第二章 熔化极气体保护焊讲义Word格式文档下载.docx
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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
0.8
98%Ar+2%O2
150
0.9
165
1.1
220
1.6
275
不锈钢
170
225
285
铝
Ar
95
135
180
无氧铜
210
310
硅青铜
205
270
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。
但在堆焊和补焊焊件时，则采用正极性比较合适。
因为阴极发热量比较阳极大，焊丝的熔化系数大，约为反极性的1.6倍，金属熔敷效率高，可以提高生产率，由于熔深浅，对保证熔敷金属的性能有利。
2.5.5保护气体的成分及流量
保护气体的种类对焊缝成形有较大影响，如图2.17所示。
各种保护气体的特点极其对电弧特性、焊接质量的影响将在下面各种焊接方法中介绍。
图2.17保护气体的种类对焊缝成形的影响
气体流量的选择与焊接电流、焊接速度、焊丝干伸长以及作业环境等因素有关。
一般细丝小规范时，气体流量的范围通常为5—15l/min，中等规范焊接时约为20l/min，粗丝大规范一般为25—50l/min。
2.5.6焊丝直径
焊丝直径对焊缝的熔深有较大影响。
在相同的焊接规范下，随着焊接直径的减小，焊缝熔深增加。
当焊丝干伸长度较大时，焊丝直径对焊丝的熔化速度也有影响，随着焊丝直径的变小，焊丝的熔化速度提高。
在选择焊接规范时，一般应根据板厚、坡口形状及焊接位置，选择焊丝直径，然后在确定焊接电流。
表2.2为各种直径焊丝的适用范围。
表2.2各种焊丝直径的适用范围
短路过渡
颗粒状过渡
焊接电流（A）
焊接电压（V）
0.6
3070
1719
-
50100
1821
1.0
70120
1822
1.2
90150
1923
160400
2538
140200
2024
200500
2640
2.5.7焊丝的干伸长
如图2.18所示，焊丝的干伸长是导电嘴的末端到焊丝端部的距离。
增加干伸长即增加焊丝的电阻。
由于短路过渡焊接所采用的焊丝较细，焊丝干伸长产生的电阻热便成为不可忽略的因素。
当其它规范不变时，随着干伸长的增加，焊丝的熔化速度提高，焊接电流和焊缝熔深都有减小的趋势。
从保护气体效果看，该距离应尽量短，但由于飞溅容易堵塞喷嘴和难以观察熔池情况，所以还必须保持适当的高度为好。
在小电流焊接时（短路过度），焊丝干伸长一般为6～15mm；
大电流焊接时（其它过渡形式），该距离在15～25mm之内。
总之该距离应随焊接姿势、电弧的稳定性和作业环境的不同进行调整。
图2.18焊丝的干伸长
2.5.8焊枪的操作
焊枪的操作对焊缝的形状及熔深的影响较大。
焊枪操作有两种方法：
前进焊和后退焊。
前进焊焊枪的指示方向与焊接方向相同，后退焊焊枪的指示方向与焊接方向相反。
焊枪操作对焊缝熔宽和熔深的影响如图2.19（A）、（B）、（C）所示。
图2.19焊枪操作对焊缝熔宽和熔深的影响
前进焊的特点：
熔融金属向前流动，焊道宽、熔深小。
后退焊的特点：
焊道窄、熔深大；
易形成凸形焊缝；
电弧稳定；
飞溅少；
在深坡口内熔渣较多时效果良好。
在焊接中，一般采用前进焊，这种方法不会使空气混入保护气体内，从而获得稳定的电弧，在焊接比较深的焊缝时，为了防止过多的飞溅，有时也采用后退焊。
焊枪的前进角保持在10～15°
以内，为了使电弧有较强的硬直性，和增强在焊丝传送方向上的电弧力，如果焊枪过于倾斜的话，在焊枪前进方向上推动熔化金属的力就增大，从而使飞溅增多，出现熔化不好的结果。
对于一些材料，如铝焊接时最好采用前进焊，对前面熔融金属有‘清洁’作用，提高润湿性，减少金属氧化物。
水平角焊缝焊接时，除了焊枪角度以外，还必须注意焊接的目标位置。
在大电流情况下进行焊接时，如图2.20所示，焊枪与垂直板的夹角为35～45°
，让焊枪在水平板上偏离1～3mm，否则，不仅会使焊缝成形恶化，还会造成垂直板侧的咬边现象。
图2.20水平角焊缝中焊枪角度与目标位置
由于水平角焊缝限制焊脚尺寸在8～9mm之间，所以偏离目标位置的距离为2mm左右，但在利用短路过渡焊接小焊脚的角焊缝中，垂直板与水平板的交点就是目标位置。
2.5.9焊缝位置
喷射过渡一般用于平焊和横焊位置，脉冲喷射过渡可用于全位置的焊缝。
在立焊和仰焊位置为了克服重力的作用，一般采用较细的焊丝，对于短路过渡和脉冲喷射过渡，直径小于1.2mm的焊丝则较适合全位置焊接。
薄板的立焊缝采用向下焊接可取得较好的效果。
工件倾斜时，焊缝成形可因焊接方向的不同而有明显的不同。
当上坡焊时，熔池液态金属在重力和电弧力的作用下流向熔池尾部，电弧能深入地加热熔池底部的金属，使熔深和余高都增加。
同时，熔池前部加热作用减弱，电弧斑点飘动范围减小，熔宽减小。
上坡角度越大，影响也越显著。
上坡角度（工件与水平面的夹角）大于6~12℃时，焊缝就会因余高过大，两侧出现咬边而明显恶化。
下坡焊时，情况与上述正好相反，即熔深和余高略有减少，而熔宽将略有增加。
因此倾角小于6~8℃时可使焊缝表面成形得到改善，如果倾角过大，会导致未焊透和焊缝流溢等缺陷。
两种焊接方法的对焊缝成形的影响如图2.21所示。
图2.21上坡焊和下坡焊对焊缝成形的影响
2.6MIG焊接方法
2.6.1MIG焊接方法的主要特征
1.电弧稳定、飞测少、焊缝外观漂亮。
图2.22铝MIG焊接的焊缝外观
2.焊丝的熔化速度快、熔化深度大，熔敷效率高，与钨极氩弧焊相比，可大大提高生产效率，尤其适用于中等厚度和大厚度板材的焊接。
3.广泛用于铝材、不锈钢、铜合金、合金钢等金属的焊接
4.由于使用了惰性气体，所以能取得不混入杂质的良好的焊缝金属.。
MIG焊接方法的缺点是“有大风存在的地方不能使用”、“气体成本高”等，这些缺点是气体保护焊接方法的通病，可采取防风对策，MIG焊接方法大多用于有色金属的焊接。
2.6.2MIG焊的熔滴过渡形式
表2.3MIG焊接焊接时的过渡现象与所适用的作业关系
焊机型号
焊丝直径（mm）
过渡现象
所适用的作业
200～500A
0.9～1.6
射流过渡或亚射流过渡
用于中板、厚板焊接（向下、水平角焊接）
0.9～1.2
用于薄板、中板的全方位焊接
200～400A脉冲
0.9～016
介于颗粒过渡和射流过渡之间的混合过渡
100～125A细丝
0．4～0．8
用于薄板全方位焊接
MIG焊中存在的熔滴过渡形式主要有滴状,短路和喷射过渡。
滴状过渡使用的电流较小,熔滴直径比焊丝直径大,飞溅较大,焊接过程不稳定,因此在生产中很少采用。
短路过渡电弧电压较低,电弧功率比较小,通常仅用于薄板焊接。
生产中用的最广泛了是喷射过渡。
表2.3列举了MIG焊接时的过渡形式与所适应的作业的关系。
2.6.3MIG焊接材料
1.保护气体
主要有Ar、Ar+He、He、N2及Ar+H2，各种气体的适用范围及其特点如表2.4所示。
表2.4不同材料焊接时的保护气体及其适用范围
被焊材料
混合比
附注
铝及铝合金
直流反接有阴极破碎作用
Ar+He
26—90%He
电弧温度高。
适于焊接厚铝板，可增加熔深，减少气孔。
随着He的比例增大，有一定飞溅
钛、锆及其合金
Ar/He75/25
可增加热输入。
适于射流电弧、脉冲电弧及短路电弧
铜及其合金
板厚大于5—6mm时需预热
Ar/He50/50或30/70
输入热量比纯Ar大可以减小预热温度
N2
增大了输入热量，可降低或取消预热温度，但有飞溅及烟雾
Ar+N2
Ar/N280/20
输入热量比纯Ar大，但有一定的飞溅
不锈钢及高强度钢
焊接薄板
镍基合金
对于射流、脉冲及短路电弧均适用，是焊接镍基合金的主要气体
加15—20%He
增加热量输入
Ar+H2
H26%
加H2有利于抑制CO气孔
2.焊丝
MIG焊丝化学成分通常应和母材的成分相近,但有些情况下,为了满意地进行焊接并获得满意的焊缝金属性能,需要采用与母材成分完全不同的焊丝,如焊接高强度铝合金和合金钢的焊丝在成分上通常完全不同于母材,其原因在于某些合金在焊缝金属中将产生不利了冶金反应,从而产生缺陷或显著降低焊缝金属性能。
MIG焊丝在使用前必须经过严格的化学或机械清理,清除表面的油脂。
2.6.4脉冲MIG焊接方法
2.6.4.1概述
理想的MIG焊接的熔滴过渡形式是射流过渡，但是这种过渡形式需要很大的电流，因而不适宜进行薄板的焊接，此外，短路过渡形式难以焊接铝、铜合金和特殊钢等金属材料，这时使用“脉冲焊接法”是有效的。
在脉冲MIG焊接方法中，周期地流过大的脉冲电流（Ip），利用该电流产生的夹紧力使熔滴部进行过渡，基值电流（IB）使焊丝端部熔化,脉冲电流使熔滴脱离，如图2.23所示，脉冲焊接方法适用于薄板的焊接、特殊金属的焊接和全位置焊接等。
图2.23脉冲电流波形与熔滴过渡
2.6.4.2脉冲MIG焊接方法（MIGP）的特点
MIGP的峰值电流及熔滴过渡是间歇而又可控的,与连续电流MIG焊相比,在工艺上具有如下特点:
1.具有较宽的电流调节范围
普通的射流过渡和短路过渡焊接,因受熔滴过渡形式的限制,它们所能采用的焊接电流范围都是有限的。
而采用脉冲电流后,由于可在平均电流小于临界电流值的条件下获得射流过渡,因而同一种直径焊丝,随着脉冲效率的变化,能在高至几百安培,低至几十安培的电流范围内稳定地进行焊接。
所以熔化极脉冲氩弧焊的工作电流范围包括了从短路过渡到射流过渡所有的电流区域,可用于射流过渡和短路过渡所能焊接的一切场合。
既能焊接厚板,又能焊接薄板,焊接薄板时,熔透情况较短路过渡焊接好。
与钨板氩弧焊焊接薄板相比,生产率高,变形小。
有意义的是可以用粗丝来焊接薄板,采用1.6mm焊丝,焊铝和不锈钢时,前者只要40A,后者只要90A就可以使电弧稳定燃烧,熔滴成细滴过渡。
粗焊丝焊接薄板有如下优点:
对于铝等软质焊丝,粗丝送丝容易,且不偏摆,另外焊丝成本低。
由于表面积与体积之比减少,从而产生气孔的倾向减少。
表一为脉冲氩弧焊焊接不同材料时,出现射流过渡的最小电流值。
2.有利于实现定位焊接
采用脉冲电流后,可用较小的平均电流进行焊接,因而溶池体积小,加上溶滴过渡和金属的加热是间歇性的,所以不发生淌流。
另外,在脉冲峰值电流作用下,熔滴的轴向性相当好,无论在什么位置都能使金属熔滴沿着电弧轴线向熔池过渡,焊缝成形好,飞溅损失小。
3.可有效地控制输入热量,改善接头性能
脉冲MIG焊,既可使母材得到较大的熔深,又可控制总的平均焊接电流在较低的水平,对于焊接高强钢以及铝合金等热敏感性材料非常有利,焊缝金属和近缝区金属过热都比较小,从而使焊接接头具有良好的韧性,并减少了产生裂纹的倾向。
此外,脉冲电弧具有加强熔池搅拌作用,可以
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