643高效熔化极气保焊技术含双丝TIMESTTCMT窄间隙等.docx

643高效熔化极气保焊技术含双丝TIMESTTCMT窄间隙等.docx

《643高效熔化极气保焊技术含双丝TIMESTTCMT窄间隙等.docx》由会员分享，可在线阅读，更多相关《643高效熔化极气保焊技术含双丝TIMESTTCMT窄间隙等.docx（13页珍藏版）》请在冰点文库上搜索。

643高效熔化极气保焊技术含双丝TIMESTTCMT窄间隙等

6.4.3高效熔化极气保焊技术（含双丝、TIME、STT、CMT、窄间隙等）

6．4．3.1冷金属过渡焊（简称CMT）

冷金属过渡（coldmetaltransfer）焊简称CMT法，是奥地利的FRONIUS公司推出的一种新的焊接方法，可适用于薄板铝合金和薄镀锌板的焊接，还可以实现镀锌板和铝合金板之间异种金属的连接。

1．冷金属过渡焊工作原理

CMT冷金属过渡技术是在短路过渡基础上开发的，普通的短路过渡过程是：

焊丝熔化形成熔滴一熔滴同熔池短路一短路桥爆断，短路时伴有大的电流（大的热输入量）和飞溅。

而CMT过渡方式正好相反，在熔滴短路时，数字化焊接电源输出电流几乎为零，同时焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，如图7．35所示，从根本上消除了产生飞溅的因素。

整个焊接过程实现“热一冷一热”交替转换，每秒钟转换达70次。

焊接热输入量大幅降低，可实现0．3mm以上薄板的无飞溅、高质量MIG／MAG熔焊和MIG钎焊。

2．冷金属过渡焊的特点

CMT焊同普通MIG／MAG焊不同，具有如下特点。

（1）送丝的运动同熔滴过渡过程相结合

熔滴过渡过程由送丝运动变化来控制，焊丝的“前送一回抽”频率可高达70次／秒。

整个焊接系统（包括焊丝的运动）的运行均为闭环控制，而普通的MIG／MAG焊，送丝系统都是独立的，并没有实现闭环控制。

（2）熔滴过渡时电压和电流几乎为零，热输入量低

数字化控制的CMT焊接系统会自动监控短路过渡的过程，在熔滴过渡时，焊接电源将电流降至几乎为零，热输入量也几乎为零，如图7．36所示。

整个熔滴过渡过程就是高频率的“热一冷一热”交替的过程，如图7．37所示，大幅降低了热输入量。

（3）焊丝的回抽运动帮助熔滴脱落，熔滴过渡无飞溅

焊丝的机械式回抽运动就保证了熔滴的正常脱落，同时避免了普通短路过渡方式极易引起的飞溅，熔滴过渡过程中出现飞溅的因素被消除了，焊后清理工作量小。

（4）CMT焊弧长控制精确

CMT的电弧长度控制是机械式的，它采用闭环控制并监测焊丝回抽长度，即电弧长度。

在干伸长或焊接速度改变的情况下，电弧长度也能保持一致。

保证了CMT电弧的稳定性，即使在焊接速度极快的前提下，也不会出现断弧的情况。

（5）均匀一致的焊缝成形，焊缝的熔深一致，焊缝质量重复精度高

CMT焊焊丝干伸长改变时，仅仅改变送丝速度，不会导致焊接电流的变化，从而实现一致的熔深，加上弧长高度的稳定性，就能达到非常均匀一致的焊缝外观成形。

（6）装配间隙要求降低

1mm板的搭接接头间隙允许达到1.5mm。

3．CMT工艺的应用

CMT焊接方法由于具有更快的焊接速度、更好的搭桥能力、更小的变形、更均匀一致的焊缝、没有飞溅等优点，拓展了普通MIG／MAG焊所不能涉及的领域，其主要的应用领域如下。

（1）薄板或超薄板（0.3~3mm）的焊接，并且无需担心塌陷和烧穿。

（2）电镀锌板或热镀锌板的无飞溅钎焊。

（3）钢与铝的异种连接。

在过去铝和钢的连接仅仅可能通过激光或电子束焊接，现在CMT可实现这样的异种连接。

6．4．3.2双丝MIG\MAG焊

1．双丝焊的工作原理

双丝气体保护焊是由普通单丝MAG焊发展而来的，这时采用两根焊丝作为电极，同时作为填充金属。

它们在同一保护气体环境下，由两个独立的相互绝缘的导电嘴送出后与工件之间形成两个电弧，并形成同一熔池，如图7．27所示。

每个电极都能独立地调节熔滴过渡和弧长，这样就可以在高速焊下实现良好的焊接工艺和优质焊接质量。

TANDEM焊由两个脉冲电源供电，形成两个电弧，由于都使用直流反接法，为了避免同向电弧相互吸引，而破坏电弧的稳定性，所以两个脉冲电源电流相位相差180°，为此在两个电源之间附加一个协同装置，得到如图7．28所示的脉冲电流波形。

这样，两个电源的参数调节互不影响，可以连续和大范围调整。

脉冲焊过程中双丝形成同一个熔池的方法不同于以往的单丝焊的特点。

双丝焊改变了电弧的加热特点，按前后串联排列的两电弧，获得了椭圆状的熔池，由于两根焊丝交替燃弧对熔池进行搅拌作用，使得熔池的温度分布更均匀，从而有效地抑制了咬边的产生，这对高速焊丝十分必要的。

双丝焊的另一个特征，为了形成一个熔池，则两根焊丝距离大约为5~7mm。

由于焊丝距离很近，为防止干扰和确保电弧稳定，还应保证相位差180°，这时两个电弧交替导通，如图7．28所示。

2．焊接工艺特点

（1）焊接速度快，生产率高

双丝焊改变了熔池热量的分布特点，并保持较短的电弧，有利于实现高速焊，无论是MIG焊铝，还是MAG焊钢，双丝焊均比单丝的焊速快得多，大约快1—2倍。

双丝焊不但焊接速度高，而且焊丝的熔敷速度也有很大提高，如图7．29所示。

．电弧焊方法及设备．

（2）焊接线能量低

虽然双丝焊总的电弧功率较高，但是由于焊速提高更大，总的线能量还是很低，所以减小了焊接变形和提高了焊接接头的性能。

（3）抑制焊接缺陷的产生。

由于双丝焊的特点，使得在高速焊时不产生咬边缺陷。

在双丝焊时两根焊丝均为射滴过渡形式，所以几乎没有飞溅，焊接过程十分稳定和焊缝成形好，熔滴温度较低，合金元素烧损少，特别适合于焊接铝和铝合金，铝镁合金等。

（4）因为焊接速度快，不宜采用手工操作，一般都是机器人焊和自动焊，同时对焊缝跟踪和焊前准备要求很高。

-

3．焊接设备组成

双丝焊接设备由两台脉冲焊接电源组成，两个电源分为主电源和从电源，二者通过协同控制设备连接。

负载持续率为100％，总电流为900A左右（每台电源均为TPS一500）；两台四轮驱动机构送丝机，送丝速度达到30m／min。

焊铝时推荐使用双丝推拉丝机构，送丝速度只有22m／min；一个协同器和一把双丝焊枪组成，如图7．30所示。

双丝焊专用焊枪，如图7．31所示。

焊枪结构紧凑，并配有一个大功率的双循环水冷系统，使导电嘴与喷嘴同时使得到冷却。

导电嘴问的距离为5~7mm。

4．双丝焊的应用

双丝焊主要应用在汽车及零部件制造业、造船、机车车辆制造、机械工程、压力容器制造和发电设备等，可对碳钢、低合金钢、不锈钢、铬合金等各种金属材料进行焊接，适用于搭接焊缝、平角焊缝、船形焊缝和对接焊缝各种接头形式。

6．4．3.3T．I．M．E．焊接工艺

T．I．M．E．（transferredionizedmoltenenergy）焊接工艺是1980年加拿大J．Church首先提出的。

T．I．M．E．焊接工艺是在传统MAG焊工艺基础上，通过增大焊接电流（700A），提高送丝速度（50m／min），加大焊丝伸出长度（20~35mm），用特殊的T．I．M．E．气体（φAr=65％,φHe=26.5％，φCO₂ =80％，φO₂=0.5％）进行保护为特征，实现高速焊接下的熔敷率（30kg／h）。

T．I．M．E．工艺中，增加焊丝伸出长度可以增加焊丝电阻热，提高熔敷率。

四元保护气体中，He具有高电离能，可提高弧压和电弧能量；Ar电离能较低，保证电弧燃烧稳定，维弧容易；CO₂分解成CO和自由氧，使电弧冷却，促使弧压增高；O₂的存在有利于电弧的稳定，同时能够降低熔池的表面张力，改善润湿性。

各种保护气体综合作用的结果，能够增加电弧电压，提高射流过渡临界电流值，以便在大电流下得到稳定的熔滴过渡方式，同时还能保证焊缝成形良好。

从T．I．M．E焊工艺的发展和应用情况来看，T．I．M．E焊具有如下优点。

（1）熔敷率高

在连续大电流区间能够获得稳定的熔滴过渡，突破了焊接电流“瓶颈”限制。

在平焊位置，焊丝熔敷率可达160g／min以上，即使在非平焊位置施焊，熔敷率也可达80g／min。

（2）良好的焊接质量

首先，采用T．I．M．E气体能够获得稳定的旋转射流过渡，几乎无飞溅，保证侧壁熔合和盆底状熔深。

其次，He气提高了电弧输入功率，提高了电弧的电离度和温度，因此改善了焊缝金属的流动性，降低了咬边缺陷发生的几率，焊缝金属表面平滑美观。

再次，T．I．M．E气体具有一定的氧化性，降低了焊接金属的含氢量，提高了焊接接头的低温韧性和抗冷裂缝的能力及降低气孔率。

同时，降低了焊缝金属的含S、P量，所以改善了焊接接头的力学性能。

（3）扩大了使用范围

由于T．I．M．E焊工艺覆盖了短路过渡、射流过渡和旋转射流过渡3种熔滴过渡形式，在射流过渡状态，熔滴沿焊丝轴线稳定地过渡到熔池中，不受重力影响，可以进行全位置焊接。

既可以焊接薄件和厚件等不同厚度的工件，还可以完成各种空间位置的焊接和全位置焊，以及各种材料的焊接。

（4）低成本

1.2mm直径焊丝，传统NAG焊焊丝伸出长度为10~15mm，许用最大电流400A；而T．I．M．E焊可以在很大的焊丝伸出长度（20~35mm）的情况下使用较大的焊接电流（700A），获得较大的焊接熔敷率。

而且对于相同板厚的工件，可以减小坡口角度，降低熔敷金属量，在相同的送丝速度下，可以焊接更长的焊缝。

不但降低了生产成本，提高了焊接生产率，而且缩短了焊接工人工作时间，从而降低劳动力成本。

同时，尽管四元保护气体价格昂贵，但其卓越性能所带来的利润足以补偿其自身增加的成本。

因此，T．I．M．E．焊工艺从多角度、全方位降低了焊接生产成本，提高了焊接生产率，给予焊接产品以很强的市场竞争力。

T．I．M．E．焊工艺在许多领域得到成功的应用，如造船业、钢结构工程、汽车制造业、机械工程、罐结构及坦克装甲板和潜艇壳体等的焊接，特别适用于大厚板窄间隙焊及薄板的高速焊接。

T．I．M．E焊可用于多种材料的焊接，如低碳钢、低合金钢、细晶粒结构钢、高温耐热钢、低温钢、特高温耐热材料（13CrM044）、特种钢（装甲板）和高屈服强度钢（HY80）等。

6．4．3.4窄间隙熔化极惰性气体保护焊

窄间隙熔化极惰性气体保护焊是焊接大厚板对接焊缝的一种高效率的特种焊接技术。

接头形式为对接接头，开I形坡口或小角度V形坡口，间隙为6—15咖，采用单道多层或双道多层焊，可焊厚度为30～300mm，

如图7．25所示。

1．窄间隙熔化极惰性气体保护焊特点

（1）窄间隙熔化极惰性气体保护焊焊接时，因接头不需开坡口，减少了填充金属量，焊后又不清渣，故节省时间和材料，提高焊接生产率。

（2）焊缝热输入较低，热影响区小，焊接应力和焊件变形都小，裂纹倾向小，焊缝机械性能高。

（3）窄间隙熔化极惰性气体保护焊可以应用于平焊、立焊、横焊及全位置焊接。

（4）窄间隙熔化极惰性气体保护焊焊接时，熔池和电弧观察比较困难，要求焊枪的位置能方便地进行调整。

2．窄间隙熔化极惰性气体保护焊范围

窄间隙熔化极惰性气体保护焊可以焊接黑色金属和有色金属，目前主要用于焊接低碳钢、低合金高强度钢、高合金钢和铝、钛合金等。

应用领域以锅炉、石油化工行业的压力容器为最多，其次是机械制造和建筑结构，再次是管道海洋构造、造船和桥梁等。

3．窄间隙熔化极惰性气体保护焊的焊接工艺

窄间隙熔化极惰性气体保护焊可分为细丝窄间隙焊和粗丝窄间隙焊两种。

（1）细丝窄间隙焊

细丝窄间隙焊一般采用的焊丝直径为0．8~1.6mm，接头间隙为6~9mm，为了提高生产率，采用双丝或三丝，每根焊丝都有独立的送丝系统、控制系统和焊接电源。

焊接电源一般采用的是直流反极性，熔深大，能够保证焊透，裂纹倾向性小。

细丝窄间隙焊由于焊丝细，必须采用导电嘴在坡口内的焊枪，且导电管要求绝缘、水冷。

另外，由于接头坡口深而窄，要向坡口底部输送保护气体有困难，为了提高保护效果，必须采用特殊的送气装置，否则，保护效果差，易产生气孔。

保护气体一般采用的是混合气体，其中φAr=80％；φCO₂=20％

细丝窄间隙焊由于热输．入20低，熔池体积小，可以全位置焊接，且残余应力和焊件变形都小。

采用的是多道焊，后道焊缝对前道焊缝有回火作用，而前道焊缝对后道焊缝又有预热作均，所以焊缝金属的晶粒细小均匀，焊缝的力学性能好。

为了保证每一道焊层与坡口两侧均匀熔合，焊丝在坡口内应采取摆动措施。

常用的摆动送丝方式如图7．26所示。

（2）粗丝窄间隙焊

粗丝窄间隙焊一般采用焊丝直径为2~4.8mm，接头间隙为10～15mm，焊丝可以用单丝，也可用多丝。

焊接电源一般采用直流正极性，熔滴细小且过渡平稳，飞溅小，焊缝成形系数大，裂纹倾向性小。

若用反极性，熔深大，焊缝成形系数小，容易产生裂纹。

粗丝窄间隙焊接时，导电嘴可不伸入间隙内，为了保证焊丝的伸出长度不变，导电嘴’

应随着焊缝的上升而提高，但喷嘴应始终保持在坡口的上表面，保证获得良好气体保护效，否则，保护效果差，易产生缺陷。

粗丝窄间隙焊焊接时，因导电嘴在坡口表面，焊丝的伸出长度较长，焊接规范参数也较大，故热输入大，焊接生产率高。

由于受焊丝的伸出长度的限制，所焊焊件厚度小于150mm，只适合于平焊位置的焊缝。

6．4．3.5气电立焊

气电立焊（英文简称EGW）是由普通熔化极气体保护焊和电渣焊发展而形成的一种熔化极气体保护电弧焊方法。

这种焊接方法的优点是，可不开坡口焊接厚板，生产效率高，成本低。

与窄间隙的主要区别在于焊缝一次成形，而不是多道多层焊。

气电立焊与电渣焊类似，也是利用水冷滑块挡住熔化金属，使之强迫成形，以实现立向位置焊接。

不同之处在于气电立焊依靠气体保护和电弧加热，保护气体可以是单一气体（如CO2）或混合气体（如Ar+CO2）。

焊丝可以是实芯焊丝药芯焊丝。

其中实芯焊丝气电立焊的原理示意如图7-34所示。

可以看到，焊丝连续向下送入由板材坡口和两个水冷滑块面形成的凹槽中，在焊丝和母材金属之间形成电弧，并不断地熔化和流向电弧下的熔池中。

随着熔池上升，电弧和水冷滑块也随着上移，原先的凹槽被熔化金属填充，并形成焊缝，而自保护药芯焊丝气电立焊时却不需要气体保护。

图7-34气电立焊原理示意图

1-水冷铜块2-水3-焊枪4-气体5-导丝管6-送丝管7-焊丝矫直机构8-摆动器9-水冷滑块

气电立焊通常用于较厚的低碳钢和低合金钢．也可用于奥氏体不锈钢和其他金属合金。

板材厚度在12~80mm之间最为适宜。

1.气电立焊设备

气电立焊设备主要由焊接电源、导电嘴、水冷滑块、送丝机构、焊丝摆动机构和供气装置等组成。

除焊接电源，其余部分被组装在一起，并随着焊接过程的进行而垂直向上移动。

2.焊接电源

气电立焊与普通熔化极气体保护电弧焊一样，采用直流电源，反极性接法。

采用陡降特性，还可以采用平特性。

当采用陡降特性时，可以通过电弧电压的反馈来控制行走机构，当电弧电压降到设定值以下时，行走机构自动提升，直到恢复电压为止，以保持焊丝伸出长度不变，而当采用平特性电源时，可以采用手动控制行走机构自动提升。

因焊缝较长，往往需要长时间连续工作。

所以电源的负载持续率为100%，额定电流为750~1000A。

1）送丝机构。

常采用推丝方式送丝。

送丝机构安装在行走机构之上，它由内焊丝盘、送丝轮、校直机构及送丝软管组成。

焊丝伸出长度较大，一般为38mm以上。

所以要求校直机构应保证焊丝平直。

2）水冷滑块和气罩。

水冷滑块常常做成凹形，使每侧形成适当的余高。

同时为保证良好的气体保护效果，保护气体除从焊枪喷嘴流出外，在水冷滑块上还安装气罩，它能提供一定流量的辅助保护气体。

3）焊枪与摆动。

气电立焊采用焊枪与普通熔化极气体保护焊采用的焊枪主要区别在于焊枪的喷嘴必须能进入板材之间的窄间隙内，并且能在两个滑块之间作横向摆动。

因此，对焊枪尺寸有一定的限制。

当板材较厚时，为了保证两例金属均匀熔化，焊枪须在熔池上方作横向摆动。

通常摆动速度不变，而在两端的停留时间可调。

板材较厚小于30mm时，—般不需要横向摆动。

此外还需要控制器，除与普通熔化极气体保护焊相同的功能之外，还应具有监控熔池水平面、以改变行走速度和焊丝伸出长度的功能。

3.气电立焊工艺

气电立焊通常采用熔化极氧化性混合气体电弧焊或CO2焊方法．保护气体为80%（Ar）+

20%（CO2）混合气体或为纯CO2。

气电立焊用焊丝可为实芯焊丝，焊丝的直径通常为1.6~

4mm。

气电立焊常用的坡口形状，如表7-27中的图形，有I形坡口、V形坡口或X形坡口等。

一般在接头两端处加引弧板和引出板。

气电立焊的焊接参数对焊接的影响如下：

气电立焊的熔深是指对接接头侧面母材的入深度。

通常熔深随焊接的电流增加（或送丝速度的增加）而减小，即焊缝宽度减小。

同时焊接电流增加，则送丝速度、熔敷率和接头填充速度（既焊接速度）将提高。

焊接电流通常在750~1000A范闻内。

随着电弧电压增加，熔深

增大，而焊缝宽度增加。

电弧电压通常是30~55V之间。

焊接速度的控制随采用平特性或陡降特性电源而有所不同。

焊丝伸出长度为38~40mm，因此焊丝熔化速度较高。

板材厚度大于30mm的工件一般要作横向摆动，摆动速度为7~8mm/s。

导电嘴在距每侧冷却滑块约10mm处停留，停留时间在1~3s之间．以抵消水冷滑块对金属的冷却作用，使焊缀表面完全熔合。

表7-27气电立焊采用的坡口形状及特点