第六章 氣體保護電弧焊

第六章氣體保護電弧焊一、基本要求1、了解氣體保護電弧焊的特點及應用2、掌握二氧化碳氣體保護焊的熔滴過渡特點3掌握氣體保護電弧焊主要工藝的特點及工藝參數(shù)的選擇原則4、掌握二氧化碳氣體焊的冶金特點5、掌握二氧化碳氣體焊防止飛濺的措施6、了解氣體保護焊的設(shè)備二、重點1、氣體保護電弧焊主要工藝的特點及工藝參數(shù)的選擇原則2、二氧化碳氣體保護焊向熔滴中施加合金元素的方式。3、二氧化碳氣體焊防止飛濺的措施6.1氣體保護電弧焊概述

氣體保護電弧焊的發(fā)展史。6.1.1 氣體保護電弧焊的原理氣體保護電弧焊是用外加氣體作為電弧介質(zhì)并保護電弧和焊接區(qū)的電弧焊，簡稱氣體保護焊。圖6-1氣體保護電弧焊示意圖a—非熔化極氣電焊b—熔化極氣電焊1—電源2—噴嘴3—鎢極4—金屬6.1.2保護氣體

保護氣體的主要有：氬氣（Ar）、氦氣(He)、氮氣、二氧化碳氣體等氣體。

混合氣體氬氣、氦氣是惰性氣體，常用于鋁、鎂、鈦等金屬及其合金的焊接氮氣、氫氣是還原性氣體?？勺鳛殂~及銅合金焊接的保護氣體。

二氧化碳氣體是氧化性氣體。主要用于碳素鋼及低合金鋼的焊接。被焊材料保護氣體混合比（%）化學性質(zhì)焊接方法鋁及鋁合金Ar惰性熔化極及鎢極Ar+HeHe10銅及銅合金Ar惰性熔化極及鎢極Ar+N2N220熔化極N2還原性不銹鋼Ar惰性鎢極Ar+O2O21～2氧化性熔化極Ar+O2+CO2O22；CO25碳鋼及低合金鋼CO2氧化性熔化極Ar+CO2CO210～15CO2+O2鈦及鈦合金Ar惰性熔化極及鎢極Ar+HeHe25鎳基合金Ar惰性熔化極及鎢極Ar+HeHe15Ar+N2N26還原性鎢極表6-1常用保護氣體的選擇6.1.3氣體保護電弧焊的分類（1）根據(jù)所用的電極材料不同可分為：不熔化極氣體保護和熔化極氣體保護焊兩類。（2）按保護氣體的種類不同可分為：氬弧焊、氦弧焊、氮弧焊、氫原子焊、二氧化碳氣體保護焊、混合氣體保護焊等方法。（3）按操作方法分為：手工、半自動和自動氣體保護焊。6.2二氧化碳氣體保護電弧焊6.2.1二氧化碳氣體保護電弧焊概述1、二氧化碳氣體保護電弧焊焊接過程。2．二氧化碳氣體保護電弧焊的特點：（一）二氧化碳氣體保護焊有如下工藝優(yōu)點：1、焊接成本低 CO2氣體及CO2焊焊絲價格便宜，焊接能耗低。2、焊縫質(zhì)量好

3、生產(chǎn)效率高4、適用范圍廣適用于各種位置的焊接，而且既可用于薄板的焊接又可用于厚板的焊接；5、便于實現(xiàn)自動化 二氧化碳焊是明弧焊，便于監(jiān)視及控制，而且焊后無需清渣，有利于實現(xiàn)焊接過程機械化及自動化（二）二氧化碳氣體保護焊有如下缺點：1、焊縫成形較粗糙，飛濺較大。2、勞動條件較差

6.2.2 二氧化碳焊的冶金特點（一）二氧化碳電弧的氧化性 在電弧熱量作用下，二氧化碳發(fā)生分解，放出氧氣： 2CO22CO+O2 氧氣又進一步分解為氧原子： O22O因此，二氧化碳電弧具有很強的氧化性，使鐵及合金元素（Si、Mn、Cr、Ni、Ti、C等）發(fā)生氧化。1、氧化反應的不利后果：1）合金元素大量燒損；2）C與O反應，生成CO氣體，易于導致氣孔。2、措施：必須采用必要的措施進行脫氧在焊絲中加入適量的脫氧劑，脫氧劑與O的親和力比Fe及C強，因此可阻止Fe、C等與O發(fā)生不利的反應。二氧化碳焊絲一般采用Si、Mn聯(lián)合脫氧，有些焊絲中還加少量的Ti。（二）二氧化碳焊的氣孔問題 1、CO氣孔 一氧化碳氣孔產(chǎn)生的主要原因是以下反應： FeO+C=Fe+CO該反應通常發(fā)生于熔池尾部，此處的液態(tài)金屬溫度接近結(jié)晶溫度，反應很強烈且CO沒有時間析出，因此，CO易殘留于熔池中形成氣孔。只要選擇的焊絲正確，焊絲中的脫氧元素就會抑制FeO生成，產(chǎn)生CO氣孔的可能性很小。

2、氫氣孔二氧化碳電弧中有大量的氧原子，氧原子可與焊接區(qū)的氫結(jié)合成不溶于熔池的羥基，因此二氧化碳焊對氫氣孔不敏感。3、氮氣孔這是二氧化碳焊焊縫中出現(xiàn)幾率最大的一種氣孔。這種氣孔主要是由侵入焊接區(qū)的空氣引起的。只要保證良好的保護效果，這種氣孔一般也不會產(chǎn)生。

6.2.3 二氧化碳焊的熔滴過渡特點

熔滴過渡方式主要有：大滴排斥過渡、短路過渡、細顆粒過渡及混合過渡（短路過渡+顆粒過渡）等三種。（一）短路過渡1、產(chǎn)生條件采用細絲，并配以小電流及小電壓進行焊接時，熔滴過渡為短路過渡。2、特點1）通常產(chǎn)生一體積小、凝固速度快的熔池，因此適合于薄板焊接及全位置焊接。2）熔滴與熔池間短路后，在表面張力及電磁收縮力的作用下形成縮徑小橋，短路縮徑小橋在不斷增大的短路電流作用下汽化爆斷，將熔滴推向熔池，完成過渡。有飛濺。3、短路過渡對電源的動特性具有如下的要求：（1）熔滴與熔池短路時，電弧熄滅，過渡完成后，電弧又重新引燃。為了保證電弧能夠順利引燃，要求電源的空載電壓上升速度要快。（2）短路小橋的位置及爆斷時間、爆破能量直接決定了飛濺的大小，當短路小橋產(chǎn)生在焊絲與熔滴之間，爆破能量較小且能夠及時爆斷時，飛濺較小。而短路小橋的位置及爆斷時間、爆破能量可通過在焊接回路中加一適當?shù)碾姼衼碚{(diào)節(jié)。

短路過渡（二）細顆粒過渡細顆粒過渡出現(xiàn)在電弧電壓較高、焊接電流較大的情況下。焊接方向6.2.4飛濺的原因及預防飛濺的措施1、飛濺對焊接過程的影響a降低焊接生產(chǎn)效率，b增加了焊接材料及電能的損耗，c增加了輔助工作量，d過量的飛濺使焊接質(zhì)量下降。2．產(chǎn)生飛濺的原因（1）由冶金反應引起的飛濺。（2）由極點壓力引起的飛濺。（3）由熔滴短路引起的飛濺。（4）由非軸向粗滴過渡造成的飛濺。（5）由焊接工藝參數(shù)選用不當引起的飛濺。2、防止飛濺的措施（1）采用含有硅錳脫氧元素的焊絲，降低焊絲的含碳量，并適當增加鋁、鈦等脫氧能力強的元素，還可以用藥芯焊絲，減少飛濺。（2）在氣體中加入少量氬氣（3）采用直流反接進行焊接。（4）對于短路過渡電弧焊，在焊接回路中加入一個適當?shù)碾姼?；還可以采用電流波形控制法，防止短路最大電流值過大。（5）正確的選擇CO2焊的焊接工藝參數(shù)，減小飛濺。6.2.5二氧化碳氣體保護焊的焊接材料CO2焊材料有：焊絲和CO2氣體1、CO2焊絲CO2焊時，為了保證焊縫具有足夠的力學性能，以及不產(chǎn)生氣孔等，焊絲中必須比母材含有較多的硅、錳或鋁等脫氧元素，此外，為了減少飛濺，焊絲的含碳量必須限制在0.10﹪以下。

H08Mn2SiA焊絲，是CO2焊用得最普遍的一種焊絲，有較好的工藝性能和較高的機械性能指標。

表6-2CO2焊常用的焊絲牌號及用途焊絲牌號用途H08MnSiH08MnSiA焊接低碳鋼及σs＜300Mpa的低合金鋼H10MnSiA焊接一般低碳鋼及低合金鋼H08Mn2Si焊接σs＜500Mpa的低合金鋼H04Mn2SiTiAH04MnSiAlTiA焊接質(zhì)量要求高的低合金鋼H08MnSiCrMoAH08MnSiCrMoVA焊接耐熱鋼和調(diào)質(zhì)鋼CO2焊所用的焊絲的要求：1、一般直徑在0.5～5.0mm范圍內(nèi)；2、焊絲直徑要均勻。CO2半自動常用的焊絲，有0.8、1.0、1.2、1.6毫米等幾種。自動焊時，除上述各種直徑焊絲外，還可以采用直徑2.0～5.0毫米的焊絲。焊絲表面有鍍銅和不鍍銅的兩種，鍍銅可防止生銹，有利于保存，并可改善焊絲的導電性能，提高焊接過程的穩(wěn)定性。焊絲使用時應徹底去除表面的油、銹等雜物。2．CO2氣體

焊接用CO2氣體的一般標準是：CO2氣體純度應不小于99.5﹪，含水量、含氮量均不得超過0.1﹪，如果純度不夠，可以進行提純處理。6.2.6二氧化碳氣體保護焊的設(shè)備CO2保護焊所用的設(shè)備，按操作形式不同，可分為半自動焊設(shè)備和自動設(shè)備兩類。半自動焊設(shè)備用得最多，且具有代表性，所以，下面以CO2半自動設(shè)備（圖6-5）為例，對焊接電源、送絲系統(tǒng)、焊槍、供氣系統(tǒng)及控制系統(tǒng)等幾部分，分別介紹各個組成部分的基本原理、構(gòu)造及作用。（一）電源（1）對焊接電源的要求由于CO2焊用交流電源焊接時，電弧很不穩(wěn)定，飛濺也很嚴重。因此，只能使用直流電源。為了適應CO2焊的特點，對焊接電源提出如下的要求：1）在采用等速送絲時，焊接電源應具有平特性及緩降的外特性曲線。2）焊接電源應有良好的動特性。3）焊接電流及電弧電壓能在一定范圍內(nèi)調(diào)節(jié)。（2）焊接電源的分類CO2焊的焊接電源，可分為弧焊整流器和弧焊發(fā)電機兩類。（二）控制系統(tǒng)控制各個部件按照一定的時間順序進入/退出工作狀態(tài)。1、引?。?）爆裂引弧：適用于細絲，其基本過程是：首先使焊絲與工件短路，在較大的短路電流的作用下，焊絲與工件的接觸部位發(fā)生爆斷，引燃電弧。2）慢送絲引弧適用于粗絲，基本方法及原理與爆裂引弧類似，其不同點是通過緩慢送絲使焊絲與工件接觸，以保證引弧的可靠性。2、熄弧方式1）焊絲返燒熄弧反燒熄弧時，先停止送絲，電弧繼續(xù)燃燒，弧長逐漸增大，經(jīng)過一定時間后切斷電源，電弧熄滅，停止焊接。2）電流衰減熄弧首先使焊接電流及送絲速度衰減，填滿弧坑后，再停止送絲并切斷電源。（三）氣路和水路1、氣路系統(tǒng)除了氣瓶、減壓閥、流量計、軟管及氣閥以外，二氧化碳焊機的氣路系統(tǒng)還需安裝預熱器及干燥器。2、干燥器用于減少焊縫中的含氫量。干燥器有兩種：高壓干燥器和低壓干燥器。高壓干燥器安裝在減壓閥前，低壓干燥器安裝在減壓閥之后。一般情況下，只需安裝高壓干燥器。如果對焊縫質(zhì)量的要求不高，也可不加干燥器。2、水路系統(tǒng)水路系統(tǒng)通以冷卻水，用于冷卻焊炬及電纜。6.2.7二氧化碳氣體保護焊工藝一）、二氧化碳氣體保護焊工藝參數(shù)的選擇（一）焊絲直徑1、短路過渡CO2焊一般采用細絲，以提高過渡頻率，穩(wěn)定焊接電弧。通常采用的焊絲直徑有0.8mm、1.2mm及1.6mm三種。2、細顆粒過渡CO2焊采用的焊絲直徑一般大于1.2mm，通常采用的焊絲直徑有1.6、2.0、3.0和4.0等四種。（二）焊接電流及電弧電壓1、 短路過渡電弧電壓是最重要的焊接參數(shù)，因為它直接決定了熔滴過渡的穩(wěn)定性及飛濺大小，影響焊縫成形及焊接接頭的質(zhì)量。 短路過渡CO2焊通常采用直流反接。采用直流反接時，電弧穩(wěn)定，飛濺小，熔深大。但在堆焊及焊補鑄件時，應采用直流正接，這是因為，正接時焊絲為陰極，陰極產(chǎn)熱大，焊絲熔化速度快，生產(chǎn)率高。 電流的大小要與電弧電壓相匹配。表7-1給出了三種直徑焊絲的最佳短路過渡焊接規(guī)范。

焊絲直徑/mm0.81.21.6電弧電壓/V181920焊接電流/A100110120135140180表7-1 短路過渡的電流值及電弧電壓范圍。焊絲直徑/mm電流下限值/A電弧電壓/V1.640034452.05003.06504.07502、細顆粒過渡細顆粒過渡CO2焊也采用直流反接。根據(jù)被焊材料及板厚選擇焊接電流，然后根據(jù)焊接電流、焊絲直徑選擇電弧電壓，焊接電流越大，焊絲直徑越小，選擇的電弧電壓也應越大。但電弧電壓也不得太高，否則飛濺將顯著增大。表7-2給出了細顆粒過渡的最低電流值及電弧電壓范圍。（三）焊接速度焊接速度與焊接電流適當配合才能得到良好焊縫成形。焊接速度過大：熔寬、熔深減小，甚至產(chǎn)生咬邊、未熔合、未焊透等缺陷。焊接速度過慢：降低生產(chǎn)率，導致燒穿、焊接變形過大等缺陷。半自動短路CO2保護焊的焊接速度一般為15mh-130mh-1。（四）焊接回路電感1、短路過渡作用：1）控制短路電流上升速度及短路電流峰值。短路電流上升速度（di/dt）決定于回路電感：di/dt=(U0–iR)/L式中 U0—電源空載電壓； i—瞬時電流 R—焊接回路中的電阻 L—焊接回路中的電感因此，焊接回路中應串接適當?shù)碾姼小?、細顆粒過渡對于細顆粒過渡CO2焊，回路電感對抑制飛濺的作用不大，一般不要求在焊接回路中加電感元件。（五）焊絲干伸長度1、短路過渡：焊絲很細，焊絲干伸長度對熔滴過渡、電弧的穩(wěn)定性及焊縫成形均具有很大的影響。?干伸長度過大，電阻熱增大，焊絲容易因過熱而熔斷，導致嚴重飛濺及電弧不穩(wěn)。此外，干伸長度過大時，焊接電流降低，電弧的熔透能力下降，易導致未焊透。?干伸長度過小，噴嘴離工件的距離很小，飛濺金屬顆粒易堵塞噴嘴。干伸長度一般應控制在5mm15mm內(nèi)。2、細顆粒過渡焊絲較粗，焊絲干伸長度對熔滴過渡、電弧的穩(wěn)定性及焊縫成形的影響不大。但由于飛濺較大，噴嘴易于堵塞，因此，干伸長度應選得大一些，一般應控制在10mm20mm內(nèi)。（六）氣體流量?短路過渡：保護氣體流量一般為5Lmin-115Lmin-1。?細顆粒過渡：所用焊接電流比短路過渡大，焊接速度也大，因此采用的保護氣體流量也應適當增大，一般為10Lmin-120Lmin-1。（七）噴嘴至工件的距離短路過渡CO2焊時，噴嘴至工件的距離應盡量取得適當小一些，以保證良好的保護效果及穩(wěn)定的過渡，但也不能過小。噴嘴至工件的距離一般應取焊絲直徑的12倍左右。例厚度為6mm的開V形坡口平板對接CO2自動焊焊前準備母材選用Q235碳鋼，兩對接板的厚度為6mm，開V形坡口，裝配間隙及定位焊如圖6-12所示，板對接平焊的反變形如圖6-13所示。圖6-12裝配間隙及定位焊圖6-13板對接平焊的反變形將焊縫坡口及其兩側(cè)各20mm范圍內(nèi)的鐵銹，氧化皮及污垢等清理干凈，至露出金屬光澤為止。焊接時采用H08Mn2SiA焊絲，焊絲要按規(guī)定烘干，焊絲表面油銹等須徹底清除，若局部彎折盤絲時應校直，焊接參數(shù)如表6-6所示。表6-6板厚6mmV形坡口對接平板的焊接參數(shù)焊接層次位置焊絲直徑/mm焊接電流/A焊接電壓/V氣體流量/（L/min）自動焊焊速/m.h-1打底層1.2180-42023-4315-2520-42蓋面層200-45026-4320-2520-42焊接焊前先檢查裝配間隙及反變形是否合適，試板放在水平位置，間隙小的一端放在右側(cè)。焊接時要注意兩點：1）焊道表面要平整，兩側(cè)熔合良好，最好焊道的中部稍下凹，坡口兩側(cè)不能咬邊，以免焊蓋面層焊道時兩側(cè)產(chǎn)生夾渣。2）不能熔化試板上表面的棱邊，保證打底層焊道離試板上表面距離2mm左右較好。焊接過程中，焊槍除保持原有角度，電弧對中位置和噴嘴高度外，還應加大焊槍的橫向擺動幅度，保證熔池兩側(cè)超過坡口上表面棱邊0.5~1.5mm，并勻速前進。6.3氬弧焊6.3.1氬弧焊概述氬弧焊是使用氬作為保護氣體的一種氣體保護焊。1．氬弧焊的特點——氬弧焊與其它電弧焊接方法相比，具有如下的特點：（1）氬氣保護性能優(yōu)良，能獲得較為純凈及質(zhì)量高的焊縫。（2）熱影響區(qū)很窄，焊接變形與應力均小，裂紋傾向也小。（3）容易實現(xiàn)焊接過程的機械化和自動化。在一定條件下可進行各種空間位置的焊接。（4）可焊的材料范圍很廣。

2．氬弧焊的分類及應用

氬弧焊按所用的電極不同脈沖氬弧焊

可分為：鎢極脈沖氬弧焊和熔化極脈沖氬弧焊。與普通氬弧焊的根本區(qū)別是采用脈沖焊接電流

脈沖氬弧焊電源的基本原理

圖6-14脈沖氬弧焊電源示意圖1—基本電流2—脈沖焊接電流3—脈沖電