203半自动CO2焊机4.2.4CO2气体保护电弧焊设备9/20/20204图4-22两种短路形态示意图（a）正常短路（b）瞬时短路1）焊接电源CO2焊机的焊接电源主要有抽头式整流弧焊电源、晶闸管整流弧焊电源和逆变式弧焊电源。图4-23为一种带有电子电抗器控制电流波形的逆变式CO2焊机电路原理图。9/20/20205图4-23带有电子电抗器控制的逆变式CO2焊机原理2）控制系统CO2焊机控制系统：电源控制电路：包括动特性控制环节送丝控制电路：控制送丝速度程序控制电路：引弧和收弧过程等9/20/202069/20/20207引弧：为了提高引弧成功率，可采取提高初期短路电流上升速度和慢速送丝的措施，即增大瞬间短路电流值和接触电阻，让焊丝快速熔断引弧，引燃后，立即恢复合适的和正常送丝速度进行焊接。收弧：为了克服收弧时的缺陷，焊接过程结束时采取减缓送丝速度（即降低焊接电流），同时相应降低电弧电压，首先填弧坑，待弧坑填满后，切断送丝电机两端电压，让电机惯性运行，自动衰减送丝速度，直至停运，则焊接电流也随即衰减到零。此间电弧电压也同时再降低维持电弧燃烧以达到去除焊丝端头的熔化金属小球和避免了焊丝与熔池相粘，最后关断电源停止焊接。整个程序如图4-24所示。9/20/20208电弧电压送丝速度(焊接电流)填充弧坑防止粘丝(去小球)延时断气CO2气体提前送气图4-24CO2半自动焊接过程程序控制图4.2.4CO2气体保护电弧焊设备（3）供气系统供气系统如图4-25所示。9/20/20209图4-25CO2焊气路系统示意图1-CO2钢瓶2-预热器3-干燥器4-减压器5-溶量计6-电磁气阀9/20/202010优点：(1)焊接成本低。CO2气体是酿造厂和化工厂的副产品，价格低、来源广，其焊接成本约为手弧焊和埋弧焊的40％～50％。(2)焊接生产率高。由于焊丝自动送进，焊接时焊接电流密度大，焊丝的熔化效率高，所以熔敷速度高。焊接生产率比手弧焊高2～3倍。(3)应用范围广。可以焊接薄板、厚板以及全位置的焊接等。(4)抗锈能力强。CO2焊对焊件上的铁锈、油污及水分等，不像其他焊接方法那样敏感，具有较好的抗气孔能力。(5)操作性好，具有手弧焊那样的灵活性。缺点：一.焊接时飞溅较大.焊缝表面成型较差.焊接设备较复杂。二.防风能力差.不能在有风（风大于每秒两米）环境下使用。4.2.5钨极氩弧焊设备钨极氩弧焊（tungsteninertgasarewelding）简称TIG焊，以惰性气体（氩气、氦气）作为保护气体，使用纯钨或活化钨（钍钨、铈钨等）作为不熔化电极引燃电弧进行焊接的一种方法，如图4-26所示。9/20/202011图4-26钨极氩弧焊示意图1－喷嘴2－钨极3－电弧4－焊缝5－工件6－熔池7－填充焊丝8－氩气9/20/202012应用：用于飞机、原子能、化工、纺织等工业产品的制造中，可以焊接易氧化的有色金属及其合金、不锈钢等金属构件，特别是具有的阴极雾化作用，可以轻松地焊接铝及其合金。分类：按操作方式可分为手工焊和自动焊；按电弧电流形式可分为交流（含正弦波和方波）、脉冲（含低频、中频、高频）和直流氩弧焊；按填丝是否预热可分为冷丝和热丝钨极氩弧焊。设备组成：焊接电源、焊枪、焊丝送给装置及小车行走机构（自动填丝焊）、供气供水系统和控制系统等。如图4-27所示。图4-27钨极氩弧焊机结构图9/20/2020131）焊接电源9/20/202014钨极氩弧焊由于可采用交流电弧，脉冲电弧和直流电弧，所以焊接电源也相应分交流电源、脉冲电源和直流电源。交流电源中按所用的功率器件及电路结构可分：普通弧焊变压器式、硅二极管（或晶闸管）－电抗器式、逆变式。后二种为方波交流式。脉冲和交流电源有：硅整流式、晶闸管整流式、晶体管整流式、逆变式。钨极氩弧焊电源的外特性采用陡降特性，以保证在弧长波动时引起焊接电流的变化最小。9/20/202015（1）钨极氩弧焊的引弧、稳弧及交流电源整流现象和隔直方式为了保持钨极端部的形状，以及防止钨极熔化造成焊缝夹钨，钨极氩弧焊不采用短路引弧方式，而是采用非接触式引弧，所以不论哪种形式的电源，都设置有引弧器，交流电源中还设置有稳弧器。①引弧器主要有高频高压引弧器和高压脉冲引弧器。a).高频高压引弧器电路原理如图4-28所示，也称高频振荡器。第四章图4-28高频振荡器电路原理图T1-升压变压器P-火花放电器C1-振荡电容器T2-高频耦合变压器C2-旁路电容器9/20/2020169/20/202017图4-29为另一种新型结构的高频振荡器，它由整流桥VD1～4、限流电阻R、中频振荡电容C、稳压管VS、晶闸管VT、二极管VD5、中频升压变压器T1、火花气体放电器P、高频振荡电容Ck、高频耦合输出变压器T2等组成。图4-29新型高频振荡器电路原理图9/20/202018b).高压脉冲引弧电路原理如图4-30所示图4-30晶闸管高压脉冲引弧和稳弧电路原理图9/20/202019②．稳弧器在直流钨极氢弧焊时，由于电流不过零，电弧一旦引燃后便能保证稳定燃烧，所以不需稳弧器。那么交流，特别是工频正弦交流钨极氩弧焊时，电流每次由正半波向负半波的过零时会出现断弧现象，因这时工件（如铝及其合金）接负极，其发射电子能力弱，使电弧的再引燃电压增高。为防止断弧，必须在这相位点及时加入一个稳弧高压脉冲。金属连接成形设备及自动化9/20/202020③．交流整流现象和隔直方式在焊接铝、镁及其合金的正弦交流钨极氩弧焊电源的输出回路中，还串联有隔除直流分量的元件──大容量无极性电容，如图4-31所示。图4-31串联电容消除直流分量9/20/202021这是因为用正弦交流弧焊电源焊接时，两极的热物理性质及几何尺寸差异悬殊，使得在正半波（工件为正的半波）时钨极为阴极，发射电子能力强，阴极压降小，电弧电压低，电流大。而在负半波（工件为负的半波）时，工件为阴极发射电子的能力差，阴极压降大，电弧电压高，电流小，由此形成了正、负半波电流波形的不对称。从形式上看，相当于在交流电流上叠加了一个由工件指向钨极的直流分量，如图4-32所示。第四章图4-32交流钨极氩弧焊时电流电压波形及直流分量的形成示意图a）电压波形b）电流波形U0－电源空载电压U－电弧电压I－电弧电流I直－直流分量9/20/2020229/20/2020232）交流方波电源根据焊接工艺以及改善正弦交流电弧的引弧和稳弧性能的要求，目前又研究出交流方波弧焊电源或交、直流两用弧焊电源。这种电源通过控制电源主回路的功率器件晶闸管，可使正弦交流变为方波交流，而且正、负半波宽度可调，如图4-33所示。第四章金属连接成形设备及自动化图4-33交流方波电源主回路及电源的原理框图a)电源主回路b)电源的原理框图T1－弧焊变压器L－直流电抗器VT1~4－晶闸管整流桥9/20/202024a)b)9/20/2020253）脉冲电源为了适应于一些热敏感的金属材料和薄板，超薄板构件以及薄壁管子的全位置焊接的需要，控制焊接过程的热输入，可采用脉冲钨极氩弧焊，即在焊接过程中电流幅值按一定的规律周期性地变化，亦叫脉冲电流，如图4-34所示脉冲频率可分为0.1~10Hz低频，10~1KHz中频和1~30KHz高频，它是由脉冲电源产生。第四章金属连接成形设备及自动化图4-34钨极脉冲氩弧焊脉冲电流波形示意图a）交流脉冲b）直流脉冲c）调制脉冲电流9/20/2020269/20/202027（2）焊枪钨极氩弧焊焊枪的作用是夹持钨极、传导焊接电流和输送保护气，其结构如图4-35所示。图4-35钨极氩弧焊焊枪结构图1－钨极2－喷嘴3－铜丝网4－钨极夹头5－冷却水套6－焊枪体7－帽罩9/20/202028（3）供气和供水系统与熔化极氩弧焊供气、供水系统相同。（4）控制系统主要包括焊接电源的控制电路和焊接程序控制电路。钨极氩弧焊为不熔化极电弧焊，根据非接触引弧和氩弧焊工艺的需要，其程序有提前送气和滞后断气，高频引弧和切断高频、焊接电流开始缓升和焊接结束时电流缓降、填弧坑等过程。在自动加填丝焊中，还有行走机构和送丝机构的起、停控制，图4-36为钨极氩弧焊程序控制顺序图。图4-36钨极氩弧焊程序控制顺序示意图Uh－高频或高压引弧电压Q－保护气流V－焊接速度Vf－送丝速度t1－提前送气时间t2－电流上升时间t3－正常焊接时间t4－电流衰减时间t5－延迟断气时间9/20/202029UIV、VfUhtQt1t2t3t4t59/20/202030优点：1.氩气能有效地隔绝周围空气，本身又不溶于金属，不和金属反应，可成功的焊接易氧化、氮化、化学活泼性强的有色金属、不锈钢和各种合金。2.钨极电弧稳定，即使在很小的焊接电流下仍可稳定的燃烧，特别适用于薄板、超薄板材料的焊接。3.热源和填充焊丝可分别控制，因而热输入容易调节，可进行各种位置的焊接，也是实现单面焊双面成形的理想方法。4.由于填充焊丝熔滴不通过电弧，故不会产生飞溅，焊缝成形美观。缺点：1.焊缝熔深浅，熔覆速度小，生产率较低。2.钨极承载电流的能力较差，过大的电流会引起钨极熔化和蒸发，其微粒有可能进入熔池，造成污染。3.惰性气体较贵，和其他电弧焊方法相比，成产成本较高。4.2.6等离子弧焊接设备等离子弧焊（PlasmaArcWelding）是在钨极氩弧焊的基础上发展起来的一种焊接方法，也属于不熔化极电弧焊。等离子弧是将自由钨极氩弧经压缩强化后而获得电离度更高的电弧等离子体。与钨极氩弧在物理本质上没有区别，仅是弧柱中电离程度上的不同，其能量密度可达105～106W/cm2，温度可达24000～50000k，焰流速度可达300m/s以上，是一种高能密束流。9/20/202031应用：等离子弧既可以用于焊接，又可以用于切割，在工业生产中得到了广泛应用，可以焊接钨极氩弧焊所能焊接的金属材料。由于能量更集中，温度更高，一次可焊厚度更大，速度更快；由于电弧挺直度好，小电流时电弧稳定，特别适合于焊接薄板，微型零件，而变形小。9/20/2020329/20/202033（1）等离子弧的类型将钨极氩弧压缩成等离子弧，就是依靠等离子枪的水冷铜喷嘴的拘束作用实现的。由于喷嘴的拘束，使氩弧受到机械压缩、热压缩和电磁压缩三种压缩的作用，导致弧柱量密度及温度越来越高，而产生了电离程度很高的等离子体电弧。根据电源的连接方式，等离子弧分为非转移型电弧，转移型电弧及联合型电弧三种，如图4-37所示，它们的枪体结构一样，钨极都接电源的负极，只是电弧正极接法不同。图4-37等离子弧的类型1－钨极2－喷嘴3－转移弧4－非转移弧5－工件6－冷却水7－弧焰8－离子气9/20/2020349/20/2020351）非转移型电弧正极接在焊枪的喷嘴上，电弧在钨极与喷嘴之间燃烧，如图4-37a）所示。依靠高速喷出的等离子气弧焰带出，喷烧在被焊工件上。这种电弧适用于焊接或切割较薄的金属及非金属；2）转移型电弧正极接在工件上，电弧直接在钨极与工件之间燃烧，如图4-37b)所示。焊接时首先引燃钨极与喷嘴间的非转移弧，使其电弧焰流从喷嘴喷出并接触工件，然后进行电路转换，将电源的正极从喷嘴转移到工件，转移弧便瞬间产生，同时非转移弧熄灭，这种电弧适用于焊接较厚的金属工件。3）联合型电弧转移弧和非转移弧同时并存的电弧称为联合型电弧，如图4-37c）所示。此时的非转移弧也称维持电弧，转移弧也称工件电弧。可见，在工作时，喷嘴和工件同时接电源正