湖南大学焊接工程基础第四章熔化极气体保护电弧焊.ppt

第四章熔化极气体保护电弧焊,主讲：黄建平电话料科学与工程学院315室,第四章熔化极气体保护电弧焊,学习目标掌握熔化极气体保护焊的原理、熔滴过渡、焊接区冶金保护及其气体选择；熟悉影响焊接质量的因素和保证焊接质量的措施；了解熔化极气体保护焊设备的基本组成；掌握常用的MIG焊、MAG焊、CO2气体保护焊的基本工艺技术。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,2,主要内容第一节熔化极气体保护电弧焊原理及分类第二节熔化极气体保护焊的气体选择与冶金特性第三节惰性及混合气体保护焊第四节CO2气体保护焊第五节药芯焊丝电弧焊第六节熔化极气体保护焊的特别技术,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,3,不讲,第四章熔化极气体保护电弧焊,第一节熔化极气体保护焊原理及分类,熔化极气体保护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方法，英文简称GMAW（GasMetalArcWelding）。一、熔化极气体保护焊原理热源：电弧（建立在焊丝与熔池间）焊缝：熔化焊丝+母材金属保护：气体保护、气-渣联合保护,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,4,二、熔化极气体保护焊方法分类及其应用依焊丝结构：实心焊丝气体保护焊、药芯焊丝电弧焊依保护气体：CO2气体保护焊、惰性气体保护焊(MIG：MetalInertGasArcWelding)、混合气体保护焊(MAG：MetalActive-GasArcWelding)依操作过程：半自动焊、自动焊应用：碳钢、低合金结构钢、不锈钢、铝、铜及其合金,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,5,第一节熔化极气体保护焊原理及分类,第一节熔化极气体保护焊原理及分类,三、熔化极气体保护焊的特点与焊条电弧焊和埋弧焊相比优点：生产率高、焊接变形小、焊缝含氢量比焊条电弧焊少、烟雾少、熔深大、明弧焊接可观察电弧熔池的状态和行为、可进行全位置焊接、无需清渣。缺点：焊接过程受环境制约（防风）、焊枪重，灵活性差、狭小空间不易焊接、设备较复杂、使用维护要求高。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,7,第一节熔化极气体保护焊原理及分类,三、熔化极气体保护焊的应用1适合焊接的材料：使用惰性保护气体，可焊接钢铁材料和非铁材料。但从焊丝供应和成本考虑主要用于铝铜钛及其合金、不锈钢、耐热钢的焊接。混合气体和CO2气体保护焊用于碳钢、低合金高强度钢的焊接。,2焊接位置：可进行全位置焊接，以平焊和横焊效率最高。3可焊厚度：薄至1mm以下，最厚不受限制。,第二节保护气体选择与冶金特性,保护气体作用：保护（隔离空气，使高温焊接区免遭空气侵害）；改善工艺性能（一定程度上影响甚至决定着电弧的能量特性、形态特征、工艺特性）；冶金作用。一、熔化极气体保护焊的气体选择按组元数量：单一气体、混合气体按气体化学性质：氧化性气体、还原性气体、惰性气体,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,8,保护气体选择原则对焊缝性能无害原则黑色金属(低碳钢、低合金结构钢)可以采用氧化性气体(如CO2、O2)做焊接气氛；有色金属必须采用惰性气体做焊接气氛。改善工艺及焊缝质量原则焊接碳钢或低合金高强钢时，常用Ar+CO2等混合气体；焊接不锈钢时常用Ar+O2混合气体。提高工艺技术水平原则提高电弧温度、能量密度、电弧的挺度以及电弧的导热速度以提高焊接生成率和焊接工艺质量,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,9,第二节保护气体选择与冶金特性,二、MIG及MAG焊的冶金特性MIG焊的特点惰性气体纯Ar或He：不与熔融金属发生化合；不会向熔滴和熔池金属溶解，焊缝金属纯净度高，气孔、缺陷少。注意：控制焊接热输入避免焊缝及焊接热影响区的塑、韧性降低；细滴、射流或旋转射流过渡可能发生低熔点元素蒸发。MAG焊的特点少量金属发生一定的氧化。在焊丝的选择时，焊丝的化学成分应给予一定的损失补偿量。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,10,第二节保护气体选择与冶金特性,三、CO2焊接的冶金特性1、CO2的特性在电弧高温作用下，CO2CO+1/2O2QO22OQCO2、O2和O具有强烈的氧化性，使Fe及其它合金元素氧化。氧化反应产物：SiO2、MnO、FeO、CO等。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,11,(K),第二节保护气体选择与冶金特性,2、脱氧措施FeO带来的问题：氧化产物FeO进入熔滴会引起C和合金元素烧损，甚至导致熔滴爆炸而产生飞溅；FeO进入熔池会引起C和合金元素烧损和CO气孔。熔池结晶后，残留在焊缝金属中的FeO将使焊缝中的含氧量增加而降低其力学性能。解决措施：在焊丝或药芯焊丝的药粉中加入脱氧剂合金元素，将FeO还原并补充熔池中的合金元素含量。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,12,第二节保护气体选择与冶金特性,脱氧原则：脱氧产物不能有气体；生成物密度要小，熔点要低。主要有Al、Ti、Si、Mn等。采用Si、Mn联合脱氧生成复合化合物MnOSiO2(硅酸盐)，易浮出熔池，凝固后成为渣壳覆盖在焊缝表面。碳含量的问题：为了防止气孔和减少飞溅以及降低焊缝产生裂纹的倾向，焊丝中的C一般都限制在0.15以下。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,13,第二节保护气体选择与冶金特性,3、气孔问题CO气孔FeO溶于熔池与C反应生成CO。CO气孔常出现在焊缝根部与表面，且多呈针尖状。控制措施：提高焊丝中脱氧元素Si和Mn含量、限制焊丝中的含碳量。氮气孔保护气层遭到破坏时空气侵入焊接区所致控制措施：增强气体的保护效果、选用含固氮元素（如Ti和Al）的焊丝。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,14,第二节保护气体选择与冶金特性,氢气孔氢的来源：电弧区的氢主要来自焊丝、工件表面的油污及铁锈，以及CO2气体中所含的水分，在电弧高温下都能分解出H2气。控制措施：减少熔池中氢的溶解量；焊接区氧化性的CO2存在减弱氢的有害作用；直流反接法。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,15,第二节保护气体选择与冶金特性,四、CO2气体及焊丝气体纯度对焊缝质量的影响液态CO2中可溶解约占质量0.05的水分，还有部分沉于钢瓶底部。水分会影响到焊缝金属的致密度。CO2气体的提纯方法将新灌气瓶倒立静置12h，然后打开阀门，把沉积在下部的自由状态的排出。然后在使用前先放气23次，放掉气瓶上部的气体。在气路系统中设置高压和低压干燥器。气压降到100kPa不再使用。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,16,第二节保护气体选择与冶金特性,CO2焊丝,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,17,第二节保护气体选择与冶金特性,第三节惰性及混合气体保护焊,一、熔化极惰性气体保护焊(MIG焊)1、特点电弧燃烧稳定、熔滴细小、熔滴过渡稳定、焊缝质量高；电流密度高、母材熔深大、焊丝熔化速度快、生产率高；直流反接时具有阴极清理作用（铝合金）；亚射流过渡电弧具有很强的固有自调节作用；几乎可焊所有金属，尤其适合镁铝铜钛锆镍等有色金属及不锈钢材料的焊接。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,18,2、MIG焊的质量控制熔滴过渡类型的合理选择喷射过渡：中厚板和大厚板的水平对接及角接焊(平角焊)脉冲射流过渡：上述情况+全位置焊接；短路过渡：薄板及全位置焊接。焊缝起皱现象的控制焊接电流过大、焊接区保护不良，导致阴极导电区集聚在弧坑底部，则容易产生焊缝起皱。控制方法：加强焊接区的保护；正确选择焊接工艺参数。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,19,第三节惰性及混合气体保护焊,3、亚射流过渡MIG焊亚射流过渡的电弧形态亚射流过渡区介于射流过渡区与短路过渡区之间。亚射流电弧的弧长很短，在焊丝端头逐渐向外扩展成蝶状，并发出轻轻的“啪啪”声。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,20,射流过渡：电弧较长，呈钟罩形，发出“咝咝”声,第三节惰性及混合气体保护焊,在亚射流过渡区中焊丝熔化系数随可见弧长的缩短而增大。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,21,亚射流过渡电弧的固有自调节特性,第三节惰性及混合气体保护焊,亚射流过渡时电弧的固有自调节特性等速送丝焊机匹配恒流外特性电源的弧长自调节系统。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,22,第三节惰性及混合气体保护焊,亚射流过渡时的焊接特性（与射流过渡形式相比）弧长变短，电弧呈蝶形，阴极清理区大，铝、镁合金焊接时焊缝起皱及形成黑粉倾向降低。由于采用了恒流电源，受外界干扰而发生了弧长或送丝速度波动时，焊缝几何尺寸（熔深、熔池形状、熔宽）的波动要小。指状熔深倾向减小，未熔合未熔透缺陷几率降低。焊接参数匹配，可实现自身调节。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,23,第三节惰性及混合气体保护焊,亚射流过渡时的参数匹配对于给定的焊接电流，其对应的最佳送丝速度范围很窄，不能仅仅依靠等速送丝配恒流电源自动调节，必须要求焊机带有焊接电流与送丝速度同步控制功能。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,24,第三节惰性及混合气体保护焊,第三节惰性及混合气体保护焊,焊接工艺参数的选择（1）焊丝直径细丝以短路过渡为主，薄板与全位置焊接；粗丝以射流过渡为主，厚板平位置焊接。（2）焊接电流根据工件厚度、焊接位置焊丝直径和熔滴过渡形式选择。（3）焊接电压影响熔滴过渡和焊缝成形，需与焊接电流匹配。过高产生气孔与飞溅、过低容易短路。（4）焊接速度自动25-150m/h;半自动5-60m/h。（5）喷嘴直径比TIG大，约20mm左右，距离工件12-22mm。（6）焊丝位置分前倾、后倾、垂直，前倾熔深大、余高大、焊道窄，后倾相反，垂直居中。,二、熔化极混合气体保护焊（MAG）1、工艺优点克服了单组元气体对焊接过程稳定性或焊接质量的某些不利影响，使焊接过程和焊接质量更可靠。Ar+CO2、Ar+CO2+O2、Ar+O2等混合气体常用来焊接黑色金属。(单纯Ar气保护，熔池粘度大、润湿性差、气孔、咬边、指状熔深倾向性大、阴极斑点稳定性差，焊缝几何尺寸均匀性差)增大电弧的热功率，提高焊接生产率。Ar+CO2等混合气体有提高电弧热功率和能量密度的特性。氧化性气氛可以改善熔滴的过渡特性、熔深及电弧的稳定性。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,26,第三节惰性及混合气体保护焊,2、混合气体种类Ar+He：He的传热系数大，电弧电压和电弧温度比氩弧高得多。Ar+H2：利用氢还原性抑制和消除CO气孔；提高电弧温度，增加母材热量输入。Ar+N2：电弧温度高，但飞溅大。Ar+O2：克服阴极飘移，降低液态金属粘度及表面张力，细化熔滴，改善熔滴过渡和焊缝形状。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,27,第三节惰性及混合气体保护焊,Ar+CO2：克服阴极漂移和焊缝成形不良问题。Ar+CO2+O2：焊缝成形、接头质量、熔滴过渡、电弧稳定性较好。CO2+O2：熔池温度提高、熔深增大，焊缝金属含氢量较低，能采用强规范焊接、电弧稳定、飞溅很小，必须配用强脱氧能力的焊丝。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,28,第三节惰性及混合气体保护焊,三、熔化极气体保护焊设备组成：焊接电源、送丝系统、焊枪和(行走系统)、供气系统和冷却水系统、控制系统。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,29,第三节惰性及混合气体保护焊,1、焊接电源GMAW所需求的电流为50500A，特种应用1500A，电源负载持续率60%100%，空载电压5585V。焊丝直径小于1.6mm，采用缓降或平特性电源配等速送丝系统（等速送丝电弧自身调节系统）；焊丝直径大于2mm，采用陡降外特性配变速送丝系统（变速送丝弧压反馈调节系统）。铝、镁焊丝采用亚射流熔滴过渡（电弧电压较小）时，采用恒流特性电源配等速送丝系统（等速送丝电弧固有自调节系统）。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,30,第三节惰性及混合气体保护焊,2、控制装置：基本控制系统+程序控制系统基本控制系统：在焊前或焊接过程中调节焊接工艺参数；程序控制系统：对焊接电源、送丝系统、焊枪和行走系统、供气和供水系统等各组成部分按照预先设计好的焊接工艺程序进行控制。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,31,第三节惰性及混合气体保护焊,3、焊枪：送丝、送气、导电分为自动和半自动焊枪要求：送丝稳定、连续、准确且抗干扰能力强导电嘴导电性能好、耐磨，熔点高。对焊接区保护可靠半自动焊枪需要轻便、灵活、易于观察焊接区可根据焊接电流、保护气氛和焊接时间等选择水冷却或气冷却,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,32,第三节惰性及混合气体保护焊,4、送丝系统送丝系统由送丝机构、送丝软管及焊丝盘等组成。要求：电动机机械性能尽可能硬一点；拖动控制电路具有较高的控制精度和抗干扰能力送丝软管尽可能短一些，软管内径与焊丝直径相配合，摩擦系数要小。导丝孔的加工精度高、孔径长度尺寸适合。,第三节惰性及混合气体保护焊,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,34,焊丝直径0.8-2.0mm,软管长度2-5m,焊丝直径0.8mm,15m,第三节惰性及混合气体保护焊,第四节CO2气体保护焊,一、CO2焊接方法的特点及应用优点：电弧弧柱直径较小。焊接区保护效果良好、密度高，分解后体积膨胀。CO2电弧熔透能力较大，焊丝熔化系数大，生产率高。焊接生产成本低，节约电能。焊接区可见度好；焊接热影响区和焊接变形较小；熔池体积较小结晶速度较快，全位置焊接性能良好；对锈污敏感性低等优点。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,35,缺点：焊缝外观成形欠美观；焊接飞溅较大，抗风能力差，不能焊接易氧化性的材料。解决措施：采用新型的焊接材料、波形控制电源与熔滴过渡控制技术。应用前景：在黑色金属薄板及中厚板焊接领域有着广阔的应用空间。在一些发达国家中，CO2焊接方法的应用已占整个焊接生产的60左右，广泛用于汽车、造船、石油化工、机械等领域。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,36,第四节CO2气体保护焊,二、CO2焊接工艺技术熔滴过渡类型的选择（短路、细熔滴、潜弧射滴）焊丝直径选择极性选择焊缝坡口尺寸熔敷控制技术焊件的焊前及焊后处理,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,37,第四节CO2气体保护焊,1、短路过渡工艺工艺特点：通常采用细焊丝（0.61.6mm）、低电压、小电流工艺。电弧电压低、焊接电流小、热输入功率小，熔透能力和熔池体积较小，结晶速度快，再加上熄弧与燃弧交替进行，适用于薄板及全位置焊接场合。热辐射与光辐射低，烟尘较小。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,38,第四节CO2气体保护焊,工艺参数的选择原则：电弧电压和焊接电流（需配合，电压过低引弧困难，过高短路过渡变成大滴过渡，焊接过程不稳定）焊接主回路电感L(控制焊接电流增长速率di/dt，过大小滴飞溅，过小大滴飞溅）焊接速度：一般视焊缝成形而定，过快出现咬边、驼峰焊道，过慢产生烧穿、焊道变宽、组织变粗等缺陷。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,39,第四节CO2气体保护焊,焊丝伸出长度（1020mm）直接影响熔化速度。过小，喷嘴易堵，焊丝回烧，气保护效果变差，不便观察。过大，电弧稳定性变差，易产生大颗粒飞溅，熔深变小，气保护效果变差。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,40,第四节CO2气体保护焊,极性选择：直流反极性气体流量：小规范：515L/min；中规范：20L/min；大规范：2550L/min。一般先根据板厚、坡口形式、焊接位置等选定焊丝直径；然后选择焊接电流及电弧电压；焊接速度视焊缝成形而定。再调节主回路L值，以使飞溅最小。焊丝伸出长度、气体流量、极性等据经验数据。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,41,第四节CO2气体保护焊,2、（细）颗粒(滴）过渡焊接工艺颗粒过渡大都采用较粗（1.6mm和2.0mm）的焊丝，选择较大的焊接电流和适当的电弧电压。颗粒过渡焊接电流比短路过渡的高1倍以上，电弧电压高50以上。颗粒过渡时的电弧功率较大，穿透力较强，母材熔深大，适合于焊接中等厚度及大厚度工件。电源仍采用直流反极性接法，回路电感对抑制飞溅不起作用。,2019/11/23,第四章熔化极气体保护电弧焊,42,第四节CO2气体保护焊,3、半短路过渡/混合过渡介于短路过渡和细颗粒过渡之间的过渡形式。以短路过渡为主，伴随少量颗粒过渡。焊接电流和电弧电压介于两者之间。用于中等厚度工件的焊接。4、潜